计算机组成原理(华科版)第六章 系统总线.ppt

计算机组成原理计算机组成原理(华科华科版版)第六章第六章 系统总线系统总线 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线26.1 6.1 系统总线结构系统总线结构 总线（总线（Bus），又称之为母线，是从一个或多个源部），又称之为母线，是从一个或多个源部件传送信息到一个或多个目的部件的传输线束。总线是多件传送信息到一个或多个目的部件的传输线束。总线是多个部件间的公共连线。个部件间的公共连线。计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线36.1.16.1.1总线的结构与连接方式总线的结构与连接方式总线就是指能为多个功能部件服务的一组公用信息线总线就是指能为多个功能部件服务的一组公用信息线。一个计算机系统中的总线，大致分为如下三类：一个计算机系统中的总线，大致分为如下三类：内内部部总总线线 同同一一部部件件之之间间的的总总线线，如如CPUCPU内内部部连连接接各寄存器及运算器之间的连线。各寄存器及运算器之间的连线。系系统统总总线线 同同一一台台计计算算机机系系统统各各部部件件之之间间连连接接的的总总线线，如如CPUCPU、内内存存、通通道道和和各各类类I/OI/O接接口间的连线。口间的连线。多多机机系系统统总总线线 多多台台处处理理机机之之间间互互相相连连接接的的总总线线，它它涉涉及到多机系统互连。及到多机系统互连。计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线4 1总线的结构总线的结构 地地址址线线：用用于于选选择择信信息息传传送送的的设设备备。例例如如，CPUCPU与与主主存存传传送送数数据据或或指指令令时时，必必须须将将主主存存单单元元的的地地址址送送到到总总线线地地址址线线上上，只只有有主主存存储储器器响响应应这这个个地地址址，其其他他设设备备则则不不响响应应。地地址址线线通通常常是是单单向向线线，地地址址信信息息由由源源部部件件发发送送到到目目的的部件。部件。数数据据线线：用用于于总总线线上上的的设设备备之之间间传传送送数数据据信信息息。数数据据线线通通常常是是双双向向线线。例例如如，CPUCPU与与主主存存可可以以通通过过数数据据线线进进行行输输入入（取数）或输出（写数）。（取数）或输出（写数）。计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线5 控制线：控制线：用用于于实实现现对对设设备备的的控控制制和和监监视视功功能能。例例如如，CPU与与主主存存传传送送信信息息时时，CPU通通过过控控制制线线发发送送读读或或写写命命令令到到主主存存，启启动动主主存存读读或或写写操操作作。同同时时，通通过过控控制制线线监监视视主主存存送送来来的的MOC回回答答信信号号，判判断断主主存存的的工工作作是是否否已已完完成成。控控制制线线通通常常都都是是单单向向线线，有有从从CPU 发发送送出出去去的的，也也有有从从设设备备发发送送出出去去的的。除除以以上上3种种线线外外，还还有有时时钟钟线线、电电源源线线和和地地线线等等，分分别别用用作作时时钟钟控控制制及及提提供供电电源源。为为减减少少信信号号失失真真及及噪噪声声干干扰扰，地地线线通通常常有有多多根根，分分布布格格式很讲究。式很讲究。计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线62总线的连接方式总线的连接方式 通过接口可以实现高速机器与低速外设之间工作速通过接口可以实现高速机器与低速外设之间工作速度上的匹配和同步，并完成计算机和外设之间的所有数度上的匹配和同步，并完成计算机和外设之间的所有数据传送和控制。因此，据传送和控制。因此，“接口接口”又有又有“适配器适配器”、“设备控制设备控制器器”等名称。等名称。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三种基本类型：三种基本类型：单总线结构；单总线结构；双总线结构；双总线结构；三总三总线结构。线结构。计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线7（1 1）单总线结构单总线结构 在在许许多多微微小小型型计计算算机机中中，使使用用一一条条单单一一的的系系统统总总线线来来连连接接CPU、内存和、内存和I/O设备，称为单总线结构，如图设备，称为单总线结构，如图6.1所示。所示。