第六章 计算机组成原理总线系统讲授

1、第六章第六章 总线系统总线系统总线是构成计算机系统的互联机构，是多个系统功总线是构成计算机系统的互联机构，是多个系统功能部件之间进行数据传送的公共通路。总线技术是能部件之间进行数据传送的公共通路。总线技术是计算机系统的一个重要技术。计算机系统的一个重要技术。总线系统的概念、总线的结构和总线的控制。总线系统的概念、总线的结构和总线的控制。总线概述总线概述总线是传送信息的通路。总线是传送信息的通路。计算机系计算机系统中的总统中的总线分为三线分为三类类内部总线：同一部件内部传送信息内部总线：同一部件内部传送信息的通路，如的通路，如CPUCPU内部连接各寄存器内部连接各寄存器及运算部件之间的总线。及运

2、算部件之间的总线。系统总线：系统总线：同一台计算机系统的各同一台计算机系统的各部件，如部件，如CPUCPU、存储器、外设端口之、存储器、外设端口之间传送信息的通路。间传送信息的通路。多机总线：多台计算机之间传送信息多机总线：多台计算机之间传送信息的通路。的通路。传输线包括传输线包括数据线和地址线数据线和地址线控制时序和中断信号控制时序和中断信号电源线和地线电源线和地线未定义的公用线等未定义的公用线等4 4类类总线由一定数量的总线由一定数量的传输线和总线控制器传输线和总线控制器两部分构成。两部分构成。传输线的总条数称作总传输线的总条数称作总线的宽度线的宽度总线概述总线概述系统总线中控制系统总线中

3、控制线的功能是：提线的功能是：提供主存、供主存、I/OI/O接口接口设备的控制信号设备的控制信号和响应信号。和响应信号。地址线的功能：提供地址线的功能：提供主存和主存和I/OI/O设备接口电设备接口电路的地址。路的地址。一条总线上常常有多个设备或部件，但任何时候只能一条总线上常常有多个设备或部件，但任何时候只能有两个设备利用总线进行通信，一是信息发送者，一有两个设备利用总线进行通信，一是信息发送者，一是信息接收者。是信息接收者。总线控制器确定当前总线由哪两个设总线控制器确定当前总线由哪两个设备来使用备来使用。如果有多个部件申请使用总线时，如果有多个部件申请使用总线时，总线控制器要根据总线控制器

4、要根据申请者的优先级别来确定使用总线的优先次序申请者的优先级别来确定使用总线的优先次序。总线概述总线概述总线周期总线周期一次总线操作所需要的时间。一次总线操作所需要的时间。传送宽度传送宽度获得总线使用权后，在一次总线操作中获得总线使用权后，在一次总线操作中通过总线传送的数据位数。通过总线传送的数据位数。总线带宽总线带宽总线能提供的数据传送速率，通常用每总线能提供的数据传送速率，通常用每秒钟传送信息的字节数（或位数）来表示。秒钟传送信息的字节数（或位数）来表示。衡量总线衡量总线性能的重要指标。性能的重要指标。例如：某总线在一个总线周期中并行传送例如：某总线在一个总线周期中并行传送4 4个字节的个

5、字节的数据，假设一个总线周期等于一个时钟周期，总线时数据，假设一个总线周期等于一个时钟周期，总线时钟频率为钟频率为33MHz33MHz，总线带宽，总线带宽=4B/T=4B =4B/T=4B f=4B f=4B 33 33 10106 6/s=132MB/s/s=132MB/s基本概念基本概念例如：在异步串行传输系统中，假设每秒可传输例如：在异步串行传输系统中，假设每秒可传输2020个数个数据帧，一个数据帧包含据帧，一个数据帧包含1 1个起始位、个起始位、7 7个数据位、个数据位、1 1个奇校个奇校验位、验位、1 1个结束位。个结束位。波特率波特率=(1+7+1+1)=(1+7+1+1) 20=

6、200b/s 20=200b/s 比特率比特率=7=7 20=140b/s20=140b/s波特率波特率每秒钟通过信道传输的码元数（二进制位每秒钟通过信道传输的码元数（二进制位数）。数）。比特率比特率每秒钟通过信道传输的信息量（有效数据每秒钟通过信道传输的信息量（有效数据位）。位）。基本概念基本概念猝发式数据传输猝发式数据传输是一种总线传输方式，即在一个是一种总线传输方式，即在一个总线周期传输存储地址连续的多个数据。总线周期传输存储地址连续的多个数据。消息传输消息传输是将总线需要传送的数据信息、地址信是将总线需要传送的数据信息、地址信息和控制信息等合成为一个固定的数据结构，以猝发息和控制信息等

7、合成为一个固定的数据结构，以猝发方式进行传输。方式进行传输。总线协议总线协议总线通信同步方式规定了实现总线数据总线通信同步方式规定了实现总线数据传输的定时规则，即总线协议。传输的定时规则，即总线协议。主设备（主方）主设备（主方）获得总线控制权的设备。获得总线控制权的设备。从设备（从方）从设备（从方）被主设备访问的设备。被主设备访问的设备。总线事务总线事务从请求总线到完成总线使用的操作序列从请求总线到完成总线使用的操作序列称为总线事务。称为总线事务。基本概念基本概念总线裁决方式总线裁决方式决定哪个设备进行总线控制的方式。决定哪个设备进行总线控制的方式。总线标准总线标准系统与模块、模块与模块之间的

