第6章系统总线

1、第六章 系统总线主要内容：主要内容：(3)(3)常见总线举例常见总线举例难点：总线仲裁控制难点：总线仲裁控制(2)(2)总线技术总线技术(1)(1)系统总线结构系统总线结构总线仲裁控制总线仲裁控制 总线数据传送总线数据传送 出错处理出错处理 总线驱动总线驱动总线的基本概念总线的基本概念: :6.1 6.1 系统总线结构系统总线结构互连结构从分散结构发展到总线结构。互连结构从分散结构发展到总线结构。计算机内部进行信息交换，必须在部件之间构计算机内部进行信息交换，必须在部件之间构筑通信线路，通常把连接各部件的通路的集合筑通信线路，通常把连接各部件的通路的集合称为称为互连结构互连结构。总线是连接两个

2、或多个功能部件的一组共享的信息总线是连接两个或多个功能部件的一组共享的信息传输线，它的主要特征就是多个部件传输线，它的主要特征就是多个部件共享传输介质共享传输介质；一个部件发出的信号可以被连接到总线上的其他所一个部件发出的信号可以被连接到总线上的其他所有部件所接收。有部件所接收。(1) 物理特性：物理特性： 总线的物理特性是指总线在机械物理连接上的特性。包括：总线的物理特性是指总线在机械物理连接上的特性。包括：连线类型、数量、接插件的几何尺寸和形状以及引脚线的连线类型、数量、接插件的几何尺寸和形状以及引脚线的排列等。排列等。 从连线的类型来看，总线可分为电缆式、主板式和底板式。从连线的类型来看

3、，总线可分为电缆式、主板式和底板式。 连线的数量来看，总线一般分为串行总线和并行总线。在连线的数量来看，总线一般分为串行总线和并行总线。在并行传输总线中，按数据线的宽度分并行传输总线中，按数据线的宽度分8位、位、16位、位、32位、位、64位总线等。位总线等。 总线的特性总线的特性一般串行总线用于长距离的数据传送，并行总线用于短距离一般串行总线用于长距离的数据传送，并行总线用于短距离的高速数据传送。的高速数据传送。(2) 电气特性：电气特性： 总线的电气特性是指总线的每一条信号线的信号传递方向、总线的电气特性是指总线的每一条信号线的信号传递方向、信号的有效电平范围。信号的有效电平范围。 总线的

4、电平表示方式有两种：总线的电平表示方式有两种：单端方式单端方式和和差分方式差分方式。 在单端电平方式中，用一条信号线和一条公共接地线在单端电平方式中，用一条信号线和一条公共接地线来传递信号；采用正逻辑。来传递信号；采用正逻辑。 差分电平方式采用一条信号线和一个参考电压比较来互差分电平方式采用一条信号线和一个参考电压比较来互补传输信号，一般采用负逻辑。补传输信号，一般采用负逻辑。 CPU发出的信号为输出信号，送入发出的信号为输出信号，送入CPU的信号为输入信号。的信号为输入信号。 总线的特性总线的特性(3) 功能特性：功能特性： 总线功能特性是指总线中每根传输线的功能。如地址线用总线功能特性是指

5、总线中每根传输线的功能。如地址线用来传输地址信息，数据线用来传输数据信息，控制线用来发来传输地址信息，数据线用来传输数据信息，控制线用来发出控制信息，不同的控制线其功能不同。出控制信息，不同的控制线其功能不同。(4) 时间特性：时间特性： 总线时间特性是指总线中任一根传输线在什么时间内有效，总线时间特性是指总线中任一根传输线在什么时间内有效，以及每根线产生的信号之间的时序关系。用信号时序图来说以及每根线产生的信号之间的时序关系。用信号时序图来说明。明。 总线的特性总线的特性6.1.16.1.1 总线的结构与连接方式总线的结构与连接方式有三类：内部总线、系统总线和多机系统总线有三类：内部总线、系

6、统总线和多机系统总线一、总线的结构一、总线的结构系统总线是一组两端带有插头，用扁平线构成。系统总线是一组两端带有插头，用扁平线构成。地址线：用于选择信息传送的设备地址线：用于选择信息传送的设备数据线：用于在总线上的设备之间传送数据信息数据线：用于在总线上的设备之间传送数据信息控制线：用于实现对设备的控制和监视功能控制线：用于实现对设备的控制和监视功能 典型的控制信号包括：典型的控制信号包括：时钟（时钟（ClockClock）：用于总线同步。）：用于总线同步。复位（复位（ResetReset）：初始化所有设备。）：初始化所有设备。总线请求（总线请求（Bus RequestBus Request）

7、：表明发出该请求信号的设备要使用总线。）：表明发出该请求信号的设备要使用总线。总线允许（总线允许（Bus GrantBus Grant）：表明接收到该允许信号的设备可以使用总线。）：表明接收到该允许信号的设备可以使用总线。中断请求（中断请求（Interrupt RequestInterrupt Request）：表明某个中断正在请求。）：表明某个中断正在请求。中断回答（中断回答（Interrupt AcknowledgeInterrupt Acknowledge）：表明某个中断请求已被接受。）：表明某个中断请求已被接受。 存储器读（存储器读（Memory ReadMemory Read）：从指

8、定的主存单元中读数据到数据总线上。）：从指定的主存单元中读数据到数据总线上。存储器写（存储器写（Memory WriteMemory Write）：将数据总线上的数据写到指定的主存单元中。）：将数据总线上的数据写到指定的主存单元中。I/OI/O读（读（I/O ReadI/O Read）：从指定的）：从指定的I/OI/O端口中读数据到数据总线上。端口中读数据到数据总线上。I/OI/O写（写（I/O WriteI/O Write）：将数据总线上的数据写到指定的）：将数据总线上的数据写到指定的I/OI/O端口中。端口中。传输确认（传输确认（Transfer ACKTransfer ACK）：表示数据

