計算機組成原理(華科版)第六章 系統總線

1、 計算機組成原理計算機組成原理 第六章第六章 系統總線系統總線1第六章第六章 系統總線系統總線 計算機組成原理計算機組成原理 第六章第六章 系統總線系統總線26.1 6.1 系統總線結構系統總線結構 總線（總線（bus），又稱之為母線，是從一個或多個源部），又稱之為母線，是從一個或多個源部件傳送信息到一個或多個目的部件的傳輸線束?？偩€是多件傳送信息到一個或多個目的部件的傳輸線束?？偩€是多個部件間的公共連線。個部件間的公共連線。 計算機組成原理計算機組成原理 第六章第六章 系統總線系統總線36.1.16.1.1總線的結構與連接方式總線的結構與連接方式總線就是指能為多個功能部件服務的一組公用信息線

2、總線就是指能為多個功能部件服務的一組公用信息線。 一個計算機系統中的總線，大致分為如下三類：一個計算機系統中的總線，大致分為如下三類： 內部總線內部總線 同一部件之間的總線，如同一部件之間的總線，如cpucpu內部連接內部連接各寄存器及運算器之間的連線。各寄存器及運算器之間的連線。 系統總線系統總線 同一臺計算機系統各部件之間連接的總同一臺計算機系統各部件之間連接的總線，如線，如cpucpu、內存、通道和各類、內存、通道和各類i/oi/o接接口間的連線。口間的連線。 多機系統總線多機系統總線 多臺處理機之間互相連接的總線，它涉多臺處理機之間互相連接的總線，它涉及到多機系統互連。及到多機系統互連

3、。 計算機組成原理計算機組成原理 第六章第六章 系統總線系統總線4 1總線的結構總線的結構 地址線：用于選擇信息傳送的設備。例如，地址線：用于選擇信息傳送的設備。例如，cpucpu與主存?zhèn)魉蛿蹬c主存?zhèn)魉蛿祿蛑噶顣r，必須將主存單元的地址送到總線地址線據或指令時，必須將主存單元的地址送到總線地址線上，只有主存儲器響應這個地址，其他設備則不響應。上，只有主存儲器響應這個地址，其他設備則不響應。地址線通常是單向線，地址信息由源部件發(fā)送到目的地址線通常是單向線，地址信息由源部件發(fā)送到目的部件。部件。數據線：用于總線上的設備之間傳送數據信息。數據線通常是數據線：用于總線上的設備之間傳送數據信息。數據線通

4、常是雙向線。例如，雙向線。例如，cpucpu與主存可以通過數據線進行輸入與主存可以通過數據線進行輸入（取數）或輸出（寫數）。（取數）或輸出（寫數）。 計算機組成原理計算機組成原理 第六章第六章 系統總線系統總線5 控制線：控制線：用于實現對設備的控制和監(jiān)視功能。例如，用于實現對設備的控制和監(jiān)視功能。例如，cpu與主存與主存?zhèn)魉托畔r，傳送信息時，cpu通過控制線發(fā)送讀或寫命令到主存，啟動主通過控制線發(fā)送讀或寫命令到主存，啟動主存讀或寫操作。同時，通過控制線監(jiān)視主存送來的存讀或寫操作。同時，通過控制線監(jiān)視主存送來的moc回答回答信號，判斷主存的工作是否已完成?？刂凭€通常都是單向線，信號，判斷主存

5、的工作是否已完成?？刂凭€通常都是單向線，有從有從cpu 發(fā)送出去的，也有從設備發(fā)送出去的。除以上發(fā)送出去的，也有從設備發(fā)送出去的。除以上3種線種線外，還有時鐘線、電源線和地線等，分別用作時鐘控制及提供外，還有時鐘線、電源線和地線等，分別用作時鐘控制及提供電源。為減少信號失真及噪聲干擾，地線通常有多根，分布格電源。為減少信號失真及噪聲干擾，地線通常有多根，分布格式很講究。式很講究。 計算機組成原理計算機組成原理 第六章第六章 系統總線系統總線62總線的連接方式總線的連接方式 通過接口可以實現高速機器與低速外設之間工作速通過接口可以實現高速機器與低速外設之間工作速度上的匹配和同步，并完成計算機和外

6、設之間的所有數度上的匹配和同步，并完成計算機和外設之間的所有數據傳送和控制。因此，據傳送和控制。因此，“接口接口”又有又有“適配器適配器”、“設設備控制器備控制器”等名稱。等名稱。 根據連接方式不同，單機系統中采用的總線結構有根據連接方式不同，單機系統中采用的總線結構有三種基本類型：三種基本類型：單總線結構；單總線結構；雙總線結構；雙總線結構；三總三總線結構。線結構。 計算機組成原理計算機組成原理 第六章第六章 系統總線系統總線7（1 1） 單總線結構單總線結構 在許多微小型計算機中，使用一條單一的系統總線來連接在許多微小型計算機中，使用一條單一的系統總線來連接cpu、內存和、內存和i/o設備

7、，稱為單總線結構，如圖設備，稱為單總線結構，如圖6.1所示。所示。 計算機組成原理計算機組成原理 第六章第六章 系統總線系統總線8 在單總線結構中，要求連接到總線上的邏輯部件必須高在單總線結構中，要求連接到總線上的邏輯部件必須高速運行，以便在某些設備需要使用總線時，能迅速獲得總線速運行，以便在某些設備需要使用總線時，能迅速獲得總線控制權；而當不再使用總線時，能迅速放棄總線控制權，否控制權；而當不再使用總線時，能迅速放棄總線控制權，否則，一條總線由多種部件共用，可能導致很大的時間延遲。則，一條總線由多種部件共用，可能導致很大的時間延遲。 計算機組成原理計算機組成原理 第六章第六章 系統總線系統總

