微机原理接口技术06_IO接口与总线技术

1、 介绍输入输出介绍输入输出I/OI/O端口的编址；数据传送的基本端口的编址；数据传送的基本方式（无条件、查询、中断、方式（无条件、查询、中断、DMADMA）；介绍总线的分）；介绍总线的分级结构，总线的仲裁和传输方式；概述微型计算机系级结构，总线的仲裁和传输方式；概述微型计算机系统的三代总线标准，重点分析统的三代总线标准，重点分析PCIPCI总线；描述显示卡总线；描述显示卡使用的使用的AGPAGP图形接口和系统常用的外部总线、串行的图形接口和系统常用的外部总线、串行的USBUSB总线的电气特性及数据交换格式等。总线的电气特性及数据交换格式等。 第第6 6章章 I/OI/O接口与总线技术接口与总线

2、技术 输入输入/输出接口电路是微机系统的重要组成部分，输出接口电路是微机系统的重要组成部分，微机通过它们与外部设备进行微机通过它们与外部设备进行数据交换数据交换。各种外部。各种外部设 备 通 过 输 入 输 出 接 口 （设 备 通 过 输 入 输 出 接 口 （ I n p u t / O u t p u t Interface）与系统连接，并在接口电路的支持下）与系统连接，并在接口电路的支持下实现数据的传送和操作控制。实现数据的传送和操作控制。6.1 输入输入/输出接口（输出接口（I/O接口）接口） 常用的外部设备有键盘、鼠标、显示器、打印机、常用的外部设备有键盘、鼠标、显示器、打印机、绘

3、图仪、网卡、软硬盘驱动器、数模转换器、模数转绘图仪、网卡、软硬盘驱动器、数模转换器、模数转换器、扫描仪等，它们通过挂接在总线上的接口电路换器、扫描仪等，它们通过挂接在总线上的接口电路与微处理器相连。与微处理器相连。 接口电路以其功能可分为两类：一是接口电路以其功能可分为两类：一是微处理器所微处理器所需的辅助需的辅助/控制电路控制电路，利用这些电路，微处理器可获，利用这些电路，微处理器可获得时钟信号或接收外部的中断请求等；二是得时钟信号或接收外部的中断请求等；二是输入输入/输输出接口电路出接口电路，它们使微处理器可接收外部设备送来的，它们使微处理器可接收外部设备送来的信息或将信息发送给外部设备。

4、信息或将信息发送给外部设备。 6.1 输入输入/输出接口（输出接口（I/O接口）接口） 微机系统的输入微机系统的输入/输出信息是通过输出信息是通过I/O接口电路接口电路进行的。进行的。I/O接口电路是计算机与外部设备间传送接口电路是计算机与外部设备间传送信息的部件，它是把外部设备连接到总线上的信息的部件，它是把外部设备连接到总线上的一组一组逻辑电路逻辑电路的总称，从而实现外部设备与的总称，从而实现外部设备与CPU之间的之间的信息交换信息交换。接口技术专门研究。接口技术专门研究CPU与外部设备间的与外部设备间的数据传送方式、接口电路的工作原理和使用方法等。数据传送方式、接口电路的工作原理和使用方

5、法等。6.1.1 6.1.1 输入输入/ /输出信息输出信息 I/O接口的典型结构接口的典型结构6.1.1 6.1.1 输入输入/ /输出信息输出信息 1.1.数据信息数据信息 （1）数字量）数字量：数字量是使用二进制形式表示的：数字量是使用二进制形式表示的数据、图形、文字等信息。数据、图形、文字等信息。 （2）模拟量）模拟量：连续变化的物理量，如温度、压：连续变化的物理量，如温度、压力等。由传感器先将其变为电压或电流信号，通过力等。由传感器先将其变为电压或电流信号，通过模模/数转换器变成数字量，送入计算机处理。数转换器变成数字量，送入计算机处理。 （3）开关量）开关量：用开关量可表示两种状态

6、，如开：用开关量可表示两种状态，如开关的闭与合、电机的转与停、三极管的通与断等，关的闭与合、电机的转与停、三极管的通与断等，这样的量用一位二进制数表示即可。这样的量用一位二进制数表示即可。6.1.1 6.1.1 输入输入/ /输出信息输出信息 2.2.状态信息状态信息 状态信息反映了外部设备当前所处的状态信息反映了外部设备当前所处的工作状态工作状态，是外部设备发送给是外部设备发送给CPU的，用来协调的，用来协调CPU和外部设和外部设备间的操作。对于输入设备通常用准备好备间的操作。对于输入设备通常用准备好（READY）信号表示输入数据是否准备好；对于）信号表示输入数据是否准备好；对于输出设备常用

7、忙（输出设备常用忙（BUSY）信号表示输出设备是否）信号表示输出设备是否处于空闲状态。若有空闲，则可接收处于空闲状态。若有空闲，则可接收CPU送来的信送来的信息，否则息，否则CPU将等待。将等待。6.1.1 6.1.1 输入输入/ /输出信息输出信息 3.3.控制信息控制信息 控制信息是控制信息是CPU发送给外部设备的，以控制外发送给外部设备的，以控制外部设备的工作。如对外部设备的初始化、外部设备部设备的工作。如对外部设备的初始化、外部设备的启动和停止等控制信息。的启动和停止等控制信息。6.1.1 6.1.1 输入输入/ /输出信息输出信息 1对输入对输入/输出数据进行缓冲与暂存输出数据进行缓