9、已被接收或已被送到总线上。）：表示数据已被接收或已被送到总线上。二、总线的连接方式二、总线的连接方式( (根据连接方式不同，单机系统中采用的总线结构有根据连接方式不同，单机系统中采用的总线结构有单总单总线结构；线结构；双总线结构；双总线结构；三总线结构三总线结构3种基本类型种基本类型. 在许多微小型计算机中在许多微小型计算机中，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，叫做单总线结构。设备，叫做单总线结构。1.1.单总线结构单总线结构 采用统一编址法，指令系统简单，使用灵活，易扩充。采用统一编址法，指令系统简单，使用灵活，易扩充。主

10、存实际空间小于地址空间，速度慢。主存实际空间小于地址空间，速度慢。适用于小型或微型计算机的系统总线。适用于小型或微型计算机的系统总线。此时要求连接到总线上的逻辑部件必须高速运行，以便此时要求连接到总线上的逻辑部件必须高速运行，以便在某些设备需要使用总线时能迅速获得总线控制权；在某些设备需要使用总线时能迅速获得总线控制权； 而当不再使用总线时，能迅速放弃总线控制权。否则，而当不再使用总线时，能迅速放弃总线控制权。否则，一条总线由多种部件共用，可能导致很大的时间延迟。一条总线由多种部件共用，可能导致很大的时间延迟。 在在CPUCPU和主存和主存之间专门设置了一组之间专门设置了一组高速的存储总线高速

11、的存储总线，使，使CPUCPU可通过可通过专用总线与存储器交换信息，并减轻了系统总线的负担，同时主专用总线与存储器交换信息，并减轻了系统总线的负担，同时主存仍可通过系统总线与外设之间实现存仍可通过系统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。当前高档微型机中广泛采用这种总线结构。当前高档微型机中广泛采用这种总线结构。2.2.双双总线结构总线结构 3.3.三总线结构三总线结构三、总线结构对计算机系统性能的影响三、总线结构对计算机系统性能的影响1 1、最大存储容量、最大存储容量 在单总线系统中，最大主存容量必须小于由计算机字在单总线系统中，最大主存容量必须小于由计

12、算机字长所决定的可能的地址总数。（因为设备统一编址）长所决定的可能的地址总数。（因为设备统一编址）在双总线系统中，对主存和外设进行存取的判断是利在双总线系统中，对主存和外设进行存取的判断是利用各自的指令操作码。由于主存地址和外设地址出现用各自的指令操作码。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于不同的总线上，所以存储容量不会受到外围设备多少的影响。少的影响。2 2、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对存储总线和系统总线必须有不同的指令系统。（访问内存操作和必须有不同的指令系统。（访问内存操作和I/OI/O操操作

13、各有不同的指令）作各有不同的指令） 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传送可使传送可使用相同的操作码，使用相同的指令，但它们使用用相同的操作码，使用相同的指令，但它们使用不同的地址。不同的地址。 3 3、吞吐量、吞吐量一、信息的传送方式一、信息的传送方式 计算机系统中，信息传输基本有四种方式：计算机系统中，信息传输基本有四种方式：串行串行传送传送、并行传送并行传送、并串行传送并串行传送和和分时传送分时传送。但是出于速度和效率上的考虑，系统总线上传送但是出于速度和效率上的考虑，系统总线上传送信息时，通常采用信息时，通常采用并行传送并行传送方式。方式。在一些微型计算机

14、或单片机中，由于在一些微型计算机或单片机中，由于CPU CPU 引脚数引脚数的限制，系统总线传送信息时，采用的是的限制，系统总线传送信息时，采用的是并串并串行方式或分时方式行方式或分时方式。6.1.2 6.1.2 总线接口总线接口1 1、串行传送串行传送当信息以串行方式传送时，只有一条传输线，且采用当信息以串行方式传送时，只有一条传输线，且采用脉冲脉冲传送传送。在串行传送时，按在串行传送时，按顺序顺序来传送来传送表示一个数码的所有二进制表示一个数码的所有二进制位位(bit)的的脉冲信号脉冲信号，每次一位。，每次一位。通常以第一个脉冲信号表示数码的最低有效位，最后一个通常以第一个脉冲信号表示数码

15、的最低有效位，最后一个脉冲信号表示数码的最高有效位。脉冲信号表示数码的最高有效位。规定规定有脉冲有脉冲表示二进制表示二进制“1”1”，无脉冲无脉冲表示二进制表示二进制“0”0”。假定串行数据是由假定串行数据是由“位时间位时间”组成的，那么传送组成的，那么传送8个比特个比特需要需要8个位时间。个位时间。p例如，如果接受设备在第一个位时间和第三个位时间例如，如果接受设备在第一个位时间和第三个位时间接受到一个脉冲，而其余的接受到一个脉冲，而其余的6个位时间没有收到脉冲，个位时间没有收到脉冲，那么就会知道所收到的二进制信息是那么就会知道所收到的二进制信息是00000101。p注意，串行传送时低位在前，

16、高位在后。注意，串行传送时低位在前，高位在后。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，这称为拆卸拆卸；而在接收部件又需要进行串；而在接收部件又需要进行串并并变换，这称为变换，这称为装配装配。该方式的主要优点：是只需要一条传输线。该方式的主要优点：是只需要一条传输线。p这一点对长距离传输显得特别重要，不管传送的数据这一点对长距离传输显得特别重要，不管传送的数据量有多少，只需要一条传输线，成本比较低廉。量有多少，只需要一条传输线，成本比较低廉。指定一个二进制位在传输线上占用的时间长度。指定一个二进制位在传输线上占用的时间长度

