第8章系统总线

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1、 第第8 8章章 系统总线系统总线8/31/20241计算机组成原理第第8 8章章 系统总线系统总线 在现代计算机系统中，无论是在计算机内在现代计算机系统中，无论是在计算机内部各部件之间，还是计算机与外部设备之间，部各部件之间，还是计算机与外部设备之间，地址、数据、控制信息的传送都是通过总线进地址、数据、控制信息的传送都是通过总线进行的，总线是信息传送的公共通路。因此，总行的，总线是信息传送的公共通路。因此，总线也是计算机系统的重要组成部分。本章介绍线也是计算机系统的重要组成部分。本章介绍系统总线，包括系统总线结构，总线的控制和系统总线，包括系统总线结构，总线的控制和通信方式，信息在总线中的传

2、送方式，微型机通信方式，信息在总线中的传送方式，微型机的总线标准，以及常用总线举例。的总线标准，以及常用总线举例。8/31/20242计算机组成原理目目 录录8.1 8.1 总线概述总线概述8.2 8.2 总线的组成总线的组成8.3 8.3 微机总线微机总线8/31/20243计算机组成原理8.1 8.1 总线概述总线概述8.1.1 8.1.1 总线原理总线原理8.1.2 8.1.2 总线结构类型总线结构类型8.1.3 8.1.3 总线的分类总线的分类8.1.4 8.1.4 数据总线、地址总线和控制总线数据总线、地址总线和控制总线 8/31/20244计算机组成原理8.1.1 8.1.1 总线

3、原理总线原理 总线，也叫母线，是连接计算机系统各个部总线，也叫母线，是连接计算机系统各个部件和装置的线路，它是一个或多个信息源传送件和装置的线路，它是一个或多个信息源传送信息到多个目的地的数通路。信息到多个目的地的数通路。 每一位二进制数码由总线中的一根线来传送，每一位二进制数码由总线中的一根线来传送，我们称为我们称为1 1位总线。每位总线。每1 1位总线都有若干发送端位总线都有若干发送端和接收端。在发送端和接收端都设有控制门，和接收端。在发送端和接收端都设有控制门，分别叫做发送门和接收门。分别叫做发送门和接收门。1 1位总线传输数据位总线传输数据的示意图如下图所示。的示意图如下图所示。 8/

4、31/20245计算机组成原理 图中发送端有图中发送端有3 3个发送门个发送门A A、B B、C C，接收端有接收端有3 3个接个接收门收门D D、E E、F F，数据可从发送端的任一个发送门发数据可从发送端的任一个发送门发出，可被接收端的一个或几个接收门接收。出，可被接收端的一个或几个接收门接收。8/31/20246计算机组成原理 同一时刻总线只能传送一个数据，否则总线输出要同一时刻总线只能传送一个数据，否则总线输出要发生混乱。因此，在发送端应设有判优或仲裁逻辑，当发生混乱。因此，在发送端应设有判优或仲裁逻辑，当多个数据在发送端要求发送时，由判优或仲裁逻辑选择多个数据在发送端要求发送时，由判

5、优或仲裁逻辑选择一个数据发送出去，以保证传送的正确性。在上图中，一个数据发送出去，以保证传送的正确性。在上图中，发送端的发送端的A A、B B、C C的的3 3个发送门中，同一时刻只能有一个个发送门中，同一时刻只能有一个发送门打开，不能同时打开两个以上的发送门，这叫做发送门打开，不能同时打开两个以上的发送门，这叫做发送端的分时性。而接收端没有上述限制，也即可以同发送端的分时性。而接收端没有上述限制，也即可以同时打开几个门。如某一时刻，若端口时打开几个门。如某一时刻，若端口A A作为发送端，则作为发送端，则作为接收端的作为接收端的D D、E E、F F这这3 3个门可以同时接收到从个门可以同时接

6、收到从A A发送发送门所传送的数据，门所传送的数据，B B和和C C这两个端口也可以作为接收端接这两个端口也可以作为接收端接收到从收到从A A发送门所传送的数据发送门所传送的数据11位二进制数码。位二进制数码。8/31/20247计算机组成原理 单总线结构单总线结构 单总线结构是用一组总线连接整个计算机系统的单总线结构是用一组总线连接整个计算机系统的各大功能部件，计算机系统的所有设备都挂在这条总各大功能部件，计算机系统的所有设备都挂在这条总线上，各大部件之间的所有的信息传送都通过这组总线上，各大部件之间的所有的信息传送都通过这组总线。如下图线。如下图所示。所示。8.1.2 8.1.2 总线结构

7、类型总线结构类型8/31/20248计算机组成原理 所有连接到单总线上的计算机系统部件都共享同一地址所有连接到单总线上的计算机系统部件都共享同一地址空间。空间。I/OI/O设备地址都采取存储器映射方式编址，因而指设备地址都采取存储器映射方式编址，因而指令系统中没有输入输出指令，任何访问存储器的指令都令系统中没有输入输出指令，任何访问存储器的指令都可以访问连接到总线上的任何设备。可以访问连接到总线上的任何设备。 单总线采用异步通信方式，其传输速率只与设备固有速单总线采用异步通信方式，其传输速率只与设备固有速率有关，而与总线上其它子系统、总线的物理长度无关。率有关，而与总线上其它子系统、总线的物理

8、长度无关。 单总线不仅用在处理器级部件间互连，而且也可以用于单总线不仅用在处理器级部件间互连，而且也可以用于各单元部件之间的连接。它们都具有标准总线的接口。各单元部件之间的连接。它们都具有标准总线的接口。 与总线连接的所有部件是互相独立的，这种总线结构便与总线连接的所有部件是互相独立的，这种总线结构便于系统部件的扩充。于系统部件的扩充。单总线结构的特点单总线结构的特点8/31/20249计算机组成原理 单总线结构的单总线结构的缺陷是系统效率和缺陷是系统效率和连接到总线上的各连接到总线上的各设备的利用率不高。设备的利用率不高。为了克服这一缺陷，为了克服这一缺陷，在有些小型机和大、在有些小型机和大

