第8章系统总线课件.ppt
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1、2022年8月5日星期五计算机组成原理1 第第8 8章章 系统总线系统总线2022年8月5日星期五计算机组成原理2第第8 8章章 系统总线系统总线 在现代计算机系统中,无论是在计算机内在现代计算机系统中,无论是在计算机内部各部件之间,还是计算机与外部设备之间,部各部件之间,还是计算机与外部设备之间,地址、数据、控制信息的传送都是通过总线进地址、数据、控制信息的传送都是通过总线进行的,总线是信息传送的公共通路。因此,总行的,总线是信息传送的公共通路。因此,总线也是计算机系统的重要组成部分。本章介绍线也是计算机系统的重要组成部分。本章介绍系统总线,包括系统总线结构,总线的控制和系统总线,包括系统总
2、线结构,总线的控制和通信方式,信息在总线中的传送方式,微型机通信方式,信息在总线中的传送方式,微型机的总线标准,以及常用总线举例。的总线标准,以及常用总线举例。2022年8月5日星期五计算机组成原理3目目 录录8.1 8.1 总线概述总线概述8.2 8.2 总线的组成总线的组成8.3 8.3 微机总线微机总线2022年8月5日星期五计算机组成原理48.1 8.1 总线概述总线概述8.1.1 8.1.1 总线原理总线原理8.1.2 8.1.2 总线结构类型总线结构类型8.1.3 8.1.3 总线的分类总线的分类8.1.4 8.1.4 数据总线、地址总线和控制总线数据总线、地址总线和控制总线 20
3、22年8月5日星期五计算机组成原理58.1.1 8.1.1 总线原理总线原理 总线,也叫母线,是连接计算机系统各个部总线,也叫母线,是连接计算机系统各个部件和装置的线路,它是一个或多个信息源传送件和装置的线路,它是一个或多个信息源传送信息到多个目的地的数通路。信息到多个目的地的数通路。每一位二进制数码由总线中的一根线来传送,每一位二进制数码由总线中的一根线来传送,我们称为我们称为1 1位总线。每位总线。每1 1位总线都有若干发送端位总线都有若干发送端和接收端。在发送端和接收端都设有控制门,和接收端。在发送端和接收端都设有控制门,分别叫做发送门和接收门。分别叫做发送门和接收门。1 1位总线传输数
4、据位总线传输数据的示意图如下图所示。的示意图如下图所示。2022年8月5日星期五计算机组成原理6 图中发送端有图中发送端有3 3个发送门个发送门A A、B B、C C,接收端有,接收端有3 3个接个接收门收门D D、E E、F F,数据可从发送端的任一个发送门发,数据可从发送端的任一个发送门发出,可被接收端的一个或几个接收门接收。出,可被接收端的一个或几个接收门接收。2022年8月5日星期五计算机组成原理7 同一时刻总线只能传送一个数据,否则总线输出要同一时刻总线只能传送一个数据,否则总线输出要发生混乱。因此,在发送端应设有判优或仲裁逻辑,发生混乱。因此,在发送端应设有判优或仲裁逻辑,当多个数
5、据在发送端要求发送时,由判优或仲裁逻辑当多个数据在发送端要求发送时,由判优或仲裁逻辑选择一个数据发送出去,以保证传送的正确性。在上选择一个数据发送出去,以保证传送的正确性。在上图中,发送端的图中,发送端的A A、B B、C C的的3 3个发送门中,同一时刻只个发送门中,同一时刻只能有一个发送门打开,不能同时打开两个以上的发送能有一个发送门打开,不能同时打开两个以上的发送门,这叫做发送端的分时性。而接收端没有上述限制,门,这叫做发送端的分时性。而接收端没有上述限制,也即可以同时打开几个门。如某一时刻,若端口也即可以同时打开几个门。如某一时刻,若端口A A作为作为发送端,则作为接收端的发送端,则作
6、为接收端的D D、E E、F F这这3 3个门可以同时接个门可以同时接收到从收到从A A发送门所传送的数据,发送门所传送的数据,B B和和C C这两个端口也可以这两个端口也可以作为接收端接收到从作为接收端接收到从A A发送门所传送的数据发送门所传送的数据1 1位二位二进制数码。进制数码。2022年8月5日星期五计算机组成原理8 单总线结构单总线结构 单总线结构是用一组总线连接整个计算机系统的单总线结构是用一组总线连接整个计算机系统的各大功能部件,计算机系统的所有设备都挂在这条总各大功能部件,计算机系统的所有设备都挂在这条总线上,各大部件之间的所有的信息传送都通过这组总线上,各大部件之间的所有的