8、線9 在單總線系統中，主存與輸入、輸出設備都在同一條總在單總線系統中，主存與輸入、輸出設備都在同一條總線上，設備的尋址采用統一編址的方法，即所有的主存單元線上，設備的尋址采用統一編址的方法，即所有的主存單元及外部設備接口寄存器的地址一起構成一個連續(xù)的地址空間及外部設備接口寄存器的地址一起構成一個連續(xù)的地址空間（單總線地址空間），因此，訪內指令與輸入（單總線地址空間），因此，訪內指令與輸入/輸出指令在形輸出指令在形式上完全相同，區(qū)別僅在于地址的數值不同，這就是說，對式上完全相同，區(qū)別僅在于地址的數值不同，這就是說，對輸入輸入/輸出設備的操作，完全可以和內存的操作一樣處理。這輸出設備的操作，完全可

9、以和內存的操作一樣處理。這樣，當樣，當cpu把指令的地址字段送到總線上時，如果該地址字把指令的地址字段送到總線上時，如果該地址字段對應的地址是內存地址，則內存予以響應。此時，在段對應的地址是內存地址，則內存予以響應。此時，在cpu和內存之間將發(fā)生數據傳送，數據傳送的方向由指令操作碼和內存之間將發(fā)生數據傳送，數據傳送的方向由指令操作碼決定，如圖決定，如圖6.2(b)所示。所示。 計算機組成原理計算機組成原理 第六章第六章 系統總線系統總線10pccpu控制指令內存接口外部設備地址 cpu控制數據內存接口外部設備地址(a) (b)cpu控制數據內存接口外部設備地址 cpu控制數據內存接口外部設備地

10、址(c) (d)cpu控制數據內存接口外設 2地址接口外設 1(e)圖6.2 單總線的功能 計算機組成原理計算機組成原理 第六章第六章 系統總線系統總線11 如果該指令地址字段對應的是外圍設備地址，則外圍設備如果該指令地址字段對應的是外圍設備地址，則外圍設備譯碼器予以響應，譯碼器予以響應， 此時，此時，cpucpu和與該地址相對應的外圍設備和與該地址相對應的外圍設備之間，將發(fā)生數據傳送，而數據傳送的方向由指令操作碼決之間，將發(fā)生數據傳送，而數據傳送的方向由指令操作碼決定，如圖定，如圖6.2(c)6.2(c)所示。所示。 在單總線系統中，某些外圍設備也可以指定地址。在單總線系統中，某些外圍設備也

11、可以指定地址。 此時，此時，外圍設備通過與外圍設備通過與cpu中的總線控制部件交換控制部件的方式中的總線控制部件交換控制部件的方式占有總線。一旦外圍設備得到總線控制權，就可向總線發(fā)送占有總線。一旦外圍設備得到總線控制權，就可向總線發(fā)送地址信號，使總線上的地址線置為適當的代碼狀態(tài)，以便決地址信號，使總線上的地址線置為適當的代碼狀態(tài)，以便決定 它 將 要 與 那 一 個 設 備 進 行 信 息 交 換 。定 它 將 要 與 那 一 個 設 備 進 行 信 息 交 換 。 采用統一編址方法，省去一類采用統一編址方法，省去一類i/o指令，簡化了指令系統。指令，簡化了指令系統。此外，單總線結構簡單，使用

12、靈活，易擴充。然而，單總線此外，單總線結構簡單，使用靈活，易擴充。然而，單總線的地址線位數與主存地址位數相同，主存的部分地址空間要的地址線位數與主存地址位數相同，主存的部分地址空間要用于外部設備接口寄存器尋址。此外，所有的部件均通過一用于外部設備接口寄存器尋址。此外，所有的部件均通過一條總線進行通信，分時使用總線，因此，通信速度比較慢。條總線進行通信，分時使用總線，因此，通信速度比較慢。通常，單總線結構適用于小型或微型計算機的系統總線。通常，單總線結構適用于小型或微型計算機的系統總線。 計算機組成原理計算機組成原理 第六章第六章 系統總線系統總線12（2 2） 雙總線結構雙總線結構 單總線系統

13、中，由于所有邏輯部件都掛在同一個總線上，單總線系統中，由于所有邏輯部件都掛在同一個總線上，因此總線只能分時工作，即某一時間只能允許一對部件之間因此總線只能分時工作，即某一時間只能允許一對部件之間傳送數據，這就使信息傳送的吞吐量受到限制。為此出現了傳送數據，這就使信息傳送的吞吐量受到限制。為此出現了雙總線結構。這種結構保持了單總線系統簡單、易于擴充的雙總線結構。這種結構保持了單總線系統簡單、易于擴充的優(yōu)點，但又在優(yōu)點，但又在cpu和內存之間專門設置了一組高速的存儲和內存之間專門設置了一組高速的存儲總線，使總線，使cpu 可通過專用總線與存儲器交換信息，并減輕可通過專用總線與存儲器交換信息，并減輕

14、了系統總線的負擔，同時內存仍可通過系統總線與外設之間了系統總線的負擔，同時內存仍可通過系統總線與外設之間實現實現dma操作，而不必經過操作，而不必經過cpu。這種雙總線系統以增加。這種雙總線系統以增加硬件為代價，當前高檔微型機中廣泛采用這種總線結構。硬件為代價，當前高檔微型機中廣泛采用這種總線結構。 計算機組成原理計算機組成原理 第六章第六章 系統總線系統總線13（3 3） 三總線結構三總線結構 圖圖6.4所示的為三總線系統的結構圖，它是在雙總線系統所示的為三總線系統的結構圖，它是在雙總線系統的基礎上增加的基礎上增加i/o總線形成的。其中系統總線是總線形成的。其中系統總線是cpu、內存、內存和

15、通道（和通道（iop）。進行數據傳送的公共通路，而）。進行數據傳送的公共通路，而i/o總線是總線是多個外部設備與通道之間進行數據傳送的公共通路。多個外部設備與通道之間進行數據傳送的公共通路。 計算機組成原理計算機組成原理 第六章第六章 系統總線系統總線14 由上述可知，在由上述可知，在dma方式中，外設與存儲器間直接方式中，外設與存儲器間直接交換數據而不經過交換數據而不經過cpu，從而減輕，從而減輕cpu對數據輸入對數據輸入/輸出輸出的控制，而的控制，而“通道通道”方式進一步提高了方式進一步提高了cpu的效率。通道的效率。通道實際上是一臺具有特殊功能的處理器，又稱為實際上是一臺具有特殊功能的處