8、冲与暂存 在微机中在微机中CPU通过接口与外部设备交换信息。因通过接口与外部设备交换信息。因输入接口连接在数据总线上，所以只有当输入接口连接在数据总线上，所以只有当CPU从该接从该接口输入数据时才允许选通的输入接口将数据送到总线口输入数据时才允许选通的输入接口将数据送到总线上，由上，由CPU读取，其他时间不得占用总线。因此一般读取，其他时间不得占用总线。因此一般使用三态缓冲器作输入接口，当使用三态缓冲器作输入接口，当CPU未选中此接口时未选中此接口时三态缓冲器的输出为高阻状态。三态缓冲器的输出为高阻状态。6.1.2 I/O接口的功能接口的功能 输出时输出时CPU通过总线将数据传送到输出接口内通

9、过总线将数据传送到输出接口内的的数据寄存器数据寄存器中，再由外部设备读取。在中，再由外部设备读取。在CPU向它写向它写入新的数据前此数据将保持不变。数据寄存器一般有入新的数据前此数据将保持不变。数据寄存器一般有锁存器实现，如锁存器实现，如74LS273。输出接口有锁存环节，。输出接口有锁存环节，输入接口有缓冲环节。输入接口有缓冲环节。6.1.2 I/O接口的功能接口的功能 2实现信号形式和数据类型的转换实现信号形式和数据类型的转换 计算机直接处理的信号一般是计算机直接处理的信号一般是二进制二进制的形式，外的形式，外部设备不能直接使用；而外部设备所送的信号可能为部设备不能直接使用；而外部设备所送

10、的信号可能为一定范围的一定范围的数字量、脉冲量或开关量数字量、脉冲量或开关量，不能由计算机，不能由计算机直接处理。输入直接处理。输入/输出口必须进行信号输出口必须进行信号电平与类型的电平与类型的转换转换，如信号形式匹配，如信号形式匹配(A/D、D/A)、信息格式、信息格式(字字节流、块、数据包、帧节流、块、数据包、帧)、电平、功率、码制等需解、电平、功率、码制等需解决的问题，将它们转变成适合对方的形式才可。决的问题，将它们转变成适合对方的形式才可。 6.1.2 I/O接口的功能接口的功能 3缓解外部设备与缓解外部设备与CPU工作速度的差异工作速度的差异 I/O接口既向接口既向CPU进行联络，又

11、向外部设备进行进行联络，又向外部设备进行联络，从而实现了两者的联络，从而实现了两者的速度匹配速度匹配。同时可对外部设。同时可对外部设备进行监测、控制与管理、中断处理、时序匹配备进行监测、控制与管理、中断处理、时序匹配(定定时关系时关系)、总线隔离、总线隔离(三态门三态门)、提供信号电平和驱动能、提供信号电平和驱动能力力(电平转换器、驱动器电平转换器、驱动器)、地址译码与设备选择。、地址译码与设备选择。 6.1.2 I/O接口的功能接口的功能 4实现实现I/O端口的寻址端口的寻址 微机系统中会有许多外部设备，一个外部设备的微机系统中会有许多外部设备，一个外部设备的接口电路中又可能占用多个接口电路

12、中又可能占用多个I/O端口（端口（PORT），每），每个端口用来保存和交换不同的信息。每个端口必须有个端口用来保存和交换不同的信息。每个端口必须有各自的端口地址供各自的端口地址供CPU访问。所以接口电路中包含有访问。所以接口电路中包含有地址译码电路使地址译码电路使CPU能够寻址到每个端口。能够寻址到每个端口。6.1.2 I/O接口的功能接口的功能6.1.3 I/O接口芯片的分类接口芯片的分类 1.通用接口芯片通用接口芯片 支持通用的数据输入输出和控制的接口芯片；支持通用的数据输入输出和控制的接口芯片；如单向三态缓冲器如单向三态缓冲器74LS244,基本输出接口芯片，如基本输出接口芯片，如锁存器

13、锁存器74LS273和和74LS373等。等。 2.面向外设的专用接口芯片面向外设的专用接口芯片 针对某种外设设计、与该种外设接口；如并行针对某种外设设计、与该种外设接口；如并行接口接口8255、串行接口、串行接口8250等。等。 3. 面向微机系统的专用接口芯片面向微机系统的专用接口芯片 与与CPU和系统配套使用，以增强其总体功能；和系统配套使用，以增强其总体功能；如中断控制接口如中断控制接口8259、DMA接口等。接口等。 有的接口电路具有有的接口电路具有可编程性可编程性，有的接口电路具，有的接口电路具有多种功能和工作方式，可以通过编程的方法选定有多种功能和工作方式，可以通过编程的方法选定

14、其中一种接口。其中一种接口。 接口软件接口软件有两类：一是有两类：一是初始化程序段初始化程序段，用于设，用于设定芯片工作方式等；二是定芯片工作方式等；二是数据交换程序段数据交换程序段，用于管，用于管理、控制、驱动外部设备。理、控制、驱动外部设备。6.1.4 I/O接口的寻址方式接口的寻址方式 CPU与外部设备的数据交换，是通过与外部设备的数据交换，是通过I/O接口接口进行的。为了区分每一个接口，我们采用对每一个进行的。为了区分每一个接口，我们采用对每一个I/O接口进行编号，即称其为接口进行编号，即称其为I/O接口的地址。利用接口的地址。利用I/O接口的地址可以很方便的确定外部设备使用的接口的地

15、址可以很方便的确定外部设备使用的I/O接口，这就是对接口，这就是对I/O接口的寻址。对接口的寻址。对I/O接口的接口的编号，也称为编号，也称为编址编址，可以有两种方式。，可以有两种方式。 如图所示，在这种如图所示，在这种方式中，把外部设备接方式中，把外部设备接口与内存统一进行编址，口与内存统一进行编址，故每一个外部设备端口故每一个外部设备端口占有存储器的一个地址。占有存储器的一个地址。 1. I/O接口的统一编址接口的统一编址6.1.4 I/O接口的寻址方式接口的寻址方式 在在80X86系列微机系系列微机系统中采用这种工作方式，统中采用这种工作方式，外设地址空间和内存地址外设地址空间和内存地址

