計(jì)算機(jī)組成原理(華科版)第六章系統(tǒng)總線.ppt

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1、第六章 系統(tǒng)總線,6.1 系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu),總線（Bus），又稱之為母線，是從一個(gè)或多個(gè)源部件傳送信息到一個(gè)或多個(gè)目的部件的傳輸線束。總線是多個(gè)部件間的公共連線。,6.1.1總線的結(jié)構(gòu)與連接方式,總線就是指能為多個(gè)功能部件服務(wù)的一組公用信息線。,一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的總線，大致分為如下三類： 內(nèi)部總線 同一部件之間的總線，如CPU內(nèi)部連接各寄存器及運(yùn)算器之間的連線。 系統(tǒng)總線 同一臺計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各部件之間連接的總線，如CPU、內(nèi)存、通道和各類I/O接口間的連線。 多機(jī)系統(tǒng)總線 多臺處理機(jī)之間互相連接的總線，它涉及到多機(jī)系統(tǒng)互連。,1總線的結(jié)構(gòu) 地址線：用于選擇信息傳送的設(shè)備。例如，CPU與主

2、存?zhèn)魉蛿?shù)據(jù)或指令時(shí)，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(yīng)這個(gè)地址，其他設(shè)備則不響應(yīng)。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。 數(shù)據(jù)線：用于總線上的設(shè)備之間傳送數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)線通常是雙向線。例如，CPU與主存可以通過數(shù)據(jù)線進(jìn)行輸入（取數(shù)）或輸出（寫數(shù)）。,控制線： 用于實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的控制和監(jiān)視功能。例如，CPU與主存?zhèn)魉托畔r(shí)，CPU通過控制線發(fā)送讀或?qū)懨畹街鞔妫瑔?dòng)主存讀或?qū)懖僮?。同時(shí)，通過控制線監(jiān)視主存送來的MOC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，有從CPU 發(fā)送出去的，也有從設(shè)備發(fā)送出去的。除以上3種線外，還有時(shí)鐘線、電源線和地線等，分

3、別用作時(shí)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，分布格式很講究。,2總線的連接方式,通過接口可以實(shí)現(xiàn)高速機(jī)器與低速外設(shè)之間工作速度上的匹配和同步，并完成計(jì)算機(jī)和外設(shè)之間的所有數(shù)據(jù)傳送和控制。因此，“接口”又有“適配器”、“設(shè)備控制器”等名稱。,根據(jù)連接方式不同，單機(jī)系統(tǒng)中采用的總線結(jié)構(gòu)有三種基本類型：單總線結(jié)構(gòu)；雙總線結(jié)構(gòu)；三總線結(jié)構(gòu)。,（1） 單總線結(jié)構(gòu) 在許多微小型計(jì)算機(jī)中，使用一條單一的系統(tǒng)總線來連接CPU、內(nèi)存和I/O設(shè)備，稱為單總線結(jié)構(gòu)，如圖6.1所示。,在單總線結(jié)構(gòu)中，要求連接到總線上的邏輯部件必須高速運(yùn)行，以便在某些設(shè)備需要使用總線時(shí)，能迅速獲得總線控制權(quán)；

4、而當(dāng)不再使用總線時(shí)，能迅速放棄總線控制權(quán)，否則，一條總線由多種部件共用，可能導(dǎo)致很大的時(shí)間延遲。,在單總線系統(tǒng)中，主存與輸入、輸出設(shè)備都在同一條總線上，設(shè)備的尋址采用統(tǒng)一編址的方法，即所有的主存單元及外部設(shè)備接口寄存器的地址一起構(gòu)成一個(gè)連續(xù)的地址空間（單總線地址空間），因此，訪內(nèi)指令與輸入/輸出指令在形式上完全相同，區(qū)別僅在于地址的數(shù)值不同，這就是說，對輸入/輸出設(shè)備的操作，完全可以和內(nèi)存的操作一樣處理。這樣，當(dāng)CPU把指令的地址字段送到總線上時(shí)，如果該地址字段對應(yīng)的地址是內(nèi)存地址，則內(nèi)存予以響應(yīng)。此時(shí)，在CPU和內(nèi)存之間將發(fā)生數(shù)據(jù)傳送，數(shù)據(jù)傳送的方向由指令操作碼決定，如圖6.2(b)所示。,

5、如果該指令地址字段對應(yīng)的是外圍設(shè)備地址，則外圍設(shè)備譯碼器予以響應(yīng)， 此時(shí)，CPU和與該地址相對應(yīng)的外圍設(shè)備之間，將發(fā)生數(shù)據(jù)傳送，而數(shù)據(jù)傳送的方向由指令操作碼決定，如圖6.2(c)所示。 在單總線系統(tǒng)中，某些外圍設(shè)備也可以指定地址。 此時(shí)，外圍設(shè)備通過與CPU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(shè)備得到總線控制權(quán)，就可向總線發(fā)送地址信號，使總線上的地址線置為適當(dāng)?shù)拇a狀態(tài)，以便決定它將要與那一個(gè)設(shè)備進(jìn)行信息交換。 采用統(tǒng)一編址方法，省去一類I/O指令，簡化了指令系統(tǒng)。此外，單總線結(jié)構(gòu)簡單，使用靈活，易擴(kuò)充。然而，單總線的地址線位數(shù)與主存地址位數(shù)相同，主存的部分地址空間要用于外部設(shè)