16、理器，又稱為iop（i/o處處理器），它分擔了一部分理器），它分擔了一部分cpu的功能，以實現對外設的統的功能，以實現對外設的統一管理及外設與內存之間的數據傳送。顯然，由于增加了一管理及外設與內存之間的數據傳送。顯然，由于增加了iop，整個系統的效率將大大提高，然而這是以增加更多，整個系統的效率將大大提高，然而這是以增加更多的硬件代價換來的。三總線系統通常用于中、大型計算機的硬件代價換來的。三總線系統通常用于中、大型計算機中。中。 計算機組成原理計算機組成原理 第六章第六章 系統總線系統總線153. 總線結構對計算機系統性能的影響總線結構對計算機系統性能的影響 （1） 最大存儲容量最大存儲容量

17、 在單總線系統中，最大內存容量必須小于由計算機字長在單總線系統中，最大內存容量必須小于由計算機字長所決定的可能的地址總數。所決定的可能的地址總數。 在雙總線系統中，對內存和外設進行存取的判斷是利用在雙總線系統中，對內存和外設進行存取的判斷是利用各自的指令操作碼來進行的。由于內存地址和外設地址出現各自的指令操作碼來進行的。由于內存地址和外設地址出現于不同的總線上，所以存儲容量不會受到外圍設備多少的影于不同的總線上，所以存儲容量不會受到外圍設備多少的影響。響。 計算機組成原理計算機組成原理 第六章第六章 系統總線系統總線16（2 2） 指令系統指令系統 在雙總線系統中，在雙總線系統中，cpucpu

18、對內存總線和系統總線必須有不對內存總線和系統總線必須有不同的指令系統。由于使用哪條總線要由操作碼加以規(guī)定，同的指令系統。由于使用哪條總線要由操作碼加以規(guī)定，所以在雙總線系統中，訪問內存操作和輸入所以在雙總線系統中，訪問內存操作和輸入/ /輸出操作各有輸出操作各有不同的指令。不同的指令。 在單總線系統中，在單總線系統中，cpu 對訪問內存和輸入對訪問內存和輸入/輸出操作是輸出操作是使用相同的操作碼，即使用相同的指令，但地址不同。使用相同的操作碼，即使用相同的指令，但地址不同。（3 3） 吞吐量吞吐量 計算機系統的吞吐量是指流入、處理和流出系統的信息計算機系統的吞吐量是指流入、處理和流出系統的信息

19、的速率。的速率。 系統吞吐量主要取決于內存的存取周期。系統吞吐量主要取決于內存的存取周期。 計算機組成原理計算機組成原理 第六章第六章 系統總線系統總線176.1.2總線接口總線接口1信息的傳送方式信息的傳送方式 計算機系統中，信息傳輸基本有四種方式：串行傳送、計算機系統中，信息傳輸基本有四種方式：串行傳送、并行傳送、并串行傳送和分時傳送。但是出于速度和效率上并行傳送、并串行傳送和分時傳送。但是出于速度和效率上的考慮，系統總線上傳送信息時，通常采用并行傳送方式。的考慮，系統總線上傳送信息時，通常采用并行傳送方式。在一些微型計算機或單片機中，由于在一些微型計算機或單片機中，由于cpu 引腳數的限

20、制，引腳數的限制，系統總線傳送信息時，采用的是并串行方式或分時方式。系統總線傳送信息時，采用的是并串行方式或分時方式。 計算機組成原理計算機組成原理 第六章第六章 系統總線系統總線18（1 1） 串行傳送串行傳送 當信息以串行方式傳送時，只有一條傳輸線，且采用脈沖當信息以串行方式傳送時，只有一條傳輸線，且采用脈沖傳送。在串行傳送時，按順序來傳送表示一個數碼的所有二傳送。在串行傳送時，按順序來傳送表示一個數碼的所有二進制位（進制位（bit）的脈沖信號，每次一位。通常以第一個脈沖）的脈沖信號，每次一位。通常以第一個脈沖信號表示數碼的最低有效位，最后一個脈沖信號表示數碼的信號表示數碼的最低有效位，最

21、后一個脈沖信號表示數碼的最高有效位，圖最高有效位，圖6.5(a)所示的是串行傳送的示意圖。所示的是串行傳送的示意圖。 假定串行數據是由假定串行數據是由“位時間位時間”組成的，那么傳送組成的，那么傳送8 8個比特個比特需要需要8 8個位時間。例如，如果接受設備在第一個位時間和第個位時間。例如，如果接受設備在第一個位時間和第三個位時間接受到一個脈沖，而其余的三個位時間接受到一個脈沖，而其余的6 6個位時間沒有收到個位時間沒有收到脈沖，那么就會知道所收到的二進制信息是脈沖，那么就會知道所收到的二進制信息是0000010100000101，注意，注意，串行傳送時低位在前，高位在后。串行傳送時低位在前，

22、高位在后。 在串行傳送時，被傳送的數據需要在發(fā)送部件進行并行在串行傳送時，被傳送的數據需要在發(fā)送部件進行并行串行變換，這稱為拆卸；而在接受部件又需要進行串行串行變換，這稱為拆卸；而在接受部件又需要進行串行并并行變換，這稱為裝配。行變換，這稱為裝配。 計算機組成原理計算機組成原理 第六章第六章 系統總線系統總線19并- 串變換串- 并變換傳送數據0000101發(fā)送部件接收部件低位10100000高位位時間傳送脈沖t1t2t3t4t5t6t7t8(a)發(fā)送郵件接收郵件1高位0101100低位(b)高 8 位低 8 位高 8 位低 8 位發(fā)送部件接收部件(c)圖6.5 信息的傳送方式(a) 串行傳送

