計(jì)算機(jī)組成原理 主編： 石磊 教授 鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系 2 第一章 概述 第二章 計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)表示 第三章 運(yùn)算方法和運(yùn)算器 第四章 存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng) 第五章 指令系統(tǒng) 第六章 中央處理器 第七章 總線系統(tǒng) 第八章 輸入輸出系統(tǒng) 第九章 計(jì)算機(jī)外部設(shè)備 第十章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及發(fā)展 目錄 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線 2015年 12月 17日 第 3頁(yè) 第 7章 總線系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)組成原理 清華大學(xué)出版社教學(xué)目標(biāo) 教學(xué)重點(diǎn) 教學(xué)過(guò)程 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線 2015年 12月 17日 第 4頁(yè) 教學(xué)目標(biāo) 掌握總線概念、系統(tǒng)總線基本結(jié)構(gòu) 了解總線的控制、數(shù)據(jù)傳輸和接口 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線 2015年 12月 17日 第 5頁(yè) 教學(xué)重點(diǎn) 總線的概念、系統(tǒng)總線的結(jié)構(gòu) 總線的控制、數(shù)據(jù)傳輸和接口 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線 2015年 12月 17日 第 6頁(yè) 教學(xué)過(guò)程 統(tǒng)總線的概念和結(jié)構(gòu) 線的控制、數(shù)據(jù)傳輸和接口 用總線舉例 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線 2015年 12月 17日 第 7頁(yè) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中存儲(chǔ)器、 能組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 部件之間的互聯(lián)方式 : 分散連接 ：各部件之間通過(guò)單獨(dú)的連線互聯(lián) 總線連接 ：將各個(gè)部件連接到一組公共信息傳輸線上。總線結(jié)構(gòu)的兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)： 靈活性：新加部件可以很容易地加到總線上并且部件可以在使用相同總線的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間互換。 低成本。 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)普遍使用的是總線互聯(lián)結(jié)構(gòu)。 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線 2015年 12月 17日 第 8頁(yè) 線的基本概念 總線是連接兩個(gè)或多個(gè)功能部件的一組共享的信息傳輸線 ， 它的主要特征就是多個(gè)部件共享傳輸介質(zhì) 。一個(gè)部件發(fā)出的信號(hào)可以被連接到總線上的其他所有部件所接收 。 總線通常由許多傳輸線或通路構(gòu)成 ，在并行傳輸條件下 ， 每條線可傳輸一位二進(jìn)制信息 ，若干條線可同時(shí)傳輸多位二進(jìn)制信息 。 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線 2015年 12月 17日 第 9頁(yè) 線的基本概念 （ 1/5） 1. 總線的特性和分類(lèi) （ 1）物理特性 總線的物理特性是指總線在機(jī)械物理連接上的特性。包括連線類(lèi)型、數(shù)量、接插件的幾何尺寸和形狀以及引腳線的排列等。 （ 2）電氣特性 總線的電氣特性是指總線的每一條信號(hào)線的信號(hào)傳遞方向、信號(hào)的有效電平范圍。通常規(guī)定由 入 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線 2015年 12月 17日 第 10頁(yè) 線的基本概念 （ 2/5） 1. 總線的特性和分類(lèi) （ 3）功能特性 總線功能特性指總線中每根傳輸線的功能。不同的控制線功能不同，如地址線用來(lái)傳輸?shù)刂沸畔ⅲ瑪?shù)據(jù)線用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)信息，控制線用來(lái)發(fā)出控制信息。 （ 4）時(shí)間特性 總線時(shí)間特性是指總線中任一根傳輸線在什么時(shí)間內(nèi)有效，以及每根線產(chǎn)生的信號(hào)之間的時(shí)序關(guān)系。 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線 2015年 12月 17日 第 11頁(yè) 線的基本概念 （ 3/5） 1. 