8、一个互系统与模块、模块与模块之间的一个互连的标准界面。界面的任何一方只需根据总线标准的连的标准界面。界面的任何一方只需根据总线标准的要求完成自身一面接口的功能要求，而无需了解对方要求完成自身一面接口的功能要求，而无需了解对方接口与总线的连接要求。接口与总线的连接要求。基本概念基本概念相同的指令系统，相同的功能，不同厂家生产的各功相同的指令系统，相同的功能，不同厂家生产的各功能部件在实现方法上不相同，但各厂家生产的相同功能部件在实现方法上不相同，但各厂家生产的相同功能部件却可以互换使用，其原因在于它们都遵守了相能部件却可以互换使用，其原因在于它们都遵守了相同的总线标准。同的总线标准。总线的特性总

9、线的特性物理特性物理特性：指总线的物理连接方式，包括总线的根数，：指总线的物理连接方式，包括总线的根数，总线的插头、插座的形状，引脚线的排列方式等。总线的插头、插座的形状，引脚线的排列方式等。功能特性功能特性：描述总线中每一根线的功能。如地址总线：描述总线中每一根线的功能。如地址总线的宽度指明了能够直接访问存储器的地址空间范围。的宽度指明了能够直接访问存储器的地址空间范围。电气特性电气特性：定义每一根线上信号的传递方向及有效电：定义每一根线上信号的传递方向及有效电平范围。送入平范围。送入CPUCPU的信号叫输入信号的信号叫输入信号(IN)(IN)，从，从CPUCPU发发出的信号叫输出信号出的信

10、号叫输出信号(OUT)(OUT)。如地址总线是输出线，。如地址总线是输出线，数据总线是双向传送的信号线。有的高电平有效，有数据总线是双向传送的信号线。有的高电平有效，有的低电平有效。的低电平有效。时间特性时间特性: :定义了每根线在什么时间有效。只有规定了定义了每根线在什么时间有效。只有规定了总线上各信号有效的时序关系，总线上各信号有效的时序关系，CPUCPU才能正确无误地才能正确无误地使用。使用。总线性能指标总线性能指标包括：包括：（1 1）总线宽度：数据总线的根数）总线宽度：数据总线的根数（2 2）标准传输率：在总线上每秒能传输的最大字节数）标准传输率：在总线上每秒能传输的最大字节数（3

11、3）时钟同步）时钟同步/ /异步：总线上的数据与时钟同步工作异步：总线上的数据与时钟同步工作的总线称为同步总线，时钟不同步的总线称为异步总的总线称为同步总线，时钟不同步的总线称为异步总线线（4 4）总线复用：将地址总线和数据总线共用一组物理）总线复用：将地址总线和数据总线共用一组物理线路，只是某一时刻该总线传输地址信号，另一时刻线路，只是某一时刻该总线传输地址信号，另一时刻传输数据信号或命令信号。传输数据信号或命令信号。总线性能指标总线性能指标（5 5）信号线数：即地址总线、数据总线和控制总线三）信号线数：即地址总线、数据总线和控制总线三种总线的总和。种总线的总和。（6 6）总线控制方式：包括

12、并发工作、自动配置、仲裁）总线控制方式：包括并发工作、自动配置、仲裁方式、逻辑方式、计数方式等。方式、逻辑方式、计数方式等。（7 7）其他指标：如负载能力）其他指标：如负载能力系统总线结构系统总线结构系统总线是同一台计算机系统的各部件，如系统总线是同一台计算机系统的各部件，如CPUCPU、存储器、外设端口之间互相连接的总线。根据连接存储器、外设端口之间互相连接的总线。根据连接方式的不同，单机系统总线结构有三种基本类型。方式的不同，单机系统总线结构有三种基本类型。单总线结构单总线结构使用一条单一的系统总线来连接使用一条单一的系统总线来连接CPUCPU、主存和、主存和I/OI/O设备。设备。各部件

13、之各部件之间的所有间的所有信息传送信息传送都通过这都通过这组总线。组总线。系统总线结构系统总线结构单总线结构的单总线结构的优点：优点： 允许允许I/OI/O设备之间或设备之间或I/OI/O设备与内存之间直接交换设备与内存之间直接交换信息，只需信息，只需CPUCPU分配总线使用权，不需要分配总线使用权，不需要CPUCPU干预信干预信息的交换。息的交换。 总线是由各大功能部件分时使用的总线是由各大功能部件分时使用的, ,某一时间只某一时间只能允许一对部件之间传送数据能允许一对部件之间传送数据。缺点缺点： 所有部件都连接在一组总线上，总线的负载很重，所有部件都连接在一组总线上，总线的负载很重，故多为

14、小型机和微型机采用。故多为小型机和微型机采用。系统总线结构系统总线结构双总线结构双总线结构在在CPUCPU和主存之间专门设置了一组高速的存储总线，和主存之间专门设置了一组高速的存储总线，用于用于CPUCPU和内存之间传送地址、数据和控制信息。和内存之间传送地址、数据和控制信息。（1 1）内存总线使）内存总线使CPUCPU可可通过专用总线与存储器通过专用总线与存储器交换信息，减轻了系统交换信息，减轻了系统总线的负担。总线的负担。（2 2）主存可通过系统）主存可通过系统总线与外设之间实现总线与外设之间实现DMADMA操作，而不必经过操作，而不必经过CPUCPU。系统总线结构系统总线结构三总线结构三

15、总线结构它是在双总线系统的基础上增加它是在双总线系统的基础上增加I/OI/O总线形成的。总线形成的。 系统总线是系统总线是CPUCPU、内存和通道之间进行数据传送、内存和通道之间进行数据传送的公共通路。的公共通路。用于用于CPUCPU和内和内存之间传送地存之间传送地址、数据和控址、数据和控制信息。制信息。I/OI/O总线用于多总线用于多个外设与通道之个外设与通道之间进行数据传送间进行数据传送的公共通路。的公共通路。通道通道实际上是一台具有实际上是一台具有特殊功能的处理器，实特殊功能的处理器，实现对外设的统一管理及现对外设的统一管理及外设与主存之间的数据外设与主存之间的数据传送。传送。总线结构对