17、。是为了确定连续传送了多少个是为了确定连续传送了多少个“0”0”。2 2、并行传送、并行传送 用并行方式传送二进制信息时，对每个数据位都需要用并行方式传送二进制信息时，对每个数据位都需要单独一条传输线。单独一条传输线。 信息有多少二进制位组成，就需要多少条传输线，从信息有多少二进制位组成，就需要多少条传输线，从而使得二进制数而使得二进制数“0”0”或或“1”1”在不同的线上同时进行传送。在不同的线上同时进行传送。并行传送一般采用并行传送一般采用电位传送电位传送。由于所有的位同时被传送，所以并行数据传送比串行数据由于所有的位同时被传送，所以并行数据传送比串行数据传送快得多。传送快得多。发送邮件接

18、收邮件1高位0101100低位3 3、并串行传送、并串行传送发送部件发送部件接收部件接收部件低低8 8位位低低8 8位位高高8 8位位高高8 8位位4、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。一是采用总线复用方式，某个传输线上既传送地址信息，一是采用总线复用方式，某个传输线上既传送地址信息，又传送数据信息。又传送数据信息。为此必须划分时间片，以便在不同的时间间隔中完成传送为此必须划分时间片，以便在不同的时间间隔中完成传送地址和传送数据的任务。地址和传送数据的任务。分时传送的另一种概念是共享总线的部件分时使用总线。分时传送的另一种概念是共享总线的部件分时使用总线。二二、接口的基本

19、概念接口的基本概念 接口接口是指是指CPUCPU和内存、外部设备、或两种外围设备、和内存、外部设备、或两种外围设备、或两种机器设备之间通过总线进行连接的逻辑部件。或两种机器设备之间通过总线进行连接的逻辑部件。起起“转换器转换器”的作用的作用CPUCPU接口接口外围设备外围设备地址线地址线数据线数据线控制线状态控制线状态接口典型功能：接口典型功能：控制：控制： 接口靠程序的指令信息来控制外围设备动作，如启动、接口靠程序的指令信息来控制外围设备动作，如启动、关闭设备等。关闭设备等。缓冲：缓冲： 接口在外围设备和计算机系统的其他部件之间用作为接口在外围设备和计算机系统的其他部件之间用作为一个缓冲器，

20、以补偿各种设备在速度上的差异一个缓冲器，以补偿各种设备在速度上的差异 状态监视：状态监视： 接口监视外围设备的工作状态并保存状态信息。接口监视外围设备的工作状态并保存状态信息。接口典型功能：接口典型功能：转换数据格式：转换数据格式： 接口在外围设备和计算机系统其他部件之间用作为一接口在外围设备和计算机系统其他部件之间用作为一个缓冲器，以补偿各种设备在速度上的差异。个缓冲器，以补偿各种设备在速度上的差异。 整理整理: :接口可以完成一些特别的功能，例如在需要时可以修接口可以完成一些特别的功能，例如在需要时可以修改字计数器或当前内存地址寄存器。改字计数器或当前内存地址寄存器。程序中断程序中断 ：

21、每当外围设备向每当外围设备向CPUCPU请求某种动作时，接口即发生一请求某种动作时，接口即发生一个中断请求信号到个中断请求信号到CPUCPU。主要内容：主要内容：1 1、串行通信的优点、串行通信的优点2 2、传送编码、传送编码3 3、通信方式、通信方式4 4、串行传送中几个问题、串行传送中几个问题1 1、串行通信的优点、串行通信的优点串行传送可以大大减少传送线，从而大大的降低成本。串行传送可以大大减少传送线，从而大大的降低成本。但是串行传送的速度慢，若并行传送所需的时间为但是串行传送的速度慢，若并行传送所需的时间为t t，则串，则串行传送的时间至少为行传送的时间至少为ntnt（其中（其中n n

22、为位数）。为位数）。2 2、传送编码、传送编码在计算机中，数和字符等都是以一定的编码表示的。在计算机中，数和字符等都是以一定的编码表示的。编码的种类很多，常用的主要有：编码的种类很多，常用的主要有： 扩展的扩展的BCDBCD交换码交换码EBCDICEBCDIC（Extended Binary Coded Extended Binary Coded Decimal Interchange CodeDecimal Interchange Code），这是一种），这是一种8b8b编码，通常用编码，通常用在同步通信中。在同步通信中。美国标准信息交换码美国标准信息交换码ASCIIASCII（Americ

23、an Standard Code American Standard Code for Information Interchangefor Information Interchange）。）。在异步数据传送中，在异步数据传送中， CPUCPU与外设之间必须遵循如下二项规定。与外设之间必须遵循如下二项规定。 字符格式。字符格式。这是对字符的编码方式，奇偶校验方式以及起始位和停止位的规这是对字符的编码方式，奇偶校验方式以及起始位和停止位的规定形式。例如用定形式。例如用ASCIIASCII编码，字符为七位，加上一个偶校验位，编码，字符为七位，加上一个偶校验位，一个起始位，以及一个停止位。形成一个