7、信息传送都通过这组总线。如下图线。如下图所示。所示。8.1.2 8.1.2 总线结构类型总线结构类型2022年8月5日星期五计算机组成原理9 所有连接到单总线上的计算机系统部件都共享同一地址所有连接到单总线上的计算机系统部件都共享同一地址空间。空间。I/OI/O设备地址都采取存储器映射方式编址,因而设备地址都采取存储器映射方式编址,因而指令系统中没有输入输出指令,任何访问存储器的指令指令系统中没有输入输出指令,任何访问存储器的指令都可以访问连接到总线上的任何设备。都可以访问连接到总线上的任何设备。单总线采用异步通信方式,其传输速率只与设备固有速单总线采用异步通信方式,其传输速率只与设备固有速率
8、有关,而与总线上其它子系统、总线的物理长度无关。率有关,而与总线上其它子系统、总线的物理长度无关。单总线不仅用在处理器级部件间互连,而且也可以用于单总线不仅用在处理器级部件间互连,而且也可以用于各单元部件之间的连接。它们都具有标准总线的接口。各单元部件之间的连接。它们都具有标准总线的接口。与总线连接的所有部件是互相独立的,这种总线结构便与总线连接的所有部件是互相独立的,这种总线结构便于系统部件的扩充。于系统部件的扩充。单总线结构的特点单总线结构的特点2022年8月5日星期五计算机组成原理10 单总线结构的单总线结构的缺陷是系统效率和缺陷是系统效率和连接到总线上的各连接到总线上的各设备的利用率不
9、高。设备的利用率不高。为了克服这一缺陷,为了克服这一缺陷,在有些小型机和大、在有些小型机和大、中型机中,让中型机中,让I/OI/O总线与内存总线分总线与内存总线分开,形成了双总线开,形成了双总线结构。结构。双总线结构双总线结构2022年8月5日星期五计算机组成原理11 这种总线结构有两条总线,一条是内存总线,这种总线结构有两条总线,一条是内存总线,用于用于CPUCPU、内存和通道之间进行数据传送;另一条、内存和通道之间进行数据传送;另一条是是I/OI/O总线,用于多个外围设备与通道之间进行数总线,用于多个外围设备与通道之间进行数据传送。据传送。在双总线结构中,通道是计算机系统中的一在双总线结构
10、中,通道是计算机系统中的一个独立部件,使个独立部件,使CPUCPU的效率大为提高,并可以实现的效率大为提高,并可以实现形式多样而更为复杂的数据传送。双总线的优点形式多样而更为复杂的数据传送。双总线的优点是以增加通道这一设备为代价的,通道实际上是是以增加通道这一设备为代价的,通道实际上是一台具有特殊功能的处理器,所以双总线通常在一台具有特殊功能的处理器,所以双总线通常在大、中型计算机中采用。大、中型计算机中采用。双总线结构双总线结构2022年8月5日星期五计算机组成原理12 三总线结构计算机是基于上述思想,在三总线结构计算机是基于上述思想,在CPUCPU和主存之和主存之间设置了一条独立总线,以进
11、一步提高计算机的效率。间设置了一条独立总线,以进一步提高计算机的效率。这种总线结构是在计算机系统的各部件之间采用三条各这种总线结构是在计算机系统的各部件之间采用三条各自独立的总线来构成信息通路。这三条总线是:内存总自独立的总线来构成信息通路。这三条总线是:内存总线,输入线,输入/输出(输出(I/OI/O)总线和内存访问()总线和内存访问(DMADMA)总线。)总线。三总线结构三总线结构2022年8月5日星期五计算机组成原理13 内存总线用于内存总线用于CPUCPU和内存之间传送地址、数据和内存之间传送地址、数据和控制信息;和控制信息;I/OI/O总线供总线供CPUCPU和各类外设之间的通信;和
12、各类外设之间的通信;DMADMA总线使内存和高速外设之间能够直接传送总线使内存和高速外设之间能够直接传送数据。数据。若再把不同速率的外部设备分类连接建立多条若再把不同速率的外部设备分类连接建立多条总线,则就是多总线结构了。总线,则就是多总线结构了。2022年8月5日星期五计算机组成原理14 数据总线、地址总线和控制总线数据总线、地址总线和控制总线 根据总线所传输的信息内容的不同,总线可分为地址根据总线所传输的信息内容的不同,总线可分为地址总线、数据总线和控制总线。总线、数据总线和控制总线。2.2.片级总线、内部总线和外部总线片级总线、内部总线和外部总线 根据总线在计算机系统中所处的位置不同,总