16、计算机系统性能的影响总线结构对计算机系统性能的影响最大存储容量最大存储容量在单总线系统中，主存和外设挂在相同的总线上，对在单总线系统中，主存和外设挂在相同的总线上，对主存和外设进行存取的差别，仅仅在于出现在总线上主存和外设进行存取的差别，仅仅在于出现在总线上的地址不同，因此，必须将某些地址留给外设，所以的地址不同，因此，必须将某些地址留给外设，所以最大主存容量必须小于由计算机字长所决定的可能的最大主存容量必须小于由计算机字长所决定的可能的地址总数。地址总数。在双总线系统中，由于主存地址和外设地址出现于不在双总线系统中，由于主存地址和外设地址出现于不同的总线上，所以存储容量不会受到外围设备多少的

17、同的总线上，所以存储容量不会受到外围设备多少的影响。影响。总线结构对计算机系统性能的影响总线结构对计算机系统性能的影响指令系统指令系统在双总线系统中，在双总线系统中，CPUCPU对存储总线和系统总线必须有对存储总线和系统总线必须有不同的指令系统，要用操作码规定要使用哪一条总线。不同的指令系统，要用操作码规定要使用哪一条总线。 在单总线系统中，访问主存和在单总线系统中，访问主存和I/OI/O传送可使用相同传送可使用相同的操作码，使用相同的指令，但它们使用不同的地址。的操作码，使用相同的指令，但它们使用不同的地址。总线结构对计算机系统性能的影响总线结构对计算机系统性能的影响吞吐量吞吐量计算机系统的

18、吞吐量是指流入、处理和流出系统的计算机系统的吞吐量是指流入、处理和流出系统的信息的速率。它主要取决于存储器的存取周期。存信息的速率。它主要取决于存储器的存取周期。存取周期短，吞吐量大。取周期短，吞吐量大。采用双端口存储器，把每个端口连到不同的总线采用双端口存储器，把每个端口连到不同的总线上，那么主存可以在同一时间内对两个端口完成读上，那么主存可以在同一时间内对两个端口完成读写操作，从而增加主存的有效速度。写操作，从而增加主存的有效速度。 总线数量越多，吞吐量越大。总线数量越多，吞吐量越大。总线的内部结构总线的内部结构早期总线的内部结构：早期总线的内部结构：地址线是单向的，用地址线是单向的，用来

19、传送主存与设备的来传送主存与设备的地址；地址；数据线是双向的，用数据线是双向的，用来传送数据；来传送数据；控制线对每一根来讲控制线对每一根来讲是单向的，用来指明是单向的，用来指明数据传送的方向、中数据传送的方向、中断控制和定时请求。断控制和定时请求。缺点缺点： （1 1）CPUCPU是总线上的唯一主控者。是总线上的唯一主控者。（2 2）总线信号是）总线信号是CPUCPU引脚信号的延伸，故总线引脚信号的延伸，故总线结构紧密与结构紧密与CPUCPU相关，通用性较差。相关，通用性较差。总线的内部结构总线的内部结构当代总线的内部结构当代总线的内部结构整个总线分成如下四整个总线分成如下四部分：部分： 1

20、 1 数据传送总线数据传送总线： 由地址线、数据线、由地址线、数据线、控制线组成。控制线组成。 2 2 仲裁总线仲裁总线： 包括包括总线请求线和总线授总线请求线和总线授权线。权线。 3 3 中断和同步总线中断和同步总线：用于处理带优先级的中断操：用于处理带优先级的中断操作，包括中断请求线和中断认可线。作，包括中断请求线和中断认可线。 4 4 公用线公用线： 包括时钟信号线、电源线、地线、系包括时钟信号线、电源线、地线、系统复位线以及加电或断电的时序信号线等。统复位线以及加电或断电的时序信号线等。总线的内部结构总线的内部结构在当代总线结构中，在当代总线结构中，CPUCPU和它私有的和它私有的ca

21、checache一起作为一个模块与一起作为一个模块与总线相连。总线相连。总线控制器完成几个总线控制器完成几个总线请求者之间的协总线请求者之间的协调与仲裁。调与仲裁。现代总线的趋势是：现代总线的趋势是：标准总线，与结构、标准总线，与结构、CPUCPU、技术无关。、技术无关。总线结构实例总线结构实例pentiumpentium计算机主板的总线结构框图：计算机主板的总线结构框图： （三层次（三层次CPUCPU总线、总线、PCIPCI总线、总线、ISAISA总线的多总线结构）总线的多总线结构）大多数计算机采用了分层次的多总线结构。在这种结构大多数计算机采用了分层次的多总线结构。在这种结构中，速度差异较

22、大的设备模块使用不同速度的总线，而中，速度差异较大的设备模块使用不同速度的总线，而速度相近的设备模块使用同一类总线。速度相近的设备模块使用同一类总线。CPUCPU总线：总线： 也称也称CPUCPU存存储器总线，它是一个储器总线，它是一个6464位位数据线和数据线和3232位地址线的同位地址线的同步总线。步总线。CPUCPU是这条总线的主控者，是这条总线的主控者，但必要时可放弃总线控制但必要时可放弃总线控制权。权。北桥北桥南南桥桥总线结构实例总线结构实例桥的作用：桥的作用： 信号速度缓信号速度缓冲、电平转换和控制协冲、电平转换和控制协议的转换。通过桥将两议的转换。通过桥将两类不同的总线类不同的总