计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线8 在单总线结构中，要求连接到总线上的逻辑部件必须高在单总线结构中，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；而当不再使用总线时，能迅速放弃总线控制权，否控制权；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。则，一条总线由多种部件共用，可能导致很大的时间延迟。计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线9 在单总线系统中，主存与输入、输出设备都在同一条总在单总线系统中，主存与输入、输出设备都在同一条总线上，设备的寻址采用统一编址的方法，即所有的主存单元线上，设备的寻址采用统一编址的方法，即所有的主存单元及外部设备接口寄存器的地址一起构成一个连续的地址空间及外部设备接口寄存器的地址一起构成一个连续的地址空间（单总线地址空间），因此，访内指令与输入（单总线地址空间），因此，访内指令与输入/输出指令在形输出指令在形式上完全相同，区别仅在于地址的数值不同，这就是说，对式上完全相同，区别仅在于地址的数值不同，这就是说，对输入输入/输出设备的操作，完全可以和内存的操作一样处理。这输出设备的操作，完全可以和内存的操作一样处理。这样，当样，当CPU把指令的地址字段送到总线上时，如果该地址字把指令的地址字段送到总线上时，如果该地址字段对应的地址是内存地址，则内存予以响应。此时，在段对应的地址是内存地址，则内存予以响应。此时，在CPU和内存之间将发生数据传送，数据传送的方向由指令操作码和内存之间将发生数据传送，数据传送的方向由指令操作码决定，如图决定，如图6.2(b)所示。所示。计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线10 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线11 如如果果该该指指令令地地址址字字段段对对应应的的是是外外围围设设备备地地址址，则则外外围围设设备备译译码码器器予予以以响响应应，此此时时，CPUCPU和和与与该该地地址址相相对对应应的的外外围围设设备备之之间间，将将发发生生数数据据传传送送，而而数数据据传传送送的的方方向向由由指指令令操操作作码码决决定，如图定，如图6.2(c)6.2(c)所示。所示。在在单单总总线线系系统统中中，某某些些外外围围设设备备也也可可以以指指定定地地址址。此此时时，外外围围设设备备通通过过与与CPU中中的的总总线线控控制制部部件件交交换换控控制制部部件件的的方方式式占占有有总总线线。一一旦旦外外围围设设备备得得到到总总线线控控制制权权，就就可可向向总总线线发发送送地地址址信信号号，使使总总线线上上的的地地址址线线置置为为适适当当的的代代码码状状态态，以以便便决决定定 它它 将将 要要 与与 那那 一一 个个 设设 备备 进进 行行 信信 息息 交交 换换。采采用用统统一一编编址址方方法法，省省去去一一类类I/O指指令令，简简化化了了指指令令系系统统。此此外外，单单总总线线结结构构简简单单，使使用用灵灵活活，易易扩扩充充。然然而而，单单总总线线的的地地址址线线位位数数与与主主存存地地址址位位数数相相同同，主主存存的的部部分分地地址址空空间间要要用用于于外外部部设设备备接接口口寄寄存存器器寻寻址址。此此外外，所所有有的的部部件件均均通通过过一一条条总总线线进进行行通通信信，分分时时使使用用总总线线，因因此此，通通信信速速度度比比较较慢慢。通常，单总线结构适用于小型或微型计算机的系统总线。通常，单总线结构适用于小型或微型计算机的系统总线。计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线12（2 2）双总线结构双总线结构 单单总总线线系系统统中中，由由于于所所有有逻逻辑辑部部件件都都挂挂在在同同一一个个总总线线上上，因因此此总总线线只只能能分分时时工工作作，即即某某一一时时间间只只能能允允许许一一对对部部件件之之间间传传送送数数据据，这这就就使使信信息息传传送送的的吞吞吐吐量量受受到到限限制制。为为此此出出现现了了双双总总线线结结构构。这这种种结结构构保保持持了了单单总总线线系系统统简简单单、易易于于扩扩充充的的优优点点，但但又又在在CPU和和内内存存之之间间专专门门设设置置了了一一组组高高速速的的存存储储总总线线，使使CPU 可可通通过过专专用用总总线线与与存存储储器器交交换换信信息息，并并减减轻轻了了系系统统总总线线的的负负担担，同同时时内内存存仍仍可可通通过过系系统统总总线线与与外外设设之之间间实实现现DMA操操作作，而而不不必必经经过过CPU。这这种种双双总总线线系系统统以以增增加加硬硬件为代价，当前高档微型机中广泛采用这种总线结构。