總線的特性和分類(lèi) 內(nèi)部總線： 芯片內(nèi)部連接各元件的總線。如 各個(gè)寄存器、 令部件等各元件之間有總線相連。 系統(tǒng)總線： 指連接 儲(chǔ)器和各種 I/于這些部件通常制作在插件板卡上，所以連接這些部件的總線一般是主板式或底板式總線，主板式總線是一種板級(jí)總線，主要連接主機(jī)系統(tǒng)印刷電路板中的 此也被稱(chēng)為處理器主存總線，有的系統(tǒng)把它稱(chēng)為局部總線或處理器總線。底板式總線通常用于連接系統(tǒng)中的各個(gè)功能模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中的各個(gè)電路板的連接。典型的有 I/這類(lèi)總線用于主機(jī)和 I/于這類(lèi)連接涉及到許多方面，包括：距離遠(yuǎn)近、速度快慢、工作方式等，差異很大，種類(lèi)很多。 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線 2015年 12月 17日 第 12頁(yè) 線的基本概念 （ 4/5） 盡管一個(gè)總線的帶寬主要由總線定時(shí)方式所用的協(xié)議決定，但其他幾個(gè)因素也影響帶寬。它們是： 數(shù)據(jù)總線寬度。 增加數(shù)據(jù)總線的寬度可使總線一次傳輸更多數(shù)據(jù)位。 信號(hào)線是專(zhuān)用還是分時(shí)復(fù)用。 將地址線和數(shù)據(jù)線單獨(dú)設(shè)置可使寫(xiě)操作的性能更高，因?yàn)榈刂泛蛿?shù)據(jù)可在同一個(gè)總線周期內(nèi)傳送出去。總線周期指總線上兩個(gè)設(shè)備進(jìn)行一次信息傳輸所需要的時(shí)間。 是否允許大數(shù)據(jù)塊傳送。 如果允許總線以背靠背總線周期連續(xù)傳送多個(gè)字而不發(fā)送地址信息或釋放總線，那么可以減少傳送一個(gè)大數(shù)據(jù)塊所需的時(shí)間，提高總線帶寬。這就是前面講的串并結(jié)合的方式，也稱(chēng)突發(fā)數(shù)據(jù)傳送方式。 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線 2015年 12月 17日 第 13頁(yè) 線的基本概念 （ 5/5） 一個(gè)系統(tǒng)總線通常由一組控制線、一組數(shù)據(jù)線和一組地址線構(gòu)成。也有些總線沒(méi)有單獨(dú)的地址線，地址信息通過(guò)數(shù)據(jù)線來(lái)傳送，這種情況稱(chēng)為數(shù)據(jù)線和地址線復(fù)用。 數(shù)據(jù)線 用來(lái)承載在源部件和目的部件之問(wèn)傳輸?shù)男畔?，這個(gè)信息可能是數(shù)據(jù)、命令、或地址（如果數(shù)據(jù)線和地址線復(fù)用的話(huà)）。 地址線 用來(lái)給出源數(shù)據(jù)或目的數(shù)據(jù)所在的主存單元或 I/ 控制線 用來(lái)控制對(duì)數(shù)據(jù)線和地址線的訪問(wèn)和使用。 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線 2015年 12月 17日 第 14頁(yè) 線的連接方式 （ 1/4） 1. 連接方式 （ 1）單總線結(jié)構(gòu) 在許多單處理器的計(jì)算機(jī)中，使用一條單一的系統(tǒng)總線來(lái)連接 存和 I/做單總線結(jié)構(gòu)。 外設(shè) 存儲(chǔ)器 7總線的組成結(jié)構(gòu) 單總線 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線 2015年 12月 17日 第 15頁(yè) 線的連接方式 （ 2/4） 1. 連接方式 （ 2）雙總線結(jié)構(gòu) 在雙總線結(jié)構(gòu)中，存在兩種總線： 存儲(chǔ)總線 用于 I/用于外設(shè)與主機(jī)的信息交換。 （ a）以 存儲(chǔ)總線 I/外設(shè) 存儲(chǔ)器 c）采用通道形式 （ b）以存儲(chǔ)器為中心 存儲(chǔ)總線 I/I/外設(shè) 存儲(chǔ)器 儲(chǔ)總線 外設(shè) 外設(shè) 7總線的組成結(jié)構(gòu) 存儲(chǔ)器 通道 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線 2015年 12月 17日 第 16頁(yè) 線的連接方式 （ 3/4） 1. 連接方式 （ 3）多總線結(jié)構(gòu) 在雙總線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上，為了使高速外設(shè)（如磁盤(pán)機(jī)）能高速度地與主存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，在高速外設(shè)與主存儲(chǔ)器之間可以增設(shè)直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)（ 式高速 I/形成多總線結(jié)構(gòu)。 存儲(chǔ)總線 I/存儲(chǔ)器 7總線的組成結(jié)構(gòu) 外設(shè) 外設(shè) 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線 2015年 12月 17日 第 17頁(yè) 線的連接方式 （ 4/4） 2. 