2019最新第7章总线及总线互连结构物理

请
请
求
求
回 答
⑴不互锁
回 答
⑶全互锁
请 求
回 答
⑵半互锁
ReadReq Address Data Ready Ack
二、总线通信的定时方式
1
2 2
3
4
6
7
45
6
异步通信（读操作）
二、总线通信的定时方式
3、半同步通信: 所有事件都由时钟定时，但信息的交换由就
绪和应答等信号控制的通信方式。 以读命令为例，若主设备在T1发出地址信号，
连接。 总线式连接：各部件均连接到一组公共信
息传输上。
一、分散连接与总线连接
存储器
输入设备
运算器
输出设备
控制器
典型的冯•诺依曼计算机结构框图
一、单总分线散（连系统接总与线总） 线连接
中央 处理
器 CPU
主存 储器 M.M
I/O接口
外部 设备1
I/O接口 … I/O接口
外部 设备2 …
外部 设备n
单总线结构框图
中央处理器 CPU
一、分散连I接/O与总线总线连接
M 总
I/O接口
I/O接口 … I/O接口
线
主存储器 M.M
外部设备1
外部设备2 … 外部设备n
面向CPU的双总线结构框图
一、分系散统连总接线 与总线连接
中央
主存
处理 存储总线 储器
器
M.M
CPU
I/O接口
外部 设备1
I/O接口 … I/O接口
入CPU的信号为输入信号。 地址线一般为输出信号，数据线为双向信
号，控制线的每一根都是单向的，有的为输出 信号，有的为输入信号。
三、总线的特性
总线的电平表示方式有两种：单端方式和 差分方式。
在单端电平方式中，用一条信号线和一条 公共接地线来传递信号。信号线中一般用高电 平表示逻辑“1”，低电平表示逻辑“0”。
五、总线的数据传输方式
2、并行传输： 并行总线的数据在数据线上同时有多位一
起传送，每一位要有一根数据线，因此有多根 数据线。
并行传输比串行传输速度要快得多，但需 要更多的传输线。
§7.2 总线控制
一、总线仲裁 二、总线通信的定时方式
一、总线仲裁
主设备：指对总线拥有控制权的设备，显 然主设备具备总线控制能力。
大部件的信息传输线。 这些部件通常安放在插件板上，故又称为
板级总线。 按系统传输信息的不同又可分为三类：数
据总线、地址总线和控制总线。
二、总线的分类
（1）、数据总线 ：
数据总线用来在各功能部件之间传输数据 信息，它是双向的传输总线。其位数与机器字 长、存储字长有关，一般为8位、16位或32位。 数据总线的条数称为数据总线的宽度。
控制总线还可以起到监视各部件状态的作 用，例如查询某个设备是否处于“忙”或“闲” 的状态。
二、总线的分类
常见的控制信号有： 时钟（Clock）：用于总线同步。 复位（Reset）：初始化所有设备。 总线请求（Bus Request）：表明发出该请求信 号的设备要使用总线。 总线允许（Bus Grant）：表明接收到该允许信 号的设备可以使用总线。 中断请求（Interrupt Request）：表明某个中 断正在请求。 中断确认 （Interrupt Request）：表明某个 中断请求已被接受。
二、总线的分类
存储器读（Memory Read）：从指定的主存单元 中读数据到数据总线上。 存储器写（Memory Write）：将数据总线上的数 据写到指定的主存单元中。 I/O读（I/O Read）：从指定的I/O端口中读数据 到数据总线上。 I/O写（I/O Write）：将数据总线上的数据写到 指定的I/O端口中。
BG0
一、总线仲裁
I/O接口0 I/O接口1 I/O接口2
独立请求方式 BR（BUS Reguest）：总线请求 BG（BUS Grant）：总线允许
数据线 地址线
二、总线通信的定时方式
总线通信的定时方式有四种：同步通信、 异步通信、半同步通信和分离式通信。
二、总线通信的定时方式
1、同步通信: 通信双方由统一时标控制数据传送。
（2）、地址总线 ：
地址总线主要用来指出数据总线上源数据 或目的数据在主存储单元或I/O端口的地址。 地址总线为单向传输，其宽度一般为16位、24 位或32位。
二、总线的分类
（3）、控制总线 ： 控制总线是用来传输各种控制信号的传输