9、、中型机中，让中型机中，让I/OI/O总线与内存总线分总线与内存总线分开，形成了双总线开，形成了双总线结构。结构。 双总线结构双总线结构8/31/202410计算机组成原理 这种总线结构有两条总线，一条是内存总线，这种总线结构有两条总线，一条是内存总线，用于用于CPUCPU、内存和通道之间进行数据传送；另一条内存和通道之间进行数据传送；另一条是是I/OI/O总线，用于多个外围设备与通道之间进行数总线，用于多个外围设备与通道之间进行数据传送。据传送。 在双总线结构中，通道是计算机系统中的一个在双总线结构中，通道是计算机系统中的一个独立部件，使独立部件，使CPUCPU的效率大为提高，并可以实现形的

10、效率大为提高，并可以实现形式多样而更为复杂的数据传送。双总线的优点是式多样而更为复杂的数据传送。双总线的优点是以增加通道这一设备为代价的，通道实际上是一以增加通道这一设备为代价的，通道实际上是一台具有特殊功能的处理器，所以双总线通常在大、台具有特殊功能的处理器，所以双总线通常在大、中型计算机中采用。中型计算机中采用。双总线结构双总线结构8/31/202411计算机组成原理 三总线结构计算机是基于上述思想，在三总线结构计算机是基于上述思想，在CPUCPU和主存之和主存之间设置了一条独立总线，以进一步提高计算机的效率。间设置了一条独立总线，以进一步提高计算机的效率。这种总线结构是在计算机系统的各部

11、件之间采用三条各这种总线结构是在计算机系统的各部件之间采用三条各自独立的总线来构成信息通路。这三条总线是：内存总自独立的总线来构成信息通路。这三条总线是：内存总线，输入线，输入/ /输出（输出（I/OI/O）总线和内存访问（总线和内存访问（DMADMA）总线。总线。 三总线结构三总线结构8/31/202412计算机组成原理 内内存存总总线线用用于于CPUCPU和和内内存存之之间间传传送送地地址址、数数据据和控制信息；和控制信息； I/OI/O总线供总线供CPUCPU和各类外设之间的通信；和各类外设之间的通信； DMADMA总总线线使使内内存存和和高高速速外外设设之之间间能能够够直直接接传传送送

12、数据。数据。 若若再再把把不不同同速速率率的的外外部部设设备备分分类类连连接接建建立立多多条条总线，则就是多总线结构了。总线，则就是多总线结构了。8/31/202413计算机组成原理 数据总线、地址总线和控制总线数据总线、地址总线和控制总线 根据总线所传输的信息内容的不同，总线可分为地址根据总线所传输的信息内容的不同，总线可分为地址总线、数据总线和控制总线。总线、数据总线和控制总线。2.2.片级总线、内部总线和外部总线片级总线、内部总线和外部总线 根据总线在计算机系统中所处的位置不同，总线又有根据总线在计算机系统中所处的位置不同，总线又有片级总线、内部总线和外部总线之分。片级总线、内部总线和外

13、部总线之分。v片级总线是指微处理器芯片内各部件的连接总线，片级总线是指微处理器芯片内各部件的连接总线，v内部总线则是指计算机系统中各部分之间的连接总线，内部总线则是指计算机系统中各部分之间的连接总线，内部总线也可称为系统总线或板级总线；内部总线也可称为系统总线或板级总线；v外部总线则是指计算机系统间互联的总线，通常称为通外部总线则是指计算机系统间互联的总线，通常称为通信总线。通常所讨论的总线是后面两种。信总线。通常所讨论的总线是后面两种。8.1.3 8.1.3 总线的分类总线的分类8/31/202414计算机组成原理 并行总线和串行总线并行总线和串行总线并行总线：是指一次能同时传送多个二进制数

14、并行总线：是指一次能同时传送多个二进制数位的总线。并行总线根据其数据总线所传送的位的总线。并行总线根据其数据总线所传送的二进制位数又可以分为二进制位数又可以分为8 8位总线、位总线、1616位总线、位总线、3232位总线和位总线和6464位总线。位总线。串行总线：是指二进制数的各位在一条线上是串行总线：是指二进制数的各位在一条线上是一位一位传送的。串行总线的传输速度比并行一位一位传送的。串行总线的传输速度比并行总线慢。总线慢。CRTCRT、电传打字机、远距离数据采集电传打字机、远距离数据采集设备等都采用串行传送方式。设备等都采用串行传送方式。8.1.3 8.1.3 总线的分类总线的分类8/31

15、/202415计算机组成原理 单向总线和双向总线单向总线和双向总线单向总线：数据只能朝一个方向传送的总线。典单向总线：数据只能朝一个方向传送的总线。典型的单向总线是地址总线，型的单向总线是地址总线， 单向总线仅有一个固定的发送门，接收门可以单向总线仅有一个固定的发送门，接收门可以有多个，如下图所示（图示的发送门有有多个，如下图所示（图示的发送门有3 3个信号个信号源）。源）。8.1.3 8.1.3 总线的分类总线的分类8/31/202416计算机组成原理 双向总线：数据可以朝两个方向传送的总线，典型的双双向总线：数据可以朝两个方向传送的总线，典型的双向总线是数据总线，而控制总线的某些位是单向的

16、，另向总线是数据总线，而控制总线的某些位是单向的，另一些位则是双向的。一些位则是双向的。 双向总线可以有多个发送门（或收发门）和接收门。双向总线可以有多个发送门（或收发门）和接收门。8.1.3 8.1.3 总线的分类总线的分类8/31/202417计算机组成原理 8.1.4 8.1.4 数据总线、地址总线和控制总线数据总线、地址总线和控制总线 数据总线数据总线 数据总线是数据总线是CPUCPU和存储器、外设之间传送指和存储器、外设之间传送指令和数据的通道，其宽度反映了令和数据的通道，其宽度反映了CPUCPU一次处理、一次处理、传送的二进制位数。根据数据总线的宽度传送的二进制位数。根据数据总线的