16、空间相互独立。空间相互独立。CPU有专有专门的门的I/O指令和相应的控指令和相应的控制电路、控制信号，用地制电路、控制信号，用地址来区分不同的外设。址来区分不同的外设。 2. I/O端口独立编址端口独立编址6.1.4 I/O接口的寻址方式接口的寻址方式 CPU用地址来选择外设，用地址来选择外设，I/O端口独立编址，端口独立编址，不占用存储器的地址空间不占用存储器的地址空间，使，使CPU具有较大的内存具有较大的内存空间。访问空间。访问I/O端口使用专用的输入指令端口使用专用的输入指令IN和输出和输出指令指令OUT。 其优点是要寻址的外设的端口地址，显然比内其优点是要寻址的外设的端口地址，显然比内

17、存单元的地址要少得多，存单元的地址要少得多，译码电路简单译码电路简单，存储器与，存储器与I/O的操作指令不同，的操作指令不同，程序比较清晰程序比较清晰；存储器与；存储器与I/O端口独立编址，可以分别设计。端口独立编址，可以分别设计。 6.1.4 I/O接口的寻址方式接口的寻址方式 在微机控制外部设备期间，最基本的操作是传在微机控制外部设备期间，最基本的操作是传送数据。但外部设备的速度慢，如何使送数据。但外部设备的速度慢，如何使CPU与外部与外部设备的速度匹配，确保数据传送的正确和高效是很设备的速度匹配，确保数据传送的正确和高效是很重要的问题。一般情况下微机系统与外部设备间的重要的问题。一般情况

18、下微机系统与外部设备间的数据传送，即数据传送，即CPU与与I/O接口间的信息传送，称为接口间的信息传送，称为信息交换信息交换。 6.2 CPU与外设的数据传送方式与外设的数据传送方式无条件传送方式用于低速外设无条件传送方式用于低速外设，在这种情况下，在这种情况下，外设始终处于准备就绪状态，可与外设始终处于准备就绪状态，可与CPU无条件的无条件的进行信息交换；进行信息交换；查询传送方式查询传送方式也用于低速外设，在一定的条件下也用于低速外设，在一定的条件下与与CPU进行信息交换；进行信息交换；中断控制传送方式中断控制传送方式用于中、低速外设，要求在传用于中、低速外设，要求在传送过程中送过程中CP

19、U有较高的工作效率；有较高的工作效率；DMA方式方式用于高速外设与计算机系统进行信息交用于高速外设与计算机系统进行信息交换的场合。换的场合。6.2 CPU与外设的数据传送方式与外设的数据传送方式 程序直接控制传送方式程序直接控制传送方式是由程序来控制微机与是由程序来控制微机与I/O接口间的信息传送。通常的方法是在用户程序中接口间的信息传送。通常的方法是在用户程序中安排了由安排了由I/O指令和其他指令组成的程序段，直接控指令和其他指令组成的程序段，直接控制制I/O接口的输入、输出操作。程序直接控制传送方接口的输入、输出操作。程序直接控制传送方式又分为无条件传送方式与查询传送方式。式又分为无条件传

20、送方式与查询传送方式。6.2.1 6.2.1 无条件传送方式无条件传送方式 无条件传送方式是指数据的传送过程中，发送与无条件传送方式是指数据的传送过程中，发送与接收数据的双方均接收数据的双方均不查询判断对方的状态不查询判断对方的状态，直接进行，直接进行无条件的数据传送。这种方式程序设计简单，一般适无条件的数据传送。这种方式程序设计简单，一般适用于用于总是处于准备好状态的外设总是处于准备好状态的外设。 如读取开关的状态、发光器件、继电器、步进电机如读取开关的状态、发光器件、继电器、步进电机等。缺点是只适用于简单外设，适应范围较窄。等。缺点是只适用于简单外设，适应范围较窄。6.2.1 6.2.1

21、无条件传送方式无条件传送方式 CPU与与I/O设备的工作往往是设备的工作往往是异步异步的，很难保证的，很难保证当当CPU执行输入操作时，外设已把要输入的信息准备执行输入操作时，外设已把要输入的信息准备好了；而当好了；而当CPU执行输出时，外设的寄存器（用于存执行输出时，外设的寄存器（用于存放放CPU输出数据的寄存器）一定是空的。所以，通常输出数据的寄存器）一定是空的。所以，通常程序控制的传送方式在传送之前，必须要程序控制的传送方式在传送之前，必须要查询查询一下外一下外设的状态，当外设准备就绪了才设的状态，当外设准备就绪了才传送传送；若未准备好，；若未准备好，则则CPU等待等待。 6.2.2 查

22、询传送方式查询传送方式 1. 查询式输入查询式输入 在输入时，在输入时，CPU必须了解外设的状态，看外设必须了解外设的状态，看外设是否准备好。当输入设备的数据已准备好后，发出是否准备好。当输入设备的数据已准备好后，发出一个选通信号，一边把数据送入锁存器，一边给出一个选通信号，一边把数据送入锁存器，一边给出Ready的状态信号的状态信号“1”。而数据与状态必须由不同。而数据与状态必须由不同的端口输至的端口输至CPU数据总线。当数据总线。当CPU要由外设输入信要由外设输入信息时，先输入状态信息，检查数据是否已准备好，息时，先输入状态信息，检查数据是否已准备好，当数据已经准备好后，才输入数据。读入数

23、据的指当数据已经准备好后，才输入数据。读入数据的指令，使状态信息清令，使状态信息清“0”。 6.2.2 查询传送方式查询传送方式 2. 查询式输出查询式输出 在输出时在输出时CPU也必须了解外设的状态，看外设也必须了解外设的状态，看外设是否有空（即外设是否正处在输出状态，或外设的是否有空（即外设是否正处在输出状态，或外设的数据寄存器是空的，可以接收数据寄存器是空的，可以接收CPU输出的信息），输出的信息），若有空，则若有空，则CPU执行输出指令，否则就等待。执行输出指令，否则就等待。 6.2.2 查询传送方式查询传送方式查询传送方式查询传送方式6.2.2 查询传送方式查询传送方式 在查询传送方