總線結(jié)構(gòu)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的影響 最大存儲(chǔ)容量： 例如在一元化總線系統(tǒng)中，對(duì)主存和外設(shè)進(jìn)行存取的差別，僅僅在于出現(xiàn)總線上的地址不同，為此必須為外圍設(shè)備保留某些地址。由于某些地址必須用于外圍設(shè)備，所以在單總線系統(tǒng)中，最大主存容量必須小于計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)所決定的可能的地址總數(shù)。 指令系統(tǒng)： 在非統(tǒng)一編址的總線系統(tǒng)中， 是因?yàn)椴僮鞔a規(guī)定了要使用哪一條總線，所以在這類(lèi)總線系統(tǒng)中，訪存操作和輸入輸出操作各有不同的指令。 吞吐量： 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的吞吐量是指流入、處理和流出的信息的速率。它取決于信息輸入內(nèi)存的速度、 取數(shù)據(jù)的速度，以及所得結(jié)果從內(nèi)存送給一臺(tái)外圍設(shè)備的速度。這些步驟中每一步都關(guān)系到主存，因此，系統(tǒng)吞吐量主要取決于主存的存取周期。 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線 2015年 12月 17日 第 18頁(yè) 16位 總線結(jié)構(gòu) C/ C/ 早期 32位 與 展 32位局部總線 當(dāng)前 32位 總線結(jié)構(gòu) 存儲(chǔ)總線 系統(tǒng)總線：外設(shè)部件互連 顯示總線：圖形加速接口 外設(shè)接口：鍵盤(pán)接口、鼠標(biāo)接口、并行打印機(jī)接口、串行通信接口，通用串行接口 394接口 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線 2015年 12月 17日 第 19頁(yè) 線的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 早期總線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 7實(shí)際上是處理器引腳的延伸，是處理器與 I/種簡(jiǎn)單的總線一般也由 50100條線組成，這些線按其功能可分為三類(lèi)：地址線、數(shù)據(jù)線和控制線。 地址線是單向的，用來(lái)傳送主存與設(shè)備的地址；數(shù)據(jù)線是雙向的，用來(lái)傳送數(shù)據(jù)；控制線對(duì)每一根線來(lái)講是單向的（ 接口發(fā)向用來(lái)指明數(shù)據(jù)傳送的方向（存儲(chǔ)器讀、存儲(chǔ)器寫(xiě)、 I/I/中斷控制（請(qǐng)求、識(shí)別）和定時(shí)控制等。 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線 2015年 12月 17日 第 20頁(yè) 存儲(chǔ)器 模塊 輸入設(shè)備 接口 輸出設(shè)備 接口 地址線 數(shù)據(jù)線 控制線 鎖存器 驅(qū)動(dòng)門(mén) 圖 7期總線的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線 2015年 12月 17日 第 21頁(yè) 早期總線結(jié)構(gòu)的不足之處在于：第一， 使后來(lái)增加了具有簡(jiǎn)單仲裁邏輯的 仍不能滿(mǎn)足多 二，總線信號(hào)是 總線結(jié)構(gòu)緊密與 用性較差。 在當(dāng)代總線結(jié)構(gòu)中， 統(tǒng)中允許有多個(gè)這樣的處理器模塊。而總線控制器完成幾個(gè)總線請(qǐng)求者之間的協(xié)調(diào)與仲裁。整個(gè)總線分成如下四個(gè)部分： 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線 2015年 12月 17日 第 22頁(yè) - c a c h e 模塊 存儲(chǔ)器 模塊 I / O 適配器 總線 控制器 數(shù)據(jù)傳送總線（地址、數(shù)據(jù)、控制線） 仲裁總線 中斷和同步總線 公用線 主 板 圖 7代總線的的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線 2015年 12月 17日 第 23頁(yè) 數(shù)據(jù)傳送總線 由地址線、數(shù)據(jù)線、控制線組成。其結(jié)構(gòu)與圖 7一般是 32條地址線， 32或 64條數(shù)據(jù)線。為了減少布線， 64位數(shù)據(jù)線的低 32位常常和地址線采用多路復(fù)用方式。 仲裁總線 包括總線請(qǐng)求線和總線授權(quán)線。 中斷和同步總線 用于處理帶優(yōu)先級(jí)的中斷操作，包括中斷請(qǐng)求線和中斷認(rèn)可線。 公用線 包括時(shí)鐘信號(hào)線、電源線、地線、系統(tǒng)復(fù)位線以及加電或斷電的時(shí)序信號(hào)線等。 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線 2015年 12月 17日 第 24頁(yè) 線結(jié)構(gòu)舉例 大多數(shù)計(jì)算機(jī)采用了分層次的多總線結(jié)構(gòu) 。 在這種結(jié)構(gòu)中 ，速度差異較大的設(shè)備模塊使用不同速度的總線 ， 而速度相近的設(shè)備模塊使用同一類(lèi)總線 。 