件为代价，当前高档微型机中广泛采用这种总线结构。计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线13（3 3）三总线结构三总线结构 图图6.4所所示示的的为为三三总总线线系系统统的的结结构构图图，它它是是在在双双总总线线系系统统的的基基础础上上增增加加I/O总总线线形形成成的的。其其中中系系统统总总线线是是CPU、内内存存和和通通道道（IOP）。进进行行数数据据传传送送的的公公共共通通路路，而而I/O总总线线是是多个外部设备与通道之间进行数据传送的公共通路。多个外部设备与通道之间进行数据传送的公共通路。计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线14 由上述可知，在由上述可知，在DMA方式中，外设与存储器间直接交方式中，外设与存储器间直接交换数据而不经过换数据而不经过CPU，从而减轻，从而减轻CPU对数据输入对数据输入/输出的控输出的控制，而制，而“通道通道”方式进一步提高了方式进一步提高了CPU的效率。通道实际上的效率。通道实际上是一台具有特殊功能的处理器，又称为是一台具有特殊功能的处理器，又称为IOP（I/O处理器），处理器），它分担了一部分它分担了一部分CPU的功能，以实现对外设的统一管理及的功能，以实现对外设的统一管理及外设与内存之间的数据传送。显然，由于增加了外设与内存之间的数据传送。显然，由于增加了IOP，整，整个系统的效率将大大提高，然而这是以增加更多的硬件代个系统的效率将大大提高，然而这是以增加更多的硬件代价换来的。三总线系统通常用于中、大型计算机中。价换来的。三总线系统通常用于中、大型计算机中。计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线153.总线结构对计算机系统性能的影响总线结构对计算机系统性能的影响 （1）最大存储容量最大存储容量 在在单单总总线线系系统统中中，最最大大内内存存容容量量必必须须小小于于由由计计算算机机字字长长所决定的可能的地址总数。所决定的可能的地址总数。在在双双总总线线系系统统中中，对对内内存存和和外外设设进进行行存存取取的的判判断断是是利利用用各各自自的的指指令令操操作作码码来来进进行行的的。由由于于内内存存地地址址和和外外设设地地址址出出现现于于不不同同的的总总线线上上，所所以以存存储储容容量量不不会会受受到到外外围围设设备备多多少少的的影影响。响。计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线16（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对内存总线和系统总线必须有不对内存总线和系统总线必须有不同的指令系统。由于使用哪条总线要由操作码加以规定，同的指令系统。由于使用哪条总线要由操作码加以规定，所以在双总线系统中，访问内存操作和输入所以在双总线系统中，访问内存操作和输入/输出操作各有输出操作各有不同的指令。不同的指令。在单总线系统中，在单总线系统中，CPU 对访问内存和输入对访问内存和输入/输出操作是使输出操作是使用相同的操作码，即使用相同的指令，但地址不同。用相同的操作码，即使用相同的指令，但地址不同。（3 3）吞吐量吞吐量 计计算算机机系系统统的的吞吞吐吐量量是是指指流流入入、处处理理和和流流出出系系统统的的信信息息的速率。的速率。系统吞吐量主要取决于内存的存取周期。系统吞吐量主要取决于内存的存取周期。计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线176.1.2总线接口总线接口1信息的传送方式信息的传送方式 计算机系统中，信息传输基本有四种方式：串行传送、计算机系统中，信息传输基本有四种方式：串行传送、并行传送、并串行传送和分时传送。但是出于速度和效率上并行传送、并串行传送和分时传送。但是出于速度和效率上的考虑，系统总线上传送信息时，通常采用并行传送方式。的考虑，系统总线上传送信息时，通常采用并行传送方式。在一些微型计算机或单片机中，由于在一些微型计算机或单片机中，由于CPU 引脚数的限制，引脚数的限制，系统总线传送信息时，采用的是并串行方式或分时方式。系统总线传送信息时，采用的是并串行方式或分时方式。计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线18（1 1）串行传送串行传送 当当信信息息以以串串行行方方式式传传送送时时，只只有有一一条条传传输输线线，且且采采用用脉脉冲冲传传送送。在在串串行行传传送送时时，按按顺顺序序来来传传送送表表示示一一个个数数码码的的所所有有二二进进制制位位（bit）的的脉脉冲冲信信号号，每每次次一一位位。