24、一个起始位，以及一个停止位。形成一个10b10b的字符格式。的字符格式。 波特率（波特率（Baud rateBaud rate） 波特率即数据传送的速率，它对于波特率即数据传送的速率，它对于CPUCPU与外界的通信是很重要与外界的通信是很重要的。波特率也是衡量传输通道频宽的指标。的。波特率也是衡量传输通道频宽的指标。假如数据传送的速率是假如数据传送的速率是120120字符字符/s/s，而每一个字符字符格式，而每一个字符字符格式为为10b10b，则传送的波特率为，则传送的波特率为 1010120=1200b/s=1200 Baud120=1200b/s=1200 Baud 每一位的传送时间为波特

25、率的倒数：每一位的传送时间为波特率的倒数： Td=1/1200=0.833msTd=1/1200=0.833ms2)2)同步传送（）同步传送（）在异步传送中，每一个字符要用起始位和停止位作为在异步传送中，每一个字符要用起始位和停止位作为字符开始和结束的标志，占用了时间，所以，在数字符开始和结束的标志，占用了时间，所以，在数据块传送时，为了提高速度，就去掉这些标志，采据块传送时，为了提高速度，就去掉这些标志，采用同步传送的方式。此方式在数据块开始处要用同用同步传送的方式。此方式在数据块开始处要用同步字符来指示，如图步字符来指示，如图6.86.8所示。所示。发送设备在发送的数据前面要先发送同步字符

26、，接收发送设备在发送的数据前面要先发送同步字符，接收设备在收到同步字符后就以与发送设备相同的时钟来接收设备在收到同步字符后就以与发送设备相同的时钟来接收数据块，从而达到快速数据传送的目的。数据块，从而达到快速数据传送的目的。 同步传送的速度高于异步传送速度，可达上兆波特。同步传送的速度高于异步传送速度，可达上兆波特。但它要求但它要求用时钟来实现发送端与接收端之间的同步用时钟来实现发送端与接收端之间的同步，故而，故而硬件结构复杂。硬件结构复杂。4 4、串行传送中的几个问题、串行传送中的几个问题 1) 1) 数据传送方向数据传送方向 半双工（半双工（Half DuplexHalf Duplex）

27、如图如图6.96.9所示，每次只能所示，每次只能有一个站发送，即只能是由有一个站发送，即只能是由A A发送到发送到B B，或是由，或是由B B发送到发送到A A，不，不能能A A和和B B同时发送。同时发送。 完全双工（完全双工（Full DuplexFull Duplex） 如图如图6.106.10所示。两个站所示。两个站可同时发送和接收。可同时发送和接收。2) 信号的调制和解调信号的调制和解调计算机CRT图6.11 通信信号示意303000放大倍数Kf/Hz图6.12 电话线的频带图计算机电话线图6.13 数字信号通过电话线传送产生的畸变计算机的通信是一种数计算机的通信是一种数字信号的通信

28、。字信号的通信。计算机的通信要求计算机的通信要求传送线的频段很宽，传送线的频段很宽，而在长距离通信中，而在长距离通信中，通常利用电话线来通常利用电话线来传送。传送。 所以，要用所以，要用调制器（调制器（Modulator）把把数字信号转换为模数字信号转换为模拟信号拟信号进行传送；接收时用进行传送；接收时用解调器（解调器（Demodulator）检测检测此模拟信号，再把它转换成数字信号，如图此模拟信号，再把它转换成数字信号，如图6.14所示。所示。 频移键控法频移键控法FSKFSK（Frequency Shift KeyingFrequency Shift Keying），），是是一种常用的调制

29、方法：它把数字信号的一种常用的调制方法：它把数字信号的“1”1”与与“0”0”调制成不同频率（易于鉴别）的模拟信号，调制成不同频率（易于鉴别）的模拟信号，其原理如图其原理如图6.156.15所示。所示。 两个不同频率的模拟信号，分别由电子开关控制，两个不同频率的模拟信号，分别由电子开关控制，在运算放大器的输入端相加，而电子开关由要传输在运算放大器的输入端相加，而电子开关由要传输的数字信号（即数据）控制。的数字信号（即数据）控制。当信号为当信号为“1”1”时，控制上面的电子开关导通，时，控制上面的电子开关导通，送出一串频率较高的模拟信号；送出一串频率较高的模拟信号；当信号为当信号为“0”0”时，

30、控制下面的电子开关导通，时，控制下面的电子开关导通，送出一串频率较低的模拟信号。送出一串频率较低的模拟信号。于是在运算放大器的输出端，就得到了调制后的于是在运算放大器的输出端，就得到了调制后的信号。信号。四、四、Intel 8251AIntel 8251A可编程通信接口可编程通信接口（1） 基本性能基本性能 可用于同步或异步传送。可用于同步或异步传送。 同步传送，同步传送，58b字符，内部或外部字符同步化，自字符，内部或外部字符同步化，自动插入同步字符。动插入同步字符。 异步传送，异步传送，58b字符，时钟速率为通信波特率的字符，时钟速率为通信波特率的1、16或或64倍。倍。 可产生中止字符，

31、可产生可产生中止字符，可产生1、1.5或或2b的停止位。可检的停止位。可检查假启动位。自动检测和处理中止字符。查假启动位。自动检测和处理中止字符。 波特率：波特率：DC19.2Kb（异步）；（异步）；DC64Kb（同步）。（同步）。 完全双工，双缓冲器发送和接收器。完全双工，双缓冲器发送和接收器。 误差检测，具有奇偶、溢出和帧错误等检测电路。误差检测，具有奇偶、溢出和帧错误等检测电路。（2） 8251的结构的结构整个整个8251可以分成五个主要部分：可以分成五个主要部分：接收器、发送器、调接收器、发送器、调制控制、读写制控制、读写/控制控制以及以及I/O缓冲器缓冲器。I/O缓冲器由缓冲器由状态