顯然 ， 這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)不僅解決了總線負(fù)載過(guò)重的問(wèn)題 ， 而且使總線設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單 ， 并能充分發(fā)揮每類(lèi)總線的效能 。 圖 7 可以看出 ，它是一個(gè)三層次的多總線結(jié)構(gòu) ， 即有 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線 2015年 12月 17日 第 25頁(yè) P e n t i u m 主存與 c a c h e 控制器 a c h e (2 5 6 5 1 2 主存 (D ) (4 1 2 8 M B) 總線 - P 線 橋芯片 總線 北橋 1 2 0 腳 P 線 - I S A 總線 橋芯片 及 D M A ，中斷控制邏輯 (6 4 1 2 8 K B) 實(shí)時(shí)鐘 / 日歷 S R A M 8 0 4 2 M P U 鍵盤(pán)、 鼠標(biāo) 控制器 電池 P 線 南橋 P 充槽 I 線 擴(kuò)充槽 62 腳 （長(zhǎng)槽） 36 腳 （短槽） 芯片 可選 主板 圖 7 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線 2015年 12月 17日 第 26頁(yè) 線的控制、數(shù)據(jù)傳輸和接口 總線的信號(hào)線類(lèi)型有專(zhuān)用和復(fù)用兩種。 專(zhuān)用信號(hào)線 就是指這種信號(hào)線專(zhuān)門(mén)用來(lái)傳送某一種信息。例如，使用分立的數(shù)據(jù)線和地址線。 復(fù)用信號(hào)線 就是指一種信號(hào)線在不同的時(shí)間傳輸不同的信息。例如，采用數(shù)據(jù)、地址線分時(shí)復(fù)用的方式，用一組數(shù)據(jù)線在地址階段傳送地址信息，在數(shù)據(jù)階段傳送數(shù)據(jù)信息。這樣就使得地址和數(shù)據(jù)通過(guò)同一組數(shù)據(jù)線進(jìn)行傳輸。從而實(shí)現(xiàn)了復(fù)用。 信號(hào)線的分時(shí)復(fù)用的優(yōu)點(diǎn)：可以使用較少的線傳輸更多的信息，從而節(jié)省了空間和成本。 信號(hào)線的分時(shí)復(fù)用的缺點(diǎn)： 掛接的每個(gè)部件的電路變得更復(fù)雜了。 因?yàn)楣蚕硗痪€路的事件不能同時(shí)發(fā)生，所以還潛在地降低了性能。 例如，存儲(chǔ)器寫(xiě)事務(wù)中，如果采用數(shù)據(jù)和地址專(zhuān)用線的話(huà)，主存單元地址和數(shù)據(jù)可以同時(shí)送到總線上，而數(shù)據(jù)和地址線分時(shí)復(fù)用的情況下就不能這樣。 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線 2015年 12月 17日 第 27頁(yè) 線的控制 （ 1/3） 最簡(jiǎn)單的系統(tǒng)可以只有一個(gè)總線主控設(shè)備：處理器。在一個(gè)單主控設(shè)備系統(tǒng)中，所有總線操作都必須由處理器控制，所以無(wú)需總線裁決。 另一種選擇是采用多個(gè)總線主控設(shè)備，每個(gè)主控設(shè)備都能啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳送。 決定哪個(gè)總線主控設(shè)備將在下次得到總線使用權(quán)的過(guò)程被稱(chēng)為總線裁決。進(jìn)行總線裁決有多種方案。從大的方面來(lái)講，有兩類(lèi)總線裁決方式： 集中式 和 分布式 。前者將控制邏輯做在一個(gè)專(zhuān)門(mén)的總線控制器或總線裁決器中，通過(guò)將所有的總線請(qǐng)求集中起來(lái)利用一個(gè)特定的裁決算法進(jìn)行裁決。而在分布式的裁決方式中，沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的總線控制器，其控制邏輯分散在各個(gè)部件或設(shè)備中。 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線 2015年 12月 17日 第 28頁(yè) 線的控制 （ 2/3） 在選擇哪個(gè)設(shè)備獲得總線使用權(quán)時(shí)，一般的裁決方案通常試圖平衡兩個(gè)因素。 （ 1）“等級(jí)性” 即每個(gè)主控設(shè)備有一個(gè)總線優(yōu)先級(jí)，具有最高優(yōu)先級(jí)的設(shè)備應(yīng)該先被服務(wù)： （ 2）“公平性” 即任何設(shè)備，即使是具有最低優(yōu)先權(quán)的設(shè)備也不能永遠(yuǎn)得不到總線使用權(quán)。這種“公平性”保證了想使用總線的每個(gè)設(shè)備最終總能得到總線。除了上述因素外，更復(fù)雜的方案考慮怎樣縮短總線裁決時(shí)間。 圖 10列處理機(jī)結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線 2015年 12月 17日 第 29頁(yè) 線的控制 （ 3/3） 1. 集中裁決方式 （ 1） 菊花鏈查詢(xún)方式 （ 2）計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢(xún)方式 （ 3）獨(dú)立請(qǐng)求方式 2. 