通通常常以以第第一一个个脉脉冲冲信信号号表表示示数数码码的的最最低低有有效效位位，最最后后一一个个脉脉冲冲信信号号表表示示数数码码的的最高有效位，图最高有效位，图6.5(a)所示的是串行传送的示意图。所示的是串行传送的示意图。假假定定串串行行数数据据是是由由“位位时时间间”组组成成的的，那那么么传传送送8 8个个比比特特需需要要8 8个个位位时时间间。例例如如，如如果果接接受受设设备备在在第第一一个个位位时时间间和和第第三三个个位位时时间间接接受受到到一一个个脉脉冲冲，而而其其余余的的6 6个个位位时时间间没没有有收收到到脉脉冲冲，那那么么就就会会知知道道所所收收到到的的二二进进制制信信息息是是0000010100000101，注注意意，串行传送时低位在前，高位在后。串行传送时低位在前，高位在后。在在串串行行传传送送时时，被被传传送送的的数数据据需需要要在在发发送送部部件件进进行行并并行行串串行行变变换换，这这称称为为拆拆卸卸；而而在在接接受受部部件件又又需需要要进进行行串串行行并并行变换，这称为装配。行变换，这称为装配。计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线19 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线20（2 2）并行传送并行传送 用用并并行行方方式式传传送送二二进进制制信信息息时时，对对每每个个数数据据位位都都需需要要单单独独一一条条传传输输线线。信信息息有有多多少少二二进进制制位位组组成成，就就需需要要多多少少条条传传输输线，这样二进制数线，这样二进制数“0”或或“1”可在不同的线上同时进行传送。可在不同的线上同时进行传送。（3 3）并串行传送并串行传送 如如果果一一个个数数据据字字由由四四个个字字节节组组成成，在在总总线线上上以以并并串串行行方方式式传传送送，那那么么传传送送一一个个字字节节时时采采用用并并行行方方式式，而而字字节节间间的的传传送送采采用用串串行行方方式式。显显然然，并并串串行行传传送送方方式式是是并并行行方方式式和和串串行行方方式的结合。图式的结合。图6.5（c）所示的是并串行传送方式的示意图。）所示的是并串行传送方式的示意图。（4 4）分时传送分时传送 分分时时传传送送有有两两种种概概念念。一一是是在在分分时时传传送送信信息息时时，总总线线不不明明确确区区分分哪哪些些是是数数据据线线，哪哪些些是是地地址址线线，而而是是统统一一传传送送数数据据或或地地址址的的信信息息。由由于于传传输输线线上上既既要要传传送送地地址址信信息息，又又要要传传送送数数据据信信息息，因因此此必必须须划划分分时时间间，以以便便在在不不同同的的时时间间间间隔隔中中完完成成传送地址和传送数据的任务。传送地址和传送数据的任务。计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线212 2接口的基本概念接口的基本概念 广广义义地地讲讲，“接接口口”是是指指中中央央处处理理器器（CPU）和和内内存存、外外围围设设备备、或或两两种种外外围围设设备备、或或两两种种机机器器设设备备之之间间通通过过总总线线进进行行连连接接的的逻逻辑辑部部件件。接接口口部部件件在在它它所所连连接接的的两两部部件件之之间间起起着着“转换器转换器”的作用，以便实现彼此之间的信息传送。的作用，以便实现彼此之间的信息传送。计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线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：控控制制 接接口口靠靠程程序序的的指指令令信信息息来来控控制制外外围围设设备备动动作作，如如启启动动、关闭设备等。关闭设备等。缓缓冲冲 接接口口在在外外围围设设备备和和计计算算机机系系统统的的其其他他部部件件之之间间用用作作为为一一个个缓冲器，以补偿各种设备在速度上的差异。缓冲器，以补偿各种设备在速度上的差异。状状态态监监视视 接接口口监监视视外外围围设设备备的的工工作作状状态态并并保保存存状状态态信信息息。状状态态信信息息包包括括数数据据“准准备备就就绪绪”、“忙忙”、“错错误误”等等等等，供供CPU CPU 询询问问外外围围设备时进行分析之用。设备时进行分析之用。转转换换数数据据格格式式 接接口口可可以以完完成成任任何何要要求求的的数数据据转转换换，例例如如并并-串串转换或串转换或串-并转换，因此数据能在外围设备和并转换，因此数据能在外围设备和CPUCPU之间正确地进行传送。之间正确地进行传送。