23、；(b) 并行傳送；(c) 并串行傳送 計算機組成原理計算機組成原理 第六章第六章 系統總線系統總線20（2 2） 并行傳送并行傳送 用并行方式傳送二進制信息時，對每個數據位都需要單獨用并行方式傳送二進制信息時，對每個數據位都需要單獨一條傳輸線。信息有多少二進制位組成，就需要多少條傳輸一條傳輸線。信息有多少二進制位組成，就需要多少條傳輸線，這樣二進制數線，這樣二進制數“0”或或“1”可在不同的線上同時進行傳送?？稍诓煌木€上同時進行傳送。（3 3） 并串行傳送并串行傳送 如果一個數據字由四個字節(jié)組成，在總線上以并串行方式如果一個數據字由四個字節(jié)組成，在總線上以并串行方式傳送，那么傳送一個字節(jié)時

24、采用并行方式，而字節(jié)間的傳送傳送，那么傳送一個字節(jié)時采用并行方式，而字節(jié)間的傳送采用串行方式。顯然，并串行傳送方式是并行方式和串行方采用串行方式。顯然，并串行傳送方式是并行方式和串行方式的結合。圖式的結合。圖6.5（c）所示的是并串行傳送方式的示意圖。）所示的是并串行傳送方式的示意圖。（4 4） 分時傳送分時傳送 分時傳送有兩種概念。一是在分時傳送信息時，總線不明分時傳送有兩種概念。一是在分時傳送信息時，總線不明確區(qū)分哪些是數據線，哪些是地址線，而是統一傳送數據或確區(qū)分哪些是數據線，哪些是地址線，而是統一傳送數據或地址的信息。由于傳輸線上既要傳送地址信息，又要傳送數地址的信息。由于傳輸線上既要

25、傳送地址信息，又要傳送數據信息，因此必須劃分時間，以便在不同的時間間隔中完成據信息，因此必須劃分時間，以便在不同的時間間隔中完成傳送地址和傳送數據的任務。傳送地址和傳送數據的任務。 計算機組成原理計算機組成原理 第六章第六章 系統總線系統總線212 2接口的基本概念接口的基本概念 廣義地講，廣義地講，“接口接口”是指中央處理器（是指中央處理器（cpu）和內存、外）和內存、外圍設備、或兩種外圍設備、或兩種機器設備之間通過總線進圍設備、或兩種外圍設備、或兩種機器設備之間通過總線進行連接的邏輯部件。接口部件在它所連接的兩部件之間起著行連接的邏輯部件。接口部件在它所連接的兩部件之間起著“轉換器轉換器”

26、的作用，以便實現彼此之間的信息傳送。的作用，以便實現彼此之間的信息傳送。 計算機組成原理計算機組成原理 第六章第六章 系統總線系統總線22 典型的接口通常具有如下功能：典型的接口通常具有如下功能： 控制控制 接口靠程序的指令信息來控制外圍設備動作，如啟動、關接口靠程序的指令信息來控制外圍設備動作，如啟動、關閉設備等。閉設備等。 緩沖緩沖 接口在外圍設備和計算機系統的其他部件之間用作為一個接口在外圍設備和計算機系統的其他部件之間用作為一個緩沖器，以補償各種設備在速度上的差異。緩沖器，以補償各種設備在速度上的差異。 狀態(tài)監(jiān)視狀態(tài)監(jiān)視 接口監(jiān)視外圍設備的工作狀態(tài)并保存狀態(tài)信息。狀態(tài)接口監(jiān)視外圍設備的

27、工作狀態(tài)并保存狀態(tài)信息。狀態(tài)信息包括數據信息包括數據“準備就緒準備就緒”、“忙忙”、“錯誤錯誤”等等，供等等，供cpu cpu 詢問外圍詢問外圍設備時進行分析之用。設備時進行分析之用。 轉換數據格式轉換數據格式 接口可以完成任何要求的數據轉換，例如并接口可以完成任何要求的數據轉換，例如并- -串串轉換或串轉換或串- -并轉換，因此數據能在外圍設備和并轉換，因此數據能在外圍設備和cpucpu之間正確地進行傳送。之間正確地進行傳送。 整理整理 接口可以完成一些特別的功能，例如在需要時可修改字計接口可以完成一些特別的功能，例如在需要時可修改字計數器或當前內存地址寄存器。數器或當前內存地址寄存器。 程

28、序中斷程序中斷 每當外圍設備向軟件請求某種動作時，接口即發(fā)出一每當外圍設備向軟件請求某種動作時，接口即發(fā)出一個中斷請求信號到個中斷請求信號到cpu。例如，如果設備完成了一個操作或設備中存在。例如，如果設備完成了一個操作或設備中存在著一個錯誤狀態(tài)，接口就發(fā)出中斷。著一個錯誤狀態(tài)，接口就發(fā)出中斷。 計算機組成原理計算機組成原理 第六章第六章 系統總線系統總線233 3串行通信與數據接口串行通信與數據接口（1） 串行通信的優(yōu)點串行通信的優(yōu)點 串行傳送可以大大減少傳送線，從而大大的降低成本。但串行傳送可以大大減少傳送線，從而大大的降低成本。但是串行傳送的速度慢，若并行傳送所需的時間為是串行傳送的速度慢

29、，若并行傳送所需的時間為t，則串行，則串行傳送的時間至少為傳送的時間至少為nt（其中（其中n為位數）。為位數）。（2 2） 傳送編碼傳送編碼 在計算機中，數和字符等都是以一定的編碼表示的。編碼在計算機中，數和字符等都是以一定的編碼表示的。編碼的種類很多，常用的主要有：的種類很多，常用的主要有： 擴展的擴展的bcdbcd交換碼交換碼ebcdicebcdic（extended binary coded extended binary coded decimal interchange codedecimal interchange code），這是一種），這是一種8b8b編碼，通常用在編碼，通常用

30、在同步通信中。同步通信中。 美國標準信息交換碼美國標準信息交換碼ascii（american standard code for information interchange）。）。 計算機組成原理計算機組成原理 第六章第六章 系統總線系統總線24（3 3） 通信方式通信方式 在串行通信中，有兩種最基本的通信方式。在串行通信中，有兩種最基本的通信方式。1) 1) 異步通信異步通信asyncasync（asynchronous data communicationasynchronous data communication） 它用一個起始位表示字符的開始，用停止位表示字符的結它用一個起始位表