23、线“粘合粘合”在一起，适合于系统的在一起，适合于系统的升级换代。升级换代。ISAISA总线：总线： 用于与低速用于与低速I/OI/O设备连接。设备连接。北桥北桥南南桥桥PCIPCI总线：总线： 用于连接高速的用于连接高速的I/OI/O设设备模块。备模块。PCIPCI总线是一个总线是一个32(32(或或6464位位) )的同步总线，的同步总线，3232位位( (或或6464位位) )数数据据/ /地址线是同一组线，分时复用地址线是同一组线，分时复用. .通过通过“桥桥”芯片，上面与更高速芯片，上面与更高速的的CPUCPU总线相连，下面与低速的总线相连，下面与低速的ISAISA总线相接。总线相接。

24、总线上信息的传送方式总线上信息的传送方式通过总线传送信息的方式有：通过总线传送信息的方式有：串行传送、并行传送和分时传送。串行传送、并行传送和分时传送。串行传送串行传送收发双方只需要一条传输线，任何信息收发双方只需要一条传输线，任何信息按照一定的传送速率从最低位开始传送按照一定的传送速率从最低位开始传送给对方。最低位在前，最高位在后。给对方。最低位在前，最高位在后。总线上信息的传送方式总线上信息的传送方式发方首先发出一个启动信号，固定为发方首先发出一个启动信号，固定为0 0信号，信号，然后顺序发出然后顺序发出8 8位二进制数据（位二进制数据（0 0或或1 1），最），最后发出后发出1 1个停止

25、信号，固定为个停止信号，固定为1 1信号，构成发信号，构成发出出1 1帧完整的信息。帧完整的信息。收方一旦检测到启动信号，就会每隔收方一旦检测到启动信号，就会每隔1bit1bit产产生一个选通脉冲将总线上的数据逐位接收下生一个选通脉冲将总线上的数据逐位接收下来，一共产生来，一共产生8 8个选通脉冲，个选通脉冲，1 1帧信息便接收帧信息便接收完毕，以后继续检测下一个启动信号。整个完毕，以后继续检测下一个启动信号。整个串行通信的过程就是这样，串行通信的过程就是这样，一帧一帧的传送，一帧一帧的传送，每帧中一位一位的传送。每帧中一位一位的传送。由于信息在传由于信息在传送过程中会产送过程中会产生误差积累

26、，生误差积累，若一次传送的若一次传送的位数太多，有位数太多，有可能造成数据可能造成数据出错，因此，出错，因此，串行传送数据串行传送数据时，常常将待时，常常将待传送的数据按传送的数据按帧组织起来。帧组织起来。每次传送一帧每次传送一帧数据。数据。1 1帧数帧数据由启动信号据由启动信号和停止信号括和停止信号括起来。起来。0 00 00 00 00 01 10 01 11 1帧信息帧信息发送方发送方接收方接收方启动启动信号信号停止停止信号信号总线上信息的传送方式总线上信息的传送方式在串行传送时，被传送的数据需要在发送部件进行并在串行传送时，被传送的数据需要在发送部件进行并串变换，这称为串变换，这称为拆

27、卸拆卸；而在接收部件又需要进行；而在接收部件又需要进行串并变换，这称为串并变换，这称为装配装配。优点：只需要一条传输线，适于长距离传输，可以优点：只需要一条传输线，适于长距离传输，可以节省大量的线路费用，成本比较低廉。节省大量的线路费用，成本比较低廉。缺点：传输速度慢。缺点：传输速度慢。总线上信息的传送方式总线上信息的传送方式并行传送并行传送对每个数据位都需要单独对每个数据位都需要单独一条传输线。信息有多少一条传输线。信息有多少二进制位组成，就需要多二进制位组成，就需要多少条传输线，从而使得二少条传输线，从而使得二进制数进制数“0”0”或或“1”1”在不在不同的线上同时进行传送。同的线上同时进

28、行传送。特点：传送速度快，传输线多，适于短距离的数据传特点：传送速度快，传输线多，适于短距离的数据传送。送。总线上信息的传送方式总线上信息的传送方式分时传送分时传送分时传送有两种概念。分时传送有两种概念。一是采用一是采用总线复用方式，总线复用方式，将不可能同时传送的信息，将不可能同时传送的信息，例如地址信息和数据信息，用同一组总线来传输。例如地址信息和数据信息，用同一组总线来传输。分时传送的另一种概念是分时传送的另一种概念是共享总线的部件分时使用共享总线的部件分时使用总线。总线。总线接口总线接口总线接口也称为输入输出接口，它是指总线接口也称为输入输出接口，它是指CPUCPU和主存、和主存、外围

29、设备之间通过总线进行连接的逻辑部件。外围设备之间通过总线进行连接的逻辑部件。接口部件在它动态连接的两个部件之间起着接口部件在它动态连接的两个部件之间起着“转转换器换器”的作用，以便实现彼此之间的信息传送。接口的作用，以便实现彼此之间的信息传送。接口通常做成标准化，可以连接多个设备。通常做成标准化，可以连接多个设备。因为主机通过总线与各种类型的输入输出设备相连，因为主机通过总线与各种类型的输入输出设备相连，并且相互交换信息，但是由于它们之间存在着很大并且相互交换信息，但是由于它们之间存在着很大的差异，它们的工作方式不同，传输速率不同，结的差异，它们的工作方式不同，传输速率不同，结构方式不同，使用

30、器件不同，因此各种输入输出设构方式不同，使用器件不同，因此各种输入输出设备必须要通过相应的接口，通过输入输出总线才能备必须要通过相应的接口，通过输入输出总线才能与主机交换信息。与主机交换信息。总线接口总线接口CPUCPU、接口和外围设备之间的连接关系为：、接口和外围设备之间的连接关系为：不管什么样的外部设备，只要选用某种数据控制方不管什么样的外部设备，只要选用某种数据控制方法，并按它的规定通过总线和主机连接，就可进行法，并按它的规定通过总线和主机连接，就可进行信息交换。信息交换。通过接口，使所有的外部设备能够兼容，并能在一通过接口，使所有的外部设备能够兼容，并能在一起正确工作。起正确工作。接口