32、缓冲器、发送数据状态缓冲器、发送数据/命令缓冲器命令缓冲器和和接收数接收数据缓冲器据缓冲器三部分组成。三部分组成。8251的内部由内部数据总线实现相互之间的通信。的内部由内部数据总线实现相互之间的通信。 1) 接收器接收器 接收器接收由接收器接收由RxD脚输入的串行数据，并按规定的格式脚输入的串行数据，并按规定的格式把它转换为并行数据，存放在接收数据缓冲器中。把它转换为并行数据，存放在接收数据缓冲器中。 2) 发送器发送器 发送器接收发送器接收CPU送来的并行数据，将它加上起始位、奇送来的并行数据，将它加上起始位、奇偶校验位和停止位，然后由偶校验位和停止位，然后由TxD脚发送。脚发送。终止或空

33、闲位起始位第一数据位第二数据位第三数据位第四数据位第五数据位第六数据位第七数据位第八数据位奇偶校验位终止位100/10/10/10/10/10/10/10/10/11一个字符8Tc到9Tc16Tc1016Tc916Tc816Tc716Tc616Tc516Tc416Tc316Tc=48Tc32Tc图6.17 8259接收数据定时方式通常并行数据接口应具有以下功能：通常并行数据接口应具有以下功能：有两个或两个以上的具有输入和输出数据的缓冲器或锁有两个或两个以上的具有输入和输出数据的缓冲器或锁存器的数据端口，可以和存器的数据端口，可以和CPUCPU的数据总线相连接。的数据总线相连接。每个数据端口都有

34、与每个数据端口都有与CPUCPU用应答方式交换数据所需的状用应答方式交换数据所需的状态信号和控制信号。具有保存控制字的控制寄存器。态信号和控制信号。具有保存控制字的控制寄存器。CPUCPU可通过用户程序将控制字送到控制寄存器，命令外围设备可通过用户程序将控制字送到控制寄存器，命令外围设备执行不同的功能。执行不同的功能。具有控制外围设备的控制和定时信号。具有控制外围设备的控制和定时信号。（1 1） 数据缓冲器数据缓冲器数据缓冲器可以有两个或多个。它们既可以作为输入数据寄存数据缓冲器可以有两个或多个。它们既可以作为输入数据寄存器，也可以作为输出数据寄存器，这由方向寄存器来控制。器，也可以作为输出数

35、据寄存器，这由方向寄存器来控制。每个数据缓冲器，可以接到由多条传输线组成的双向数据总线每个数据缓冲器，可以接到由多条传输线组成的双向数据总线上去，在微型机中，通常把一个数据缓冲器称为一个端口。上去，在微型机中，通常把一个数据缓冲器称为一个端口。（2 2）控制缓冲器）控制缓冲器 控制缓冲器用来作为存放控制字的控制寄存器，并且决定外控制缓冲器用来作为存放控制字的控制寄存器，并且决定外围设备的工作方式。围设备的工作方式。（3 3）多路转换器）多路转换器 多路转换器实际上是一个多路开关，通过多路转换器，两个多路转换器实际上是一个多路开关，通过多路转换器，两个或多个数据缓冲器的数据可转接到或多个数据缓冲

36、器的数据可转接到CPUCPU的数据总线上去。的数据总线上去。（4 4）控制逻辑）控制逻辑 控制逻辑用来发出和接收各种控制信号，其中包括外围设备控制逻辑用来发出和接收各种控制信号，其中包括外围设备的工作状态信号。的工作状态信号。集中控制集中控制分散控制分散控制链式查询方式链式查询方式计数器定时查询方式计数器定时查询方式独立请求方式独立请求方式总线的通信总线的通信同步通信同步通信异步通信异步通信总线的控制总线的控制自举分布式裁决自举分布式裁决冲突检测分布式裁决冲突检测分布式裁决并行竞争分布式裁决并行竞争分布式裁决6.26.2总线的控制与通信总线的控制与通信6.26.2总线的控制与通信总线的控制与通

37、信连接到总线上的功能模块有主动和被动两种形态。连接到总线上的功能模块有主动和被动两种形态。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，必须具有总线仲裁部件，以某种方式选择其中一个主设备有总线仲裁部件，以某种方式选择其中一个主设备作为总线的下一次主方。对多个主设备提出的占用作为总线的下一次主方。对多个主设备提出的占用总线请求，一般采用优先级或公平策略进行仲裁。总线请求，一般采用优先级或公平策略进行仲裁。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，仲裁方式分为集中集中式仲裁式仲裁和和分布式仲裁分布式仲裁两类。两类。6.2.1 6.2.1

38、 总线的控制总线的控制 集中式裁决方式是将控制逻辑做在一个专门的总集中式裁决方式是将控制逻辑做在一个专门的总线控制器或总线裁决器中，将所有的总线请求集线控制器或总线裁决器中，将所有的总线请求集中起来，利用一个特定的裁决算法进行裁决。中起来，利用一个特定的裁决算法进行裁决。集中式控制是三总线、双总线和单总线结构机器中集中式控制是三总线、双总线和单总线结构机器中主要采用的方式，它主要有以下种控制方式：主要采用的方式，它主要有以下种控制方式：p链式查询方式；链式查询方式；p计数器定时查询方式；计数器定时查询方式；p独立请求方式。独立请求方式。一、集中式仲裁一、集中式仲裁 1 1、链式查询方式、链式查