31、示字符的開始，用停止位表示字符的結束構成一幀，如圖束構成一幀，如圖6.7所示。所示。 起始位占用一位，字符編碼為起始位占用一位，字符編碼為7 7位（位（asciiascii）碼，第）碼，第8 8位為奇、位為奇、偶校驗位，加上這一位使字符中為偶校驗位，加上這一位使字符中為“1”1”的位為奇數（或偶的位為奇數（或偶數），停止位可以是一位、一位半或兩位。于是一個字符就由數），停止位可以是一位、一位半或兩位。于是一個字符就由10b10b或或10.5b10.5b或或11b11b構成。構成。 用這樣的方式表示字符時，字符可以一個接著一個地傳送。用這樣的方式表示字符時，字符可以一個接著一個地傳送。 計算機組

32、成原理計算機組成原理 第六章第六章 系統總線系統總線25 在異步數據傳送中，在異步數據傳送中， cpucpu與外設之間必須遵循如下二項與外設之間必須遵循如下二項規(guī)定。規(guī)定。 字符格式。字符格式。 這是對字符的編碼方式，奇偶校驗方式以及起始位和停這是對字符的編碼方式，奇偶校驗方式以及起始位和停止位的規(guī)定形式。例如用止位的規(guī)定形式。例如用asciiascii編碼，字符為七位，加上一編碼，字符為七位，加上一個偶校驗位，一個起始位，以及一個停止位。形成一個個偶校驗位，一個起始位，以及一個停止位。形成一個10b10b的字符格式。的字符格式。 波特率（波特率（baud ratebaud rate） 波特率

33、即數據傳送的速率，它對于波特率即數據傳送的速率，它對于cpucpu與外界的通信是與外界的通信是很重要的。假如數據傳送的速率是很重要的。假如數據傳送的速率是120120字符字符/s/s，而每一個字，而每一個字符字符格式為符字符格式為10b10b，則傳送的波特率為，則傳送的波特率為 1010120=1200b/s=1200 baud120=1200b/s=1200 baud 每一位的傳送時間為波特率的倒數：每一位的傳送時間為波特率的倒數： td=1/1200=0.833mstd=1/1200=0.833ms 波特率也是衡量傳輸通道頻寬的指標。波特率也是衡量傳輸通道頻寬的指標。 計算機組成原理計算機

34、組成原理 第六章第六章 系統總線系統總線26 100/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1111100/1 0/1 起始位下一個字符起始位7位數據奇偶校驗停止位第n個字符空閑位第(n+1)個字符低位高位下降邊指出下一個字符的開始一位時間取決于波特率mark(a)0/1 0/1100/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1100/1 0/1 0/1 0/1起始位7位數據奇偶校驗停止位第n個字符第(n+1)個字符低位高位下降邊指出下一個字符的開始奇偶校驗停止位第(n1)個字符7位數據(b)圖6.7 異 步通 信字 符格 式 計算機組成原理計算機組成原理 第

35、六章第六章 系統總線系統總線272) 2) 同步傳送同步傳送 在異步傳送中，每一個字符要用起始位和停止位作為字在異步傳送中，每一個字符要用起始位和停止位作為字符開始和結束的標志，占用了時間，所以，在數據塊傳送符開始和結束的標志，占用了時間，所以，在數據塊傳送時，為了提高速度，就去掉這些標志，采用同步傳送的方時，為了提高速度，就去掉這些標志，采用同步傳送的方式。此方式在數據塊開始處要用同步字符來指示，如圖式。此方式在數據塊開始處要用同步字符來指示，如圖6.8所示。所示。 發(fā)送設備在發(fā)送的數據前面要先發(fā)送同步字符，接收設備在收發(fā)送設備在發(fā)送的數據前面要先發(fā)送同步字符，接收設備在收到同步字符后就以與

36、發(fā)送設備相同的時鐘來接收數據塊，從而達到同步字符后就以與發(fā)送設備相同的時鐘來接收數據塊，從而達到快速數據傳送的目的。到快速數據傳送的目的。 同步傳送的速度高于異步傳送速度，可達上兆波特。但它要求同步傳送的速度高于異步傳送速度，可達上兆波特。但它要求用時鐘來實現發(fā)送端與接收端之間的同步，故而硬件結構復雜。用時鐘來實現發(fā)送端與接收端之間的同步，故而硬件結構復雜。 計算機組成原理計算機組成原理 第六章第六章 系統總線系統總線28（4 4） 串行傳送中的幾個問題串行傳送中的幾個問題 1) 數據傳送方向數據傳送方向 半雙工（半雙工（half duplex） 如圖如圖6.9所示，每次只能有一個站發(fā)送，所示

37、，每次只能有一個站發(fā)送，即只能是由即只能是由a發(fā)送到發(fā)送到b，或是由，或是由b發(fā)送到發(fā)送到a，不能，不能a和和b同時發(fā)送。同時發(fā)送。 完全雙工（完全雙工（full duplex） 如圖如圖6.10所示。兩個站可所示。兩個站可同時發(fā)送和接收。同時發(fā)送和接收。 計算機組成原理計算機組成原理 第六章第六章 系統總線系統總線292) 信號的調制和解調信號的調制和解調計算機crt圖6.11 通信信號示意303000放大倍數kf/hz圖6.12 電話線的頻帶圖計算機電話線圖6.13 數字信號通過電話線傳送產生的畸變 計算機組成原理計算機組成原理 第六章第六章 系統總線系統總線30 所以，要用調制器（所以，

38、要用調制器（modulator）把數字信號轉換為模擬信號進行傳送；）把數字信號轉換為模擬信號進行傳送；接收時用解調器（接收時用解調器（demodulator）檢測此模擬信號，再把它轉換成數字信號，）檢測此模擬信號，再把它轉換成數字信號，如圖如圖6.14所示。所示。 計 算 機modem11 0 1 0 1 0 1 0010modem1 0 1 0 1 0 1 0crt數 字 信 號模 擬 信 號數 字 信 號兩 線 電 話 線圖 6.14 調 制與 解調 示意 圖頻 率 1頻 率 2d ata輸 出（ fsk ）0 1 0 1 0 0 1 0+010圖 6.15 f s k 調 制 法 原 理