分布式裁決方式 30 集中裁決：鏈?zhǔn)讲樵?xún)方式 總 線 控 制 部 件 I/ R I/ I/n 據(jù)線 地址線 31 0 總 線 控 制 部 件 數(shù)據(jù)線 地址線 I/ R I/ I/n 設(shè)備地址 集中裁決：計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢(xún)方式 計(jì)數(shù)器 設(shè)備地址132 排隊(duì)器 集中裁決：獨(dú)立請(qǐng)求方式 總 線 控 制 部 件 數(shù)據(jù)線 地址線 I/ I/ I/n 2015年 12月 17日 33 分布式裁決 中央 處理器 設(shè)備接口 0 設(shè)備接口 1 設(shè)備接口 N 3 1 2 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線 2015年 12月 17日 第 34頁(yè) 線的數(shù)據(jù)傳輸方式 （ 1/2） 1. 串行傳輸 串行總線的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)線上按位進(jìn)行傳輸，因此只需要一根數(shù)據(jù)線，線路的成本低，適合于遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸。 在進(jìn)行串行傳輸時(shí)，按順序傳送一個(gè)數(shù)據(jù)的所有二進(jìn)位的脈沖信號(hào)，每次一位，被傳送的數(shù)據(jù)在發(fā)送部件中必須進(jìn)行并行數(shù)據(jù)到串行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為拆卸；而在接收部件中則需要將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為裝配。 串行總線是一種信息傳輸信道。在信息傳輸通道中，攜帶數(shù)據(jù)信息的信號(hào)單元叫碼元，每秒鐘通過(guò)信道傳輸?shù)拇a元數(shù)稱(chēng)為碼元傳輸速率，簡(jiǎn)稱(chēng)波特率。 串行傳輸方式可分為同步方式和異步方式兩種。在異步傳輸方式中，每個(gè)字符要用一位起始位和若干停止位作為字符傳輸?shù)拈_(kāi)始和結(jié)束標(biāo)志，需占用一定的時(shí)間。所以在進(jìn)行數(shù)據(jù)塊傳送時(shí)，為了提高速度，一般把每個(gè)字符前后的附加位去掉，而將若干個(gè)字符作為一個(gè)數(shù)據(jù)塊一起傳送，在數(shù)據(jù)塊的開(kāi)始和結(jié)尾處用一個(gè)或若干個(gè)同步字符作標(biāo)志。這種方式稱(chēng)為同步串行傳輸方式。 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線 2015年 12月 17日 第 35頁(yè) 線的數(shù)據(jù)傳輸方式 （ 2/2） 2. 并行傳輸 并行總線的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)線上同時(shí)有多位一起傳送，每一位要有一根數(shù)據(jù)線，因此有多根數(shù)據(jù)線。并行傳輸比串行傳輸速度要快得多，但需要更多的傳輸線。 衡量并行總線速度的指標(biāo)是最大數(shù)據(jù)傳輸率，即單位時(shí)間內(nèi)在總線上傳輸?shù)淖畲笮畔⒘俊?為了減少線路的數(shù)量，可以將并行方式和串行方式結(jié)合起來(lái)。當(dāng)數(shù)據(jù)線不是很寬時(shí)，采用分多次傳輸?shù)姆椒▉?lái)實(shí)現(xiàn)，例如在主存和 種總線傳輸方式稱(chēng)為突發(fā)式數(shù)據(jù)傳送模式。 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線 2015年 12月 17日 第 36頁(yè) 線的的接口 （ 1/5） 1. 接口概念 （ 1）接口定義 “接口”是指中央處理器（ 內(nèi)存、外部設(shè)備、兩種外部設(shè)備間或兩種機(jī)器之間通過(guò)總線連接的邏輯部件。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。 一個(gè)典型的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有各種類(lèi)型的外部設(shè)備，因而有各種類(lèi)型的接口。 為了使所有的外部設(shè)備能夠兼容，并能在一起正常工作， 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線 2015年 12月 17日 第 37頁(yè) 線的的接口 （ 2/5） （ 2）接口功能 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換過(guò)程才能被對(duì)方識(shí)別和接收。 數(shù)據(jù)緩沖與時(shí)序配合 在接口電路中，一般設(shè)置幾個(gè)數(shù)據(jù)緩沖寄存器，從而接口具備一定的緩沖存儲(chǔ)能力。 提供外部設(shè)備和接口的狀態(tài) 在接口線路中設(shè)置設(shè)備和接口狀態(tài)寄存器， 整對(duì)外部設(shè)備及數(shù)據(jù)接口的指令。 