31、的分类接口的分类根据接口的不同特点可有多种分类方法。根据接口的不同特点可有多种分类方法。（1 1）根据数据传送方式分）根据数据传送方式分并行接口：并行接口：接口和外设之间并行传送数据，传接口和外设之间并行传送数据，传送宽度可以是一个字节或者是一个字，所以传送宽度可以是一个字节或者是一个字，所以传送速率比较高，但需要的传送线比较多。送速率比较高，但需要的传送线比较多。串行接口：串行接口：接口和外设之间一位一位地串行传接口和外设之间一位一位地串行传送数据，传送速率较低，但只需要一条传送线。送数据，传送速率较低，但只需要一条传送线。接口的分类接口的分类（2 2）根据主机对）根据主机对I/OI/O设备

32、的访问方式分设备的访问方式分查询式接口：查询式接口：通过硬件或软件方式根据外设的优先通过硬件或软件方式根据外设的优先级别由高到低顺序查询哪个设备当前要进行输入级别由高到低顺序查询哪个设备当前要进行输入/ /输出操作。输出操作。中断接口：中断接口：哪个外设需要向主机输入哪个外设需要向主机输入/ /输出信息时，输出信息时，立即向主机发出中断请求，由中断接口来处理有关立即向主机发出中断请求，由中断接口来处理有关的事件。的事件。DMADMA接口：接口：由它代替由它代替CPUCPU完成高速外设与主机之完成高速外设与主机之间成块交换信息。间成块交换信息。接口的分类接口的分类（3 3）根据功能选择的灵活性分

33、）根据功能选择的灵活性分可编程接口：可编程接口：接口的功能可由初始化程序来定义，接口的功能可由初始化程序来定义，功能比较强。功能比较强。不可编程接口：不可编程接口：一般只具有单一功能。一般只具有单一功能。（4 4）根据输入输出信号的性质分）根据输入输出信号的性质分数模转换接口：数模转换接口：将计算机输出的数字信号变换成模将计算机输出的数字信号变换成模拟信号。拟信号。模数转换接口：模数转换接口：将模拟信号变换成数字信号输入到将模拟信号变换成数字信号输入到计算机中。计算机中。接口的功能接口的功能接口种类繁多，功能各异，主要功能为：接口种类繁多，功能各异，主要功能为：（1 1）缓冲缓冲在计算机主机与

34、外部设备之间传送信息在计算机主机与外部设备之间传送信息的过程中，被传送数据可在接口中缓冲，以匹配两的过程中，被传送数据可在接口中缓冲，以匹配两者之间的速度差别。者之间的速度差别。（2 2）转换转换接口可以完成任何要求的数据转换，例接口可以完成任何要求的数据转换，例如并串转换或串并转换，因此数据能在外如并串转换或串并转换，因此数据能在外围设备和围设备和CPUCPU之间正确地进行传送。之间正确地进行传送。（3 3）整理整理 接口中如果设置有地址寄存器和字节计接口中如果设置有地址寄存器和字节计数器，应能完成其修改功能。数器，应能完成其修改功能。接口的功能接口的功能（4 4）控制）控制 接口应能根据接

35、口应能根据CPUCPU的要求，对所选定的的要求，对所选定的外部设备实现启动和停止功能。外部设备实现启动和停止功能。 （5 5）状态状态 接口应能将接口应能将CPUCPU发出的命令传送到外部发出的命令传送到外部设备中。外设在工作中的状态信息应能反馈到主机设备中。外设在工作中的状态信息应能反馈到主机中去。中去。（6 6）与与CPUCPU之间取得联系之间取得联系如果如果CPUCPU与外设之间以中断方式交换信息，那么应与外设之间以中断方式交换信息，那么应能及时向能及时向CPUCPU发出中断请求，如果以发出中断请求，如果以DMADMA方式传送方式传送信息，那么应能及时向信息，那么应能及时向CPUCPU发

36、出请求。发出请求。接口的功能接口的功能一个适配器一个适配器必有两个接必有两个接口口和系统总线的接口和系统总线的接口，CPUCPU和适配器的数和适配器的数据交换一定的是并行方式。据交换一定的是并行方式。和外设的接口和外设的接口，适配器和外设的数据交，适配器和外设的数据交换可能是并行方式，也可能是串行方式换可能是并行方式，也可能是串行方式。输入输出接口构成方式多种多样，常用的可编程接口输入输出接口构成方式多种多样，常用的可编程接口芯片有：芯片有：可编程并行接口芯片可编程并行接口芯片8255A8255A可编程串行接口芯片可编程串行接口芯片8251A8251A可编程计数可编程计数/ /定时接口芯片定时

37、接口芯片82538253总线的仲裁总线的仲裁连接到总线上的功能模块有连接到总线上的功能模块有主动主动和和被动被动两种形态。两种形态。主设备可以启动一个总线周期，而从设备只能响应主设备可以启动一个总线周期，而从设备只能响应主设备的请求。每次总线操作，只能有一个主设备主设备的请求。每次总线操作，只能有一个主设备占用总线控制权，但同一时间里可以有一个或多个占用总线控制权，但同一时间里可以有一个或多个从设备。从设备。为了解决多个主设备同时竞争总线控制权，必须具为了解决多个主设备同时竞争总线控制权，必须具有有总线仲裁部件总线仲裁部件，以某种方式选择其中一个主设备，以某种方式选择其中一个主设备作为总线的下