39、 圖fsk（frequency shift keying）是一種常用的調制方法：它把數字信號的）是一種常用的調制方法：它把數字信號的“1”與與“0”調制成不同頻率（易于鑒別）的模擬信號，其原理如圖調制成不同頻率（易于鑒別）的模擬信號，其原理如圖6.15所示。所示。 計算機組成原理計算機組成原理 第六章第六章 系統總線系統總線31 兩個不同頻率的模擬信號，分別由電子開關控制，在運兩個不同頻率的模擬信號，分別由電子開關控制，在運算放大器的輸入端相加，而電子開關由要傳輸的數字信號算放大器的輸入端相加，而電子開關由要傳輸的數字信號（即數據）控制。當信號為（即數據）控制。當信號為“1”時，控制上面的電子

40、開關導時，控制上面的電子開關導通，送出一串頻率較高的模擬信號；當信號為通，送出一串頻率較高的模擬信號；當信號為“0”時，控制時，控制下面的電子開關導通，送出一串頻率較低的模擬信號，于是下面的電子開關導通，送出一串頻率較低的模擬信號，于是在運算放大器的輸出端，就得到了調制后的信號。在運算放大器的輸出端，就得到了調制后的信號。 計算機組成原理計算機組成原理 第六章第六章 系統總線系統總線324 4intel 8251aintel 8251a可編程通信接口可編程通信接口（1 1） 基本性能基本性能 可用于同步或異步傳送。可用于同步或異步傳送。 同步傳送，同步傳送，5 58b8b字符，內部或外部字符同

41、步化，自動字符，內部或外部字符同步化，自動插入同步字符。插入同步字符。 異步傳送，異步傳送，5 58b8b字符，時鐘速率為通信波特率的字符，時鐘速率為通信波特率的1 1、1616或或6464倍。倍。 可產生中止字符，可產生可產生中止字符，可產生1 1、1.51.5或或2b2b的停止位?？蓹z的停止位。可檢查假啟動位。自動檢測和處理中止字符。查假啟動位。自動檢測和處理中止字符。 波特率，波特率， dcdc19.2kb19.2kb（異步）；（異步）； dcdc64kb64kb（同步）。（同步）。 完全雙工，雙緩沖器發(fā)送和接收器。完全雙工，雙緩沖器發(fā)送和接收器。 誤差檢測，具有奇偶、溢出和幀錯誤等檢測

42、電路。誤差檢測，具有奇偶、溢出和幀錯誤等檢測電路。 計算機組成原理計算機組成原理 第六章第六章 系統總線系統總線33（2 2） 82518251的結構的結構 8251的結構如圖的結構如圖6.16的方框圖所示。整個的方框圖所示。整個8251可以分成五可以分成五個主要部分：接收器、發(fā)送器、調制控制、讀寫個主要部分：接收器、發(fā)送器、調制控制、讀寫/控制以及控制以及i/o緩沖器。而緩沖器。而i/o緩沖器由狀態(tài)緩沖器、發(fā)送數據緩沖器由狀態(tài)緩沖器、發(fā)送數據/命令緩命令緩沖器和接收數據緩沖器三部分組成。沖器和接收數據緩沖器三部分組成。8251的內部由內部數據的內部由內部數據總線實現相互之間的通信?？偩€實現相

43、互之間的通信。 1) 1) 接收器接收器 接收器接收由接收器接收由rxd腳輸入的串行數據，并按規(guī)定的格式把腳輸入的串行數據，并按規(guī)定的格式把它轉換為并行數據，存放在接收數據緩沖器中。它轉換為并行數據，存放在接收數據緩沖器中。 2) 2) 發(fā)送器發(fā)送器 發(fā)送器接收發(fā)送器接收cpu送來的并行數據，將它加上起始位、奇偶送來的并行數據，將它加上起始位、奇偶校驗位和停止位，然后由校驗位和停止位，然后由txd腳發(fā)送。腳發(fā)送。 計算機組成原理計算機組成原理 第六章第六章 系統總線系統總線34發(fā)送數據 /命令緩沖器外部數據總線狀態(tài)緩沖器讀 /寫控制邏輯resetclkrdwrcs發(fā)送器（ p s）發(fā)送（控制）

44、txdtxpdytxetxc調制控制接收（控制）接收器（s p）rxrdysyn deetrxcrxddtrdsrrtscts接收數據緩沖器圖6.16 8251的方框圖 計算機組成原理計算機組成原理 第六章第六章 系統總線系統總線35終止或空閑位起始位第一數據位第二數據位第三數據位第四數據位第五數據位第六數據位第七數據位第八數據位奇偶校驗位終止位100/10/10/10/10/10/10/10/10/11一個字符8tc到9tc16tc1016tc916tc816tc716tc616tc516tc416tc316tc=48tc32tc圖6.17 8259接收數據定時方式 計算機組成原理計算機組成

45、原理 第六章第六章 系統總線系統總線365 5并行數據接口并行數據接口 通常并行數據接口應具有以下功能：通常并行數據接口應具有以下功能： 有兩個或兩個以上的具有輸入和輸出數據的緩沖器或有兩個或兩個以上的具有輸入和輸出數據的緩沖器或鎖存器的數據端口，可以和鎖存器的數據端口，可以和cpucpu的數據總線相連接。的數據總線相連接。 每個數據端口都有與每個數據端口都有與cpucpu用應答方式交換數據所需的狀用應答方式交換數據所需的狀態(tài)信號和控制信號。具有保存控制字的控制寄存器。態(tài)信號和控制信號。具有保存控制字的控制寄存器。cpucpu可通過用戶程序將控制字送到控制寄存器，命令外圍設備可通過用戶程序將控