6、備接口寄存器尋址。此外，所有的部件均通過一條總線進(jìn)行通信，分時(shí)使用總線，因此，通信速度比較慢。通常，單總線結(jié)構(gòu)適用于小型或微型計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)總線。,（2） 雙總線結(jié)構(gòu) 單總線系統(tǒng)中，由于所有邏輯部件都掛在同一個(gè)總線上，因此總線只能分時(shí)工作，即某一時(shí)間只能允許一對部件之間傳送數(shù)據(jù)，這就使信息傳送的吞吐量受到限制。為此出現(xiàn)了雙總線結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)保持了單總線系統(tǒng)簡單、易于擴(kuò)充的優(yōu)點(diǎn)，但又在CPU和內(nèi)存之間專門設(shè)置了一組高速的存儲總線，使CPU 可通過專用總線與存儲器交換信息，并減輕了系統(tǒng)總線的負(fù)擔(dān)，同時(shí)內(nèi)存仍可通過系統(tǒng)總線與外設(shè)之間實(shí)現(xiàn)DMA操作，而不必經(jīng)過CPU。這種雙總線系統(tǒng)以增加硬件為代價(jià)，當(dāng)前

7、高檔微型機(jī)中廣泛采用這種總線結(jié)構(gòu)。,（3） 三總線結(jié)構(gòu) 圖6.4所示的為三總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，它是在雙總線系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加I/O總線形成的。其中系統(tǒng)總線是CPU、內(nèi)存和通道（IOP）。進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的公共通路，而I/O總線是多個(gè)外部設(shè)備與通道之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。,由上述可知，在DMA方式中，外設(shè)與存儲器間直接交換數(shù)據(jù)而不經(jīng)過CPU，從而減輕CPU對數(shù)據(jù)輸入/輸出的控制，而“通道”方式進(jìn)一步提高了CPU的效率。通道實(shí)際上是一臺具有特殊功能的處理器，又稱為IOP（I/O處理器），它分擔(dān)了一部分CPU的功能，以實(shí)現(xiàn)對外設(shè)的統(tǒng)一管理及外設(shè)與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳送。顯然，由于增加了IOP，整個(gè)系統(tǒng)的效

8、率將大大提高，然而這是以增加更多的硬件代價(jià)換來的。三總線系統(tǒng)通常用于中、大型計(jì)算機(jī)中。,3. 總線結(jié)構(gòu)對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的影響 （1） 最大存儲容量 在單總線系統(tǒng)中，最大內(nèi)存容量必須小于由計(jì)算機(jī)字長所決定的可能的地址總數(shù)。 在雙總線系統(tǒng)中，對內(nèi)存和外設(shè)進(jìn)行存取的判斷是利用各自的指令操作碼來進(jìn)行的。由于內(nèi)存地址和外設(shè)地址出現(xiàn)于不同的總線上，所以存儲容量不會受到外圍設(shè)備多少的影響。,（2） 指令系統(tǒng) 在雙總線系統(tǒng)中，CPU對內(nèi)存總線和系統(tǒng)總線必須有不同的指令系統(tǒng)。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(tǒng)中，訪問內(nèi)存操作和輸入/輸出操作各有不同的指令。 在單總線系統(tǒng)中，CPU 對訪問內(nèi)

9、存和輸入/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。 （3） 吞吐量 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的吞吐量是指流入、處理和流出系統(tǒng)的信息的速率。 系統(tǒng)吞吐量主要取決于內(nèi)存的存取周期。,6.1.2總線接口,1信息的傳送方式,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)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(shí)傳送。但是出于速度和效率上的考慮，系統(tǒng)總線上傳送信息時(shí)，通常采用并行傳送方式。在一些微型計(jì)算機(jī)或單片機(jī)中，由于CPU 引腳數(shù)的限制，系統(tǒng)總線傳送信息時(shí)，采用的是并串行方式或分時(shí)方式。,（1） 串行傳送 當(dāng)信息以串行方式傳送時(shí)，只有一條傳輸線，且采用脈沖傳送。在串行傳送時(shí)，按順序來傳送表示一個(gè)數(shù)碼的所

10、有二進(jìn)制位（bit）的脈沖信號，每次一位。通常以第一個(gè)脈沖信號表示數(shù)碼的最低有效位，最后一個(gè)脈沖信號表示數(shù)碼的最高有效位，圖6.5(a)所示的是串行傳送的示意圖。 假定串行數(shù)據(jù)是由“位時(shí)間”組成的，那么傳送8個(gè)比特需要8個(gè)位時(shí)間。例如，如果接受設(shè)備在第一個(gè)位時(shí)間和第三個(gè)位時(shí)間接受到一個(gè)脈沖，而其余的6個(gè)位時(shí)間沒有收到脈沖，那么就會知道所收到的二進(jìn)制信息是00000101，注意，串行傳送時(shí)低位在前，高位在后。 在串行傳送時(shí)，被傳送的數(shù)據(jù)需要在發(fā)送部件進(jìn)行并行串行變換，這稱為拆卸；而在接受部件又需要進(jìn)行串行并行變換，這稱為裝配。,（2） 并行傳送 用并行方式傳送二進(jìn)制信息時(shí)，對每個(gè)數(shù)據(jù)位都需要單