38、一次主方。作为总线的下一次主方。总线的仲裁总线的仲裁按照总线仲裁电路的位置不同，仲裁方式分为按照总线仲裁电路的位置不同，仲裁方式分为集中式仲裁集中式仲裁和和分布式仲裁分布式仲裁两类。两类。总线控制器集中在某总线控制器集中在某个部件内部个部件内部总线控制器分散在总线控制器分散在共享总线的多个部共享总线的多个部件中件中集中式仲裁有三种方式：集中式仲裁有三种方式：链式查询方式、计数链式查询方式、计数器定时查询方式、独立请求方式器定时查询方式、独立请求方式链式查询方式链式查询方式链式查询方式的结构如图：链式查询方式的结构如图：所有所有设备设备共享共享数据总线数据总线地址总线地址总线总线请求信号线总线请

39、求信号线BRBR总线忙信号线总线忙信号线BSBS总线认可信号线总线认可信号线BGBG平时，平时，BRBR、BSBS、BGBG均无效；均无效；当某个或多个设备要求使用总线时，各设备通过当某个或多个设备要求使用总线时，各设备通过BRBR线向总线控制线向总线控制器发出总线请求信号，总线控制器得到请求后置器发出总线请求信号，总线控制器得到请求后置BGBG线有效，并首线有效，并首先进入设备先进入设备0 0，若设备，若设备0 0有请求，则有请求，则BGBG线将终止向后传送，由设备线将终止向后传送，由设备0 0发出总线忙（发出总线忙（BS=1BS=1）信号，表示当前总线由设备）信号，表示当前总线由设备0 0

40、占用；若设备占用；若设备0 0无请求，则无请求，则BGBG线继续往后传送，直到某个有总线请求的设备为线继续往后传送，直到某个有总线请求的设备为止，这时总线控制器将总线使用权交给该设备。止，这时总线控制器将总线使用权交给该设备。链式查询方式链式查询方式逻辑结构图：逻辑结构图：总线控制器总线控制器BGBGBRBR 1 1o o部件部件1 1BS1BS1o o部件部件2 2BS2BS2o o部件部件3 3BS3BS3BR1BR1BR2BR2BR3BR3A AB BBSBS地址线、数据线、控制线地址线、数据线、控制线设设BR2BR2有请求，则有请求，则BR=1, BG=1,BR=1, BG=1,因为因

41、为BR1=0BR1=0，所以，所以BS1=0,BS1=0,但但A=1,A=1,总线响应线总线响应线BGBG传到了下一设备。这里由于传到了下一设备。这里由于BR2=1BR2=1，所以，所以BS2=1,BS2=1,部件部件2 2获得了总线使用权，同时获得了总线使用权，同时B=0B=0，信号截住，不再传下去，信号截住，不再传下去，从而封锁了后面设备的请求。从而封锁了后面设备的请求。链式查询方式链式查询方式优点优点: : 只用很少几根线就能按一定优先次序实现总线仲只用很少几根线就能按一定优先次序实现总线仲裁，很容易扩充设备。裁，很容易扩充设备。缺点缺点: : 对询问链的电路故障很敏感，如果第对询问链的

42、电路故障很敏感，如果第i i个设备的接个设备的接口中有关链的电路有故障，那么第口中有关链的电路有故障，那么第i i个以后的设备都不个以后的设备都不能进行工作。查询链的优先级是固定的，如果优先级能进行工作。查询链的优先级是固定的，如果优先级高的设备出现频繁的请求时，优先级较低的设备可能高的设备出现频繁的请求时，优先级较低的设备可能长期不能使用总线。长期不能使用总线。离中央仲裁器最近的设备具有最高优先级，最远的设备离中央仲裁器最近的设备具有最高优先级，最远的设备只有在它前面所有设备均不请求使用总线时，才有可能只有在它前面所有设备均不请求使用总线时，才有可能得到总线的使用权，这种不公平的待遇将保持不

43、变。得到总线的使用权，这种不公平的待遇将保持不变。计数器定时查询方式计数器定时查询方式结构如图：结构如图：定时查询方式采用一个计数器控制总线使用权。它仍公用一根定时查询方式采用一个计数器控制总线使用权。它仍公用一根请求线。请求线。当总线上的任一设备要求使用总线时，通过当总线上的任一设备要求使用总线时，通过BRBR线发出总线请求。线发出总线请求。中央仲裁器接到请求信号以后，在中央仲裁器接到请求信号以后，在BSBS线为线为“0”0”的情况下让计的情况下让计数器开始计数，计数值通过一组地址线发向各设备。当地址线数器开始计数，计数值通过一组地址线发向各设备。当地址线上的计数值与请求总线的设备地址相一致

44、时，该设备上的计数值与请求总线的设备地址相一致时，该设备 置置“1”BS1”BS线，获得了总线使用权，此时中止计数查询。线，获得了总线使用权，此时中止计数查询。总总线线控控制制部部件件I/OI/O接口接口0 0I/OI/O接口接口1 1I/OI/O接口接口n n数据线数据线地址线地址线设备地址设备地址BSBSBRBR计数器定时查询方式计数器定时查询方式电路逻辑图：电路逻辑图：（1 1）设计数器初值为）设计数器初值为0000若若BR1=1BR1=1，则计数器为，则计数器为0000时，由于时，由于BR0=0,BR0=0,所以所以BS0=0BS0=0；计数器继续计数到；计数器继续计数到0101，由于

45、，由于BR1=1BR1=1，所以，所以BS1=1BS1=1，设备，设备1 1占用总线，计数器停止计数。占用总线，计数器停止计数。若若BR0=BR1=1BR0=BR1=1，则计数器为，则计数器为0000时，由于时，由于BR0=1,BR0=1,所以所以BS0=1BS0=1；设备；设备0 0占用总占用总线，计数器停止计数，设备线，计数器停止计数，设备1 1要等待。要等待。所以计数器初值为所以计数器初值为0000时，优先级为设时，优先级为设备备00设备设备1 1 设备设备 22设备设备3 3总线控制总线控制器器BR 1BS0BS地址线、数据线、控制线地址线、数据线、控制线部件部件0设备地址为设备地址为