46、制字送到控制寄存器，命令外圍設備執(zhí)行不同的功能。執(zhí)行不同的功能。 具有控制外圍設備的控制和定時信號。具有控制外圍設備的控制和定時信號。 計算機組成原理計算機組成原理 第六章第六章 系統總線系統總線37數據緩沖器1方向寄存器控制控制緩沖器方向寄存器多路轉換器數據緩沖器2方向寄存器控制設備選擇控制邏輯緩沖讀/寫中斷控制總線cpu數據總線地址總線去 i/o 設備控制信號i/oi/o圖6.18 典型pio簡化框圖 計算機組成原理計算機組成原理 第六章第六章 系統總線系統總線38（1 1） 數據緩沖器數據緩沖器 數據緩沖器可以有兩個或多個。它們既可以作為輸入數據數據緩沖器可以有兩個或多個。它們既可以作為

47、輸入數據寄存器，也可以作為輸出數據寄存器，這由方向寄存器來控寄存器，也可以作為輸出數據寄存器，這由方向寄存器來控制。每個數據緩沖器，可以接到由多條傳輸線組成的雙向數制。每個數據緩沖器，可以接到由多條傳輸線組成的雙向數據總線上去，在微型機中，通常把一個數據緩沖器稱為一個據總線上去，在微型機中，通常把一個數據緩沖器稱為一個端口。端口。（2 2）控制緩沖器）控制緩沖器 控制緩沖器用來作為存放控制字的控制寄存器，并且決定控制緩沖器用來作為存放控制字的控制寄存器，并且決定外圍設備的工作方式。外圍設備的工作方式。（3 3）多路轉換器）多路轉換器 多路轉換器實際上是一個多路開關，通過多路轉換器，兩多路轉換器

48、實際上是一個多路開關，通過多路轉換器，兩個或多個數據緩沖器的數據可轉接到個或多個數據緩沖器的數據可轉接到cpucpu的數據總線上去。的數據總線上去。（4 4）控制邏輯）控制邏輯 控制邏輯用來發(fā)出和接收各種控制信號，其中包括外圍設控制邏輯用來發(fā)出和接收各種控制信號，其中包括外圍設備的工作狀態(tài)信號。備的工作狀態(tài)信號。 計算機組成原理計算機組成原理 第六章第六章 系統總線系統總線396.2 6.2 總線的控制與通信總線的控制與通信 6.2.1總線的控制總線的控制 控制方式可以分成集中式和分散式兩類?？偩€控控制方式可以分成集中式和分散式兩類。總線控制邏輯基本集中在一處的，稱為集中式總線控制。制邏輯基本

49、集中在一處的，稱為集中式總線控制。總線控制邏輯分散在總線各部件中的，稱為分散式總線控制邏輯分散在總線各部件中的，稱為分散式總線控制。集中式控制是三總線、雙總線和單總線總線控制。集中式控制是三總線、雙總線和單總線結構機器中主要采用的方式，它主要有以下三種控結構機器中主要采用的方式，它主要有以下三種控制方式：制方式：鏈式查詢方式；鏈式查詢方式；計數器定時查詢方式；計數器定時查詢方式；獨立請求方式。獨立請求方式。 計算機組成原理計算機組成原理 第六章第六章 系統總線系統總線401 1 鏈式查詢方式鏈式查詢方式 鏈式查詢方式如圖鏈式查詢方式如圖6.19(a)6.19(a)所示。圖中所示的總線控制部所示

50、。圖中所示的總線控制部件在單總線系統和雙總線系統中常常是件在單總線系統和雙總線系統中常常是cpu cpu 的一部分。在三的一部分。在三總線系統的總線系統的i/oi/o總線中，它是通道的一部分。總線中，它是通道的一部分。 鏈式查詢方式，除一般數據總線鏈式查詢方式，除一般數據總線d d和地址總線和地址總線a a外，主要外，主要有三根控制線：有三根控制線： bs bs（忙）（忙） 該線有效，表示總線正被某外設使用。該線有效，表示總線正被某外設使用。 br br（總線請求）（總線請求） 該線有效，表示至少有一個外設要該線有效，表示至少有一個外設要求使用總線。求使用總線。 bg bg（總線同意）（總線同

51、意） 該線有效，表示總線控制部件響應該線有效，表示總線控制部件響應總線請求（總線請求（brbr）。）。 計算機組成原理計算機組成原理 第六章第六章 系統總線系統總線41總線控制部 件bsbr設備接口0設備接口1設備接口ndabg(a)總線控制部 件bsbr設備接口0設備接口1設備接口nda設備地址計數器(b)總線控制部 件bg0br0設備接口0設備接口1設備接口nbg1br1bgnbrn(c)圖6.19 集中式總線控制方式(a) 鏈式查詢方式；(b) 計數器定時查詢方式；(c) 獨立請求方式 計算機組成原理計算機組成原理 第六章第六章 系統總線系統總線42 鏈式查詢方式的主要特征是總線同意信號

52、鏈式查詢方式的主要特征是總線同意信號bg的傳送方式：的傳送方式：串行地從一個串行地從一個i/o接口送到下一個接口送到下一個i/o接口。假如接口。假如bg到達的到達的接口無總線請求，則繼續(xù)往下傳；假如接口無總線請求，則繼續(xù)往下傳；假如bg到達的總線接口到達的總線接口有總線請求，有總線請求，bg信號便不再往下傳。這意味著，該信號便不再往下傳。這意味著，該i/o接口接口就獲得了總線控制權。就獲得了總線控制權。 在查詢鏈中離總線控制器最近的設備具有最高優(yōu)先權，在查詢鏈中離總線控制器最近的設備具有最高優(yōu)先權，離總線越遠，優(yōu)先權越低。離總線越遠，優(yōu)先權越低。 鏈式查詢方式的優(yōu)點是，只用很少幾根線就能按一定

53、優(yōu)鏈式查詢方式的優(yōu)點是，只用很少幾根線就能按一定優(yōu)先次序實現總線控制，并且這種鏈式結構很容易擴充設備。先次序實現總線控制，并且這種鏈式結構很容易擴充設備。 鏈式查詢方式的缺點是對詢問鏈的電路故障很敏感，鏈式查詢方式的缺點是對詢問鏈的電路故障很敏感， 計算機組成原理計算機組成原理 第六章第六章 系統總線系統總線432 2 計數器定時查詢方式計數器定時查詢方式 計數器定時查詢方式（又稱為計數查詢）原理如圖計數器定時查詢方式（又稱為計數查詢）原理如圖6.19(b)所所示?？偩€上的任一設備要求使用總線時，通過示。總線上的任一設備要求使用總線時，通過br線發(fā)出總線請線發(fā)出總線請求?？偩€控制器接到請求信號