整整理理 接接口口可可以以完完成成一一些些特特别别的的功功能能，例例如如在在需需要要时时可可修修改改字字计计数器或当前内存地址寄存器。数器或当前内存地址寄存器。程程序序中中断断 每每当当外外围围设设备备向向软软件件请请求求某某种种动动作作时时，接接口口即即发发出出一一个个中中断断请请求求信信号号到到CPU。例例如如，如如果果设设备备完完成成了了一一个个操操作作或或设设备备中中存存在在着一个错误状态，接口就发出中断。着一个错误状态，接口就发出中断。计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线233 3串行通信与数据接口串行通信与数据接口（1）串行通信的优点串行通信的优点 串串行行传传送送可可以以大大大大减减少少传传送送线线，从从而而大大大大的的降降低低成成本本。但但是是串串行行传传送送的的速速度度慢慢，若若并并行行传传送送所所需需的的时时间间为为t，则则串串行行传传送的时间至少为送的时间至少为nt（其中（其中n为位数）。为位数）。（2 2）传送编码传送编码 在在计计算算机机中中，数数和和字字符符等等都都是是以以一一定定的的编编码码表表示示的的。编编码码的种类很多，常用的主要有：的种类很多，常用的主要有：扩扩展展的的BCDBCD交交换换码码EBCDICEBCDIC（Extended Extended Binary Binary Coded Coded Decimal Decimal Interchange Interchange CodeCode），这这是是一一种种8b8b编编码码，通通常常用用在在同步通信中。同步通信中。美美国国标标准准信信息息交交换换码码ASCII（American Standard Code for Information Interchange）。）。计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线24（3 3）通信方式通信方式 在串行通信中，有两种最基本的通信方式。在串行通信中，有两种最基本的通信方式。1)1)异步通信异步通信ASYNCASYNC（Asynchronous Data CommunicationAsynchronous Data Communication）它它用用一一个个起起始始位位表表示示字字符符的的开开始始，用用停停止止位位表表示示字字符符的的结结束构成一帧，如图束构成一帧，如图6.7所示。所示。起起始始位位占占用用一一位位，字字符符编编码码为为7 7位位（ASCIIASCII）码码，第第8 8位位为为奇奇、偶偶校校验验位位，加加上上这这一一位位使使字字符符中中为为“1”“1”的的位位为为奇奇数数（或或偶偶数数），停停止止位位可可以以是是一一位位、一一位位半半或或两两位位。于于是是一一个个字字符符就就由由10b10b或或10.5b10.5b或或11b11b构成。构成。用这样的方式表示字符时，字符可以一个接着一个地传送。用这样的方式表示字符时，字符可以一个接着一个地传送。计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线25 在异步数据传送中，在异步数据传送中，CPU CPU与外设之间必须遵循如下二项与外设之间必须遵循如下二项规定。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。例如用止位的规定形式。例如用ASCIIASCII编码，字符为七位，加上一编码，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。形成一个个偶校验位，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与外界的通信是与外界的通信是很重要的。假如数据传送的速率是很重要的。假如数据传送的速率是120120字符字符/s/s，而每一个字，而每一个字符字符格式为符字符格式为10b10b，则传送的波特率为，则传送的波特率为 10120=1200b/s=1200 Baud 10120=1200b/s=1200 Baud 每一位的传送时间为波特率的倒数：每一位的传送时间为波特率的倒数：Td=1/1200=0.833ms Td=1/1200=0.833ms 波特率也是衡量传输通道频宽的指标。波特率也是衡量传输通道频宽的指标。计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线26 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线272)2)同步传送同步传送 在在异异步步传传送送中中，每每一一个个字字符符要要用用起起始始位位和和停停止止位位作作为为字字符符开开始始和和结结束束的的标标志志，占占用用了了时时间间，所所以以，在在数数据据块块传传送送时时，为为了了提提高高速速度度，就就去去掉掉这这些些标标志志，采采用用同同步步传传送送的的方方式式。