17、宽度( (条条数数) )，可将微机分成，可将微机分成4 4、8 8、1616、3232位等种类。位等种类。 数据总线的特点是：数据总线的特点是： 双向传输。例如，在双向传输。例如，在CPUCPU和内存之间的数据和内存之间的数据线，既可以传送线，既可以传送CPUCPU到内存的数据，也可以传到内存的数据，也可以传送内存到送内存到CPUCPU的数据。数据线的数目与计算机的数据。数据线的数目与计算机字长相同。字长相同。 采用三态电路。采用三态电路。8/31/202418计算机组成原理 地址总线地址总线 地址总线用来给存储器、地址总线用来给存储器、I/OI/O口编号，以便口编号，以便CPUCPU按地址对

18、其进行读写。因此其作用是传送按地址对其进行读写。因此其作用是传送地址信号，不仅用来传送内存地址，还用来选地址信号，不仅用来传送内存地址，还用来选择将要进行信息传输的设备。择将要进行信息传输的设备。 地址线的根数反映了微处理器的寻址能力。地址线的根数反映了微处理器的寻址能力。用用n n根地址线编址的存储空间可达根地址线编址的存储空间可达2n2n个单元。个单元。 地址总线的其特点是：单向传输。地址总线的其特点是：单向传输。 8/31/202419计算机组成原理 控制总线控制总线 控制总线的作用是传送控制总线的作用是传送CPUCPU的控制信号，控制的控制信号，控制所要执行的操作的种类和顺序，以协调系

19、统各部所要执行的操作的种类和顺序，以协调系统各部件的动作。各种型号的微处理器的数据总线和地件的动作。各种型号的微处理器的数据总线和地址总线在本质上是相同的，但控制总线却有着很址总线在本质上是相同的，但控制总线却有着很大的差别。三组总线中，控制总线最为复杂。大的差别。三组总线中，控制总线最为复杂。 控制总线的特点是：单向传输。控制线的数目控制总线的特点是：单向传输。控制线的数目取决于计算机系统的性能。取决于计算机系统的性能。 8/31/202420计算机组成原理 控制总线主要包括以下几方面：控制总线主要包括以下几方面： 读写控制线：读写控制线决定数据线上数据流动的读写控制线：读写控制线决定数据线

20、上数据流动的方向，以及是存储器读写还是方向，以及是存储器读写还是I/OI/O操作。操作。 中断信号线：包括可屏蔽中断输入线、非屏蔽中断中断信号线：包括可屏蔽中断输入线、非屏蔽中断输入线和中断响应线等。输入线和中断响应线等。 总线控制线：当其它主设备（如总线控制线：当其它主设备（如DMADMA控制器）欲使控制器）欲使用总线时，通过这类控制线使用总线时，通过这类控制线使CPUCPU暂时挂起，放弃对总暂时挂起，放弃对总线的占用。总线控制线一般包括总线请求线和总线响线的占用。总线控制线一般包括总线请求线和总线响应线。应线。 复位线：复位线：CPUCPU接收到复位信号，就进行初始化，并接收到复位信号，就

21、进行初始化，并以指定的复位入口处开始执行程序。以指定的复位入口处开始执行程序。8/31/202421计算机组成原理 等待线或准备就绪线：用于等待线或准备就绪线：用于CPUCPU与慢速的存储与慢速的存储器和器和I/OI/O设备同步。设备同步。主控时钟线：产生主控时钟线：产生CPUCPU各种基本操作的时基。各种基本操作的时基。其它控制线：如其它控制线：如8088/80868088/8086的地址锁存允许信的地址锁存允许信号（号（ALEALE）等。等。 上述三种总线由微处理器芯片的引脚分别引出上述三种总线由微处理器芯片的引脚分别引出。8/31/202422计算机组成原理8.2 8.2 总线的组成总线

22、的组成 总线是从两个或两个以上的源部件传送信息到一总线是从两个或两个以上的源部件传送信息到一个或多个部件的一组传输线，而导线则是仅仅连接一个或多个部件的一组传输线，而导线则是仅仅连接一个源部件到一个或多个目的部件的传输线。个源部件到一个或多个目的部件的传输线。 组成总线，除了要有传输线外，重要的是总线控组成总线，除了要有传输线外，重要的是总线控制线路。制线路。 由于总线有两个或两个以上的输出信息的源部件，由于总线有两个或两个以上的输出信息的源部件，多个接收信息的目的部件，对于发送的信息，必须经多个接收信息的目的部件，对于发送的信息，必须经过选择判优，避免多个部件同时发送信息的矛盾。还过选择判优

23、，避免多个部件同时发送信息的矛盾。还应对传送的信息进行定时，防止信息丢失。这样，总应对传送的信息进行定时，防止信息丢失。这样，总线中应该设置总线控制线路。总线控制线路包括总线线中应该设置总线控制线路。总线控制线路包括总线判优或仲裁控制逻辑、驱动器和中断逻辑。判优或仲裁控制逻辑、驱动器和中断逻辑。8/31/202423计算机组成原理8.2 8.2 总线的组成总线的组成8.2.1 8.2.1 总线驱动和三态门总线驱动和三态门8.2.2 8.2.2 总线控制总线控制8.2.3 8.2.3 总线通信总线通信8.2.4 8.2.4 出错处理出错处理8/31/202424计算机组成原理 总线驱动总线驱动

24、总线上可连接多个部件，具有扩充的灵活性，总线总线上可连接多个部件，具有扩充的灵活性，总线上能连接多少部件，是受总线的驱动能力的限制的。上能连接多少部件，是受总线的驱动能力的限制的。通常一个模块或一个部件限制在通常一个模块或一个部件限制在1 12 2个负载以内。个负载以内。 在总线的传输线上至少连接两个源部件，而对集成在总线的传输线上至少连接两个源部件，而对集成电路来说，不是任意两个集成电路的输出端可以短接电路来说，不是任意两个集成电路的输出端可以短接在一起的，使用不当，会损坏器件。在计算机系统中，在一起的，使用不当，会损坏器件。在计算机系统中，通常采用三态输出电路（三态门）或集极开路输出电通常