11、獨(dú)一條傳輸線。信息有多少二進(jìn)制位組成，就需要多少條傳輸線，這樣二進(jìn)制數(shù)“0”或“1”可在不同的線上同時(shí)進(jìn)行傳送。 （3） 并串行傳送 如果一個(gè)數(shù)據(jù)字由四個(gè)字節(jié)組成，在總線上以并串行方式傳送，那么傳送一個(gè)字節(jié)時(shí)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式的結(jié)合。圖6.5（c）所示的是并串行傳送方式的示意圖。 （4） 分時(shí)傳送 分時(shí)傳送有兩種概念。一是在分時(shí)傳送信息時(shí)，總線不明確區(qū)分哪些是數(shù)據(jù)線，哪些是地址線，而是統(tǒng)一傳送數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)信息，因此必須劃分時(shí)間，以便在不同的時(shí)間間隔中完成傳送地址和傳送數(shù)據(jù)的任務(wù)。

12、,2接口的基本概念 廣義地講，“接口”是指中央處理器（CPU）和內(nèi)存、外圍設(shè)備、或兩種外圍設(shè)備、或兩種機(jī)器設(shè)備之間通過總線進(jìn)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(zhuǎn)換器”的作用，以便實(shí)現(xiàn)彼此之間的信息傳送。,典型的接口通常具有如下功能： 控制 接口靠程序的指令信息來控制外圍設(shè)備動(dòng)作，如啟動(dòng)、關(guān)閉設(shè)備等。 緩沖 接口在外圍設(shè)備和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的其他部件之間用作為一個(gè)緩沖器，以補(bǔ)償各種設(shè)備在速度上的差異。 狀態(tài)監(jiān)視 接口監(jiān)視外圍設(shè)備的工作狀態(tài)并保存狀態(tài)信息。狀態(tài)信息包括數(shù)據(jù)“準(zhǔn)備就緒”、“忙”、“錯(cuò)誤”等等，供CPU 詢問外圍設(shè)備時(shí)進(jìn)行分析之用。 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式 接口可以完成任

13、何要求的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，例如并-串轉(zhuǎn)換或串-并轉(zhuǎn)換，因此數(shù)據(jù)能在外圍設(shè)備和CPU之間正確地進(jìn)行傳送。 整理 接口可以完成一些特別的功能，例如在需要時(shí)可修改字計(jì)數(shù)器或當(dāng)前內(nèi)存地址寄存器。 程序中斷 每當(dāng)外圍設(shè)備向軟件請求某種動(dòng)作時(shí)，接口即發(fā)出一個(gè)中斷請求信號到CPU。例如，如果設(shè)備完成了一個(gè)操作或設(shè)備中存在著一個(gè)錯(cuò)誤狀態(tài)，接口就發(fā)出中斷。,3串行通信與數(shù)據(jù)接口 （1） 串行通信的優(yōu)點(diǎn) 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(shí)間為t，則串行傳送的時(shí)間至少為nt（其中n為位數(shù)）。 （2） 傳送編碼 在計(jì)算機(jī)中，數(shù)和字符等都是以一定的編碼表示的。編碼的種類

14、很多，常用的主要有： 擴(kuò)展的BCD交換碼EBCDIC（Extended Binary Coded Decimal Interchange Code），這是一種8b編碼，通常用在同步通信中。 美國標(biāo)準(zhǔn)信息交換碼ASCII（American Standard Code for Information Interchange）。,（3） 通信方式 在串行通信中，有兩種最基本的通信方式。 1) 異步通信ASYNC（Asynchronous Data Communication） 它用一個(gè)起始位表示字符的開始，用停止位表示字符的結(jié)束構(gòu)成一幀，如圖6.7所示。 起始位占用一位，字符編碼為7位（A

15、SCII）碼，第8位為奇、偶校驗(yàn)位，加上這一位使字符中為“1”的位為奇數(shù)（或偶數(shù)），停止位可以是一位、一位半或兩位。于是一個(gè)字符就由10b或10.5b或11b構(gòu)成。 用這樣的方式表示字符時(shí)，字符可以一個(gè)接著一個(gè)地傳送。,在異步數(shù)據(jù)傳送中， CPU與外設(shè)之間必須遵循如下二項(xiàng)規(guī)定。 字符格式。 這是對字符的編碼方式，奇偶校驗(yàn)方式以及起始位和停止位的規(guī)定形式。例如用ASCII編碼，字符為七位，加上一個(gè)偶校驗(yàn)位，一個(gè)起始位，以及一個(gè)停止位。形成一個(gè)10b的字符格式。 波特率（Baud rate） 波特率即數(shù)據(jù)傳送的速率，它對于CPU與外界的通信是很重要的。假如數(shù)據(jù)傳送的速率是120字符/s，而每一個(gè)字

16、符字符格式為10b，則傳送的波特率為 10120=1200b/s=1200 Baud 每一位的傳送時(shí)間為波特率的倒數(shù)： Td=1/1200=0.833ms 波特率也是衡量傳輸通道頻寬的指標(biāo)。,2) 同步傳送 在異步傳送中，每一個(gè)字符要用起始位和停止位作為字符開始和結(jié)束的標(biāo)志，占用了時(shí)間，所以，在數(shù)據(jù)塊傳送時(shí)，為了提高速度，就去掉這些標(biāo)志，采用同步傳送的方式。此方式在數(shù)據(jù)塊開始處要用同步字符來指示，如圖6.8所示。 發(fā)送設(shè)備在發(fā)送的數(shù)據(jù)前面要先發(fā)送同步字符，接收設(shè)備在收到同步字符后就以與發(fā)送設(shè)備相同的時(shí)鐘來接收數(shù)據(jù)塊，從而達(dá)到快速數(shù)據(jù)傳送的目的。 同步傳送的速度高于異步傳送速度