线。 对于任何一条控制信号线而言，信号传输
是单方向的，但对于控制总线总体而言，又可 以认为是双向的，即控制信号有出有入。
二、总线通信的定时方式
⑵半互锁方式： 主模块发出请求信号，待从模块回答后再撤
其请求信号；从模块发出回答信号，经过一段时 间，确认主设备已收到回答信号后，自动撤消回 答信号。 ⑶全互锁方式：
主模块发出请求信号，待从模块回答后再撤 其请求信号；从模块发出回答信号，待主模块获 知后，再撤消其回答信号。
二、总线通信的定时方式
1、物理特性 2、电气特性 3、功能特性 4、时间特性
三、总线的特性
1、物理特性： 总线的物理特性是指总线在机械物理连接
上的特性。 包括：连线类型、数量、接插件的几何尺
寸和形状以及引脚线的排列等。
三、总线的特性
2、电气特性： 总线的电气特性是指总线的每一条信号线
的信号传递方向、信号的有效电平范围。 通常规定由CPU发出的信号为输出信号，送
T2发出读命令后，若从设备无法在T3时刻提供数 据，则必须在进入T3时刻前通知主设备，使主设 备进入等待状态，如从设备可使WAIT信号有效， 主设备在进入T3前检测到WAIT有效后插入等待周 期，直到WAIT无效为止。
即地址总线、数据总线和控制总线的信号 线之和。 6、总线控制方式：
如仲裁方式等。 7、其他指标：
如负载能力等
五、总线的数据传输方式
在计算机总线中，数据传输有两种基本方 式： 1、串行传输 2、并行传输。
五、总线的数据传输方式
1、串行传输： 数据在数据线上按位进行传输。 只需要一根数据线，线路的成本低，适合
特点： ①规定明确、统一，模块间的配合简单一致。 ②主从模块配合属强制性“同步”，必须在限定 时间内完成规定的要求。 ③对所有模块都用同一限时，这就势必造成对各 不相同速度的部件而言，必须按最慢速度部件来 设计公共时钟，严重影响总线的工作效率，也给 设计带来了局限性，缺乏灵活性。 ④一般用于总线长度较短，各部件存取时间比较 一致的场合。
于远距离的数据传输。 键盘、鼠标，调制解调器等。 RS232、P1394、USB总线等。
五、总线的数据传输方式
并串转换：被传送的数据在发送部件中必 须进行并行数据到串行数据的转换。
串并转换：在接收部件中则需要将串行数 据转换成并行数据。
码元：携带数据信息的信号单元。 波特率（码元传输速率）：每秒钟通过信 道传输的码元数。 比特率（位传输速率）：每秒钟通过信道 传输的二进制位数，单位为位/秒（bps）。 比特率大于或等于波特率。
传输数据信息，控制线用来发出控制信息，不 同的控制线其功能不同。 4：时间特性：
总线时间特性是指总线中任一根传输线在 什么时间内有效，以及每根线产生的信号之间 的时序关系。
时间特性一般可用信号时序图来说明。
四、总线的性能指标
1、总线宽度： 指数据总线的条数，用bit（位）表示。
2、标准传输率： 指在总线上每秒能传输的最大字节量，用
差分电平方式采用一对信号线来传输信号。 RS-232通讯接口采用单端方式传输，低电 平要低于-3V，表示逻辑“1”；高电平要高于 +3V，表示逻辑“0”。 RS-485、RS-422通讯接口采用差分电平方 式传输。
三、总线的特性
3、功能特性 ： 总线功能特性是指总线中每根传输线的功
能。 如地址线用来传输地址信息，数据线用来
特点：①控制方法简单，易于扩充；②对电 路故障敏感；③主设备的优先级别由BG的连接顺 序决定，不能改变。
一、总线仲裁
总 线
BS
控 BR
制
部
件
I/O接口
0
I/O接口 1
I/O接口 2
BG
数据线 地址线
链式查询方式 BS（BUS Busy）：总线忙 BRFra Baidu bibliotekBUS Reguest）：总线请求 BG（BUS Grant）：总线允许
时钟 地址 读命令 数据
二、总线总线通传信输的周期定时方式
T1
T2
T3
T4
同步通信（读操作）
时钟 地址 数据 写命令
二、总线通信的定时方式
总线传输周期
T1
T2
T3
T4
同步通信（写操作）
二、总线通信的定时方式
2、异步通信: 采用应答方式，即当主模块发出请求信号时，