25、采用三态输出电路（三态门）或集极开路输出电路来驱动总线。集极开路输出电路的速度较低，通常路来驱动总线。集极开路输出电路的速度较低，通常使用在使用在I/OI/O总线上。总线上。8.2.1 8.2.1 总线驱动和三态门总线驱动和三态门8/31/202425计算机组成原理 三态门三态门 三态门是具有三种输出状态的电路，常用三态门是具有三种输出状态的电路，常用作总线驱动器。有作总线驱动器。有MOSMOS型的三态门和双极型的型的三态门和双极型的三态门两种。三态门两种。 根据三态门的输出特性以及控制端的方式，根据三态门的输出特性以及控制端的方式，常用的三态门有常用的三态门有6 6种，下图表示了种，下图表示

26、了6 6种三态门种三态门的逻辑符号和真值表。的逻辑符号和真值表。8/31/202426计算机组成原理 各种三态门的逻辑符号和真值表各种三态门的逻辑符号和真值表8/31/202427计算机组成原理 三三态态缓缓冲冲门门是是靠靠“允允许许/ /禁禁止止”输输入入端端上上加加入入逻逻辑辑“1”1”或或逻逻辑辑“0”0”来来禁禁止止其其操操作作的的，禁禁止止时时，输输出出阻阻抗抗呈呈现现高高阻阻抗抗状状态态。用用三三态态门门可可以以设设计计单单向向总总线线或或双双向向总总线线。如如图图所示。所示。（总总线线的的驱驱动动器器也也可可以以由由常常用用的的逻逻辑辑门门，包包括括非非门门、与与非非门门、与与或

27、非门来设计）或非门来设计）8/31/202428计算机组成原理 由于存在多个设备或部件同时申请对总线的使用权，为由于存在多个设备或部件同时申请对总线的使用权，为保证在同一时内只能有一个设备获得总线使用权，需要设置保证在同一时内只能有一个设备获得总线使用权，需要设置总线判优控制机构。总线判优控制机构按照申请者的优先权总线判优控制机构。总线判优控制机构按照申请者的优先权选择设备。只有获得了总线使用权的设备或部件，才能开始选择设备。只有获得了总线使用权的设备或部件，才能开始数据传送。数据传送。 根据总线控制部件的位置，控制方式可以分为集中式控根据总线控制部件的位置，控制方式可以分为集中式控制和分布式

28、控制两种。总线控制逻辑基本集中在一处的（如制和分布式控制两种。总线控制逻辑基本集中在一处的（如集中于集中于CPUCPU中），称为集中式总线控制；而总线控制逻辑分中），称为集中式总线控制；而总线控制逻辑分散在总线各部件的，称为分散式总线控制。集中式控制是单散在总线各部件的，称为分散式总线控制。集中式控制是单总线、双总线和三总线结构计算机主要采用的方式，也是本总线、双总线和三总线结构计算机主要采用的方式，也是本章内容的一个重点。集中式总线的控制方式主要有以下章内容的一个重点。集中式总线的控制方式主要有以下3 3种：种：链式查询方式、计数器定时查询方式和独立请求总线控制方链式查询方式、计数器定时查询

29、方式和独立请求总线控制方式。式。8.2.2 8.2.2 总线控制总线控制8/31/202429计算机组成原理 这这种种总总线线控控制制部部件件在在单单总总线线和和三三总总线线结结构构的的计计算算机机系系统统中中常常常常是是CPUCPU的的一一部部分分，而而在在双双总总线线结结构构的的计计算算机机系统中，它在系统中，它在I/OI/O总线中，是通道的一部分。总线中，是通道的一部分。 链式查询方式链式查询方式链式查询方式的电路图如下图所示。链式查询方式的电路图如下图所示。8/31/202430计算机组成原理 在这种电路中，除一般数据总线在这种电路中，除一般数据总线D D和地址总线和地址总线A A外，

30、在控制总线中有三根线用于总线的控制，外，在控制总线中有三根线用于总线的控制，它们分别是总线忙（它们分别是总线忙（BSBS）线、总线请求（线、总线请求（BRBR）线和总线同意（线和总线同意（BGBG）线。线。 BSBS：总线忙总线忙/ /闲状态线，当其有效时，表示总闲状态线，当其有效时，表示总线正被某外设使用。线正被某外设使用。 BRBR：总线请求线，当其有效时，表示至少有总线请求线，当其有效时，表示至少有一个外部设备要求使用总线。一个外部设备要求使用总线。 BGBG：总线同意，当其有效时，表示总线控制总线同意，当其有效时，表示总线控制部件响应总线请求（部件响应总线请求（BRBR）。）。 8/3

31、1/202431计算机组成原理 链式查询方式的优点是：只用很少几根线链式查询方式的优点是：只用很少几根线就能按一定的优先次序实现总线控制，并且这就能按一定的优先次序实现总线控制，并且这种链式结构很容易扩充设备。其缺点是对询问种链式结构很容易扩充设备。其缺点是对询问链的电路故障很敏感，如果第链的电路故障很敏感，如果第i i个设备的接口个设备的接口中有关链的电路有故障，那么，第中有关链的电路有故障，那么，第i i个设备以个设备以后的设备都不能进行工作。另外，查询链的优后的设备都不能进行工作。另外，查询链的优先级是固定的，如果优先级高的设备出现频繁先级是固定的，如果优先级高的设备出现频繁的请求，优先