17、，可達(dá)上兆波特。但它要求用時(shí)鐘來實(shí)現(xiàn)發(fā)送端與接收端之間的同步，故而硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜。,（4） 串行傳送中的幾個(gè)問題 1) 數(shù)據(jù)傳送方向 半雙工（Half Duplex） 如圖6.9所示，每次只能有一個(gè)站發(fā)送，即只能是由A發(fā)送到B，或是由B發(fā)送到A，不能A和B同時(shí)發(fā)送。 完全雙工（Full Duplex） 如圖6.10所示。兩個(gè)站可同時(shí)發(fā)送和接收。,2) 信號的調(diào)制和解調(diào),所以，要用調(diào)制器（Modulator）把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號進(jìn)行傳送；接收時(shí)用解調(diào)器（Demodulator）檢測此模擬信號，再把它轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，如圖6.14所示。,FSK（Frequency Shift Keyin

18、g）是一種常用的調(diào)制方法：它把數(shù)字信號的“1”與“0”調(diào)制成不同頻率（易于鑒別）的模擬信號，其原理如圖6.15所示。,兩個(gè)不同頻率的模擬信號，分別由電子開關(guān)控制，在運(yùn)算放大器的輸入端相加，而電子開關(guān)由要傳輸?shù)臄?shù)字信號（即數(shù)據(jù)）控制。當(dāng)信號為“1”時(shí)，控制上面的電子開關(guān)導(dǎo)通，送出一串頻率較高的模擬信號；當(dāng)信號為“0”時(shí)，控制下面的電子開關(guān)導(dǎo)通，送出一串頻率較低的模擬信號，于是在運(yùn)算放大器的輸出端，就得到了調(diào)制后的信號。,4Intel 8251A可編程通信接口 （1） 基本性能 可用于同步或異步傳送。 同步傳送，58b字符，內(nèi)部或外部字符同步化，自動(dòng)插入同步字符。 異步傳送，58b字符，時(shí)鐘速率為

19、通信波特率的1、16或64倍。 可產(chǎn)生中止字符，可產(chǎn)生1、1.5或2b的停止位?？蓹z查假啟動(dòng)位。自動(dòng)檢測和處理中止字符。 波特率， DC19.2Kb（異步）； DC64Kb（同步）。 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(cuò)誤等檢測電路。,（2） 8251的結(jié)構(gòu) 8251的結(jié)構(gòu)如圖6.16的方框圖所示。整個(gè)8251可以分成五個(gè)主要部分：接收器、發(fā)送器、調(diào)制控制、讀寫/控制以及I/O緩沖器。而I/O緩沖器由狀態(tài)緩沖器、發(fā)送數(shù)據(jù)/命令緩沖器和接收數(shù)據(jù)緩沖器三部分組成。8251的內(nèi)部由內(nèi)部數(shù)據(jù)總線實(shí)現(xiàn)相互之間的通信。 1) 接收器 接收器接收由RxD腳輸入的串行數(shù)據(jù)，并按規(guī)

20、定的格式把它轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，存放在接收數(shù)據(jù)緩沖器中。 2) 發(fā)送器 發(fā)送器接收CPU送來的并行數(shù)據(jù)，將它加上起始位、奇偶校驗(yàn)位和停止位，然后由TxD腳發(fā)送。,5并行數(shù)據(jù)接口 通常并行數(shù)據(jù)接口應(yīng)具有以下功能： 有兩個(gè)或兩個(gè)以上的具有輸入和輸出數(shù)據(jù)的緩沖器或鎖存器的數(shù)據(jù)端口，可以和CPU的數(shù)據(jù)總線相連接。 每個(gè)數(shù)據(jù)端口都有與CPU用應(yīng)答方式交換數(shù)據(jù)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。CPU可通過用戶程序?qū)⒖刂谱炙偷娇刂萍拇嫫鳎钔鈬O(shè)備執(zhí)行不同的功能。 具有控制外圍設(shè)備的控制和定時(shí)信號。,（1） 數(shù)據(jù)緩沖器 數(shù)據(jù)緩沖器可以有兩個(gè)或多個(gè)。它們既可以作為輸入數(shù)據(jù)寄存器，也可以作

21、為輸出數(shù)據(jù)寄存器，這由方向寄存器來控制。每個(gè)數(shù)據(jù)緩沖器，可以接到由多條傳輸線組成的雙向數(shù)據(jù)總線上去，在微型機(jī)中，通常把一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖器稱為一個(gè)端口。 （2）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，并且決定外圍設(shè)備的工作方式。 （3）多路轉(zhuǎn)換器 多路轉(zhuǎn)換器實(shí)際上是一個(gè)多路開關(guān)，通過多路轉(zhuǎn)換器，兩個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)緩沖器的數(shù)據(jù)可轉(zhuǎn)接到CPU的數(shù)據(jù)總線上去。 （4）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(shè)備的工作狀態(tài)信號。,6.2 總線的控制與通信 6.2.1總線的控制,控制方式可以分成集中式和分散式兩類?？偩€控制邏輯基本集中在一處的，稱為集中式總線控制?？偩€控制邏輯分