39、询方式 优先级由主控设备在总线上的位置来决定，优先级由主控设备在总线上的位置来决定， 要求拥有总线使用权的高优先级设备简单地拦截总要求拥有总线使用权的高优先级设备简单地拦截总线允许信号，不让其更低级的设备收到该信号。线允许信号，不让其更低级的设备收到该信号。 优点是简单，只需很少几根线就能按一定优先优点是简单，只需很少几根线就能按一定优先次序实现总线裁决，而且易扩充设备。次序实现总线裁决，而且易扩充设备。 缺点是不能保证公正性，也即一个低优先级请求缺点是不能保证公正性，也即一个低优先级请求可能永远得不到允许；可能永远得不到允许； 对电路故障较敏感，一个设备的故障会影响到后对电路故障较敏感，一个

40、设备的故障会影响到后面设备的操作；面设备的操作； 菊花链的使用也限制了总线速度。菊花链的使用也限制了总线速度。链式查询方式链式查询方式BS:BS:总线忙信号总线忙信号BR:BR:总线请求信号线总线请求信号线BG:BG:总线授权信号总线授权信号 BG 数据线数据线 地址线地址线 总总线线控控制制部部件件 设备设备0 设备设备1 设备设备n BR BS 2 2、计数器定时查询方式、计数器定时查询方式 此方案比链此方案比链式式查询方式多了一组设备线，少了一根总线允许查询方式多了一组设备线，少了一根总线允许线线BGBG。 总线请求的设备号与计数值一致时，该设备便获得总线使用总线请求的设备号与计数值一致

41、时，该设备便获得总线使用权，此时终止计数查询，同时该设备建立总线忙权，此时终止计数查询，同时该设备建立总线忙BSBS信号。信号。 设备的优先级通过设置不同的计数初始值来改变设备的优先级通过设置不同的计数初始值来改变 计数总是从计数总是从0 0开始，此时设备的优先次序是固定的；开始，此时设备的优先次序是固定的； 计数的初值总是上次得到控制权设备的设备号，那么所有计数的初值总是上次得到控制权设备的设备号，那么所有设备的优先级是相等的，是循环优先级方式。设备的优先级是相等的，是循环优先级方式。 计数器定时查询方式具有灵活的优先级，计数器定时查询方式具有灵活的优先级， 它对电路故障也不如菊花链查询那样

42、敏感。它对电路故障也不如菊花链查询那样敏感。 这种方式增加了一组设备线，每个设备要对这种方式增加了一组设备线，每个设备要对 设备线的信号进行译码处理，因而控制也变复杂了。设备线的信号进行译码处理，因而控制也变复杂了。 数数据据线线 地地址址线线 总总线线控控制制部部件件 设设备备0 设设备备1 设设备备n BR BS 设设备备线线 计数器定时查询方式计数器定时查询方式3 3、独立请求方式、独立请求方式 这种方案使用一个中心裁决器从请求总线的一组设备中选这种方案使用一个中心裁决器从请求总线的一组设备中选择一个。择一个。 每个设备都有一对总线请求线每个设备都有一对总线请求线BRiBRi和总线允许线

43、和总线允许线BGiBGi 总线控制器可以给各个请求线以固定的优先级，也可以设总线控制器可以给各个请求线以固定的优先级，也可以设置可编程的优先级。置可编程的优先级。 裁决算法由硬件来实现，可采用固定的并行判优算法、平等裁决算法由硬件来实现，可采用固定的并行判优算法、平等的循环菊花链算法、动态优先级算法（如：最近最少用算法、的循环菊花链算法、动态优先级算法（如：最近最少用算法、先来先服务算法）等。先来先服务算法）等。 数据线数据线 地址线地址线 总总线线控控制制部部件件 设备设备0 设备设备1 设备设备n BR0 BG0 BR1 BG1 BR2 BG2 独立请求方式独立请求方式BR:BR:总线请求

44、信号线总线请求信号线BG:BG:总线授权信号总线授权信号 独立请求方式的优缺点：独立请求方式的优缺点： 分布式的裁决方式，没有专门的总线控制器，其分布式的裁决方式，没有专门的总线控制器，其控制逻辑分散在各个部件或设备中。控制逻辑分散在各个部件或设备中。(1) 自举分布式裁决自举分布式裁决(2) 冲突检测分布式裁决冲突检测分布式裁决(3) 并行竞争分布式裁决并行竞争分布式裁决二、分布式裁决方式二、分布式裁决方式 使用多个请求线，不需要中心裁决器，每个设备使用多个请求线，不需要中心裁决器，每个设备独立地决定自己是否是最高优先级请求者。独立地决定自己是否是最高优先级请求者。 BR0为总线忙信号线，为

45、总线忙信号线，BRi为设备为设备i的总线请求线。的总线请求线。BR0 设备设备0 设备设备1设备设备3BR1BR2设备设备2BR3自举分布式裁决自举分布式裁决(1)(1)自举分布式裁决自举分布式裁决 一般优先级是固定的一般优先级是固定的 总线裁决期间每个设备将有关请求线上的信号合总线裁决期间每个设备将有关请求线上的信号合成后取回分析，根据这些请求信号确定自己能否成后取回分析，根据这些请求信号确定自己能否拥有总线控制权。拥有总线控制权。 这种方案需要较多的连线用于请求信号，所以，许这种方案需要较多的连线用于请求信号，所以，许多总线用数据线多总线用数据线DB作为总线请求线。作为总线请求线。 每个设