24、式中，在查询传送方式中，CPU要不断地询问外设，要不断地询问外设，当外设没有准备好时，当外设没有准备好时，CPU要等待，不能进行别的操要等待，不能进行别的操作，这样就浪费了作，这样就浪费了CPU的时间。而且许多外设的速度的时间。而且许多外设的速度是较低的，如键盘、打印机等等，它们输入或输出一是较低的，如键盘、打印机等等，它们输入或输出一个数据的速度是很慢的，在这个过程中，个数据的速度是很慢的，在这个过程中，CPU可以执可以执行大量的指令。行大量的指令。 6.2.3 中断传送方式中断传送方式 为了提高为了提高CPU的效率，可采用的效率，可采用中断的传送方式中断的传送方式：在输入时，若外设的输入数

25、据已存入寄存器；在输出在输入时，若外设的输入数据已存入寄存器；在输出时，若外设已把上一个数据输出，输出寄存器已空，时，若外设已把上一个数据输出，输出寄存器已空，由由外设向外设向CPU发出中断请求发出中断请求，CPU就暂停原执行的程就暂停原执行的程序（序（ 即即实现中断实现中断），转去执行输入或输出操作（），转去执行输入或输出操作（中断中断服务服务），待输入输出操作完成后即返回，），待输入输出操作完成后即返回，CPU再继续再继续执行原来的程序。这样就可以大大执行原来的程序。这样就可以大大提高提高CPU的效率的效率，而且允许而且允许CPU与外设（甚至多个外设）同时工作。与外设（甚至多个外设）同时工

26、作。 6.2.3 中断传送方式中断传送方式 中断传送仍是由中断传送仍是由CPU通过程序来传送，每次要保通过程序来传送，每次要保护断点，保护现场需用多条指令，每条指令要有取指护断点，保护现场需用多条指令，每条指令要有取指和执行时间。这对于一个高速和执行时间。这对于一个高速I/O设备，以及成组交设备，以及成组交换数据的情况，例如磁盘与内存间的信息交换，就显换数据的情况，例如磁盘与内存间的信息交换，就显得速度太慢了。所以希望用硬件在外设与内存间得速度太慢了。所以希望用硬件在外设与内存间直接直接进行数据交换（进行数据交换（DMA），而不通过），而不通过CPU，这样数据，这样数据传送的速度的上限就取决于

27、存储器的工作速度。传送的速度的上限就取决于存储器的工作速度。 6.2.4 直接数据通道传送方式（直接数据通道传送方式（DMA） 通常系统的地址和数据总线以及一些控制信号线通常系统的地址和数据总线以及一些控制信号线是由是由CPU管理的。在管理的。在DMA方式时，就希望方式时，就希望CPU把这把这些些总线让出来总线让出来（即（即CPU连到这些总线上的线处于第三连到这些总线上的线处于第三态态高阻状态），而高阻状态），而由由DMA控制器接管控制器接管，控制传送的，控制传送的字节数，判断字节数，判断DMA是否结束，以及发出是否结束，以及发出DMA结束等结束等信号。这些都是由硬件实现的。信号。这些都是由硬

28、件实现的。 6.2.4 直接数据通道传送方式（直接数据通道传送方式（DMA） 1. DMA控制器（控制器（DMAC）的基本功能）的基本功能 DMAC是控制存储器和外部设备之间直接高速是控制存储器和外部设备之间直接高速地传送数据的硬件电路，它应能取代地传送数据的硬件电路，它应能取代CPU，用硬件，用硬件完成各项功能。具体地是应具有如下功能：完成各项功能。具体地是应具有如下功能： （1）能接收外设的请求能接收外设的请求，向，向CPU发出发出DMA请求请求信号。信号。 （2）当）当CPU发出发出DMA响应信号之后，响应信号之后，接管对总接管对总线的控制线的控制，进入，进入DMA方式。方式。6.2.4

29、 直接数据通道传送方式（直接数据通道传送方式（DMA） （3）能）能寻址存储器寻址存储器，即能输出地址信息和修改地址。，即能输出地址信息和修改地址。 （4）能向存储器和外设发出相应的）能向存储器和外设发出相应的读读/写控制信号写控制信号。 （5）能）能控制传送的字节数控制传送的字节数，判断，判断DMA传送是否结束。传送是否结束。 （6）在）在DMA传送结束以后，能结束传送结束以后，能结束DMA请求信号，请求信号，释放总线释放总线，使，使CPU恢复正常工作。恢复正常工作。 6.2.4 直接数据通道传送方式（直接数据通道传送方式（DMA） 2. DMA传送方式传送方式 （1）单字节方式）单字节方式

30、：每次：每次DMA请求只传送一个字请求只传送一个字节数据，每传送完一个字节，都撤除节数据，每传送完一个字节，都撤除DMA请求信号，请求信号，释放总线。释放总线。 （2）字节（字符）组方式）字节（字符）组方式：每次：每次DMA请求连续请求连续传送一个数据块，待规定长度的数据块传送完了以传送一个数据块，待规定长度的数据块传送完了以后，才撤除后，才撤除DMA请求，释放总线。请求，释放总线。6.2.4 直接数据通道传送方式（直接数据通道传送方式（DMA） 总线是一种总线是一种数据通道数据通道，由系统中各部件，由系统中各部件所共享。或者说，是在部件与部件之间、设所共享。或者说，是在部件与部件之间、设备与

