第六章 总线技术
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Ready
T1 T2
T3
Tw
Tw
T4
T1
检查Ready信号 信号,Ready=0时需要插入 时需要插入TW状态； 状态； 检查 信号 时需要插入 状态 Ready=1时结束 时结束TW状态，进入 状态 状态， 时结束 状态 进入T4状态
27
bupt 2008
分离式总线协定
为了提高总线的效率，充分利用总线的空闲， 为了提高总线的效率，充分利用总线的空闲，将一个 读周期分解为两个分离的传输子周期； 读周期分解为两个分离的传输子周期； 在第一个子周期，主模块发送地址和命令信息，经过 在第一个子周期，主模块发送地址和命令信息， 总线传输，由从模块接收，主模块立即释放总线， 总线传输，由从模块接收，主模块立即释放总线，以 便其它模块使用； 便其它模块使用； 待选中的从模块准备好数据，再次申请总线， 待选中的从模块准备好数据，再次申请总线，获准后 启动第二子周期； 启动第二子周期； 两个子周期均按照同步方式传送； 两个子周期均按照同步方式传送； 每个子周期都是单方向的写数据流。 每个子周期都是单方向的写数据流。每个模块既是主 又是从控。 控，又是从控。
开始新 的周期
1. READY=1
23
bupt 2008
异步总线协定
半互锁方式
发送方 1. READY=1 2.接收数据 一个总线周期 3. ACK=1 4. READY=0 5. ACK=0 1. READY=1 下一个总线周期 接收方
24
bupt 2008
异步总线协定
非互锁方式
发送方 1. READY=1 2.接收数据 一个总线周期 3. ACK=1 接收方
21
bupt 2008
同步总线协定
连接在总线上的所有部件均在统一的时钟信 号控制下进行数据的传递， 号控制下进行数据的传递，各部件的传输周 期固定。 期固定。 优点
控制简单，便于设计， 控制简单，便于设计，传送速率较高
缺点
设备速度不一样时， 设备速度不一样时，必须以响应速度最慢设备的 速度运行 设计完成后，不能更改， 设计完成后，不能更改，不能增加低速设备
主设备占用总线的时间
从设备占用总线的时间
30
bupt 2008
常用的计算机总线－ 常用的计算机总线－ISA
ISA: Industry Standard Architecture
8位/16位 位 位 62引脚 引脚/98引脚 引脚 引脚 主频： 主频：4.77M/6MHz
31
bupt 2008
32
22
bupt 2008
异步总线协定
接收方 1. READY=1 2.接收数据 3. ACK=1 4. READY=0 5. ACK=0
全互锁方式 发送方 P239 图6.6 收发双方完全采用 一问一答的方式； 一问一答的方式； 一个总线周期 使用READY 使用 和ACK 进行握手。 进行握手。
下一个总线周期
4
bupt 2008
总线的分类
按照传输信息的性质分类
数据总线 地址总线 控制总线
按照信号线的功能分类
基本信息总线 数据握手总线 判决总线 定时信号总线 电源信号总线
5
bupt 2008
总线的分类
按照层次位置分类
片内总线 片总线 系统总线 设备总线 局部总线
6
bupt 2008
总线的性能指标
总线宽度 总线定时协定： 总线定时协定：同步还是异步定时 总线传输率 总线频宽：最高传输率/标准传输率 标准传输率/最 总线频宽：最高传输率/标准传输率/最 大传输率
允许出现总线争用（申请），但不允许出 允许出现总线争用（申请），但不允许出 ）， 现总线冲突（使用） 现总线冲突（使用）
设备1 设备1 仲裁器 设备2 设备2
设备4 设备
设备3 设备
14
bupt 2008
总线仲裁
优先级仲裁和公平仲裁 集中式仲裁（集中仲裁） 集中式仲裁（集中仲裁）
菊花链式 计数器定时查询 独立请求方式 二维判决方式
BB(bus busy): 总线信号忙，BB有效（高/低）说明 总线信号忙，BB有效 有效（ /低 总线被占用； 总线被占用； BR(bus request): 总线请求信号， BR有效说明至少 总线请求信号， 有效说明至少 有一个部件正在申请总线使用权； 有一个部件正在申请总线使用权； BG(bus grant): 总线响应信号。表示控制部件响应总 总线响应信号。 线请求。 线请求。该信号以菊花链的方式串行连接到总线上的各 个部件，每个部件均有BGI，BGO，如果 无效， 个部件，每个部件均有 ， ，如果BGI无效， 无效 BGO必须置无效。 必须置无效。 必须置无效
第6章 总线技术 章
1
bupt 2008
概述