32、级较低的设备就可能长期不能使的请求，优先级较低的设备就可能长期不能使用总线。用总线。8/31/202432计算机组成原理 计数器定时查询总线控制方式的电路图如下。计数器定时查询总线控制方式的电路图如下。计数器定时查询方式计数器定时查询方式 这种总线控制方式的工作原理是：总线上任一设备这种总线控制方式的工作原理是：总线上任一设备要求使用总线时，通过要求使用总线时，通过“总线请求总线请求”（BRBR）线发出总线发出总线请求信号，总线控制器接到请求信号后，在线请求信号，总线控制器接到请求信号后，在“总线总线忙忙”（BSBS）为复位的情况下，让计数器开始计数，计为复位的情况下，让计数器开始计数，计数值

33、通过一组地址线发至各设备。每个设备接口都有数值通过一组地址线发至各设备。每个设备接口都有一个一个8/31/202433计算机组成原理 设备地址判别电路，当地址线上的计数值与请求总线设备地址判别电路，当地址线上的计数值与请求总线的设备地址一致时，该设备把的设备地址一致时，该设备把“总线忙总线忙”（BSBS）置位，置位，获得了总线控制权。此时，终止计数查询。获得了总线控制权。此时，终止计数查询。 这种总线控制方式的优点是：由于查询可以被程序这种总线控制方式的优点是：由于查询可以被程序控制（计数器的初值可由程序设定），所以优先次序控制（计数器的初值可由程序设定），所以优先次序可以方便地改变。另外，这

34、种查询方式不会出现像链可以方便地改变。另外，这种查询方式不会出现像链式查询那样当某个设备的接口中有关链的电路出现故式查询那样当某个设备的接口中有关链的电路出现故障时，会影响其他设备使用总线。这种总线控制方式障时，会影响其他设备使用总线。这种总线控制方式的缺点是：要有一组设备地址线，从而增加了控制线的缺点是：要有一组设备地址线，从而增加了控制线的数量，而且控制也较为复杂。的数量，而且控制也较为复杂。8/31/202434计算机组成原理 独立请求总线控制方式的电路图如下图所示。独立请求总线控制方式的电路图如下图所示。独立请求总线控制方式独立请求总线控制方式 在这种总线控制方式中，每一个共享总线的设

35、备均有在这种总线控制方式中，每一个共享总线的设备均有一对一对“总线请求总线请求”（BRBR）和和“总线同意总线同意”（BGBG）线。当线。当设备要求使用总线时，便发出设备要求使用总线时，便发出“总线请求总线请求”信号，总线信号，总线控制部件中一般有一个排队电路，根据一定的优先次序控制部件中一般有一个排队电路，根据一定的优先次序决定首先响应哪个设备的请求，当请求的设备排上队，决定首先响应哪个设备的请求，当请求的设备排上队，便收到便收到“总线同意总线同意”（BGBG）信号，从而可以使用总线。信号，从而可以使用总线。8/31/202435计算机组成原理 同步通信同步通信 总线上的部件通过总线进行信息

36、传送时，用一个公共的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进行同步，这种方式称为同步通信。这个公共的时时钟信号进行同步，这种方式称为同步通信。这个公共的时钟信号可以由总线控制部件发送到每一个部件或设备，也可钟信号可以由总线控制部件发送到每一个部件或设备，也可以每个部件有自己的时钟发生器，但是，它们都必须由以每个部件有自己的时钟发生器，但是，它们都必须由CPUCPU发出的时钟信号进行同步。发出的时钟信号进行同步。 同步通信的优点是具有较高的传输速率，数据传输速度同步通信的优点是具有较高的传输速率，数据传输速度快，总线控制逻辑也比较简单；同步通信适用于总线长度较快，总线控制逻辑也

37、比较简单；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况。因此带来的缺点是假短、各部件存取时间比较接近的情况。因此带来的缺点是假如总线长度长了，势必降低数据的传输速率。由于总线长度如总线长度长了，势必降低数据的传输速率。由于总线长度较短，不能及时进行数据通信的有效性检验。较短，不能及时进行数据通信的有效性检验。 8.2.3 8.2.3 总线通信总线通信8/31/202436计算机组成原理 利用数据发送部件和数据接收部件之间的相互利用数据发送部件和数据接收部件之间的相互“握手握手”信号来实现总线数据传送的方式称为异步通信。信号来实现总线数据传送的方式称为异步通信。 在异步通信方式下，允

38、许总线上的各部件有各自的时钟，在异步通信方式下，允许总线上的各部件有各自的时钟，部件之间的通信不依靠公共的时间标准，而是利用应答方部件之间的通信不依靠公共的时间标准，而是利用应答方式的式的“握手握手”信号来实现。发送部件将数据放到总线上后，信号来实现。发送部件将数据放到总线上后，经过一定的时间延迟后，便在控制线上发出经过一定的时间延迟后，便在控制线上发出“数据准备好数据准备好”信号，而接收部件则应发信号，而接收部件则应发“数据接收数据接收”信号来响应，把信号来响应，把此信号送到源部件上，并接收数据。发送部件接收到响应此信号送到源部件上，并接收数据。发送部件接收到响应信号后，去除原数据，本次传送

39、结束。信号后，去除原数据，本次传送结束。 异步通信方式的优点是，便于实现不同传输速率部件之异步通信方式的优点是，便于实现不同传输速率部件之间的数据传送，而且对总线长度也没有严格的要求，还能间的数据传送，而且对总线长度也没有严格的要求，还能实现数据的有效性检验。缺点是速度一般不如同步通信方实现数据的有效性检验。缺点是速度一般不如同步通信方式高，而且总线控制逻辑也相对复杂一些。式高，而且总线控制逻辑也相对复杂一些。异步通信异步通信8/31/202437计算机组成原理 上图示出了某计算机系统的上图示出了某计算机系统的4 4条控制线：总线请求线、总条控制线：总线请求线、总线同意线、设备回答线和总线忙线

40、的控制信号线同意线、设备回答线和总线忙线的控制信号BRiBRi、BGiBGi、SACKSACK和和BSiBSi时序，现在来分析它是属于哪种控制时序，现在来分析它是属于哪种控制方式的时序图，并分析其控制过程。方式的时序图，并分析其控制过程。 总线控制通信时序图总线控制通信时序图8/31/202438计算机组成原理 因为没有同步时钟信号，而且有总线请求、总线同意因为没有同步时钟信号，而且有总线请求、总线同意和设备回答信号，所以，这是一种异步双向全互锁的总和设备回答信号，所以，这是一种异步双向全互锁的总线控制方式，其控制过程如下：线控制方式，其控制过程如下： 当某个设备请求使用总线时，在该设备所属的