31、设备之间传送信息的一组备与设备之间传送信息的一组公用信号线公用信号线。在主控设备（部件和设备）的控制之下，将在主控设备（部件和设备）的控制之下，将发送设备（部件和设备）发出的信息准确地发送设备（部件和设备）发出的信息准确地传送给某个接收设备（部件和设备）的传送给某个接收设备（部件和设备）的信号信号通路通路。6.3 6.3 总线技术总线技术6.3.1 6.3.1 总线的概念总线的概念 总线的特点在于其总线的特点在于其公用性公用性，即它可同时挂接多个，即它可同时挂接多个部件或设备。如果是某两个部件或设备之间专用的信部件或设备。如果是某两个部件或设备之间专用的信号连线，就不能称之为总线。所以总线是连

32、接计算机号连线，就不能称之为总线。所以总线是连接计算机硬件系统内多种设备的硬件系统内多种设备的通信线路通信线路。总线的一个很重要。总线的一个很重要的特征是传输媒质由总线上的所有部件所共享，可以的特征是传输媒质由总线上的所有部件所共享，可以将计算机系统内的多种部件连接到总线上。将计算机系统内的多种部件连接到总线上。6.3.1 6.3.1 总线的概念总线的概念 通常总线是由通常总线是由多条通信路径多条通信路径或线路组成的，而每或线路组成的，而每一条信号线一条信号线仅能传送二进制仅能传送二进制的的0或或1信号。在一段时间信号。在一段时间里，一条信号线就能传送一串的二进制信息，将几条里，一条信号线就能

33、传送一串的二进制信息，将几条信号线组合在一起，这样总线就可以在同一时间并行信号线组合在一起，这样总线就可以在同一时间并行地传输二进制信息。像一个字节信息就可以通过总线地传输二进制信息。像一个字节信息就可以通过总线中的中的8条信号线完成信息的传输。条信号线完成信息的传输。6.3.1 6.3.1 总线的概念总线的概念 计算机系统中含有计算机系统中含有多种总线多种总线，计算机系统内各，计算机系统内各个层次之间的信息传送就是由总线来完成的。个层次之间的信息传送就是由总线来完成的。 总线上的任何一个部件发出的信息，计算机系统总线上的任何一个部件发出的信息，计算机系统内所有连接到总线上的部件都可以内所有连

34、接到总线上的部件都可以接收接收得到。但在进得到。但在进行信息传输时，每一次只能有一个叫做行信息传输时，每一次只能有一个叫做主控设备主控设备的部的部件可以利用总线给一个叫做件可以利用总线给一个叫做从属设备从属设备的部件发送信息。的部件发送信息。6.3.1 6.3.1 总线的概念总线的概念 1主控设备（主控设备（Master） 主控设备是主控设备是控制总线操作控制总线操作的一个模块。总线主控的一个模块。总线主控设备一旦被确认就可以对总线进行控制，并能够着手设备一旦被确认就可以对总线进行控制，并能够着手进行数据传送。也就是说，如果一个模块欲向另一个进行数据传送。也就是说，如果一个模块欲向另一个模块发

35、送数据，它就要模块发送数据，它就要获得对总线的使用权获得对总线的使用权，成为总，成为总线主控设备，才可以通过总线将数据传送给另一个设线主控设备，才可以通过总线将数据传送给另一个设备。备。6.3.1 6.3.1 总线的概念总线的概念 2从属设备（从属设备（Slave） 从属设备能够从属设备能够响应响应在总线上对数据进行传送的请在总线上对数据进行传送的请求，但总线从属设备求，但总线从属设备自己不能启动自己不能启动这种在总线上进行这种在总线上进行数据传送的请求。如果一个模块欲接收从总线主控设数据传送的请求。如果一个模块欲接收从总线主控设备发过来的数据，首先必须获得对总线的使用权，答备发过来的数据，首

36、先必须获得对总线的使用权，答应总线主控设备，发出应总线主控设备，发出可以收数据可以收数据的响应信号。然后的响应信号。然后等待总线主控设备发出的数据，并且在控制总线的控等待总线主控设备发出的数据，并且在控制总线的控制之下接收从数据总线上传送过来的数据。制之下接收从数据总线上传送过来的数据。6.3.1 6.3.1 总线的概念总线的概念 在计算机系统内拥有多种总线，它们在各个层在计算机系统内拥有多种总线，它们在各个层次上，为各部件之间的通信提供通路。次上，为各部件之间的通信提供通路。 1. 按信号性质分按信号性质分 除电源线外，总线按其所传输信号的性质可分除电源线外，总线按其所传输信号的性质可分为三

37、类：为三类： 地址总线地址总线AB 数据总线数据总线DB 控制总线控制总线CB 6.3.2 6.3.2 总线分类总线分类 地址总线相对较简单，地址总线相对较简单，微处理器微处理器CPU和其它总和其它总线部件作为主控模块时其地址线都是线部件作为主控模块时其地址线都是输出输出的，输出的，输出给要寻址的从模块，如存储器或给要寻址的从模块，如存储器或I/O端口等；当总端口等；当总线部件作为受控的线部件作为受控的从模块从模块时，其地址线都是时，其地址线都是输入输入的，的，接收主模块送来的地址信号以决定要访问的从模块接收主模块送来的地址信号以决定要访问的从模块之具体单元。之具体单元。 数据线一般都是数据线

38、一般都是双向传输双向传输，在主从模块间传送、，在主从模块间传送、交换数据。交换数据。6.3.2 6.3.2 总线分类总线分类 控制总线则比较复杂，即使功能相同的控制总线则比较复杂，即使功能相同的模块因模块因型号不同也有显著差别型号不同也有显著差别，如不同型号的，如不同型号的CPU其地址其地址总线和数据总线大致相似，而控制总线却差异较大。总线和数据总线大致相似，而控制总线却差异较大。正是控制总线的不同特性，决定了各种模块的不同正是控制总线的不同特性，决定了各种模块的不同接口特点。控制总线的基本功能是控制存储器及接口特点。控制总线的基本功能是控制存储器及I/O读写操作，此外还包括中断与读写操作，此