46、备通过取回的合成信息能够检测出其他设备每个设备通过取回的合成信息能够检测出其他设备是否发出了总线请求。是否发出了总线请求。 NuBus是在是在MacintoshII 中的底板式总线，就采用中的底板式总线，就采用该方案；该方案；SCSI总线也采用该方案。总线也采用该方案。 这种方案中，每个设备独立地请求总线，多个同时这种方案中，每个设备独立地请求总线，多个同时使用总线的设备会产生冲突，这时冲突被检测到使用总线的设备会产生冲突，这时冲突被检测到，按照某种策略在冲突的各方选择一个设备。，按照某种策略在冲突的各方选择一个设备。 当冲突发生时，两个设备都会停止传输，延迟一个当冲突发生时，两个设备都会停止

47、传输，延迟一个随机时间后再重新使用总线。随机时间后再重新使用总线。 这种方案一般用在网络通信总线上。这种方案一般用在网络通信总线上。(2)(2)冲突检测分布式裁决冲突检测分布式裁决 需要使用总线的主控设备把自己的仲裁号发送到仲需要使用总线的主控设备把自己的仲裁号发送到仲裁线上，每个设备根据并行竞争算法决定在一定时裁线上，每个设备根据并行竞争算法决定在一定时间以后占用总线还是撤销仲裁号。间以后占用总线还是撤销仲裁号。 并行竞争方式与自举分布式裁决算法比较，它可以用很少并行竞争方式与自举分布式裁决算法比较，它可以用很少的裁决线挂接大量的设备。的裁决线挂接大量的设备。 例如，假定是位仲裁号，自举分布

48、式裁决只能表示例如，假定是位仲裁号，自举分布式裁决只能表示8个个优先级；这种方式可以表示优先级；这种方式可以表示256个优先级，仲裁号为个优先级，仲裁号为255的的设备优先级最高，而最低。设备优先级最高，而最低。 Futurebus+总线标准使用这种裁决方案。总线标准使用这种裁决方案。(3)(3)并行竞争分布式裁决并行竞争分布式裁决厎厎cn7cn6cn0比比较较得胜得胜仲裁号仲裁号AB7AB6AB0总线总线仲裁线仲裁线设备设备并行竞争分布式裁决并行竞争分布式裁决 下下图是总线中有根仲裁线图是总线中有根仲裁线AB0AB7例子例子 两个设备同时要求使用总线，仲裁号分别是两个设备同时要求使用总线，仲

49、裁号分别是0000010100000101和和0000101000001010；最终留在仲裁线上的号为；最终留在仲裁线上的号为0000101000001010。裁决号裁决号1 1裁决号裁决号2 2裁决线电平裁决线电平裁决线逻辑裁决线逻辑0 00 00 00 00 01 10 01 1高高高高高高高高高高高高高高高高0 00 00 00 01 10 01 10 0高高高高高高高高低低高高低低高高高高高高高高高高低低高高低低高高0 00 00 00 01 10 01 10 0cncnABABABABcncn并行竞争裁决逻辑举例分析结果并行竞争裁决逻辑举例分析结果 选择选择不同裁决方案的因素包括：不

50、同裁决方案的因素包括： 总线在总线在I/O设备的数量和总线长度的可扩充性方面设备的数量和总线长度的可扩充性方面如何？如何？ 总线裁决应该多快？总线裁决应该多快？ 需要什么程度的公正性等。需要什么程度的公正性等。6.2.2 6.2.2 总线的通信总线的通信 当共享总线的部件获得总线使用权后，就开始传当共享总线的部件获得总线使用权后，就开始传送信息，即进行通信。送信息，即进行通信。 通信方式是实现总线控制和数据传送的手段，通通信方式是实现总线控制和数据传送的手段，通常分为常分为同步通信同步通信和和异步通信异步通信两种。两种。总线的一次信息传送过程，大致可分为如下五个阶段：总线的一次信息传送过程，大

51、致可分为如下五个阶段：请求总线，总线仲裁，寻址请求总线，总线仲裁，寻址( (目的地址目的地址) )，信息传送，状态返回，信息传送，状态返回( (或错误报告或错误报告) )为了同步主方、从方的操作，必须制订定时协议。为了同步主方、从方的操作，必须制订定时协议。定时：事件出现在总线上的时序关系。定时：事件出现在总线上的时序关系。总线的定时总线的定时 一、同步通信一、同步通信总线上的部件通过总线进行信息传送时，用一个公总线上的部件通过总线进行信息传送时，用一个公共的时钟信号来实现同步运行，这种方式称为同步共的时钟信号来实现同步运行，这种方式称为同步通信（无应答通信）。通信（无应答通信）。这个公共的时

52、钟可以由这个公共的时钟可以由CPUCPU总线控制部件发送到每总线控制部件发送到每一个部件（设备），也可以让每个部件有各自的一个部件（设备），也可以让每个部件有各自的时钟发生器，然而它们都必须由总线控制部件发时钟发生器，然而它们都必须由总线控制部件发出的时钟信号进行同步。出的时钟信号进行同步。由于采用了公共时钟，每个部件什么时候发送和接收由于采用了公共时钟，每个部件什么时候发送和接收信息都由统一的时钟规定，因此，同步通信具有较高信息都由统一的时钟规定，因此，同步通信具有较高的传输频率。的传输频率。 同步通信适用于总线长度较短、各部件存取时间比同步通信适用于总线长度较短、各部件存取时间比较接近的情

53、况。这是因为：同步方式对任何两个设备较接近的情况。这是因为：同步方式对任何两个设备之间的通信都给予同样的时间安排。就总线的长度来之间的通信都给予同样的时间安排。就总线的长度来讲，必须按距离最长的两个设备的传输延迟来设计公讲，必须按距离最长的两个设备的传输延迟来设计公共时间，但是总线长了势必降低传输频率。共时间，但是总线长了势必降低传输频率。 同步总线必须按最慢的部件设计公共时钟，如果各同步总线必须按最慢的部件设计公共时钟，如果各部件存取时间相差很大，则会大大损失总线效率。部件存取时间相差很大，则会大大损失总线效率。 同步总线有两个缺点：同步总线有两个缺点： 第一，在总线上的每个设备必须以同样的