此此方方式式在在数数据据块块开开始始处处要要用用同同步步字字符符来来指指示示，如如图图6.8所示。所示。发发送送设设备备在在发发送送的的数数据据前前面面要要先先发发送送同同步步字字符符，接接收收设设备备在在收收到到同同步步字字符符后后就就以以与与发发送送设设备备相相同同的的时时钟钟来来接接收收数数据据块块，从从而而达达到快速数据传送的目的。到快速数据传送的目的。同同步步传传送送的的速速度度高高于于异异步步传传送送速速度度，可可达达上上兆兆波波特特。但但它它要要求求用时钟来实现发送端与接收端之间的同步，故而硬件结构复杂。用时钟来实现发送端与接收端之间的同步，故而硬件结构复杂。计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线28（4 4）串行传送中的几个问题串行传送中的几个问题 1)数据传送方向数据传送方向 半半双双工工（Half Duplex）如如图图6.9所所示示，每每次次只只能能有有一一个个站站发发送送，即即只能是由只能是由A发送到发送到B，或是由，或是由B发送到发送到A，不能，不能A和和B同时发送。同时发送。完完全全双双工工（Full Duplex）如如图图6.10所所示示。两两个个站站可可同时发送和接收。同时发送和接收。计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线292)信号的调制和解调信号的调制和解调 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线30 所以，要用调制器（所以，要用调制器（Modulator）把数字信号转换为模拟信号进行传送；）把数字信号转换为模拟信号进行传送；接收时用解调器（接收时用解调器（Demodulator）检测此模拟信号，再把它转换成数字信号，）检测此模拟信号，再把它转换成数字信号，如图如图6.14所示。所示。FSK（Frequency Shift Keying）是一种常用的调制方法：它把数字信号的）是一种常用的调制方法：它把数字信号的“1”与与“0”调制成不同频率（易于鉴别）的模拟信号，其原理如图调制成不同频率（易于鉴别）的模拟信号，其原理如图6.15所示。所示。计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线31 两个不同频率的模拟信号，分别由电子开关控制，在运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的数字信号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。当信号为（即数据）控制。当信号为“1”时，控制上面的电子开关导时，控制上面的电子开关导通，送出一串频率较高的模拟信号；当信号为通，送出一串频率较高的模拟信号；当信号为“0”时，控制时，控制下面的电子开关导通，送出一串频率较低的模拟信号，于是下面的电子开关导通，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，就得到了调制后的信号。在运算放大器的输出端，就得到了调制后的信号。计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线324 4Intel 8251AIntel 8251A可编程通信接口可编程通信接口（1 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。同同步步传传送送，5 58b8b字字符符，内内部部或或外外部部字字符符同同步步化化，自自动动插入同步字符。插入同步字符。异异步步传传送送，5 58b8b字字符符，时时钟钟速速率率为为通通信信波波特特率率的的1 1、1616或或6464倍。倍。可可产产生生中中止止字字符符，可可产产生生1 1、1.51.5或或2b2b的的停停止止位位。可可检检查假启动位。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 DC19.2Kb（异步）；（异步）；DC64Kb 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。计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线33（2 2）8251 8251的结构的结构 8251的的结结构构如如图图6.16的的方方框框图图所所示示。