22、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、雙總線和單總線結(jié)構(gòu)機(jī)器中主要采用的方式，它主要有以下三種控制方式：鏈?zhǔn)讲樵兎绞?；?jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式；獨(dú)立請求方式。,1 鏈?zhǔn)讲樵兎绞?鏈?zhǔn)讲樵兎绞饺鐖D6.19(a)所示。圖中所示的總線控制部件在單總線系統(tǒng)和雙總線系統(tǒng)中常常是CPU 的一部分。在三總線系統(tǒng)的I/O總線中，它是通道的一部分。 鏈?zhǔn)讲樵兎绞剑话銛?shù)據(jù)總線D和地址總線A外，主要有三根控制線： BS（忙） 該線有效，表示總線正被某外設(shè)使用。 BR（總線請求） 該線有效，表示至少有一個(gè)外設(shè)要求使用總線。 BG（總線同意） 該線有效，表示總線控制部件響應(yīng)總線請求（BR）。,

23、鏈?zhǔn)讲樵兎绞降闹饕卣魇强偩€同意信號BG的傳送方式：串行地從一個(gè)I/O接口送到下一個(gè)I/O接口。假如BG到達(dá)的接口無總線請求，則繼續(xù)往下傳；假如BG到達(dá)的總線接口有總線請求，BG信號便不再往下傳。這意味著，該I/O接口就獲得了總線控制權(quán)。 在查詢鏈中離總線控制器最近的設(shè)備具有最高優(yōu)先權(quán)，離總線越遠(yuǎn)，優(yōu)先權(quán)越低。 鏈?zhǔn)讲樵兎绞降膬?yōu)點(diǎn)是，只用很少幾根線就能按一定優(yōu)先次序?qū)崿F(xiàn)總線控制，并且這種鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)很容易擴(kuò)充設(shè)備。 鏈?zhǔn)讲樵兎绞降娜秉c(diǎn)是對詢問鏈的電路故障很敏感，,2 計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式 計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式（又稱為計(jì)數(shù)查詢）原理如圖6.19(b)所示?？偩€上的任一設(shè)備要求使用總線時(shí)，通過B

24、R線發(fā)出總線請求?？偩€控制器接到請求信號以后，在BS線為“0”的情況下讓計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值通過一組地址線發(fā)向各設(shè)備。每個(gè)設(shè)備接口都有一個(gè)設(shè)備地址判別電路，當(dāng)?shù)刂肪€上的計(jì)數(shù)值與請求總線的設(shè)備的相一致時(shí)，該設(shè)備置BS線為“1”，獲得總線使用權(quán)，此時(shí)中止計(jì)數(shù)查詢。 3 獨(dú)立請求方式 獨(dú)立請求方式原理如圖6.19(c)所示。在獨(dú)立請求方式中，每一個(gè)共享總線的設(shè)備均有一對總線請求線BRi和總線同意線BGi。當(dāng)設(shè)備要求使用總線時(shí)，便發(fā)出該設(shè)備的請求信號?？偩€控制部件中一般有一個(gè)排隊(duì)電路，根據(jù)一定的優(yōu)先次序決定首先響應(yīng)哪個(gè)設(shè)備的請求，并對該設(shè)備發(fā)出同意信號BGi。,6.2.2總線的通信 當(dāng)共享總線

25、的部件獲得總線使用權(quán)后，就開始傳送信息，即進(jìn)行通信。通信方式是實(shí)現(xiàn)總線控制和數(shù)據(jù)傳送的手段，通常分為同步通信和異步通信兩種。,1 同步通信 總線上的部件通過總線進(jìn)行信息傳送時(shí)，用一個(gè)公共的時(shí)鐘信號來實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行，這種方式稱為同步通信（無應(yīng)答通信）。這個(gè)公共的時(shí)鐘可以由CPU總線控制部件發(fā)送到每一個(gè)部件（設(shè)備），也可以讓每個(gè)部件有各自的時(shí)鐘發(fā)生器，然而它們都必須由總線控制部件發(fā)出的時(shí)鐘信號進(jìn)行同步。,由于采用了公共時(shí)鐘，每個(gè)部件什么時(shí)候發(fā)送和接收信息都由統(tǒng)一的時(shí)鐘規(guī)定，因此，同步通信具有較高的傳輸頻率。 同步通信適用于總線長度較短、各部件存取時(shí)間比較接近的情況。這是因?yàn)椋椒绞綄θ魏蝺蓚€(gè)設(shè)

26、備之間的通信都給予同樣的時(shí)間安排。就總線的長度來講，必須按距離最長的兩個(gè)設(shè)備的傳輸延遲來設(shè)計(jì)公共時(shí)間，但是總線長了勢必降低傳輸頻率。 存取時(shí)間是指部件接到讀/寫命令，到完成讀出或?qū)懭胍粋€(gè)數(shù)據(jù)所需要的時(shí)間。同步總線必須按最慢的部件設(shè)計(jì)公共時(shí)鐘，如果各部件存取時(shí)間相差很大，則會大大損失總線效率。,2異步通信 異步通信允許總線上的各部件有各自的時(shí)鐘，在部件之間進(jìn)行通信時(shí)沒有公共的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，而是靠發(fā)送信息時(shí)同時(shí)發(fā)出本設(shè)備的時(shí)間標(biāo)志信號，用“應(yīng)答方式”來進(jìn)行通信。 發(fā)送部件將數(shù)據(jù)放在總線上，延遲t時(shí)間后發(fā)出READY信號，通知對方數(shù)據(jù)已在總線上。接受部件以READY信號作選通脈沖接收數(shù)據(jù)，并發(fā)出A