實(shí)現(xiàn)主機(jī)和外部設(shè)備之間的通信聯(lián)絡(luò)控制 主要通信聯(lián)絡(luò)控制工作包括設(shè)備選擇、操作時(shí)序的控制與協(xié)調(diào)、中斷的請(qǐng)求與批準(zhǔn)、主機(jī)命令與 I/ 電平匹配和負(fù)載匹配 總線信號(hào)電平通常是與 外設(shè)的 I/電平不同時(shí)，需經(jīng)過(guò)接口電路進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線 2015年 12月 17日 第 38頁(yè) 線的的接口 （ 3/5） 2. 接口分類(lèi) （ 1）按數(shù)據(jù)傳輸寬度分類(lèi) 并行接口 主機(jī)與接口、接口與外部設(shè)備之間都是對(duì)一個(gè)字節(jié)或幾個(gè)字節(jié)各位同時(shí)進(jìn)行處理的方式完成信息傳遞工作，即每次傳送一個(gè)字節(jié)或幾個(gè)字節(jié)的全部代碼。因此并行接口的數(shù)據(jù)通路是按字或字節(jié)設(shè)置的。一般當(dāng) I/且主機(jī)與外部設(shè)備之間距離較近時(shí)，選用并行接口。 串行接口 接口與主機(jī)之間完全按照并行的方式傳遞數(shù)據(jù)。但接口與 I/每個(gè)字節(jié)是按位依次傳送的。因此要求串行接口必須設(shè)置具有移位功能的數(shù)據(jù)緩沖器，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式的串并轉(zhuǎn)換。同時(shí)還要求接口中同步定時(shí)脈沖信號(hào)來(lái)控制信息的傳遞速率，以保證信號(hào)能夠在接口與外部設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)同步串行傳送。一般的低速 I/算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程終端設(shè)備以及通信系統(tǒng)的終端采用串行接口。 2015年 12月 17日 39 總線接口 只有一條傳輸線 ， 每次一位 ， 按順序來(lái)傳送表示一個(gè)數(shù)碼的所有二進(jìn)制位 (每個(gè)數(shù)據(jù)位都需要單獨(dú)一條傳輸線 。 二進(jìn)制數(shù)“ 0”或 “ 1”在不同的線上同時(shí)進(jìn)行傳送 計(jì)算機(jī)組成原理 40 串行通信 串行通信：將數(shù)據(jù)分解成二進(jìn)制位用一條信號(hào)線 ， 一位一位順序傳送的方式 串行通信的優(yōu)勢(shì)：用于通信的線路少 ， 因而在遠(yuǎn)距離通信時(shí)可以極大地降低成本 通信協(xié)議 （ 通信規(guī)程 ） ：收發(fā)雙方共同遵守 解決傳送速率 、 信息格式 、 位同步 、 字符同步 、數(shù)據(jù)校驗(yàn)等問(wèn)題 串行通信適合于遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳送 ， 也常用于速度要求不高的近距離數(shù)據(jù)傳送 鍵盤(pán) 、鼠標(biāo)器與主機(jī)間采用串行數(shù)據(jù)傳送 計(jì)算機(jī)組成原理 41 通信方式 串行異步通信：以字符為單位進(jìn)行傳輸 串行同步通信：以一個(gè)數(shù)據(jù)塊 （ 幀 ） 為傳輸單位 ， 每個(gè)數(shù)據(jù)塊附加 1個(gè)或 2個(gè)同步字符 ， 最后以校驗(yàn)字符結(jié)束 傳輸制式 全雙工 ：雙根傳輸線 ， 能夠同時(shí)發(fā)送和接收 半雙工 ：?jiǎn)胃鶄鬏斁€ ， 不能同時(shí)發(fā)送和接收 單工 ：?jiǎn)胃鶄鬏斁€只用作發(fā)送或只用作接收 調(diào)制解調(diào)器 信線路信號(hào)與計(jì)算機(jī)數(shù)字信號(hào)相互轉(zhuǎn)換的設(shè)備 計(jì)算機(jī)組成原理 42 起始位 每個(gè)字符開(kāi)始傳送的標(biāo)志 ，起始位采用邏輯 0電平 數(shù)據(jù)位 數(shù)據(jù)位緊跟著起始位傳送 。由 5 8個(gè)二進(jìn)制位組成 ， 低位先傳送 校驗(yàn)位 用于校驗(yàn)是否傳送正確；可選擇奇檢驗(yàn) 、 偶校驗(yàn)或不傳送校驗(yàn)位 停止位 表示該字符傳送結(jié)束 。 停止位采用邏輯 1電平 ， 可選擇 1、 位 起止式異步通信字符格式 起始位 校驗(yàn)位 停止位 空閑位 數(shù)據(jù)位 低位 高位 字符 0/1 0/1 0/1 0/1 1 0 1 1 1 空閑位 傳送字符之間的邏輯 1電平 ，表示沒(méi)有進(jìn)行傳送 計(jì)算機(jī)組成原理 43 數(shù)據(jù)傳輸速率 數(shù)據(jù)傳輸速率比特率 （ 每秒傳輸?shù)?二進(jìn)制位數(shù) 字符中每個(gè)二進(jìn)制位持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)度都一樣 ， 為數(shù)據(jù)傳輸速率的倒數(shù) 進(jìn)行二進(jìn)制數(shù)碼傳輸 ， 每位時(shí)間長(zhǎng)度相等： 比特率波特率 （ 過(guò)去 ， 限制在 50 600 現(xiàn)在 ， 可以達(dá)到 115200 2015年 12月 17日 44 【 例 】 利用串行方式傳送字符 ， 每秒鐘傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)常稱(chēng)為波特 。 