贵州大学微机原理PPT及复习PPT 4总线与总线接口技术.ppt
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1、第第4章总线与总线接口技术章总线与总线接口技术热能与动力工程热能与动力工程4.1 总线与总线操作总线与总线操作4.1.1总线及总线信号分类总线及总线信号分类一、总线定义一、总线定义总线:是在模块和模块之间或设备与设备之间的一组进行总线:是在模块和模块之间或设备与设备之间的一组进行互连和传输信息的互连和传输信息的信号线信号线信号线信号线,信息包括指令、数据和地址。,信息包括指令、数据和地址。总线不仅仅是一组传输线,它还包括一套管理信息传输的总线不仅仅是一组传输线,它还包括一套管理信息传输的规则规则(协议协议)。在计算机系统中,总线可以看成一个具有独立功能的组成在计算机系统中,总线可以看成一个具有
2、独立功能的组成部件。部件。热能与动力工程热能与动力工程二、总线的体系结构二、总线的体系结构主控模块(Master,主模块)可以控制总线并启动数据传送的任何模块可以控制总线并启动数据传送的任何模块受控模块(Slave,从模块)能够响应总线主模块发出命令的任何模块能够响应总线主模块发出命令的任何模块分时复用模块有时用作主控模块,有时用作受控模块有时用作主控模块,有时用作受控模块热能与动力工程热能与动力工程三、三、总线的分类总线的分类 1)按总线功能或信号类型划分为:按总线功能或信号类型划分为:数据总线数据总线数据总线数据总线:双向三态逻辑,线宽表示了总线数据传输的能力。:双向三态逻辑,线宽表示了总
3、线数据传输的能力。地址总线地址总线地址总线地址总线:单向三态逻辑,线宽决定了系统的寻址能力。:单向三态逻辑,线宽决定了系统的寻址能力。控制总线控制总线控制总线控制总线:就某根来说是单向或双向。控制总线最能体现总线:就某根来说是单向或双向。控制总线最能体现总线特点,决定总线功能的强弱和适应性。特点,决定总线功能的强弱和适应性。热能与动力工程热能与动力工程2)按总线的层次结构分为:按总线的层次结构分为:CPUCPU总线总线总线总线:微机系统中速度最快的总线,主要在:微机系统中速度最快的总线,主要在CPU内部,内部,连接连接CPU内部部件,在内部部件,在CPU周围的小范围内也分布该总线,周围的小范围
4、内也分布该总线,提供系统原始的控制和命令。提供系统原始的控制和命令。局部总线局部总线局部总线局部总线:在系统总线和:在系统总线和CPU总线之间的一级总线,提供总线之间的一级总线,提供CPU和主板器件之间以及和主板器件之间以及CPU到高速外设之间的快速信息通到高速外设之间的快速信息通道。道。系统总线系统总线系统总线系统总线:也称为:也称为I/O总线,是传统的通过总线扩展卡连接外总线,是传统的通过总线扩展卡连接外部设备的总线。由于速度慢,其功能已经被局部总线替代。部设备的总线。由于速度慢,其功能已经被局部总线替代。通信总线通信总线通信总线通信总线:也称为外部总线,是微机与微机,微机与外设之:也称为
5、外部总线,是微机与微机,微机与外设之间进行通信的总线。间进行通信的总线。热能与动力工程热能与动力工程四、信号线的类型四、信号线的类型热能与动力工程热能与动力工程4.1.2总线操作及控制总线操作及控制 总线操作的总线操作的4个阶段个阶段 1总线请求和仲裁阶段总线请求和仲裁阶段总线请求和仲裁阶段总线请求和仲裁阶段:主模块向总线仲裁机构提出总线使用申请,总线仲裁机构决定主模块向总线仲裁机构提出总线使用申请,总线仲裁机构决定使用总线的主模块。使用总线的主模块。2寻址阶段寻址阶段寻址阶段寻址阶段:拥有总线使用权的主模块发出本次要访问的从模块的地址及有拥有总线使用权的主模块发出本次要访问的从模块的地址及有
6、关命令,该从模块被选中并启动关命令,该从模块被选中并启动。3数据传送阶段数据传送阶段数据传送阶段数据传送阶段:主模块和从模块间进行双(单)向数据传送。主模块和从模块间进行双(单)向数据传送。4结束阶段结束阶段结束阶段结束阶段:主、从模块均撤出总线。主、从模块均撤出总线。热能与动力工程热能与动力工程4.1.3性能指标性能指标总线带宽:即总线带宽:即最大传输速率,最大传输速率,指总线在每秒钟内能传输的指总线在每秒钟内能传输的最多字节数,单位为最多字节数,单位为MB/s。三者的关系是:。三者的关系是:传输速率传输速率=总线位宽总线位宽总线频率总线频率 总线宽度越宽,总线频率越高,则总线传输速率越快总