总线：是在模块与模块之间， 总线：是在模块与模块之间，或者设备与设备之 传递信息、相互通信的一组公用信号线 公用信号线， 间，传递信息、相互通信的一组公用信号线，是 系统在总线主控器(模块或设备 的控制下， 模块或设备)的控制下 系统在总线主控器 模块或设备 的控制下，将发 送器发出的信息准确地传送给接收器的信号载体 送器发出的信息准确地传送给接收器的信号载体 或通路。 或通路。 总线的特点在于共用性 共用性， 总线的特点在于共用性，同时挂接多个模块或设 备 专线： 专线：某两个模块或设备之间专用的信号连线
2
bupt 2008
总线的优点
简化系统结构， 简化系统结构，便于系统的设计和制造 减少连线数目，便于机内布线， 减少连线数目，便于机内布线，减小体 积，提高系统的可靠性 便于接口设计 便于系统的扩充 便于设备的软件设计 便于故障诊断和维修
3
bupt 2008
总线上的信息传送方式
一般情况下，同一时刻， 一般情况下，同一时刻，总线上最多只能 有一个模块发送信息 分时传送的机制， 分时传送的机制，每个模块轮流使用 总线仲裁器 对比开会
bupt 2008
常用的计算机总线－ 常用的计算机总线－PCI
PCI: Peripheral Component Interconnect，外部设备互联总线 ， 主频： 主频：33M/66MHz 传输速率： 传输速率：133MBps/266MBps
33
bupt 2008
34
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常用的计算机总线－ 常用的计算机总线－USB
缺点
对电路故障敏感： 对电路故障敏感：串行线路 仲裁速度慢 优先级不能改变
19
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其它查询方式
计数器定时查询方式（轮询判决） 计数器定时查询方式（轮询判决） 独立请求方式：每个部件均有自己的BR 独立请求方式：每个部件均有自己的 i和 Bgi，由控制部件对申请进行管理和排队。 由控制部件对申请进行管理和排队。
8
bupt 2008
总线的操作过程
总线数据传输周期
总线请求和仲裁阶段：多个主控模块时， 总线请求和仲裁阶段：多个主控模块时，仲裁机构 确定总线使用权的分配；如果只有一个主控模块， 确定总线使用权的分配；如果只有一个主控模块， 无需此阶段。 无需此阶段。 寻址阶段：取得总线使用权的主控模块， 寻址阶段：取得总线使用权的主控模块，通过总线 发出访问的从模块的内存或者I/O地址及命令； 地址及命令； 发出访问的从模块的内存或者 地址及命令 数据传输阶段：主从模块进行数据传输； 数据传输阶段：主从模块进行数据传输； 结束阶段：主从模块的有关信息从总线撤除， 结束阶段：主从模块的有关信息从总线撤除，让出 总线。 总线。
9
bupt 2008
阶段一： 阶段一：总线请求和仲裁阶段 阶段二： 阶段二：寻址阶段 阶段三： 阶段三：数据传输阶段 阶段四： 阶段四：结束阶段
设备1 设备1 设备
设备2 设备
设备4 设备
设备3 设备3 设备
10
bupt 2008
总线使用权的分配
处理多个部件同时要求使用总线时引起 的总线冲突 令牌总线 冲突检测 总线仲裁
16
bupt 2008
菊花链式查询方式
BG 总线 仲裁器
BGI1 C1
BGO1
BGI2 C2
BGO2
BGIn Cn
BR
BB
17
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菊花链式查询方式
BG 总线 仲裁器
BGI1 C1
BGO1
BGI2 C2
BGO2
BGIn Cn
BR
BB
18
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菊花链式查询方式
优点
实现简单， 实现简单，三根控制线即可实现 便于增减总线上的设备： 便于增减总线上的设备：总线控制器的结构 与部件的数量无关
7
bupt 2008
总线的操作过程
主设备
在获得总线控制权后，能启动数据的传输、 在获得总线控制权后，能启动数据的传输、发出地址 或读写控制命令并控制总线上的数据传送过程的模块 CPU、DMA控制器、外围处理器 、 控制器、 控制器
从设备
本身不具备总线控制能力， 本身不具备总线控制能力，但能够对总线主设备提出 的数据请求做出响应，接受主设备发出的地址(并进行 的数据请求做出响应，接受主设备发出的地址 并进行 译码)， 译码 ，和读写命令并执行相应的操作的模块 内存、 内存、I/O接口 接口
11
bupt 2008
令牌总线
来自百度文库
不会出现总线冲突 只有获得令牌的设备才能够使用总线
设备1 设备 令 设备2 设备
设备4 设备
设备3 设备