整整个个8251可可以以分分成成五五个个主主要要部部分分：接接收收器器、发发送送器器、调调制制控控制制、读读写写/控控制制以以及及I/O缓缓冲冲器器。而而I/O缓缓冲冲器器由由状状态态缓缓冲冲器器、发发送送数数据据/命命令令缓缓冲冲器器和和接接收收数数据据缓缓冲冲器器三三部部分分组组成成。8251的的内内部部由由内内部部数数据据总线实现相互之间的通信。总线实现相互之间的通信。1)1)接收器接收器 接接收收器器接接收收由由RxD脚脚输输入入的的串串行行数数据据，并并按按规规定定的的格格式式把把它转换为并行数据，存放在接收数据缓冲器中。它转换为并行数据，存放在接收数据缓冲器中。2)2)发送器发送器 发发送送器器接接收收CPU送送来来的的并并行行数数据据，将将它它加加上上起起始始位位、奇奇偶偶校验位和停止位，然后由校验位和停止位，然后由TxD脚发送。脚发送。计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线34 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线35 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线365 5并行数据接口并行数据接口 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：有有两两个个或或两两个个以以上上的的具具有有输输入入和和输输出出数数据据的的缓缓冲冲器器或或锁存器的数据端口，可以和锁存器的数据端口，可以和CPUCPU的数据总线相连接。的数据总线相连接。每每个个数数据据端端口口都都有有与与CPUCPU用用应应答答方方式式交交换换数数据据所所需需的的状状态态信信号号和和控控制制信信号号。具具有有保保存存控控制制字字的的控控制制寄寄存存器器。CPUCPU可可通通过过用用户户程程序序将将控控制制字字送送到到控控制制寄寄存存器器，命命令令外外围围设设备备执行不同的功能。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。计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线37 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线38（1 1）数据缓冲器数据缓冲器 数数据据缓缓冲冲器器可可以以有有两两个个或或多多个个。它它们们既既可可以以作作为为输输入入数数据据寄寄存存器器，也也可可以以作作为为输输出出数数据据寄寄存存器器，这这由由方方向向寄寄存存器器来来控控制制。每每个个数数据据缓缓冲冲器器，可可以以接接到到由由多多条条传传输输线线组组成成的的双双向向数数据据总总线线上上去去，在在微微型型机机中中，通通常常把把一一个个数数据据缓缓冲冲器器称称为为一一个个端口。端口。（2 2）控制缓冲器）控制缓冲器 控控制制缓缓冲冲器器用用来来作作为为存存放放控控制制字字的的控控制制寄寄存存器器，并并且且决决定定外围设备的工作方式。外围设备的工作方式。（3 3）多路转换器）多路转换器 多多路路转转换换器器实实际际上上是是一一个个多多路路开开关关，通通过过多多路路转转换换器器，两两个或多个数据缓冲器的数据可转接到个或多个数据缓冲器的数据可转接到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 控控制制逻逻辑辑用用来来发发出出和和接接收收各各种种控控制制信信号号，其其中中包包括括外外围围设设备的工作状态信号。备的工作状态信号。计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线396.2 6.2 总线的控制与通信总线的控制与通信 6.2.1总线的控制总线的控制 控制方式可以分成集中式和分散式两类。总线控控制方式可以分成集中式和分散式两类。总线控制逻辑基本集中在一处的，称为集中式总线控制。制逻辑基本集中在一处的，称为集中式总线控制。总线控制逻辑分散在总线各部件中的，称为分散式总线控制逻辑分散在总线各部件中的，称为分散式总线控制。集中式控制是三总线、双总线和单总线总线控制。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，它主要有以下三种控结构机器中主要采用的方式，它主要有以下三种控制方式：制方式：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。计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线401 1 链式查询方式链式查询方式 链链式式查查询询方方式式如如图图6.19(a)6.19(a)所所示示。