7、线宽度越宽,总线频率越高,则总线传输速率越快总线位宽:总线位宽:是指一次可以同时传输数据的是指一次可以同时传输数据的位数位数,单位为位,单位为位(bit)工作频率:工作频率:它是指总线在每秒钟内能传输数据的它是指总线在每秒钟内能传输数据的次数次数,单,单位为位为MHz。如。如ISA的总线频率为的总线频率为8MHz,而,而PCI总线有总线有33.3MHz、66.6MHz两种总线频率两种总线频率 热能与动力工程热能与动力工程总总线线带带宽宽、总总线线位位宽宽、总总线线工工作作频频率率三三者者之之间间的的关关系系就就像像高高速速公公路路上上的的车车流流量量、车车道道数数和和车车速速的的关关系系。车车
8、流流量量取取决决于于车车道道数数和和车车速速,车车道道数数越越多多、车车速速越越快快则则车车流流量量越越大大:同同样样,总总线线带带宽宽取取决决于于总总线线宽宽度度和和工工作作频频率率,总总线线宽宽度度越越宽宽、工工作作频频率率越越高高则则总总线线带宽越大。带宽越大。热能与动力工程热能与动力工程常见总线的带宽和传输率常见总线的带宽和传输率返回本节热能与动力工程热能与动力工程4.2.1总线仲裁控制总线仲裁控制总线仲裁是指在总线上有多个总线仲裁是指在总线上有多个总线主模块同时请求使用总线同时请求使用总线时,决定由哪个模块获得总线控制权。时,决定由哪个模块获得总线控制权。所谓所谓“总线主模块总线主模
9、块”,就是具有总线控制能力的模块,在获,就是具有总线控制能力的模块,在获得总线控制权之后能启动数据信息的传输,如得总线控制权之后能启动数据信息的传输,如CPU或或DMA控控制器都可成为这种具有总线控制能力的主模块;制器都可成为这种具有总线控制能力的主模块;与总线主模块相对应的是与总线主模块相对应的是“总线从模块”,它是指能够对总,它是指能够对总线上的数据请求作出响应,但本身不具备总线控制能力的模线上的数据请求作出响应,但本身不具备总线控制能力的模块。块。4.2总线操作控制总线操作控制热能与动力工程热能与动力工程总线作为一种重要的公共资源,各个总线主模块随时都可总线作为一种重要的公共资源,各个总
10、线主模块随时都可能请求使用总线,这样就可能会有不止一个总线主模块同能请求使用总线,这样就可能会有不止一个总线主模块同时请求使用总线。时请求使用总线。为了让多个总线主模块合理、高效地使用总线,就必须在为了让多个总线主模块合理、高效地使用总线,就必须在系统中有系统中有处理上述总线竞争的机构,这就是总线仲裁器(bus arbiter)。它的任务是响应总线请求,合理分配总线资源。它的任务是响应总线请求,合理分配总线资源。热能与动力工程热能与动力工程基本的总线仲裁方式有三种,即基本的总线仲裁方式有三种,即串行总线仲裁方式串行总线仲裁方式、并行并行总线仲裁方式总线仲裁方式和和串并二维仲裁方式串并二维仲裁方
11、式。1.串行总线仲裁方式串行总线仲裁方式串行链接仲裁简称串链仲裁、串行仲裁,又叫串行链接仲裁简称串链仲裁、串行仲裁,又叫“菊花链菊花链”仲裁仲裁(robin Daisy chaining)。该仲裁法又有二线菊花链、三线菊花链、。该仲裁法又有二线菊花链、三线菊花链、四线菊花链之分,其中三线菊花链使用普遍,最具代表性。四线菊花链之分,其中三线菊花链使用普遍,最具代表性。在串行总线仲裁方式中,各个总线主模块获得的总线优先在串行总线仲裁方式中,各个总线主模块获得的总线优先权决定于该模块在串行链中的位置,如图所示。权决定于该模块在串行链中的位置,如图所示。热能与动力工程热能与动力工程N N允许允许请求请