13、线又有根据总线在计算机系统中所处的位置不同,总线又有片级总线、内部总线和外部总线之分。片级总线、内部总线和外部总线之分。v片级总线是指微处理器芯片内各部件的连接总线,片级总线是指微处理器芯片内各部件的连接总线,v内部总线则是指计算机系统中各部分之间的连接总线,内部总线则是指计算机系统中各部分之间的连接总线,内部总线也可称为系统总线或板级总线;内部总线也可称为系统总线或板级总线;v外部总线则是指计算机系统间互联的总线,通常称为外部总线则是指计算机系统间互联的总线,通常称为通信总线。通常所讨论的总线是后面两种。通信总线。通常所讨论的总线是后面两种。8.1.3 8.1.3 总线的分类总线的分类202
14、2年8月5日星期五计算机组成原理15 并行总线和串行总线并行总线和串行总线并行总线:是指一次能同时传送多个二进制数并行总线:是指一次能同时传送多个二进制数位的总线。并行总线根据其数据总线所传送的位的总线。并行总线根据其数据总线所传送的二进制位数又可以分为二进制位数又可以分为8 8位总线、位总线、1616位总线、位总线、3232位总线和位总线和6464位总线。位总线。串行总线:是指二进制数的各位在一条线上是串行总线:是指二进制数的各位在一条线上是一位一位传送的。串行总线的传输速度比并行一位一位传送的。串行总线的传输速度比并行总线慢。总线慢。CRTCRT、电传打字机、远距离数据采集、电传打字机、远
15、距离数据采集设备等都采用串行传送方式。设备等都采用串行传送方式。8.1.3 8.1.3 总线的分类总线的分类2022年8月5日星期五计算机组成原理16 单向总线和双向总线单向总线和双向总线单向总线:数据只能朝一个方向传送的总线。典单向总线:数据只能朝一个方向传送的总线。典型的单向总线是地址总线,型的单向总线是地址总线,单向总线仅有一个固定的发送门,接收门可以单向总线仅有一个固定的发送门,接收门可以有多个,如下图所示(图示的发送门有有多个,如下图所示(图示的发送门有3 3个信号个信号源)。源)。8.1.3 8.1.3 总线的分类总线的分类2022年8月5日星期五计算机组成原理17 双向总线:数据
16、可以朝两个方向传送的总线,典型的双双向总线:数据可以朝两个方向传送的总线,典型的双向总线是数据总线,而控制总线的某些位是单向的,另向总线是数据总线,而控制总线的某些位是单向的,另一些位则是双向的。一些位则是双向的。双向总线可以有多个发送门(或收发门)和接收门。双向总线可以有多个发送门(或收发门)和接收门。8.1.3 8.1.3 总线的分类总线的分类2022年8月5日星期五计算机组成原理18 8.1.4 8.1.4 数据总线、地址总线和控制总线数据总线、地址总线和控制总线 数据总线数据总线 数据总线是数据总线是CPUCPU和存储器、外设之间传送指和存储器、外设之间传送指令和数据的通道,其宽度反映
17、了令和数据的通道,其宽度反映了CPUCPU一次处理、一次处理、传送的二进制位数。根据数据总线的宽度传送的二进制位数。根据数据总线的宽度(条条数数),可将微机分成,可将微机分成4 4、8 8、1616、3232位等种类。位等种类。数据总线的特点是:数据总线的特点是:双向传输。例如,在双向传输。例如,在CPUCPU和内存之间的数据和内存之间的数据线,既可以传送线,既可以传送CPUCPU到内存的数据,也可以传到内存的数据,也可以传送内存到送内存到CPUCPU的数据。数据线的数目与计算机的数据。数据线的数目与计算机字长相同。字长相同。采用三态电路。采用三态电路。2022年8月5日星期五计算机组成原理1
18、9 地址总线地址总线 地址总线用来给存储器、地址总线用来给存储器、I/OI/O口编号,以便口编号,以便CPUCPU按地址对其进行读写。因此其作用是传送按地址对其进行读写。因此其作用是传送地址信号,不仅用来传送内存地址,还用来选地址信号,不仅用来传送内存地址,还用来选择将要进行信息传输的设备。择将要进行信息传输的设备。地址线的根数反映了微处理器的寻址能力。地址线的根数反映了微处理器的寻址能力。用用n n根地址线编址的存储空间可达根地址线编址的存储空间可达2n2n个单元。个单元。地址总线的其特点是:单向传输。地址总线的其特点是:单向传输。2022年8月5日星期五计算机组成原理20 控制总线控制总线
19、 控制总线的作用是传送控制总线的作用是传送CPUCPU的控制信号,控制的控制信号,控制所要执行的操作的种类和顺序,以协调系统各部所要执行的操作的种类和顺序,以协调系统各部件的动作。各种型号的微处理器的数据总线和地件的动作。各种型号的微处理器的数据总线和地址总线在本质上是相同的,但控制总线却有着很址总线在本质上是相同的,但控制总线却有着很大的差别。三组总线中,控制总线最为复杂。大的差别。三组总线中,控制总线最为复杂。控制总线的特点是:单向传输。控制线的数目控制总线的特点是:单向传输。控制线的数目取决于计算机系统的性能。取决于计算机系统的性能。2022年8月5日星期五计算机组成原理21 控制总线主