12
bupt 2008
冲突检测
允许出现总线冲突， 允许出现总线冲突，但在冲突后补救
设备1 设备 设备2 设备
设备4 设备
设备3 设备
13
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总线仲裁
分散式仲裁（分布仲裁） 分散式仲裁（分布仲裁）
15
bupt 2008
菊花链式
为每个使用总线的部件设置一定的优先级； 为每个使用总线的部件设置一定的优先级； 按照优先级顺序依次串行连接到总线仲裁器， 按照优先级顺序依次串行连接到总线仲裁器，优 先级越高的部件离总线控制部件越近； 先级越高的部件离总线控制部件越近； 控制总线中增加3根信号线做为总线控制线 根信号线做为总线控制线。 控制总线中增加 根信号线做为总线控制线。
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bupt 2008
分离式总线协定
主设备 地址和命令 主设备 读出的数据 数据读入主设备 T
从设备 读取数据 从设备
读出的数据 送上总线
主设备占用总线的时间
29
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分离式总线协定
从设备 读取数据期间， 交由其它设备使用
主设备
主设备
地址和命令
数据读入主设备 读出的数据 T
从设备
读出的数据 送上总线
P237 图6.3
20
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总线传输握手技术
总线握手的作用： 总线握手的作用：是控制每个总线周期中 数据传输的开始和结束， 数据传输的开始和结束，以及整个总线周 期中的每个子周期的开始和结束。 期中的每个子周期的开始和结束。 四种定时协定： 四种定时协定：
同步总线协定 异步总线协定 半同步总线协定 分离式总线协定
缺点
握手过程复杂，总线周期较长 握手过程复杂， 传输速度不固定， 传输速度不固定，取决于模块的访问速度 死锁
26
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半同步总线协定
使用WAIT或READY信号 或 使用 信号
＝0，表示存储器或I/O设备未准备就绪，需等待; ，表示存储器或 设备未准备就绪，需等待 设备未准备就绪 设备已经就绪， ＝1，表示存储器或 ，表示存储器或I/O设备已经就绪，可以传送数 设备已经就绪 据
4. READY=0
发方在置READY＝1后， ＝ 后 发方在置 经过一段时间， 经过一段时间，自行撤除 READY，开始发送下一数据。 ，开始发送下一数据。
下一个总线周期
5. ACK=0
1. READY=1
25
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异步总线协定
优点
不同速度的设备可以协同工作， 不同速度的设备可以协同工作，适应性强
PCMCIA(Personal Computer Memory Card International Association) 一般用于笔记本
38
Universal Serial Bus，通用串行总线 P&P,即插即用 速率从几K 到480Mbps
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36
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常用的计算机总线－ 常用的计算机总线－AGP
Accelerated Graphics Port加速图形端口
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常用的计算机总线－ 常用的计算机总线－ PCMCIA
T1 T2
T3
Tw
Tw
T4
T1
检查Ready信号 信号,Ready=0时需要插入 时需要插入TW状态； 状态； 检查 信号 时需要插入 状态 Ready=1时结束 时结束TW状态，进入 状态 状态， 时结束 状态 进入T4状态
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分离式总线协定
为了提高总线的效率，充分利用总线的空闲， 为了提高总线的效率，充分利用总线的空闲，将一个 读周期分解为两个分离的传输子周期； 读周期分解为两个分离的传输子周期； 在第一个子周期，主模块发送地址和命令信息，经过 在第一个子周期，主模块发送地址和命令信息， 总线传输，由从模块接收，主模块立即释放总线， 总线传输，由从模块接收，主模块立即释放总线，以 便其它模块使用； 便其它模块使用； 待选中的从模块准备好数据，再次申请总线， 待选中的从模块准备好数据，再次申请总线，获准后 启动第二子周期； 启动第二子周期； 两个子周期均按照同步方式传送； 两个子周期均按照同步方式传送； 每个子周期都是单方向的写数据流。 每个子周期都是单方向的写数据流。每个模块既是主 又是从控。 控，又是从控。