12、求总线忙总线忙图图18.2 串行总线仲裁方式串行总线仲裁方式热能与动力工程热能与动力工程图中的图中的、N 等等N个模块都是总线主模块。当一个模块需要个模块都是总线主模块。当一个模块需要使用总线时,先检查使用总线时,先检查“总线忙”信号。若该信号有效,则表示当前正信号。若该信号有效,则表示当前正有其他模块在使用总线,因此该模块必须等待,直到有其他模块在使用总线,因此该模块必须等待,直到“总线忙总线忙”信号信号无效。无效。在在“总线忙总线忙”信号处于无效状态时,任何需要使用总线的主模块都可信号处于无效状态时,任何需要使用总线的主模块都可以通过以通过“请求”线发出总线请求信号。线发出总线请求信号。总
13、线总线“允许”信号是对总线信号是对总线“请求请求”信号的响应。信号的响应。热能与动力工程热能与动力工程“允许允许”信号在各个模块之间串行传输,直到到达一个发出了总线信号在各个模块之间串行传输,直到到达一个发出了总线“请求请求”信号的模块,这时信号的模块,这时“允许允许”信号不再沿串行模块链传输,并且信号不再沿串行模块链传输,并且由该模块获得总线控制权。由该模块获得总线控制权。由串行的总线仲裁方式的工作原理可以看出,由串行的总线仲裁方式的工作原理可以看出,越靠近串行模块链前面的模块具有越高的总线优先权。热能与动力工程热能与动力工程2.并行总线仲裁方式并行总线仲裁方式的示意图如图并行总线仲裁方式的
14、示意图如图18.3所示。所示。图中,模块图中,模块到到N都是总线主模块。每个模块都有总线都是总线主模块。每个模块都有总线“请求”和总线和总线“允许”信号。信号。各模块间是独立的,没有任何控制关系。各模块间是独立的,没有任何控制关系。当一模块需要使用总线时,也必须先检测当一模块需要使用总线时,也必须先检测“总线忙总线忙”信号。当信号。当“总线忙总线忙”信号有效时,则表示其他模块正在使用总线,因此该模信号有效时,则表示其他模块正在使用总线,因此该模块必须等待。块必须等待。当当“总线忙”信号无效时,所有需要使用总线的模块都可以发出信号无效时,所有需要使用总线的模块都可以发出总线总线“请求请求”信号。
15、信号。热能与动力工程热能与动力工程仲仲 裁裁 器器模块模块1.模块模块N.请求请求请求请求允许允许允许允许总线忙总线忙图图18.3 并行总线仲裁方式并行总线仲裁方式热能与动力工程热能与动力工程总线仲裁器中有总线仲裁器中有优先权编码器和和优先权译码器。总线总线“请求请求”信号经优先权编码器产生相应编码,并由优先权译码器信号经优先权编码器产生相应编码,并由优先权译码器向优先权最高的模块发出总线向优先权最高的模块发出总线“允许允许”信号。信号。得到总线得到总线“允许允许”信号的模块信号的模块撤销总线“请求”信号,并置“总线忙”信号为有效状态,当该模块使用完总线后再置“总线忙”信号为无效状态。热能与动
16、力工程热能与动力工程在串行、并行两种总线仲裁方式中,串行方式由于信号的串行传输会在串行、并行两种总线仲裁方式中,串行方式由于信号的串行传输会加大延迟加大延迟(当串行模块链上的模块数目过多时甚至可能会超过系统允当串行模块链上的模块数目过多时甚至可能会超过系统允许的总线优先权仲裁时间许的总线优先权仲裁时间),而且当高优先级的模块频繁使用总线时,而且当高优先级的模块频繁使用总线时,低优先权的模块可能会长时间得不到总线。低优先权的模块可能会长时间得不到总线。串行方式只用于较小的系统中。而并行方式则允许总线上连接许多主模块,而且仲裁电路也不复杂,而并行方式则允许总线上连接许多主模块,而且仲裁电路也不复杂
17、,因此是一种比较好的总线仲裁方法。因此是一种比较好的总线仲裁方法。热能与动力工程热能与动力工程3、串并二维仲裁方式、串并二维仲裁方式各各链路上优先级由链路上优先级由总线判决器总线判决器内部逻辑决定内部逻辑决定同一链路上则由同一链路上则由离总线判决器的远近程度离总线判决器的远近程度确定确定热能与动力工程热能与动力工程1 1、同步并行总线时序、同步并行总线时序 同步时钟频率同步时钟频率和和数据总线宽度数据总线宽度确定数据传输速度确定数据传输速度数据传输与时钟同步数据传输与时钟同步要求各个设备的速度相当要求各个设备的速度相当4.2.2总线握手控制总线握手控制1、同步总线协定、同步总线协定热能与动力工
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