假設(shè)數(shù)據(jù)傳送速率是 120個(gè)字符 /秒 ， 每一個(gè)字符格式規(guī)定包含 10個(gè)數(shù)據(jù)位 (起始位 、 停止位 、 8個(gè)數(shù)據(jù)位 )， 問(wèn)傳送的波特?cái)?shù)是多少 ？ 每個(gè)數(shù)據(jù)位占用的時(shí)間是多少 ？ 【 解 】 ：波特?cái)?shù)為： 10位 120/秒 =1200波特 每個(gè)數(shù)據(jù)位占用的時(shí)間 發(fā)送 8位數(shù)據(jù)： 59H 01011001B，偶校驗(yàn)、兩個(gè)停止位 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線 2015年 12月 17日 第 45頁(yè) 線的的接口 （ 4/5） （ 2）按操作的節(jié)拍分類(lèi) 同步接口 同步接口的數(shù)據(jù)傳送是按照 論是 是接口與外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換都由 種接口的控制簡(jiǎn)單，但其操作時(shí)間必須與 異步接口 異步接口不由 。連接在總線上的任何兩個(gè)設(shè)備均可以交換信息，在交換信息的兩個(gè)設(shè)備中，負(fù)責(zé)控制和支配總線控制權(quán)的設(shè)備叫主設(shè)備，和主設(shè)備交換信息的設(shè)備叫從設(shè)備。如將 I/信息交換時(shí)，主設(shè)備發(fā)出交換信息的 “ 請(qǐng)求 ” 信號(hào)，經(jīng)過(guò)接口傳送給設(shè)備，從設(shè)備完成主設(shè)備指定的操作后向主設(shè)備發(fā)出 “ 回答 ” 信號(hào)。按這種一問(wèn)一答的方式分步完成信息的交換。其中從 “ 請(qǐng)求 ” 到 “ 回答 ” 之間的時(shí)間是由完成操作所需的實(shí)際工作時(shí)間決定的，與 2015年 12月 17日 46 同步時(shí)序 2015年 12月 17日 47 異步時(shí)序 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線 2015年 12月 17日 第 48頁(yè) 線的的接口 （ 5/5） （ 3）按信息傳送的控制方式分類(lèi) 根據(jù)接口對(duì)信息傳送的控制方式，接口分為： 程序控制的輸入輸出接口 程序中斷輸入輸出接口 直接存儲(chǔ)器存取（ 口 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線 2015年 12月 17日 第 49頁(yè) 用總線舉例 線結(jié)構(gòu)類(lèi)型 準(zhǔn)接口類(lèi)型 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線 2015年 12月 17日 第 50頁(yè) 線 結(jié)構(gòu)類(lèi)型 線是 C 叫 是在原先的 在推出后得到廣大計(jì)算機(jī)同行的承認(rèn)，兼容該標(biāo)準(zhǔn)的微型機(jī)大量出現(xiàn)。 （ 1）它能支持 64、 16進(jìn)行 8位或 16位數(shù)據(jù)訪問(wèn)，支持 15級(jí)硬中斷、 7級(jí) （ 2）它是一種簡(jiǎn)單的多主控總線。除了 （ 3）它支持 8種總線事務(wù)類(lèi)型：存儲(chǔ)器讀、存儲(chǔ)器寫(xiě)、 I/斷響應(yīng)、 儲(chǔ)器刷新、總線仲裁。 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線 2015年 12月 17日 第 51頁(yè) 總線是一種在 它從 是一種具有智能化的總線 ，支持多總線主控和突發(fā)傳輸方式 。 它的時(shí)鐘頻率為 98根信號(hào)線 ， 在原 8根線的基礎(chǔ)上擴(kuò)充了 100根線 ， 與原 具有分立的數(shù)據(jù)線和地址線 。 數(shù)據(jù)線寬度為 32位 ， 具有 8位 、 16位 、 32位數(shù)據(jù)傳輸能力 ， 所以最大數(shù)據(jù)傳輸率為 33Mb/s。 地址線的寬度為 32位 ， 所以尋址能力達(dá) 232。 即： 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線 2015年 12月 17日 第 52頁(yè) 線是 60余家公司聯(lián)合推出的一種通用的全開(kāi)放局部總線標(biāo)準(zhǔn)，也叫 的推出為微機(jī)系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)的革新奠定了基礎(chǔ)。 不是一個(gè)單獨(dú)使用的總線體系結(jié)構(gòu)，而是對(duì) ，它需要和其他總線共存于一個(gè)系統(tǒng)中，形成 他外設(shè)如硬盤(pán)控制器、 可使用 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線 2015年 12月 17日 第 53頁(yè) 線是繼 2位局部總線。 991年底提出， 立于處理器的總線。它主要用于高速外設(shè)的 I/圖形顯示適配器、網(wǎng)絡(luò)接口控制卡、磁盤(pán)控制器等。 相連接，這樣使得系統(tǒng)中的高速設(shè)備掛接在 低速設(shè)備仍然通過(guò) 。 