41、请求当某个设备请求使用总线时，在该设备所属的请求线上发出总线请求信号线上发出总线请求信号BRiBRi。 CPUCPU根据优先原则同意后发出总线同意信号根据优先原则同意后发出总线同意信号BGiBGi。 设备收到设备收到BGiBGi有效信号后，下降自己的有效信号后，下降自己的BRiBRi，使之无使之无效，并上升设备回答信号效，并上升设备回答信号SACKSACK，证实已收到总线同意信证实已收到总线同意信号号BGiBGi。 CPUCPU接到接到SACKSACK信号后，下降信号后，下降BGiBGi作为回答。作为回答。 8/31/202439计算机组成原理 在总线忙为在总线忙为“0”0”的情况下，该设备上

42、升的情况下，该设备上升BSiBSi，表示设备获得了总线的控制权，成为控制总线表示设备获得了总线的控制权，成为控制总线的主设备。的主设备。 在设备使用完总线以后，下降在设备使用完总线以后，下降BSiBSi和和SACKSACK，即即释放总线。释放总线。 在上述选择主设备的过程中，现行的主从设备在上述选择主设备的过程中，现行的主从设备可能正在进行数据传送，在此情况下，一定要可能正在进行数据传送，在此情况下，一定要等到现行传送结束，现行主设备下降等到现行传送结束，现行主设备下降BSBS信号后，信号后，新的主设备才能上升新的主设备才能上升BSBS信号，获得总线控制权。信号，获得总线控制权。8/31/20

43、2440计算机组成原理 数据在总线传送过程中，由于种种原因可能数据在总线传送过程中，由于种种原因可能产生错误，有些接收部件具有自动纠错能力，产生错误，有些接收部件具有自动纠错能力，可以自动纠正错误；而有些部件没有纠错能力，可以自动纠正错误；而有些部件没有纠错能力，但能发现错误，这时它发出但能发现错误，这时它发出“数据出错数据出错”信号，信号，向向CPUCPU发出中断请求信号，响应中断后，转入发出中断请求信号，响应中断后，转入出错处理程序进行出错处理。出错处理程序进行出错处理。8.2.4 8.2.4 出错处理出错处理8/31/202441计算机组成原理8.3 8.3 微机总线微机总线 总总线线是

44、是构构成成任任何何计计算算机机系系统统的的基基础础，它它将将影影响响系系统统的的灵灵活活性性、成成本本、性性能能和和可可靠靠性性。由由于于超超大大规规模模集集成成电电路路工工艺艺的的发发展展，系系统统的的复复杂杂性性也也在在不不断断的的增增加加，总总线线则则往往往往成成为为提提高高性性能能、可可靠靠性性和和模模块块化化的的制制约约因因素素。因因此此在在大大多多数数微微机机系系统统中中推推行行标标准准总总线线技技术术。标标准准总总线线使使得得总总线线接接口口部部件件标标准准化化，简简化化了了系系统统设设计计，缩缩短短了了开开发发时时间间，降降低低了了开开发发成成本本，增增加加了了系系统统配配置置

45、的的灵灵活活性性。下下面面介介绍微型机的常用的标准总线。绍微型机的常用的标准总线。8/31/202442计算机组成原理8.3.1 8.3.1 工业标准总线工业标准总线ISAISA8.3.2 8.3.2 微通道总线微通道总线MCAMCA8.3.3 8.3.3 扩充的工业标准总线扩充的工业标准总线EISAEISA8.3.4 8.3.4 局部总线局部总线PCIPCI8.3.5 8.3.5 AGPAGP总线总线8.3.6 8.3.6 通用串行总线通用串行总线USBUSB8.3 8.3 微机总线微机总线8/31/202443计算机组成原理 ISA(Industry Standard Architectu

46、re)ISA(Industry Standard Architecture)即即工业标准总线，是工业标准总线，是IBMIBM公司为其生产的公司为其生产的PCPC系列系列微型机所制定的总线标准。微型机所制定的总线标准。IBMIBM公司在其微型公司在其微型机发展过程中为机发展过程中为PCPC机、机、PC/XTPC/XT机、机、PC/ATPC/AT机制定机制定的总线标准分别称作的总线标准分别称作PCPC总线、总线、PC/XTPC/XT总线、总线、PC/ATPC/AT总线。总线。PC/ATPC/AT总线被许多微机厂商采用，总线被许多微机厂商采用，并推出以该总线为基础的并推出以该总线为基础的386386

47、、486486微型机。因微型机。因此，此，PC/ATPC/AT总线事实上成为一种微型机总线标总线事实上成为一种微型机总线标准，被叫做工业标准总线，即准，被叫做工业标准总线，即ISAISA。8.3.1 8.3.1 工业标准总线工业标准总线ISAISA8/31/202444计算机组成原理 MCA(Micro Channel Architecture)MCA(Micro Channel Architecture)是微通是微通道总线，这是道总线，这是IBMIBM公司在公司在19871987年年4 4月推出的配套月推出的配套于于PS/2PS/2微型机上的与微型机上的与ISAISA总线完全不同的一种总线完

48、全不同的一种总线标准。总线标准。 MCAMCA总线是一种具有总线是一种具有3232位数据宽度的总线标位数据宽度的总线标准，提供成组传送方式，即准，提供成组传送方式，即burst modeburst mode。这种这种方式是当数据开始传送后以几个周期连续传送方式是当数据开始传送后以几个周期连续传送一组数据的工作方式，其传输率是指它的最高一组数据的工作方式，其传输率是指它的最高传输率。这种工作方式也叫猝发式或迸发式。传输率。这种工作方式也叫猝发式或迸发式。8.3.2 8.3.2 微通道总线微通道总线MCAMCA8/31/202445计算机组成原理 EISA(Extended Industrial