46、00部件部件1设备地址为设备地址为01部件部件2设备地址为设备地址为10部件部件3设备地址为设备地址为11译码器译码器00BS101BS21011BS3设备地设备地址记数址记数器器BR0BR1BR2BR3计数器定时查询方式计数器定时查询方式（2 2）设计数器初值为）设计数器初值为0101若若BR1=1BR1=1，则计数器为，则计数器为0101时，由于时，由于BR1=1,BR1=1,所以所以BS1=1BS1=1；设备；设备1 1占用总线，计数器占用总线，计数器停止计数。停止计数。若若BR0=BR1=1BR0=BR1=1，则计数器为，则计数器为0101时，由于时，由于BR1=1,BR1=1,所以所

47、以BS1=1BS1=1；设备；设备1 1占用总线，计占用总线，计数器停止计数，设备数器停止计数，设备0 0要等待。要等待。所以计数器初值为所以计数器初值为0101时，优先级为时，优先级为: :设备设备11设备设备2 2 设备设备 33设备设备0 0电路逻辑图：电路逻辑图：总线控制总线控制器器BR 1BS0BS地址线、数据线、控制线地址线、数据线、控制线部件部件0设备地址为设备地址为00部件部件1设备地址为设备地址为01部件部件2设备地址为设备地址为10部件部件3设备地址为设备地址为11译码器译码器00BS101BS21011BS3设备地设备地址记数址记数器器BR0BR1BR2BR3计数器定时查

48、询方式计数器定时查询方式（3 3）设计数器初值为）设计数器初值为10 10 优先级为优先级为: : 设备设备22设备设备3 3 设备设备 00设备设备1 1总线控制总线控制器器BR 1BS0BS地址线、数据线、控制线地址线、数据线、控制线部件部件0设备地址为设备地址为00部件部件1设备地址为设备地址为01部件部件2设备地址为设备地址为10部件部件3设备地址为设备地址为11译码器译码器00BS101BS21011BS3设备地设备地址记数址记数器器BR0BR1BR2BR3电路逻辑图：电路逻辑图：（4 4）设计数器初值为）设计数器初值为11 11优先级为优先级为: : 设备设备33设备设备00设备设

49、备11设备设备2 2计数器定时查询方式计数器定时查询方式 由于每次计数不都是从由于每次计数不都是从“0”0”开始，因开始，因此每个设备的优先级可随机改变此每个设备的优先级可随机改变, ,使它们使使它们使用总线的机会均等用总线的机会均等. .此外此外, ,计数器的值可以由计数器的值可以由程序设置程序设置, ,因而能方便地改变优先次序，但因而能方便地改变优先次序，但这种灵活性是以增加线数为代价的。这种灵活性是以增加线数为代价的。独立请求方式独立请求方式结构如图：结构如图：每一个共享总线的设备均有一对总线请求线每一个共享总线的设备均有一对总线请求线BRiBRi和总和总线授权线线授权线BGiBGi。当

50、设备要求使用总线时，便发出该。当设备要求使用总线时，便发出该设备的请求信号。中央仲裁器中的排队电路决定首设备的请求信号。中央仲裁器中的排队电路决定首先响应哪个设备的请求，给设备以授权信号先响应哪个设备的请求，给设备以授权信号BGiBGi。独立请求方式独立请求方式电路逻辑图：电路逻辑图：BG1=BR1, BG2=BR2BR1, BG1=BR1, BG2=BR2BR1, BG3=BR3BR2BR1,BG3=BR3BR2BR1,优先次序为优先次序为BR1BR2BR3BR1BR2BR3。总线控制器总线控制器o oo oo oo oo o. .部件部件1 1部件部件2 2部件部件3 3BR1BR1BG1

51、BG1BG2BG2BR2BR2BR3BR3BG3BG3地址线、数据线、控制线地址线、数据线、控制线独立请求方式独立请求方式优点：优点：(1)(1)响应时间快，确定优先响应的设备所响应时间快，确定优先响应的设备所花费的时间少，用不着一个设备接一个设备地花费的时间少，用不着一个设备接一个设备地查询。查询。(2) (2) 可以用屏蔽可以用屏蔽( (禁止禁止) )某个请求的办法，不响应某个请求的办法，不响应来自无效设备的请求。来自无效设备的请求。缺点：增加了控制线的数量。缺点：增加了控制线的数量。分布式仲裁分布式仲裁分布式仲裁不需要中央仲裁器，每个潜在的主方功能分布式仲裁不需要中央仲裁器，每个潜在的主

52、方功能模块都有自己的仲裁号和仲裁器。当它们有总线请求模块都有自己的仲裁号和仲裁器。当它们有总线请求时，把它们唯一的仲裁号发送到共享的仲裁总线上，时，把它们唯一的仲裁号发送到共享的仲裁总线上，每个仲裁器将仲裁总线上得到的号与自己的号进行比每个仲裁器将仲裁总线上得到的号与自己的号进行比较。如果仲裁总线上的号大，则它的总线请求不予响较。如果仲裁总线上的号大，则它的总线请求不予响应，并撤消它的仲裁号。最后，获胜者的仲裁号保留应，并撤消它的仲裁号。最后，获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上。显然，分布式仲裁是以优先级仲裁策在仲裁总线上。显然，分布式仲裁是以优先级仲裁策略为基础。略为基础。总线通信方式总线通信方