27、CK作回答，表示數(shù)據(jù)已接收。發(fā)送部件收到ACK信號后可以撤除數(shù)據(jù)和READY信號，以便進(jìn)行下一次傳送。,另一方面，接受部件在收到READY信號下降沿時(shí)必須結(jié)束ACK信號，這樣在ACK信號結(jié)束以前不會產(chǎn)生下一個(gè)READY信號，從而保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｔ谶@種全互鎖的雙向通信中，READY信號和ACK信號的寬度是依據(jù)傳輸情況的不同而浮動(dòng)變化的。傳輸距離不同，或者部件的存取速度不同，信號的寬度也不同，即“水漲船高”式的變化，從而解決了數(shù)據(jù)傳輸中存在的時(shí)間同步問題。 由于異步通信采用了應(yīng)答式全互鎖方式，因此，它能夠適用于存取周期不同的部件之間的通信，對總線長度也沒有嚴(yán)格的要求。,6.3 常用總線

28、舉例 6.3.1總線結(jié)構(gòu)類型,1ISA/EISA/MCA/VESA總線 ISA(Industry Standard Architecture)是IBM公司為286/AT電腦制定的總線工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，也稱為AT標(biāo)準(zhǔn)。ISA總線的影響非常大，直到現(xiàn)在還有大量ISA總線設(shè)備在使用，大多數(shù)主板也保留了ISA總線的插槽。 EISA(Extended Industry Standard Architecture)，是EISA集團(tuán)(由Compaq、HP、AST等組成)專為32b CPU設(shè)計(jì)的總線擴(kuò)展工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它是ISA總線的擴(kuò)展，既可連接ISA設(shè)備，也可連接EISA設(shè)備。目前微型機(jī)上均保留了EISA總線插槽。,M

29、CA (Micro Channel Architecture)是IBM公司為PS/2微型機(jī)系統(tǒng)開發(fā)的微通道總線結(jié)構(gòu)。 VESA(Video Electronics Standards Association)，是VESA組織(由IBM、Compaq等發(fā)起，有120多家公司參加)按Local Bus(局部總線)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的一種開放性總線，但成本較高，只是適用于486的一種過渡標(biāo)準(zhǔn)，目前已經(jīng)淘汰。,2PCI總線 PCI總線是一種不依附于某個(gè)具體處理器的局部總線，從結(jié)構(gòu)上看，PCI是在CPU和原來的系統(tǒng)總線之間插入的一級總線，需要時(shí)，具體由一個(gè)橋接電路來實(shí)現(xiàn)對這一層的智能設(shè)備取得總線控制權(quán)，以加

30、速數(shù)據(jù)傳輸管理。,3AGP總線,Intel公司開發(fā)了AGP(Accelerated Graphics Port， 圖形加速端口)標(biāo)準(zhǔn)，主要目的就是要大幅提高微型機(jī)的圖形尤其是3D圖形的處理能力。 由于AGP總線將顯示卡同主板芯片組直接相連進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)傳輸，大幅提高了微型機(jī)對3D圖形的處理能力，也將原先占用的大量PCI帶寬資源留給了其他PCI接口卡。連接在AGP總線插槽上的AGP顯示接口卡，其視頻信號的傳送速率可以從PCI總線的133MB/s提高到533MB/s。AGP的工作頻率為66.6MHz，是現(xiàn)行PCI總線的二倍，還可以提高到133MHz或更高，傳送速率則會達(dá)到1GB/s以上。AGP的實(shí)

31、現(xiàn)依賴兩個(gè)方面，一是支持AGP的芯片組/主板，二是AGP顯示接口卡。,PCI總線的傳輸速度只能達(dá)到132MB/s，而AGP總線則能達(dá)到528MB/s，四倍于前者。有了如此快的傳輸速度，自然使圖形顯示（特別是3D圖形）的性能有了極大的提高，從而使微型機(jī)在圖形處理方面又向前邁了一大步，也使得讓微型機(jī)達(dá)到3D圖形工作站性能的夢想成為了現(xiàn)實(shí)。,6.3.2標(biāo)準(zhǔn)接口類型 1IDE/EIDE接口 IDE的原文是Integrated Device Electronics，即集成設(shè)備電子部件。它是由Compaq公司開發(fā)并由Western Digital公司生產(chǎn)的磁盤控制器接口。IDE采用了40線的單組電纜連接。

32、由于把磁盤控制器集成到驅(qū)動(dòng)器之中，磁盤接口卡就變得十分簡單，現(xiàn)在的微機(jī)系統(tǒng)中已不再使用磁盤接口卡，而把磁盤接口電路集成到系統(tǒng)主板上，并留有專門的IDE連接器插口。IDE由于具有多種優(yōu)點(diǎn)，且成本低廉，在個(gè)人微機(jī)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。,增強(qiáng)型IDE (Enhanced IDE)是Western Digital為取代IDE而開發(fā)的磁盤機(jī)接口標(biāo)準(zhǔn)。在采用EIDE接口的微機(jī)系統(tǒng)中，EIDE接口已直接集成在主板上，因此，不必再購買單獨(dú)的接口卡。與IDE相比，EIDE具有支持大容量硬盤、可連接四臺EIDE設(shè)備、有更高數(shù)據(jù)傳輸速率（13.3MB/s以上）等幾方面的特點(diǎn)。為了支持大容量硬盤，EIDE支持三種硬