开始新 的周期
1. READY=1
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异步总线协定
半互锁方式
发送方 1. READY=1 2.接收数据 一个总线周期 3. ACK=1 4. READY=0 5. ACK=0 1. READY=1 下一个总线周期 接收方
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异步总线协定
非互锁方式
发送方 1. READY=1 2.接收数据 一个总线周期 3. ACK=1 接收方
21
bupt 2008
同步总线协定
连接在总线上的所有部件均在统一的时钟信 号控制下进行数据的传递， 号控制下进行数据的传递，各部件的传输周 期固定。 期固定。 优点
控制简单，便于设计， 控制简单，便于设计，传送速率较高
缺点
设备速度不一样时， 设备速度不一样时，必须以响应速度最慢设备的 速度运行 设计完成后，不能更改， 设计完成后，不能更改，不能增加低速设备
主设备占用总线的时间
从设备占用总线的时间
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常用的计算机总线－ 常用的计算机总线－ISA
ISA: Industry Standard Architecture
8位/16位 位 位 62引脚 引脚/98引脚 引脚 引脚 主频： 主频：4.77M/6MHz
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异步总线协定
接收方 1. READY=1 2.接收数据 3. ACK=1 4. READY=0 5. ACK=0
全互锁方式 发送方 P239 图6.6 收发双方完全采用 一问一答的方式； 一问一答的方式； 一个总线周期 使用READY 使用 和ACK 进行握手。 进行握手。
下一个总线周期
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总线的分类
按照传输信息的性质分类
数据总线 地址总线 控制总线
按照信号线的功能分类
基本信息总线 数据握手总线 判决总线 定时信号总线 电源信号总线
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总线的分类
按照层次位置分类
片内总线 片总线 系统总线 设备总线 局部总线
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总线的性能指标
总线宽度 总线定时协定： 总线定时协定：同步还是异步定时 总线传输率 总线频宽：最高传输率/标准传输率 标准传输率/最 总线频宽：最高传输率/标准传输率/最 大传输率
允许出现总线争用（申请），但不允许出 允许出现总线争用（申请），但不允许出 ）， 现总线冲突（使用） 现总线冲突（使用）
设备1 设备1 仲裁器 设备2 设备2
设备4 设备
设备3 设备
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总线仲裁
优先级仲裁和公平仲裁 集中式仲裁（集中仲裁） 集中式仲裁（集中仲裁）
菊花链式 计数器定时查询 独立请求方式 二维判决方式
BB(bus busy): 总线信号忙，BB有效（高/低）说明 总线信号忙，BB有效 有效（ /低 总线被占用； 总线被占用； BR(bus request): 总线请求信号， BR有效说明至少 总线请求信号， 有效说明至少 有一个部件正在申请总线使用权； 有一个部件正在申请总线使用权； BG(bus grant): 总线响应信号。表示控制部件响应总 总线响应信号。 线请求。 线请求。该信号以菊花链的方式串行连接到总线上的各 个部件，每个部件均有BGI，BGO，如果 无效， 个部件，每个部件均有 ， ，如果BGI无效， 无效 BGO必须置无效。 必须置无效。 必须置无效
第6章 总线技术 章
1
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概述