39、外还包括中断与DMA控制、总线控制、总线判决、数据传输握手联络等。判决、数据传输握手联络等。 6.3.2 6.3.2 总线分类总线分类 2. 按系统层次分按系统层次分 整个计算机系统包含许多模块，这些模块功能整个计算机系统包含许多模块，这些模块功能不同、性能各异，位于系统的不同层次上，整个系不同、性能各异，位于系统的不同层次上，整个系统按模块化构建，采用统按模块化构建，采用多总线分级结构多总线分级结构。同一类型。同一类型的总线在不同的层面上连接不同部位上的模块，其的总线在不同的层面上连接不同部位上的模块，其名称、作用、数量、电气特性和形态各不相同，按名称、作用、数量、电气特性和形态各不相同，按

40、总线连接的对象和所处系统的层次来分，总线有总线连接的对象和所处系统的层次来分，总线有芯芯片级总线片级总线、系统总线系统总线、局部总线局部总线和和外部总线外部总线。6.3.2 6.3.2 总线分类总线分类芯片级总线芯片级总线：用于模块内芯片一级的互连，是芯片：用于模块内芯片一级的互连，是芯片与外围支撑芯片的连接总线。与外围支撑芯片的连接总线。系统总线系统总线：连接计算机系统内部各模块的主干线，：连接计算机系统内部各模块的主干线，是连接芯片级总线、局部总线和外部总线的纽带。是连接芯片级总线、局部总线和外部总线的纽带。局部总线局部总线：插在系统总线与：插在系统总线与CPU总线之间，直接连总线之间，直

41、接连接接CPU总线与高速外设的传输通道。总线与高速外设的传输通道。外部总线外部总线：外部总线又称设备总线，是连接计算机：外部总线又称设备总线，是连接计算机与外部设备的总线。与外部设备的总线。 6.3.2 6.3.2 总线分类总线分类 3. 按传输方式分按传输方式分 并行总线并行总线中的每个信号都有自己的传输线，所中的每个信号都有自己的传输线，所有信号并行传送；有信号并行传送； 串行总线串行总线一般只用一条或少数几条传输线，信一般只用一条或少数几条传输线，信号在一条传输线上依次顺序串行传输。串行总线以号在一条传输线上依次顺序串行传输。串行总线以前通常用于连接串行设备和通信线路，多属外部总前通常用

42、于连接串行设备和通信线路，多属外部总线，传统的计算机结构中多数采用并行总线；由于线，传统的计算机结构中多数采用并行总线；由于串行总线引脚少、功耗低，串行技术得到飞速发展串行总线引脚少、功耗低，串行技术得到飞速发展 6.3.2 6.3.2 总线分类总线分类 总线上连接的设备越多，总线上连接的设备越多，传输延迟传输延迟就越大，尤就越大，尤其是当总线控制频繁地由一个设备传递到另一个设其是当总线控制频繁地由一个设备传递到另一个设备时。当聚集的总线传输请求接近总线容量时，总备时。当聚集的总线传输请求接近总线容量时，总线便会成为线便会成为瓶颈瓶颈。通过提高总线的数据传输率可以。通过提高总线的数据传输率可以

43、缓解之，但视频控制器、网络接口等所需求的数据缓解之，但视频控制器、网络接口等所需求的数据传输率增长很快，传输率增长很快，单总线解决不了传输瓶颈单总线解决不了传输瓶颈。6.3.3 6.3.3 多总线分级结构多总线分级结构 1. 传统总线结构传统总线结构 传统总线结构中，传统总线结构中，局部总线连接处理器和高速局部总线连接处理器和高速缓存缓存，支持一个或多个高速局部设备（模块）。高，支持一个或多个高速局部设备（模块）。高速缓存通过高速缓存控制器连接到局部总线和系统速缓存通过高速缓存控制器连接到局部总线和系统总线，经系统总线连到所有的主存储器模块。将主总线，经系统总线连到所有的主存储器模块。将主存储

44、器从局部总线移到系统总线，可使主存储器及存储器从局部总线移到系统总线，可使主存储器及I/O端口通过系统总线的数据传输而不影响处理器端口通过系统总线的数据传输而不影响处理器的活动。的活动。 6.3.3 6.3.3 多总线分级结构多总线分级结构6.3.3 6.3.3 多总线分级结构多总线分级结构 传统总线结构还使用一个或多个传统总线结构还使用一个或多个扩充总线扩充总线，通，通过扩充总线接口来缓冲系统总线和扩充总线上的过扩充总线接口来缓冲系统总线和扩充总线上的I/O控制器之间的数据传输。与将控制器之间的数据传输。与将I/O控制器直接控制器直接连到系统总线的结构相比，该结构不仅将处理器与连到系统总线的

45、结构相比，该结构不仅将处理器与存储器的通信与存储器的通信与I/O通信隔开，从而使数据传输更通信隔开，从而使数据传输更高效，而且支持更广泛的高效，而且支持更广泛的I/O设备，适应性更广。设备，适应性更广。 6.3.3 6.3.3 多总线分级结构多总线分级结构 2. 高性能总线结构高性能总线结构 6.3.3 6.3.3 多总线分级结构多总线分级结构 高速缓存控制器高速缓存控制器集成到连接高速总线的桥或集成到连接高速总线的桥或设备缓冲器中。设备缓冲器中。 高速缓冲控制器经局部总线连接处理器，经高速缓冲控制器经局部总线连接处理器，经系统总线连接系统总线连接主存储器主存储器。 低速设备低速设备仍由扩充总