图图中中所所示示的的总总线线控控制制部部件件在在单单总总线线系系统统和和双双总总线线系系统统中中常常常常是是CPU CPU 的的一一部部分分。在在三三总线系统的总线系统的I/OI/O总线中，它是通道的一部分。总线中，它是通道的一部分。链链式式查查询询方方式式，除除一一般般数数据据总总线线D D和和地地址址总总线线A A外外，主主要要有三根控制线：有三根控制线：BS BS（忙）（忙）该线有效，表示总线正被某外设使用。该线有效，表示总线正被某外设使用。BRBR（总总线线请请求求）该该线线有有效效，表表示示至至少少有有一一个个外外设设要要求使用总线。求使用总线。BGBG（总总线线同同意意）该该线线有有效效，表表示示总总线线控控制制部部件件响响应应总线请求（总线请求（BRBR）。）。计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线41 计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线42 链链式式查查询询方方式式的的主主要要特特征征是是总总线线同同意意信信号号BG的的传传送送方方式式：串串行行地地从从一一个个I/O接接口口送送到到下下一一个个I/O接接口口。假假如如BG到到达达的的接接口口无无总总线线请请求求，则则继继续续往往下下传传；假假如如BG到到达达的的总总线线接接口口有有总总线线请请求求，BG信信号号便便不不再再往往下下传传。这这意意味味着着，该该I/O接接口口就就获得了总线控制权。获得了总线控制权。在在查查询询链链中中离离总总线线控控制制器器最最近近的的设设备备具具有有最最高高优优先先权权，离总线越远，优先权越低。离总线越远，优先权越低。链链式式查查询询方方式式的的优优点点是是，只只用用很很少少几几根根线线就就能能按按一一定定优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。先次序实现总线控制，并且这种链式结构很容易扩充设备。链式查询方式的缺点是对询问链的电路故障很敏感，链式查询方式的缺点是对询问链的电路故障很敏感，计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线432 2 计数器定时查询方式计数器定时查询方式 计计数数器器定定时时查查询询方方式式（又又称称为为计计数数查查询询）原原理理如如图图6.19(b)所所示示。总总线线上上的的任任一一设设备备要要求求使使用用总总线线时时，通通过过BR线线发发出出总总线线请请求求。总总线线控控制制器器接接到到请请求求信信号号以以后后，在在BS线线为为“0”的的情情况况下下让让计计数数器器开开始始计计数数，计计数数值值通通过过一一组组地地址址线线发发向向各各设设备备。每每个个设设备备接接口口都都有有一一个个设设备备地地址址判判别别电电路路，当当地地址址线线上上的的计计数数值值与与请请求求总总线线的的设设备备的的相相一一致致时时，该该设设备备置置BS线线为为“1”，获获得得总总线线使使用用权权，此此时时中中止计数查询。止计数查询。3 3 独立请求方式独立请求方式 独独立立请请求求方方式式原原理理如如图图6.19(c)所所示示。在在独独立立请请求求方方式式中中，每每一一个个共共享享总总线线的的设设备备均均有有一一对对总总线线请请求求线线BRi和和总总线线同同意意线线BGi。当当设设备备要要求求使使用用总总线线时时，便便发发出出该该设设备备的的请请求求信信号号。总总线线控控制制部部件件中中一一般般有有一一个个排排队队电电路路，根根据据一一定定的的优优先先次次序序决决定定首首先先响响应应哪哪个设备的请求，并对该设备发出同意信号个设备的请求，并对该设备发出同意信号BGi。计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线446.2.26.2.2总线的通信总线的通信 当当共共享享总总线线的的部部件件获获得得总总线线使使用用权权后后，就就开开始始传传送送信信息息，即即进进行行通通信信。通通信信方方式式是是实实现现总总线线控控制制和和数数据据传传送送的的手段，通常分为同步通信和异步通信两种。手段，通常分为同步通信和异步通信两种。计算机组成原理计算机组成原理 第六章第六章 系统总线系统总线451 1 同步通信同步通信 总总线线上上的的部部件件通通过过总总线线进进行行信信息息传传送送时时，用用一一个个公公共共的的时时钟钟信信号号来来实实现现同同步步运运行行，这这种种方方式式称称为为同同步步通通信信（无无应应答答通通信信）。这这个个公公共共的的时时钟钟可可以以由由CPU总总线线控控制