总线：是在模块与模块之间， 总线：是在模块与模块之间，或者设备与设备之 传递信息、相互通信的一组公用信号线 公用信号线， 间，传递信息、相互通信的一组公用信号线，是 系统在总线主控器(模块或设备 的控制下， 模块或设备)的控制下 系统在总线主控器 模块或设备 的控制下，将发 送器发出的信息准确地传送给接收器的信号载体 送器发出的信息准确地传送给接收器的信号载体 或通路。 或通路。 总线的特点在于共用性 共用性， 总线的特点在于共用性，同时挂接多个模块或设 备 专线： 专线：某两个模块或设备之间专用的信号连线
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总线的优点
简化系统结构， 简化系统结构，便于系统的设计和制造 减少连线数目，便于机内布线， 减少连线数目，便于机内布线，减小体 积，提高系统的可靠性 便于接口设计 便于系统的扩充 便于设备的软件设计 便于故障诊断和维修
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总线上的信息传送方式
一般情况下，同一时刻， 一般情况下，同一时刻，总线上最多只能 有一个模块发送信息 分时传送的机制， 分时传送的机制，每个模块轮流使用 总线仲裁器 对比开会
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常用的计算机总线－ 常用的计算机总线－PCI
PCI: Peripheral Component Interconnect，外部设备互联总线 ， 主频： 主频：33M/66MHz 传输速率： 传输速率：133MBps/266MBps
33
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常用的计算机总线－ 常用的计算机总线－USB
缺点
对电路故障敏感： 对电路故障敏感：串行线路 仲裁速度慢 优先级不能改变
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其它查询方式
计数器定时查询方式（轮询判决） 计数器定时查询方式（轮询判决） 独立请求方式：每个部件均有自己的BR 独立请求方式：每个部件均有自己的 i和 Bgi，由控制部件对申请进行管理和排队。 由控制部件对申请进行管理和排队。
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总线的操作过程
总线数据传输周期
总线请求和仲裁阶段：多个主控模块时， 总线请求和仲裁阶段：多个主控模块时，仲裁机构 确定总线使用权的分配；如果只有一个主控模块， 确定总线使用权的分配；如果只有一个主控模块， 无需此阶段。 无需此阶段。 寻址阶段：取得总线使用权的主控模块， 寻址阶段：取得总线使用权的主控模块，通过总线 发出访问的从模块的内存或者I/O地址及命令； 地址及命令； 发出访问的从模块的内存或者 地址及命令 数据传输阶段：主从模块进行数据传输； 数据传输阶段：主从模块进行数据传输； 结束阶段：主从模块的有关信息从总线撤除， 结束阶段：主从模块的有关信息从总线撤除，让出 总线。 总线。
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阶段一： 阶段一：总线请求和仲裁阶段 阶段二： 阶段二：寻址阶段 阶段三： 阶段三：数据传输阶段 阶段四： 阶段四：结束阶段
设备1 设备1 设备
设备2 设备
设备4 设备
设备3 设备3 设备
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总线使用权的分配
处理多个部件同时要求使用总线时引起 的总线冲突 令牌总线 冲突检测 总线仲裁
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菊花链式查询方式
BG 总线 仲裁器
BGI1 C1
BGO1
BGI2 C2
BGO2
BGIn Cn
BR
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菊花链式查询方式
BG 总线 仲裁器
BGI1 C1
BGO1
BGI2 C2
BGO2
BGIn Cn
BR
BB
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菊花链式查询方式
优点
实现简单， 实现简单，三根控制线即可实现 便于增减总线上的设备： 便于增减总线上的设备：总线控制器的结构 与部件的数量无关
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总线的操作过程
主设备