46、线支持，经扩充总线接仍由扩充总线支持，经扩充总线接口来缓冲扩充总线和高速总线之间的通信流量。口来缓冲扩充总线和高速总线之间的通信流量。 连接到高速总线上的设备经高速缓冲连接到高速总线上的设备经高速缓冲/ /桥与桥与CPUCPU局部总线局部总线相连，进行高速数据传输，相连，进行高速数据传输， 6.3.3 6.3.3 多总线分级结构多总线分级结构 3. 奔腾机分级总线结构奔腾机分级总线结构 6.3.3 6.3.3 多总线分级结构多总线分级结构 图中与微处理器直接相连的是高速主总线系图中与微处理器直接相连的是高速主总线系统，其上连接有高速缓存统，其上连接有高速缓存Cache和和系统控制逻辑系统控制逻

47、辑。系统控制逻辑一般称为系统控制逻辑一般称为“北桥北桥”控制逻辑，上面设控制逻辑，上面设有有AGP接口（接插显卡，支持对图形控制器和整个接口（接插显卡，支持对图形控制器和整个显示的控制）、系统主存储器，连到下一级的显示的控制）、系统主存储器，连到下一级的PCI局部总线等，这些模块具有较高的数据传输率。局部总线等，这些模块具有较高的数据传输率。6.3.3 6.3.3 多总线分级结构多总线分级结构 PCI局部总线上连接有局部总线上连接有总线转换控制逻辑总线转换控制逻辑，通，通常又称常又称“南桥南桥”控制逻辑。南桥控制逻辑负责控制逻辑。南桥控制逻辑负责PCI总线接口与系统中数据传输率较低接口之间的数

48、据总线接口与系统中数据传输率较低接口之间的数据交换，这些接口包括交换，这些接口包括IDE接口、接口、ISA总线接口、总线接口、USB接口等；另外，南桥逻辑还负责一些系统功能接口等；另外，南桥逻辑还负责一些系统功能管理，包括对中断请求的管理、管理，包括对中断请求的管理、DMA的传输控制、的传输控制、系统定时与计数等。系统定时与计数等。6.3.3 6.3.3 多总线分级结构多总线分级结构 一个模块占有总线进行总线操作须做两件事：一个模块占有总线进行总线操作须做两件事： 一是获得一是获得总线的使用权总线的使用权； 二是通过总线向另一模块二是通过总线向另一模块传送数据传送数据；或者经相应；或者经相应的

49、控制线与地址线向其它模块的控制线与地址线向其它模块发送请求发送请求，然后等待，然后等待接收另一模块发送来的数据。接收另一模块发送来的数据。6.3.4 6.3.4 总线操作总线操作 总线类似一个总线类似一个“公路网公路网”，把系统内的各个模，把系统内的各个模块连接起来。系统总线相当于块连接起来。系统总线相当于“公路网公路网”中的中的国道国道，芯片级总线相当于芯片级总线相当于城市道路城市道路，局部总线相当于连接，局部总线相当于连接到中心城市到中心城市(即即CPU或主控器或主控器)的的专线专线，外部总线相，外部总线相当于连接到其它当于连接到其它“公路网公路网”的道路。的道路。 主控模块要占有总线进行

50、数据传输也必须先提主控模块要占有总线进行数据传输也必须先提出出总线申请总线申请；当多个主控模块同时都提出总线申请；当多个主控模块同时都提出总线申请时，必须按一定规则进行时，必须按一定规则进行仲裁仲裁。6.3.4 6.3.4 总线操作总线操作 任何时候，只能有一个部件或模块占据、控制、任何时候，只能有一个部件或模块占据、控制、使用总线，称之为当前使用总线，称之为当前主模块主模块或当前主控器。主模或当前主控器。主模块一旦获得总线控制权，就开始与另一部件或模块块一旦获得总线控制权，就开始与另一部件或模块联系，进行一次数据传输，这后一部件或模块称为联系，进行一次数据传输，这后一部件或模块称为从模块从模

51、块。 主模块负责控制和支配总线，向从模块发出命主模块负责控制和支配总线，向从模块发出命令来指定数据传输方式和传输的地址信息（源和目令来指定数据传输方式和传输的地址信息（源和目标）。标）。6.3.4 6.3.4 总线操作总线操作占用总线进行数据传输一般要有四个阶段。占用总线进行数据传输一般要有四个阶段。 总线请求和仲裁总线请求和仲裁(Bus request & Arbitration) 寻址寻址(Addressing) 数据传送数据传送(Data Transfer) 结束结束(Ending)阶段阶段 6.3.4 6.3.4 总线操作总线操作 总线仲裁即总线仲裁即总线判决总线判决，目的是避

52、免多个主控器，目的是避免多个主控器同时占用总线，确保任何时候总线上最多同时占用总线，确保任何时候总线上最多只有一个只有一个模块发送信息模块发送信息。 当多个主控模块同时提出总线请求时，仲裁机当多个主控模块同时提出总线请求时，仲裁机构以一定的构以一定的优先算法裁决优先算法裁决由哪一个模块获得总线使由哪一个模块获得总线使用权。用权。 6.3.5 总线仲裁总线仲裁 按按裁决机构的设置裁决机构的设置，总线仲裁可分为集中式控，总线仲裁可分为集中式控制和分布式控制。制和分布式控制。集中式控制集中式控制将总线控制逻辑基本将总线控制逻辑基本上集中于一个设备，上集中于一个设备，分布式控制分布式控制则将总线控制逻

53、辑则将总线控制逻辑分散在总线连接的各个部件或设备中。分散在总线连接的各个部件或设备中。 按按裁决方式裁决方式主要有主要有定时查询定时查询、串行链接仲裁串行链接仲裁、并行仲裁并行仲裁和和串并仲裁串并仲裁等。等。 6.3.5 总线仲裁总线仲裁 1.定时查询定时查询 定时查询方式中各模块的总线请求信号经一条定时查询方式中各模块的总线请求信号经一条公共的请求线向控制器发出，控制器轮流对各模块公共的请求线向控制器发出，控制器轮流对各模块进行测试看是否有请求。进行测试看是否有请求。 6.3.5 总线仲裁总线仲裁 2.串行链接控制串行链接控制 串行链接仲裁简称串链仲裁、串行仲裁，又叫串行链接仲裁简称串链仲裁