33、盤工作模式：NORMAL、LBA和LARGE模式。,2Ultra DMA33和Ultra DMA66接口 在ATA2標(biāo)準(zhǔn)推出之后，SFFC又推出了ATA3標(biāo)準(zhǔn)。ATA3標(biāo)準(zhǔn)的主要特點(diǎn)是提高了ATA2的安全性和可靠性。ATA3本身并沒有定義更高的傳輸模式。此外，ATA標(biāo)準(zhǔn)本身只支持硬盤，為此SFFC將推出ATA4標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)將集成ATA3和ATAPI，并且支持更高的傳輸模式。在ATA4標(biāo)準(zhǔn)沒有正式推出之前，作為一個(gè)過渡性的標(biāo)準(zhǔn)，Quantum和Intel推出了Ultra ATA(Ultra DMA)標(biāo)準(zhǔn)。 Ultra ATA的第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是Ultra DMA33(簡稱UDMA33)，也有人把它稱為

34、ATA3。符合該標(biāo)準(zhǔn)的主板和硬盤早在1997年便已經(jīng)投放市場，目前幾乎所有的主板及硬盤都支持該標(biāo)準(zhǔn)。,Ultra ATA的第二個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是Ultra DMA66（或者Ultra ATA66）是由Quantum和Intel在1998年2月份提出的最新標(biāo)準(zhǔn)。Ultra DMA66進(jìn)一步提高了數(shù)據(jù)傳輸率，突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸率在理論上可達(dá)66.6MB/s。并且采用了新型的CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)，進(jìn)一步提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，改?0針的排線(保留了與現(xiàn)有的微機(jī)兼容的40針排線，增加了40條地線)，以保證在高速數(shù)據(jù)傳輸中降低相鄰信號線間的干擾。,3IEEE 1394接口 IEEE 1394是一種串行接口標(biāo)準(zhǔn)，這種接

35、口標(biāo)準(zhǔn)允許把微機(jī)、微機(jī)外部設(shè)備、各種家電非常簡單地連接在一起。從IEEE 1394可以連接多種不同外設(shè)的功能特點(diǎn)來看，也可以稱為總線，即一種連接外部設(shè)備的機(jī)外總線。IEEE 1394的原型是運(yùn)行在Apple Mac微機(jī)上的Fire Wire(火線)，由IEEE采用并且重新進(jìn)行了規(guī)范。它定義了數(shù)據(jù)的傳輸協(xié)定及連接系統(tǒng)，可用較低的成本達(dá)到較高的性能，以增強(qiáng)微機(jī)與外設(shè)如硬盤、打印機(jī)、掃描儀，與消費(fèi)性電子產(chǎn)品如數(shù)碼相機(jī)、DVD播放機(jī)、視頻電話等的連接能力。由于要求相應(yīng)的外部設(shè)備也具有IEEE 1394接口功能才能連接到IEEE 1394總線上，所以，直到1995年第3季度Sony推出的數(shù)碼攝像機(jī)加上了

36、IEEE 1394接口后，IEEE 1394才真正的得到了應(yīng)用。,4Device Bay Device Bay是由Microsoft、Intel和Compaq公司共同開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)，這一技術(shù)可讓所有設(shè)備協(xié)同運(yùn)作，包括CDROM、DVDROM、磁帶、硬盤驅(qū)動(dòng)器以及各種符合IEEE 1394的設(shè)備。 5SCSI接口 SCSI的原文是Small Computer System Interface，即小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口。SCSI也是系統(tǒng)級接口，可與各種采用SCSI接口標(biāo)準(zhǔn)的外部設(shè)備相連，如硬盤驅(qū)動(dòng)器、掃描儀、光驅(qū)、打印機(jī)和磁帶驅(qū)動(dòng)器等。采用SCSI標(biāo)準(zhǔn)的這些外設(shè)本身必須配有相應(yīng)的外設(shè)控制器。,6USB接

37、口 USB(Universal Serial Bus)接口的提出是基于采用通用連接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)外設(shè)的簡單快速連接，達(dá)到方便用戶、降低成本、擴(kuò)展微機(jī)連接外設(shè)的范圍的目的。目前微機(jī)中幾乎每個(gè)設(shè)備都有它自己的一套連接設(shè)備。外設(shè)接口的規(guī)格不一，有限的接口數(shù)量，已無法滿足眾多外設(shè)連接的迫切需要。解決這一問題的關(guān)鍵是，提供設(shè)備的共享接口來解決微機(jī)與周邊設(shè)備的通用連接。,USB(Universal Serial Bus)通用串行總線是由Compaq、DEC、IBM、Intel、Microsoft、NEC和NT(北方電訊)七大公司共同推出新一代的主機(jī)與外設(shè)的I/O接口標(biāo)準(zhǔn)。USB提供機(jī)箱外的熱插拔即用連接，

38、連接外設(shè)不必再打開機(jī)箱，也不必關(guān)閉主機(jī)電源。USB采用級聯(lián)方式，即每個(gè)USB設(shè)備用一個(gè)USB插頭連接到一個(gè)外設(shè)的USB插座上，而其本身又提供一個(gè)USB插座供下一個(gè)USB外設(shè)連接用。使用USB時(shí)，新增加的外設(shè)可以直接與系統(tǒng)單元上的端口相連，或者與集線器相連。每個(gè)集線器提供7個(gè)USB設(shè)備的插口，可以將其他的集線器插入與系統(tǒng)相連的集線器中，這樣微機(jī)就有了13個(gè)插口，它允許最多插入21個(gè)集線器，系統(tǒng)就有了可以連接127個(gè)不同設(shè)備的插口。通過這種類似菊花鏈?zhǔn)降倪B接，一個(gè)USB控制器可連接多達(dá)127臺外設(shè)，而每個(gè)外設(shè)間的距離可達(dá)5m。USB統(tǒng)一的4針圓形插頭將取代機(jī)箱后的眾多的串并口（鼠標(biāo)、調(diào)制解調(diào)器、鍵