54、以后，在求?？偩€控制器接到請求信號以后，在bs線為線為“0”的情況下讓的情況下讓計數器開始計數，計數值通過一組地址線發(fā)向各設備。每個設備計數器開始計數，計數值通過一組地址線發(fā)向各設備。每個設備接口都有一個設備地址判別電路，當地址線上的計數值與請求總接口都有一個設備地址判別電路，當地址線上的計數值與請求總線的設備的相一致時，該設備置線的設備的相一致時，該設備置bs線為線為“1”，獲得總線使用權，獲得總線使用權，此時中止計數查詢。此時中止計數查詢。3 3 獨立請求方式獨立請求方式 獨立請求方式原理如圖獨立請求方式原理如圖6.19(c)所示。在獨立請求方式中，每一所示。在獨立請求方式中，每一個共享總

55、線的設備均有一對總線請求線個共享總線的設備均有一對總線請求線bri和總線同意線和總線同意線bgi。當設備要求使用總線時，便發(fā)出該設備的請求信號?？偩€控制部當設備要求使用總線時，便發(fā)出該設備的請求信號?？偩€控制部件中一般有一個排隊電路，根據一定的優(yōu)先次序決定首先響應哪件中一般有一個排隊電路，根據一定的優(yōu)先次序決定首先響應哪個設備的請求，并對該設備發(fā)出同意信號個設備的請求，并對該設備發(fā)出同意信號bgi。 計算機組成原理計算機組成原理 第六章第六章 系統總線系統總線446.2.26.2.2總線的通信總線的通信 當共享總線的部件獲得總線使用權后，就開始傳送信當共享總線的部件獲得總線使用權后，就開始傳送

56、信息，即進行通信。通信方式是實現總線控制和數據傳送的息，即進行通信。通信方式是實現總線控制和數據傳送的手段，通常分為同步通信和異步通信兩種。手段，通常分為同步通信和異步通信兩種。 計算機組成原理計算機組成原理 第六章第六章 系統總線系統總線451 1 同步通信同步通信 總線上的部件通過總線進行信息傳送時，用一個公共的總線上的部件通過總線進行信息傳送時，用一個公共的時鐘信號來實現同步運行，這種方式稱為同步通信（無應時鐘信號來實現同步運行，這種方式稱為同步通信（無應答通信）。這個公共的時鐘可以由答通信）。這個公共的時鐘可以由cpu總線控制部件發(fā)送總線控制部件發(fā)送到每一個部件（設備），也可以讓每個部

57、件有各自的時鐘到每一個部件（設備），也可以讓每個部件有各自的時鐘發(fā)生器，然而它們都必須由總線控制部件發(fā)出的時鐘信號發(fā)生器，然而它們都必須由總線控制部件發(fā)出的時鐘信號進行同步。進行同步。 計算機組成原理計算機組成原理 第六章第六章 系統總線系統總線46 由于采用了公共時鐘，每個部件什么時候發(fā)送和接收由于采用了公共時鐘，每個部件什么時候發(fā)送和接收信息都由統一的時鐘規(guī)定，因此，同步通信具有較高的傳信息都由統一的時鐘規(guī)定，因此，同步通信具有較高的傳輸頻率。輸頻率。 同步通信適用于總線長度較短、各部件存取時間比較同步通信適用于總線長度較短、各部件存取時間比較接近的情況。這是因為，同步方式對任何兩個設備之

58、間的接近的情況。這是因為，同步方式對任何兩個設備之間的通信都給予同樣的時間安排。就總線的長度來講，必須按通信都給予同樣的時間安排。就總線的長度來講，必須按距離最長的兩個設備的傳輸延遲來設計公共時間，但是總距離最長的兩個設備的傳輸延遲來設計公共時間，但是總線長了勢必降低傳輸頻率。線長了勢必降低傳輸頻率。 存取時間是指部件接到讀存取時間是指部件接到讀/寫命令，到完成讀出或寫寫命令，到完成讀出或寫入一個數據所需要的時間。同步總線必須按最慢的部件設入一個數據所需要的時間。同步總線必須按最慢的部件設計公共時鐘，如果各部件存取時間相差很大，則會大大損計公共時鐘，如果各部件存取時間相差很大，則會大大損失總線

59、效率。失總線效率。 計算機組成原理計算機組成原理 第六章第六章 系統總線系統總線472 2異步通信異步通信 異步通信允許總線上的各部件有各自的時鐘，在部件之異步通信允許總線上的各部件有各自的時鐘，在部件之間進行通信時沒有公共的時間標準，而是靠發(fā)送信息時同時間進行通信時沒有公共的時間標準，而是靠發(fā)送信息時同時發(fā)出本設備的時間標志信號，用發(fā)出本設備的時間標志信號，用“應答方式應答方式”來進行通信。來進行通信。發(fā)送部件將數據放在總線上，延遲發(fā)送部件將數據放在總線上，延遲t t時間后發(fā)出時間后發(fā)出readyready信號，信號，通知對方數據已在總線上。接受部件以通知對方數據已在總線上。接受部件以rea

60、dyready信號作選通脈信號作選通脈沖接收數據，并發(fā)出沖接收數據，并發(fā)出ackack作回答，表示數據已接收。發(fā)送部作回答，表示數據已接收。發(fā)送部件收到件收到ackack信號后可以撤除數據和信號后可以撤除數據和readyready信號，以便進行下一信號，以便進行下一次傳送。次傳送。 計算機組成原理計算機組成原理 第六章第六章 系統總線系統總線48 另一方面，接受部件在收到另一方面，接受部件在收到readyready信號下降沿時必須結信號下降沿時必須結束束ackack信號，這樣在信號，這樣在ackack信號結束以前不會產生下一個信號結束以前不會產生下一個readyready信號，從而保證了數據傳