20、要包括以下几方面:控制总线主要包括以下几方面:读写控制线:读写控制线决定数据线上数据流动的读写控制线:读写控制线决定数据线上数据流动的方向,以及是存储器读写还是方向,以及是存储器读写还是I/OI/O操作。操作。中断信号线:包括可屏蔽中断输入线、非屏蔽中断中断信号线:包括可屏蔽中断输入线、非屏蔽中断输入线和中断响应线等。输入线和中断响应线等。总线控制线:当其它主设备(如总线控制线:当其它主设备(如DMADMA控制器)欲使控制器)欲使用总线时,通过这类控制线使用总线时,通过这类控制线使CPUCPU暂时挂起,放弃对总暂时挂起,放弃对总线的占用。总线控制线一般包括总线请求线和总线响线的占用。总线控制线
21、一般包括总线请求线和总线响应线。应线。复位线:复位线:CPUCPU接收到复位信号,就进行初始化,并接收到复位信号,就进行初始化,并以指定的复位入口处开始执行程序。以指定的复位入口处开始执行程序。2022年8月5日星期五计算机组成原理22 等待线或准备就绪线:用于等待线或准备就绪线:用于CPUCPU与慢速的存储与慢速的存储器和器和I/OI/O设备同步。设备同步。主控时钟线:产生主控时钟线:产生CPUCPU各种基本操作的时基。各种基本操作的时基。其它控制线:如其它控制线:如8088/80868088/8086的地址锁存允许信的地址锁存允许信号(号(ALEALE)等。)等。上述三种总线由微处理器芯片
22、的引脚分别引出上述三种总线由微处理器芯片的引脚分别引出。2022年8月5日星期五计算机组成原理238.2 8.2 总线的组成总线的组成 总线是从两个或两个以上的源部件传送信息到一总线是从两个或两个以上的源部件传送信息到一个或多个部件的一组传输线,而导线则是仅仅连接一个或多个部件的一组传输线,而导线则是仅仅连接一个源部件到一个或多个目的部件的传输线。个源部件到一个或多个目的部件的传输线。组成总线,除了要有传输线外,重要的是总线控组成总线,除了要有传输线外,重要的是总线控制线路。制线路。由于总线有两个或两个以上的输出信息的源部件,由于总线有两个或两个以上的输出信息的源部件,多个接收信息的目的部件,
23、对于发送的信息,必须经多个接收信息的目的部件,对于发送的信息,必须经过选择判优,避免多个部件同时发送信息的矛盾。还过选择判优,避免多个部件同时发送信息的矛盾。还应对传送的信息进行定时,防止信息丢失。这样,总应对传送的信息进行定时,防止信息丢失。这样,总线中应该设置总线控制线路。总线控制线路包括总线线中应该设置总线控制线路。总线控制线路包括总线判优或仲裁控制逻辑、驱动器和中断逻辑。判优或仲裁控制逻辑、驱动器和中断逻辑。2022年8月5日星期五计算机组成原理248.2 8.2 总线的组成总线的组成8.2.1 8.2.1 总线驱动和三态门总线驱动和三态门8.2.2 8.2.2 总线控制总线控制8.2
24、.3 8.2.3 总线通信总线通信8.2.4 8.2.4 出错处理出错处理2022年8月5日星期五计算机组成原理25 总线驱动总线驱动 总线上可连接多个部件,具有扩充的灵活性,总线总线上可连接多个部件,具有扩充的灵活性,总线上能连接多少部件,是受总线的驱动能力的限制的。上能连接多少部件,是受总线的驱动能力的限制的。通常一个模块或一个部件限制在通常一个模块或一个部件限制在1 12 2个负载以内。个负载以内。在总线的传输线上至少连接两个源部件,而对集成在总线的传输线上至少连接两个源部件,而对集成电路来说,不是任意两个集成电路的输出端可以短接电路来说,不是任意两个集成电路的输出端可以短接在一起的,使
25、用不当,会损坏器件。在计算机系统中,在一起的,使用不当,会损坏器件。在计算机系统中,通常采用三态输出电路(三态门)或集极开路输出电通常采用三态输出电路(三态门)或集极开路输出电路来驱动总线。集极开路输出电路的速度较低,通常路来驱动总线。集极开路输出电路的速度较低,通常使用在使用在I/OI/O总线上。总线上。8.2.1 8.2.1 总线驱动和三态门总线驱动和三态门2022年8月5日星期五计算机组成原理26 三态门三态门 三态门是具有三种输出状态的电路,常用三态门是具有三种输出状态的电路,常用作总线驱动器。有作总线驱动器。有MOSMOS型的三态门和双极型的型的三态门和双极型的三态门两种。三态门两种
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