39、盤）等插頭。USB能智能識別USB鏈上外圍設(shè)備的插入或拆卸。除了能夠連接鍵盤、鼠標(biāo)等外，USB還可以連接ISDN、電話系統(tǒng)、數(shù)字音響、打印機(jī)以及掃描儀等低速外設(shè)。,（1）USB的特性 USB的主要特征如下： 即插即用和熱插拔功能 USB設(shè)備不僅具有即插即用的功能，并且可以在不重新啟動(dòng)計(jì)算機(jī)的情況下安裝或卸載，系統(tǒng)可以自動(dòng)檢測外設(shè)的變化和外部設(shè)備對系統(tǒng)資源的需求，并自動(dòng)為設(shè)備分配這些資源。對于用戶而言，免去了設(shè)置跳線、DMA、IRQ以及IO等繁瑣手續(xù)。 多用途在USB規(guī)范中，外設(shè)通過集線器呈樹狀接至一個(gè)端口上，一臺微機(jī)可連接127臺不同種類的設(shè)備，對目前微機(jī)的需求來講，如此多的外設(shè)已綽綽有余。由

40、于它制定了統(tǒng)一的接口，提高了設(shè)備之間的兼容性，從而大大提高了微機(jī)的靈活性。 降低設(shè)備成本 USB總線作為一種開放式標(biāo)準(zhǔn)，使廠商可以大規(guī)模生產(chǎn)，便于降低成本。設(shè)備接口的統(tǒng)一性，也使得計(jì)算機(jī)外部設(shè)備設(shè)計(jì)和生產(chǎn)廠商不需要再設(shè)計(jì)額外的安裝界面，從而降低了設(shè)備成本，使用戶從總體上降低了擁有和使用計(jì)算機(jī)的成本。,（2）USB的結(jié)構(gòu) USB規(guī)范中將USB分為五個(gè)部分：控制器、控制器驅(qū)動(dòng)程序、USB芯片驅(qū)動(dòng)程序、USB設(shè)備以及針對不同USB設(shè)備的客戶驅(qū)動(dòng)程序。 控制器（Host Controller)主要負(fù)責(zé)執(zhí)行由控制器驅(qū)動(dòng)程序發(fā)出的命令。 控制器驅(qū)動(dòng)程序(Host Controller Driver)在控制

41、器與USB設(shè)備之間建立通信信道。 USB芯片驅(qū)動(dòng)程序(USB Driver)提供對USB的支持。 USB設(shè)備(USB Device)包括與微機(jī)相連的USB外圍設(shè)備，分為兩類，一類設(shè)備本身可再接其他USB外圍設(shè)備，另一類設(shè)備本身不可再連接其他外圍設(shè)備，前者稱為集線器(Hub)，后者稱為設(shè)備(Function)。或者說，集線器帶有連接其它外圍設(shè)備的USB端口，而設(shè)備則是連接在計(jì)算機(jī)上用來完成特定功能并符合USB規(guī)范的設(shè)備單元。 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序(Client Driver Software) 用來驅(qū)動(dòng)USB設(shè)備的程序，通常由操作系統(tǒng)或USB設(shè)備制造商提供。,（3）USB的傳輸方式 針對設(shè)備對系統(tǒng)資源需

42、求的不同，在USB規(guī)范中規(guī)定了四種不同的數(shù)據(jù)傳輸方式： 等時(shí)傳輸方式(Isochronous)該方式用來聯(lián)接需要連續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，且對數(shù)據(jù)的正確性要求不高而對時(shí)間極為敏感的外部設(shè)備，如話筒、嗽叭以及電話等。等時(shí)傳輸方式以固定的傳輸速率，連續(xù)不斷地在主機(jī)與USB設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)，在傳送數(shù)據(jù)發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，USB并不處理這些錯(cuò)誤，而是繼續(xù)傳送新的數(shù)據(jù)。 中斷傳輸方式(Interrupt) 該方式傳送的數(shù)據(jù)量很小，但這些數(shù)據(jù)需要及時(shí)處理，以達(dá)到實(shí)時(shí)效果，此方式主要用在鍵盤、鼠標(biāo)以及操縱桿等設(shè)備上。 控制傳輸方式(Control)該方式用來處理主機(jī)到USB設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。包括設(shè)備控制指令、設(shè)備狀態(tài)查詢及確認(rèn)命令。當(dāng)USB設(shè)備收到這些數(shù)據(jù)和命令后，將依據(jù)先進(jìn)先出的原則處理到達(dá)的數(shù)據(jù)。 批傳輸方式(Bulk)該方式用來傳輸要求正確無誤的數(shù)據(jù)。通常打印機(jī)、掃描儀和數(shù)字相機(jī)以這種方式與主機(jī)聯(lián)接。,（4）USB設(shè)備的使用 使用USB時(shí)，新增加的外設(shè)可以直接與系統(tǒng)單元上的端口相連，或者與集線器相連。每個(gè)集線器提供7個(gè)USB設(shè)備的插口，可以將其他的集線器插入與微機(jī)系統(tǒng)相連的集線器中，這樣微機(jī)上就有了13個(gè)插口，由于最多允許插入21個(gè)集線器，系統(tǒng)就有了可連接127個(gè)不同設(shè)備的插口。,