54、、串行仲裁，又叫“菊花链菊花链”仲裁仲裁(robin Daisy chaining)。该仲裁。该仲裁法又有二线菊花链、三线菊花链、四线菊花链之分。法又有二线菊花链、三线菊花链、四线菊花链之分。 6.3.5 总线仲裁总线仲裁 3.并行仲裁并行仲裁 并行仲裁又称并行仲裁又称独立请独立请求仲裁求仲裁(Independent Request Arbitration)。该仲裁方式每个主控器都该仲裁方式每个主控器都各自有独立的总线请求线各自有独立的总线请求线BR、总线允许线、总线允许线BG。 6.3.5 总线仲裁总线仲裁 4.并串仲裁并串仲裁 并串仲裁是把串行仲裁和并行仲裁结合起来的并串仲裁是把串行仲裁和

55、并行仲裁结合起来的二维仲裁二维仲裁。 6.3.5 总线仲裁总线仲裁 总线传输方式即总线传输方式即总线通信方式总线通信方式，俗称，俗称总线握手方总线握手方式式。握手线的数目因方式不同而异，握手线以信号电。握手线的数目因方式不同而异，握手线以信号电平的某种变化来标明总线传输的开始和结束，在主从平的某种变化来标明总线传输的开始和结束，在主从模块之间实现可靠的数据传输。模块之间实现可靠的数据传输。 通信方式通常有四种：通信方式通常有四种：同步传输、异步传输、同步传输、异步传输、半同步传输半同步传输和和周期分裂式传输。周期分裂式传输。 6.3.6 6.3.6 总线传输方式总线传输方式 1.同步传输方式同

56、步传输方式 该方式的数据传输在一个该方式的数据传输在一个共同的时钟信号控制共同的时钟信号控制下进行下进行，时钟通常由时钟发生器，时钟通常由时钟发生器/驱动器发出，经驱动器发出，经分频电路送到总线上的所有模块。分频电路送到总线上的所有模块。 总线操作有总线操作有固定的时序固定的时序，所有信号与时钟的关，所有信号与时钟的关系在时序上是固定的，主控模块和受控模块之间没系在时序上是固定的，主控模块和受控模块之间没有其它的应答、控制信号。有其它的应答、控制信号。6.3.6 6.3.6 总线传输方式总线传输方式 2.异步传输方式异步传输方式 多数系统中不同模块的数据传输多数系统中不同模块的数据传输速度差异

57、较速度差异较大大，为解决同步传输方式的上述缺点，异步传输，为解决同步传输方式的上述缺点，异步传输方式得到广泛应用。方式得到广泛应用。 异步方式又称异步方式又称应答方式应答方式，数据发送部件和接，数据发送部件和接收部件之间没有公用的时钟和固定的时间间隔，收部件之间没有公用的时钟和固定的时间间隔，依靠相互制约的依靠相互制约的“握手握手”信号来协调双方信号来协调双方，实现，实现传输的定时控制。传输的定时控制。6.3.6 6.3.6 总线传输方式总线传输方式 3.半同步传输方式半同步传输方式 兼具同步与异步两者长处而产生的一种兼具同步与异步两者长处而产生的一种混合传混合传输方式输方式。该方式中有一个。

58、该方式中有一个共同的系统时钟脉冲共同的系统时钟脉冲信号信号(一般由主控模块发出一般由主控模块发出)，用作各模块部件动作的时，用作各模块部件动作的时间基准，还至少有一条间基准，还至少有一条握手线握手线WAIT（等待），由（等待），由受控器发给主控器。半同步传输方式中，慢速的模受控器发给主控器。半同步传输方式中，慢速的模块与快速主模块按异步方式通信，而快速模块与主块与快速主模块按异步方式通信，而快速模块与主模块按同步方式通信，具有良好的适应性，模块按同步方式通信，具有良好的适应性，既有同既有同步传输的快速，又有异步传输的灵活可靠步传输的快速，又有异步传输的灵活可靠。 6.3.6 6.3.6 总线传

59、输方式总线传输方式 4.周期分列式总线传输周期分列式总线传输 前述三种总线传输方式，在整个传输周期中，从前述三种总线传输方式，在整个传输周期中，从主控器发出地址和读写命令开始直到数据传输结束，主控器发出地址和读写命令开始直到数据传输结束，系统总线完全由该主控器及其选中的受控器占用。在系统总线完全由该主控器及其选中的受控器占用。在这整个过程中，系统总线并未充分利用。为了充分挖这整个过程中，系统总线并未充分利用。为了充分挖掘系统总线上掘系统总线上每一瞬间潜力每一瞬间潜力，遂推出了，遂推出了“周期分裂式周期分裂式”总线传输方式。总线传输方式。 6.3.6 6.3.6 总线传输方式总线传输方式 周期分

60、裂式传输既适应了慢速模块周期分裂式传输既适应了慢速模块(外设外设)的运的运行，又不降低系统整体性能。在系统具有多个主控行，又不降低系统整体性能。在系统具有多个主控模块的情况下，它基本消除了前三种传输方式中所模块的情况下，它基本消除了前三种传输方式中所必然出现的空闲等待状态，必然出现的空闲等待状态，能在多个主控模块之间能在多个主控模块之间实现信息分时交叉、并行传输实现信息分时交叉、并行传输，提高了总线的利用，提高了总线的利用率。但该方式中的每个模块都必须具有总线请求的率。但该方式中的每个模块都必须具有总线请求的功能，功能，每个模块既是主控器又是受控器每个模块既是主控器又是受控器，增加了模，增加了模块的逻