49、Standard Architecture)EISA(Extended Industrial Standard Architecture)是是对对ISAISA总线的扩充，即扩充的工业标准总线。由总线的扩充，即扩充的工业标准总线。由CompaqCompaq、HPHP、ASTAST、EpsonEpson、NECNEC等等9 9家公司于家公司于19881988年联合推出。年联合推出。 EISAEISA总线的插槽的外形与总线的插槽的外形与ISAISA总线完全相同，但插槽为总线完全相同，但插槽为两层结构，第一层的引线定义与两层结构，第一层的引线定义与ISAISA的一样，共的一样，共9898根引线；根引线

50、；第二层的引线是第二层的引线是EISAEISA的扩充部分，共的扩充部分，共9090根引线。根引线。 EISAEISA总线的突出优点是同总线的突出优点是同ISAISA总线兼容，总线兼容，EISAEISA总线的插总线的插槽既可以插槽既可以插ISAISA总线的扩展板，也可以插总线的扩展板，也可以插EISAEISA总线的扩展总线的扩展板。板。EISAEISA的开放式的体系结构，使其也有很好的适应性，的开放式的体系结构，使其也有很好的适应性，它的它的3232位的总线结构，数据传输率最高可达位的总线结构，数据传输率最高可达32MB/S32MB/S。EISAEISA总线的寿命周期很短，现在已经被总线的寿命周

51、期很短，现在已经被PCIPCI总线取代。总线取代。8.3.3 8.3.3 扩充的工业标准总线扩充的工业标准总线EISAEISA8/31/202446计算机组成原理 PCI(Peripheral Component Interconnect)PCI(Peripheral Component Interconnect)，直译是直译是外围设备互连，这种总线是时钟同步型输入外围设备互连，这种总线是时钟同步型输入/ /输出总线，输出总线，用于连接微处理器和输入用于连接微处理器和输入/ /输出设备。输出设备。 随着微机技术的迅速发展和信息化水平的不断提高，随着微机技术的迅速发展和信息化水平的不断提高，对微

52、机外设的使用性能要求越来越高，特别是对图形显对微机外设的使用性能要求越来越高，特别是对图形显示的高要求，硬盘容量的增大和数据传输率的提高，要示的高要求，硬盘容量的增大和数据传输率的提高，要求有更高性能的总线。原有的求有更高性能的总线。原有的ISAISA总线和总线和EISAEISA总线显然已总线显然已不适应。在这种背景下，不适应。在这种背景下，IntelIntel公司在开发公司在开发Pentium CPUPentium CPU的过程中，于的过程中，于19921992年年6 6月提出了面向个人计算机的输入月提出了面向个人计算机的输入/ /输出总线。紧接着，输出总线。紧接着，IntelIntel公司

53、又与公司又与DECDEC、IBMIBM等公司一起等公司一起建立了制定建立了制定PCIPCI总线规格的团体总线规格的团体PCI SIGPCI SIG，制定制定PCIPCI局部总局部总线标准。线标准。8.3.4 8.3.4 局部总线局部总线PCIPCI8/31/202447计算机组成原理 适应了外设速度的提高。输入输出总线的数据传适应了外设速度的提高。输入输出总线的数据传输率应当是外设的输率应当是外设的3 35 5倍，倍，PCIPCI总线的数据传输速总线的数据传输速率能适应多媒体计算机对图形、图像传输的速度率能适应多媒体计算机对图形、图像传输的速度要求，也能满足容量在要求，也能满足容量在GBGB级

54、的大容量高速度的硬级的大容量高速度的硬盘传输数据的要求。盘传输数据的要求。PCIPCI总线是在微处理器之外独立工作的，总线时钟和微总线是在微处理器之外独立工作的，总线时钟和微处理器的外部时钟是分别独立的，并且可以设置多个处理器的外部时钟是分别独立的，并且可以设置多个总线控制器。总线控制器。数据总线和地址总线是多路的，信号线包括总线主控数据总线和地址总线是多路的，信号线包括总线主控器在内，只有器在内，只有4949根，扩展插件是根，扩展插件是124124根。根。电源电压有电源电压有+5V+5V和和+3.3V+3.3V两种。两种。PCIPCI总线的特点总线的特点8/31/202448计算机组成原理

55、PCIPCI总线与总线与ISAISA、EISAEISA总线主要性能比较总线主要性能比较8/31/202449计算机组成原理 AGPAGP（Accelerated Graphics PortAccelerated Graphics Port）是图形加速端口。是图形加速端口。 三维图形应用的发展，对图形加速卡的计算速度提出了三维图形应用的发展，对图形加速卡的计算速度提出了越来越高的要求，越来越高的要求，PCIPCI总线的传送速率也变得紧张起来。总线的传送速率也变得紧张起来。为此，为此， AGPAGP总线是在总线是在2020世纪世纪9090年代年代后期，随着后期，随着PentiumPentium型型

56、PCPC机的开发而发展起来的，机的开发而发展起来的，AGPAGP总线不同于通用的总线不同于通用的PCIPCI局局部总线，它是供图形加速卡专用的。它在图形卡与系统内部总线，它是供图形加速卡专用的。它在图形卡与系统内存之间提供了一条直接的访问途径存之间提供了一条直接的访问途径。在。在PentiumPentium型机及型机及PentiumPentium、Pentium4Pentium4型型PCPC机中，机中，AGPAGP成为与成为与PCIPCI共存的一共存的一种总线标准。种总线标准。8.3.5 8.3.5 AGPAGP总线总线8/31/202450计算机组成原理 USBUSB的产生的产生 USBUS