54、时钟速第一，在总线上的每个设备必须以同样的时钟速率进行工作；率进行工作； 处理器处理器-主存总线一般都是同步的，因为通信的设主存总线一般都是同步的，因为通信的设备靠得很近，而且数量又少。备靠得很近，而且数量又少。 第二，由于时钟偏移问题，同步总线如果要快的话第二，由于时钟偏移问题，同步总线如果要快的话就不能很长。就不能很长。二、异步通信二、异步通信 为了协调在发送和接收者之间的数据传送，一个异为了协调在发送和接收者之间的数据传送，一个异步总线必须使用一种握手协议。步总线必须使用一种握手协议。 握手协议由一系列步骤组成，在每一步中，只有当握手协议由一系列步骤组成，在每一步中，只有当双方都同意时，

55、发送者或接收者才会进入到下一步双方都同意时，发送者或接收者才会进入到下一步; ; 协议是通过一组附加的控制线来实现的。协议是通过一组附加的控制线来实现的。异步通信允许总线上的各部件有异步通信允许总线上的各部件有各自的时钟各自的时钟，在部件，在部件之间进行通信时没有公共的时间标准，而是靠发送信之间进行通信时没有公共的时间标准，而是靠发送信息时同时发出本设备的息时同时发出本设备的时间标志信号时间标志信号，用，用“应答方式应答方式”来进行通信。来进行通信。 (1) ReadReq (读请求读请求)：用于指示一个读请求，假定在送出该：用于指示一个读请求，假定在送出该信号时信号时,地址同时被放到地址地址

56、同时被放到地址 线上；线上； (3) Ack（回答）：用于回答另一方送过来的（回答）：用于回答另一方送过来的ReadReq或或Ready信号。信号。 在一个在一个I/O读事务中，该信号将由读事务中，该信号将由I/O设备驱动有效，因为是设备驱动有效，因为是I/O设备提供数据。设备提供数据。 在一个存储器读事务中，该信号将由存储器驱动有效，因在一个存储器读事务中，该信号将由存储器驱动有效，因为是存储器提供数据；为是存储器提供数据； (2) Ready(数据就绪数据就绪)：用于指示数据字已在数据：用于指示数据字已在数据 线上准备好。线上准备好。例：例：考虑一个设备请求从存储器中读一个字。考虑一个设备

57、请求从存储器中读一个字。 假定存在以下三个控制线。假定存在以下三个控制线。ReadReqAddressDataAckReady1234562467 异步通信协议异步通信协议 异步通信协议示意图；主设备从存储器中读一个字。异步通信协议示意图；主设备从存储器中读一个字。存储器接收到存储器接收到ReadReq信号后，就从地址线上读取地址信息信号后，就从地址线上读取地址信息，然后送出，然后送出Ack信号，表示它已接受了读请求和地址信息。信号，表示它已接受了读请求和地址信息。主设备收到主设备收到Ack信号后，就释放信号后，就释放ReadReq信号和地址线。信号和地址线。存储器发现存储器发现ReadReq

58、信号被释放后，就跟着也降下信号被释放后，就跟着也降下Ack信号信号 当存储器完成数据的读出后，就将数据放到数据线上，并送当存储器完成数据的读出后，就将数据放到数据线上，并送出数据就绪信号出数据就绪信号Ready 。 主设备接收到存储器送出的主设备接收到存储器送出的Ready信号后，就从数据线上开信号后，就从数据线上开始读，并送出回答信号始读，并送出回答信号Ack，告诉存储器数据已经被读。，告诉存储器数据已经被读。存储器接收到存储器接收到Ack信号后，就得知数据已被成功地读取。此信号后，就得知数据已被成功地读取。此时它就降下时它就降下Ready信号，并释放数据线。信号，并释放数据线。 主设备发现

59、主设备发现Ready线降下后，也就跟着降下回答信号线降下后，也就跟着降下回答信号Ack。 又一次握手过程完成。在这个过程中完成了一次数据信息的又一次握手过程完成。在这个过程中完成了一次数据信息的交换交换存储器接收到存储器接收到ReadReq信号后，就从地址线上读取地址信息信号后，就从地址线上读取地址信息，然后送出，然后送出Ack信号，表示它已接受了读请求和地址信息。信号，表示它已接受了读请求和地址信息。主设备收到主设备收到Ack信号后，就释放信号后，就释放ReadReq信号和地址线。信号和地址线。存储器发现存储器发现ReadReq信号被释放后，就跟着也降下信号被释放后，就跟着也降下Ack信号信

60、号 当存储器完成数据的读出后，就将数据放到数据线上，并送当存储器完成数据的读出后，就将数据放到数据线上，并送出数据就绪信号出数据就绪信号Ready 。 主设备接收到存储器送出的主设备接收到存储器送出的Ready信号后，就从数据线上开信号后，就从数据线上开始读，并送出回答信号始读，并送出回答信号Ack，告诉存储器数据已经被读。，告诉存储器数据已经被读。存储器接收到存储器接收到Ack信号后，就得知数据已被成功地读取。此信号后，就得知数据已被成功地读取。此时它就降下时它就降下Ready信号，并释放数据线。信号，并释放数据线。 主设备发现主设备发现Ready线降下后，也就跟着降下回答信号线降下后，也就