53、式当共享总线的设备获得总线使用权后，就开始传送信当共享总线的设备获得总线使用权后，就开始传送信息，即进行通信。相互通信的方式通常有息，即进行通信。相互通信的方式通常有同步方式同步方式和和异步方式异步方式两种。两种。同步方式同步方式事件出现在总线上的时刻由总线时钟信号来确定。即事件出现在总线上的时刻由总线时钟信号来确定。即系统采用统一的时钟信号来协调发送系统采用统一的时钟信号来协调发送 和接收双方的传和接收双方的传送定时关系。送定时关系。CPUCPU可发出启动信号，指可发出启动信号，指明控制信息和地址信息已明控制信息和地址信息已出现在总线上。出现在总线上。总线通信方式总线通信方式CPUCPU首先

54、发出读命令首先发出读命令信号，并将存储器地信号，并将存储器地址放在地址线上，存址放在地址线上，存储器模块识别地址码，储器模块识别地址码，经一个时钟周期延迟经一个时钟周期延迟（存取时间）后，将（存取时间）后，将数据和认可信息放到数据和认可信息放到总线上，被总线上，被CPUCPU读取。读取。所有事件都出现在所有事件都出现在时钟信号的前沿，时钟信号的前沿，大多数事件只占据大多数事件只占据单一时钟周期。单一时钟周期。总线通信方式总线通信方式同步方式同步方式由于采用了公共时钟，每个功能模块什么时候发送或由于采用了公共时钟，每个功能模块什么时候发送或接收信息都由统一时钟规定，因此，同步定时具有较接收信息都

55、由统一时钟规定，因此，同步定时具有较高的传输频率。高的传输频率。 同步定时适用于总线长度较短、各功能模块存取时同步定时适用于总线长度较短、各功能模块存取时间比较接近的情况。间比较接近的情况。同步方式下，总线操作有固定的时序，设备之间同步方式下，总线操作有固定的时序，设备之间没有应答信号，数据的传输在一个公共的时钟信没有应答信号，数据的传输在一个公共的时钟信号控制下进行。号控制下进行。例题例题该总线系统采用同步定时协议。总线周期是在时钟信号该总线系统采用同步定时协议。总线周期是在时钟信号CLKCLK和和CLK2CLK2定时下完成的，定时下完成的，并与所有的机器周期保持时间上的同步。一个机器周期由

56、并与所有的机器周期保持时间上的同步。一个机器周期由2 2个个CLKCLK时钟周期组成时钟周期组成(T1(T1，T2T2节拍节拍) )。 机器周期机器周期1 1为读指令周期为读指令周期(W/R=0(W/R=0，D/C=0D/C=0，M/IO=1)M/IO=1)。在。在T1T1时时间主方间主方CPUCPU送出送出ADS=0ADS=0信号，表示信号，表示 总线上的地址及控制信号有效，总线上的地址及控制信号有效，在在T2T2时间末尾，从方存储器读出指令并送到数据线时间末尾，从方存储器读出指令并送到数据线D0D0D31D31上，同上，同时产生时产生READY=0READY=0信号，通知信号，通知CPUC

57、PU本次本次“读出读出”操作已完成。操作已完成。例题例题机器周期机器周期2 2为读数据周期。除了为读数据周期。除了D/C=1D/C=1为高电平外，其余与机器周期为高电平外，其余与机器周期1 1相同。相同。例题例题机器周期机器周期3 3为写数据周期。为写数据周期。W/R=1W/R=1，写入的数据由，写入的数据由CPUCPU输出到数据线输出到数据线D0D0D31D31上。假如在一个机器上。假如在一个机器 周期内能完成写入操作，则在周期内能完成写入操作，则在T2T2末尾由存储器产生末尾由存储器产生READY=0READY=0信号。假如信号。假如T2T2末尾尚未完成写入操作末尾尚未完成写入操作 ( (

58、图中所示图中所示) )，则，则READY=1READY=1，并将并将T2 T2 延长一个时钟周期。延长一个时钟周期。CPUCPU在后一个在后一个T2T2末尾检测末尾检测READY=0READY=0，于是结，于是结 束束写入周期。写入周期。T2T2可以多次延长，直到可以多次延长，直到READY=0READY=0为止。为止。总线通信方式总线通信方式异步方式异步方式通信双方按照各自的时钟频率工作，在进行数据通信通信双方按照各自的时钟频率工作，在进行数据通信之前，双方必须通过联络信号取得联系后方可进行正之前，双方必须通过联络信号取得联系后方可进行正常通信。后一事件出现在总线上的时刻取决于前一事常通信。

59、后一事件出现在总线上的时刻取决于前一事件的出现，即建立在应答式或互锁机制基础上。在这件的出现，即建立在应答式或互锁机制基础上。在这种系统中，不需要统一的共公时钟信号。总线周期的种系统中，不需要统一的共公时钟信号。总线周期的长度是可变的。长度是可变的。总线通信方式总线通信方式CPUCPU发出读命令信号和存储器地址信号，经一段时间的延迟，发出读命令信号和存储器地址信号，经一段时间的延迟，待信号稳定后，它启动主同步待信号稳定后，它启动主同步(MSYN)(MSYN)信号，这个信号引发存信号，这个信号引发存储器以从同步储器以从同步(SSYN)(SSYN)信号予以响应，并将数据放到数据线上。信号予以响应，

60、并将数据放到数据线上。这个这个SSYNSSYN信号使信号使CPUCPU读数据，然后撤消读数据，然后撤消MSYNMSYN信号，信号，MSYNMSYN信号的撤消又使信号的撤消又使SSYNSSYN信号撤消，最后地址线、数据线上不再信号撤消，最后地址线、数据线上不再有有效信息，于是读数据总线周期结束。有有效信息，于是读数据总线周期结束。异步定时的优点：总线周异步定时的优点：总线周期长度可变，不把响应时期长度可变，不把响应时间强加到功能模块上，因间强加到功能模块上，因而允许快速和慢速的功能而允许快速和慢速的功能模块都能连接到同一总线模块都能连接到同一总线上。上。例题例题例：例： 某某CPUCPU采用集中