57、B（Universal Serial BusUniversal Serial Bus）即通用串行总线，即通用串行总线，是在是在2020世纪世纪9090年代中期由年代中期由CompaqCompaq、DECDEC、IBMIBM、IntelIntel、MicrosoftMicrosoft和和NECNEC等多家美国和日本公司共同提出的一等多家美国和日本公司共同提出的一种接口标准。它是为了适应微机系统应用的日益广泛，种接口标准。它是为了适应微机系统应用的日益广泛，需要连接的外部设备不断增加，解决微机端口短缺而需要连接的外部设备不断增加，解决微机端口短缺而产生的。我们知道，传统的产生的。我们知道，传统的P

58、CPC机的主机箱后面板上用机的主机箱后面板上用于连接键盘、鼠标器、显示器和打印机等常用外部设于连接键盘、鼠标器、显示器和打印机等常用外部设备的串行端口和并行口只有少量几个。为了能连接日备的串行端口和并行口只有少量几个。为了能连接日益增多的新外部设备，益增多的新外部设备，USBUSB端口和端口和USBUSB总线便应运而生。总线便应运而生。8.3.6 8.3.6 通用串行总线通用串行总线USBUSB8/31/202451计算机组成原理 USBUSB是一条串行总线是一条串行总线 传统的串行端口是各自独立的，例如，键盘端口只传统的串行端口是各自独立的，例如，键盘端口只能连接键盘，鼠标器端口只能连接鼠标

59、器，它们相互能连接键盘，鼠标器端口只能连接鼠标器，它们相互间并不连通。但在间并不连通。但在USBUSB总线上，各总线上，各USBUSB端口是互相关联端口是互相关联的，除连接自己的外设外，也同时连接到的，除连接自己的外设外，也同时连接到USBUSB提供的提供的4 4根连线上，其中根连线上，其中2 2根为信号传输线，根为信号传输线，2 2根为电源连接线。根为电源连接线。但是，同其他总线的工作相似，在某一特定的时间，但是，同其他总线的工作相似，在某一特定的时间，信号传输线只能与某一特定的外设相连通。也就是说，信号传输线只能与某一特定的外设相连通。也就是说，在同一时间内只能有一台外设获得在同一时间内只

60、能有一台外设获得USBUSB的控制权，以确的控制权，以确保各台外设传送的信号互不干扰。保各台外设传送的信号互不干扰。USBUSB的性能的性能8/31/202452计算机组成原理 USBUSB端口连接的外设可以有两类端口连接的外设可以有两类 区区别别于于传传统统端端口口一一个个端端口口只只能能连连接接一一台台外外设设，USBUSB端端口口连连接接的的外外设设可可以以有有两两类类：一一类类是是单单个个的的外外设设，在在USBUSB术术语语中中称称为为“功功能能单单元元”（FunctionFunction）；另另一一类类是是“集集线线器器”（HubHub），它它带带有有连连接接其其它它外外设设的的U

61、SBUSB端端口口，使使USBUSB可可经经过过它它再再连连接接到到其其它它外外设设上上。由由于于集集线线器器具具有有多多路路转转换换的的功功能能，所所以以不不论论有有多多少少台台外外设设连连到到集集线线器器上上，在在同同一一时时刻刻只只有有一一台台外外设设可可以以通通过过集集线线器器与与USBUSB相相连连。采采用用集集线线器器之之后后，USBUSB的的拓拓扑扑结结构构将将呈呈现现树树状状结结构构，其连接的外设总台数可以达到其连接的外设总台数可以达到127127台。台。8/31/202453计算机组成原理 USBUSB是一种中、低速的数据传输接口，它具有以下特点：是一种中、低速的数据传输接口

62、，它具有以下特点： USBUSB通过使用集线器转接，使得一台通过使用集线器转接，使得一台PCPC机连接的外部机连接的外部设备数多达设备数多达127127台。台。 可提供以下可提供以下4 4种数据传输方式，具有很宽的设备适应种数据传输方式，具有很宽的设备适应性。性。 用于键盘、鼠标器或操纵杆的中断输入；用于键盘、鼠标器或操纵杆的中断输入； 适用于打印机、扫描仪或数码相机的批输入；适用于打印机、扫描仪或数码相机的批输入； 适用于电话信息的实时传输；适用于电话信息的实时传输； 针对命令或状态信息的控制传输。针对命令或状态信息的控制传输。 实现了较高的传输速度。实现了较高的传输速度。 使用使用4 4芯

63、软电缆，自带芯软电缆，自带+5+5V V电源。电源。USBUSB的特点的特点8/31/202454计算机组成原理 MicrosoftMicrosoft公公 司司 在在 20012001年年 推推 出出 的的 微微 机机 操操 作作 系系 统统Windows Windows XPXP已已经经会会完完全全支支持持USB USB 2.02.0设设备备。IntelIntel公公司司也也于于20022002上上半半年年器器提提供供支支持持USB USB 2.02.0的的芯芯片片组组。可可以以预预见见，在在不不久久的的将将来来就就会会出出现现真真正正支支持持USB USB 2.02.0的的PCPC，这这将

64、将给给PCPC制制造造商商带带来来新新的的机机遇遇与与挑挑战战。另另外外，各各种种外外设设之之间间也也将将可可以以通通过过USBUSB互互相相连连通通了了，一一架架USBUSB数数码码相相机机可可以以直直接接向向USBUSB打打印印机机传传输输图图片片；一一部部USBUSB扫扫描描仪仪可可以以直直接接向向显显示示器输出图片。器输出图片。 现现在在使使用用USBUSB的的外外设设越越来来越越多多，例例如如可可移移动动硬硬盘盘、各各种种优优盘盘、数数码码相相机机、机机顶顶盒盒、MP3MP3播播放放器器、数数码码录录音音笔笔等等等等。根根据据国国际际数数据据集集团团（IDGIDG）的的估估计计，在在不不久久的的将将来来，USBUSB将将会会取取代代现现有有的的串串口口和和并并口口，成成为为PCPC机机外外设设的最重要的标准之一。的最重要的标准之一。USBUSB的现状与前景的现状与前景8/31/202455计算机组成原理第 8 章 结 束The EndThe End谢谢！谢谢！8/31/202456计算机组成原理