在高速的 （ 線之間也是通過(guò) 個(gè)系統(tǒng)中甚至可以有多個(gè) 2015年 12月 17日 54 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線 2015年 12月 17日 第 55頁(yè) 996年提出的一個(gè)開(kāi)放的新總線標(biāo)準(zhǔn) ， 任何廠家都可以設(shè)計(jì)或制造 目前僅針對(duì)顯示接口 ， 也就是說(shuō) ， 。 目前生產(chǎn)的主板上均有 從外觀上來(lái)看 ， 它靠近 但要比 顏色一般為褐色 。 且只能用來(lái)插顯示接口卡 。 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線 2015年 12月 17日 第 56頁(yè) 準(zhǔn)接口類(lèi)型 即集成設(shè)備電子部件 。 它是由 0線的單組電纜連接 。 由于已把磁盤(pán)控制器集成到驅(qū)動(dòng)器之中 ， 因此磁盤(pán)接口卡就變得十分簡(jiǎn)單 。 現(xiàn)在的微機(jī)系統(tǒng)中已不再使用磁盤(pán)接口卡 ， 而把磁盤(pán)接口電路集成到系統(tǒng)主板上 ，并留有專(zhuān)門(mén)的 且成本低廉 ， 在微機(jī)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用 。 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線 2015年 12月 17日 第 57頁(yè) 增 強(qiáng) 型 是 主板上通?？商峁﹥蓚€(gè) 在 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線 2015年 12月 17日 第 58頁(yè) 稱(chēng) 也有人把它稱(chēng)為 符合該標(biāo)準(zhǔn)的主板和硬盤(pán)早在1997年便已經(jīng)投放市場(chǎng) ， 目前幾乎所有的主板及硬盤(pán)都支持該標(biāo)準(zhǔn) 。 或者 是由 998年 2月份提出的最新標(biāo)準(zhǔn) 。 突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸率理論上可達(dá) s。 并且采用了新型的 進(jìn)一步提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?， 改用 80針的排線 (保留了與現(xiàn)有的電腦兼容的 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(hào)線間的干擾 。 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線 2015年 12月 17日 第 59頁(yè) 這一技術(shù)可讓所有設(shè)備協(xié)同運(yùn)作 ， 包括 磁帶 、 硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器以及各種符合394的設(shè)備 。 由于 所以它可創(chuàng)建一種新 板將僅包括 所有驅(qū)動(dòng)器和設(shè)備都在外部與計(jì)算機(jī)相連 ， 并包括所有數(shù)字家電 ， 例如電視和電話(huà) 。 盡管 997年制定完畢 ， 但由于這一技術(shù)研發(fā)經(jīng)費(fèi)開(kāi)銷(xiāo)過(guò)高 ， 因此很可能會(huì)擱淺 。 迄今 沒(méi) 有 準(zhǔn) 備 在 未 來(lái) 的 操 作 系 統(tǒng) 中 ， 支持 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線 2015年 12月 17日 第 60頁(yè) 以將下列的任一部件插入 示器、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、調(diào)制解調(diào)器、游戲桿、掃描儀、打印機(jī)、視頻相機(jī)等。還可以將一些一大串設(shè)備共用 如將多個(gè)耗電量大的外設(shè)串接起來(lái)有可能使總線過(guò)載，此時(shí)可使用一個(gè)自供電的集線器來(lái)補(bǔ)充功耗。另外 根據(jù)設(shè)備對(duì)系統(tǒng)資源需求的不同，在 種不同的數(shù)據(jù)傳輸方式： 1. 等時(shí)傳輸方式 2. 中斷傳輸方式 3. 控制傳輸方式 4. 批處理方式 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線 2015年 12月 17日 第 61頁(yè) 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線 2015年 12月 17日 第 62頁(yè) ， 可以用在服務(wù)器中取代 也可以用于構(gòu)造存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng) 。 用 可使服務(wù)器設(shè)計(jì)中提供更大的容量 、 更好的擴(kuò)充性和更高的靈活性 。 遠(yuǎn)程存儲(chǔ)器 、 其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接入到一個(gè)由開(kāi)關(guān)和鏈路組成的中央開(kāi)關(guān)網(wǎng)帶 。 這種基于開(kāi)關(guān)的體系結(jié)構(gòu)可連接多達(dá) 64000個(gè)服務(wù)器 、 存儲(chǔ)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 。 計(jì)算機(jī)組成原理 第七章系統(tǒng)總線