一直等待从模块反馈回来“响应”信号后，才开 始通信。
MB/s表示。例如总线工作频率为33MHz，总线 宽度为32位，则其最大传输速率为132MB/s。 3、时钟同步/异步：
总线上的数据与时钟同步工作的总线称为 同步总线，与时钟不同步工作的总线称为异步 总线，
四、总线的性能指标
4、总线复用： 一个（或一组）物理线路，分时传输不同
的信号，称为总线的多路复用。 5、信号线数：
二、总线的分类
3、通信总线 ：
通信总线主要用于计算机系统之间，或计 算机系统与其他系统（如控制仪表、移动通信） 之间的通信。
通信总线由于涉及到通信距离、传输速度、 工作方式、外部工作环境等许多方面的因素， 因此差别极大，总类也特别多，但按传输方式 基本上可以分为并行传输和串行传输两种。
三、总线的特性
加主控制线（设备地址）数。
一、总线仲裁
3、独立请求方式： 每个主设备均有一对独立的BRi和BGi控制线，
在总线控制器内部有一个排队电路，根据优先次 序确定响应哪一个设备。
特点：①响应速度快，优先次序控制灵活； ②控制线数量多，总线控制复杂。
总 线 BR2 控 BG2 制 BR1 部 BG1 件 BR0
从设备：指对总线不具备控制能力的设备， 它只能响应主设备发来的命令，不能主动向总 线发出命令或数据。
一、总线仲裁
总线仲裁:指总线控制器根据一定的优先 顺序，确定能够使用总线的主设备。
总线仲裁可分为集中式和分布式两种。 集中式仲裁：将控制逻辑做在一个专门的 总线控制器或总线裁决器中，通过将所有的总 线请求集中起来利用一个特定的裁决算法进行 裁决。 分布式仲裁：没有专门的总线控制器，其 控制逻辑分散在各个部件或设备中。
制 部
BR
件
I/O接口0 I/O接口1 I/O接口2
数据线 地址线 设备地址
计数器定时查询方式 BS（BUS Busy）：总线忙 BR（BUS Reguest）：总线请求
一、总线仲裁
特点： ①计数器是循环的，故主设备的优先级相等; ②计数器可以预置为某个值，故可以改变主
设备的优先顺序； ③对电路故障不如链式查询敏感,但需要增
外部
外部
设备2 … 设备n
以存储器为中心的双总线结构框图
二、总线的分类
1、片内总线 2、系统总线 3、通信总线
二、总线的分类
1、片内总线： 芯片内部的总线。 例如：CPU芯片内部寄存器与寄存器之间、
寄存器与算术逻辑单元ALU之间的总线。
二、总线的分类
2、系统总线： CPU、主存、I/O（通过I/O接口）设备各
第7章 总线及总线互连结构
§7.1 总线的基本概念 §7.2 总线控制 §7.3 总线接口单元 §7.4 总线标准 §7.5 总线结构
§7.1 总线的基本概念
一、分散连接与总线连接 二、总线的分类 三、总线的特性 四、总线的性能指标 五、总线的数据传输方式
一、分散连接与总线连接
计算机五大部件之间的互连方式有两种： 分散式连接：各部件之间通过单独的连线
一、总线仲裁
集中式仲裁有三种仲裁方式： 链式查询、计数器定时查询、独立请求方
式
一、总线仲裁
1、链式查询
当某个主设备需要使用总线时，通过总线请 求(BR)发出请求，总线控制器通过总线允许（BG） 响应，总线允许采用串联方式传递，即总线允许 传到某个设备时，若该设备无总线请求，则总线 允许信号往下传，若该设备请求总线使用权，则 封锁总线允许信号，不再往下传，从而获得总线 使用权,同时使总线忙（BS）有效。
一、总线仲裁
2、计数器定时查询：
总线控制器接到由总线请求送来的请求后， 在总线未被使用（总线忙无效）的情况下，使计 数器开始计数，并把计数值作为地址信息发给各 主设备，当某个有总线请求的设备地址与该计数 值相同时，便获得总线控制权，并将总线忙置为 有效，总线控制器停止计数。
一、总线仲裁
总
线
控 BS
异步通信方式可分为不互锁、半互锁和全互 锁三种类型。 ⑴不互锁方式：
主模块发出请求信号后，不等待接到从模块 的回答信号，而是经过一段时间，确认从模块已 收到请求信号后，便撤消其请求信号；从设备接 到请求信号后，在条件允许时发出回答信号，并 且经过一段时间，确认主设备已收到回答信号后， 自动撤消回答信号。