在获得总线控制权后，能启动数据的传输、 在获得总线控制权后，能启动数据的传输、发出地址 或读写控制命令并控制总线上的数据传送过程的模块 CPU、DMA控制器、外围处理器 、 控制器、 控制器
从设备
本身不具备总线控制能力， 本身不具备总线控制能力，但能够对总线主设备提出 的数据请求做出响应，接受主设备发出的地址(并进行 的数据请求做出响应，接受主设备发出的地址 并进行 译码)， 译码 ，和读写命令并执行相应的操作的模块 内存、 内存、I/O接口 接口
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令牌总线
来自百度文库
不会出现总线冲突 只有获得令牌的设备才能够使用总线
设备1 设备 令 设备2 设备
设备4 设备
设备3 设备
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冲突检测
允许出现总线冲突， 允许出现总线冲突，但在冲突后补救
设备1 设备 设备2 设备
设备4 设备
设备3 设备
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总线仲裁
分散式仲裁（分布仲裁） 分散式仲裁（分布仲裁）
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菊花链式
为每个使用总线的部件设置一定的优先级； 为每个使用总线的部件设置一定的优先级； 按照优先级顺序依次串行连接到总线仲裁器， 按照优先级顺序依次串行连接到总线仲裁器，优 先级越高的部件离总线控制部件越近； 先级越高的部件离总线控制部件越近； 控制总线中增加3根信号线做为总线控制线 根信号线做为总线控制线。 控制总线中增加 根信号线做为总线控制线。
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分离式总线协定
主设备 地址和命令 主设备 读出的数据 数据读入主设备 T
从设备 读取数据 从设备
读出的数据 送上总线
主设备占用总线的时间
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分离式总线协定
从设备 读取数据期间， 交由其它设备使用
主设备
主设备
地址和命令
数据读入主设备 读出的数据 T
从设备
读出的数据 送上总线
P237 图6.3
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总线传输握手技术
总线握手的作用： 总线握手的作用：是控制每个总线周期中 数据传输的开始和结束， 数据传输的开始和结束，以及整个总线周 期中的每个子周期的开始和结束。 期中的每个子周期的开始和结束。 四种定时协定： 四种定时协定：
同步总线协定 异步总线协定 半同步总线协定 分离式总线协定
缺点
握手过程复杂，总线周期较长 握手过程复杂， 传输速度不固定， 传输速度不固定，取决于模块的访问速度 死锁
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半同步总线协定
使用WAIT或READY信号 或 使用 信号
＝0，表示存储器或I/O设备未准备就绪，需等待; ，表示存储器或 设备未准备就绪，需等待 设备未准备就绪 设备已经就绪， ＝1，表示存储器或 ，表示存储器或I/O设备已经就绪，可以传送数 设备已经就绪 据
4. READY=0
发方在置READY＝1后， ＝ 后 发方在置 经过一段时间， 经过一段时间，自行撤除 READY，开始发送下一数据。 ，开始发送下一数据。
下一个总线周期
5. ACK=0
1. READY=1
25
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异步总线协定
优点
不同速度的设备可以协同工作， 不同速度的设备可以协同工作，适应性强
PCMCIA(Personal Computer Memory Card International Association) 一般用于笔记本
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Universal Serial Bus，通用串行总线 P&P,即插即用 速率从几K 到480Mbps
35
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常用的计算机总线－ 常用的计算机总线－AGP
Accelerated Graphics Port加速图形端口
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常用的计算机总线－ 常用的计算机总线－ PCMCIA