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1、计算机组成原理任课教师：石磊郑州大学信息工程学院计算机系Email:Tel:13676986863Monday,January 23,20231第一章第一章 概述概述第二章第二章 计算机中的数据表示计算机中的数据表示第三章第三章 运算方法和运算器运算方法和运算器第四章第四章 存储器及存储系统存储器及存储系统第五章第五章 指令系统指令系统 第六章第六章 中央处理器中央处理器 第七章第七章 系统总线系统总线第八章第八章 输入输出系统输入输出系统第九章第九章 计算机外部设备计算机外部设备 第十章第十章 计算机系统结构计算机系统结构目录2计算机组成原理计算机组成原理 第七章系统总线第七章系统总线第第7
2、章章 系统总线系统总线计算机组成原理计算机组成原理 清华大学出版社清华大学出版社教学目标教学重点教学过程1/23/20233计算机组成原理计算机组成原理 第七章系统总线第七章系统总线教学目标教学目标l了解系统总线的结构了解系统总线的结构l了解总线的控制、数据传输和接口了解总线的控制、数据传输和接口1/23/20234计算机组成原理计算机组成原理 第七章系统总线第七章系统总线教学重点教学重点l系统总线的结构系统总线的结构l总线的控制、数据传输和接口总线的控制、数据传输和接口1/23/20235计算机组成原理计算机组成原理 第七章系统总线第七章系统总线教学过程教学过程l7.1 系统总线的结构系统总
3、线的结构l7.2 总线的控制、数据传输和接口总线的控制、数据传输和接口l7.3 常用总线举例常用总线举例1/23/20236计算机组成原理计算机组成原理 第七章系统总线第七章系统总线7.1系统总线的结构系统总线的结构l计算机系统中存储器、计算机系统中存储器、CPU等功能部件之间必须互联，才等功能部件之间必须互联，才能组成计算机系统。能组成计算机系统。l部件之间的互联方式部件之间的互联方式:分散连接分散连接：各部件之间通过单独的连线互联：各部件之间通过单独的连线互联总线连接总线连接：将各个部件连接到一组公共信息传输线上。：将各个部件连接到一组公共信息传输线上。总线结构的两个主要优点是总线结构的两
4、个主要优点是灵活：体现在新加部件可以很容易地加到总线上并灵活：体现在新加部件可以很容易地加到总线上并且部件可以在使用相同总线的计算机系统之间互换且部件可以在使用相同总线的计算机系统之间互换低成本。低成本。l现代计算机普遍使用的是总线互联结构现代计算机普遍使用的是总线互联结构。1/23/20237计算机组成原理计算机组成原理 第七章系统总线第七章系统总线7.1.1 总线的基本概念总线的基本概念l总总线线是是连连接接两两个个或或多多个个功功能能部部件件的的一一组组共共享享的的信信息息传传输输线线，它它的的主主要要特特征征就就是是多多个个部部件件共共享享传传输输介介质质。一一个个部部件件发发出出的的
5、信信号号可可以以被被连连接接到到总总线线上上的的其其他他所所有有部部件件所所接接收收。总总线线通通常常由由许许多多传传输输线线或或通通路路构构成成，在在并并行行传传输输条条件件下下，每每条条线线可可传传输输一一位位二二进进制制信信息息，若若干干条条线线可可同同时时传传输输多多位位二二进进制信息。制信息。1/23/20238计算机组成原理计算机组成原理 第七章系统总线第七章系统总线7.1.1 总线的基本概念总线的基本概念（1/5）1.总线的特性和分类总线的特性和分类（1）物理特性）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
6、型、数量、接插件的几何尺寸和形状以及引脚线连线类型、数量、接插件的几何尺寸和形状以及引脚线的排列等。的排列等。（2）电气特性）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、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。通常规定由信号的有效电平范围。通常规定由CPU发出的信号为输发出的信号为输出信号，送入出信号，送入CPU的信号为输入信号。的信号为输入信号。1/23/20239计算机组成原理计算机组成原理 第七章系统总线第七章系统总线7.1.1 总线的基本概念总线的基本概念（2/5）1.总线的特性和分类总线的特性和分类（3）功能特性）功能特性 总线功能特
7、性是指总线中每根传输线的功能。不同的控制总线功能特性是指总线中每根传输线的功能。不同的控制线功能不同，如地址线用来传输地址信息，数据线用来传线功能不同，如地址线用来传输地址信息，数据线用来传输数据信息，控制线用来发出控制信息。输数据信息，控制线用来发出控制信息。（4）时间特性）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，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。以及每根线产生的信号之间的时序关系。1/23/202310计算机组成原理计算机组成原理 第七章系统总线第七章系统总线7.1.1 总线的基本概念总线的基本概念（3/5）1.总
8、线的特性和分类总线的特性和分类计算机系统中含有多种总线，在各个层次上提供部件之间连接和信息交计算机系统中含有多种总线，在各个层次上提供部件之间连接和信息交换的通路。根据所连接部件的不同，总线通常被分成三种类型：换的通路。根据所连接部件的不同，总线通常被分成三种类型：内部总线：内部总线：指芯片内部连接各元件的总线。例如指芯片内部连接各元件的总线。例如CPU芯片内部，芯片内部，在各个寄存器、在各个寄存器、ALU、指令部件等各元件之间也有总线相连。指令部件等各元件之间也有总线相连。系统总线：系统总线：指连接指连接CPU、存储器和各种存储器和各种I/O模块等主要部件的总线。模块等主要部件的总线。由于这
9、些部件通常制作在插件板卡上，所以连接这些部件的总线由于这些部件通常制作在插件板卡上，所以连接这些部件的总线一般是主板式或底板式总线，主板式总线是一种板级总线，主要一般是主板式或底板式总线，主板式总线是一种板级总线，主要连接主机系统印刷电路板中的连接主机系统印刷电路板中的CPU和主存等部件，因此也被称为和主存等部件，因此也被称为处理器主存总线，有的系统把它称为局部总线或处理器总线。处理器主存总线，有的系统把它称为局部总线或处理器总线。底板式总线通常用于连接系统中的各个功能模块，实现系统中的底板式总线通常用于连接系统中的各个功能模块，实现系统中的各个电路板的连接。典型的有各个电路板的连接。典型的有
10、PCI总线、总线、VME总线等。总线等。I/O总线：总线：这类总线用于主机和这类总线用于主机和I/O设备之间或计算机系统之间的通设备之间或计算机系统之间的通信。由于这类连接涉及到许多方面，包括：距离远近、速度快慢、信。由于这类连接涉及到许多方面，包括：距离远近、速度快慢、工作方式等，差异很大，所以工作方式等，差异很大，所以I/O总线的种类很多。总线的种类很多。1/23/202311计算机组成原理计算机组成原理 第七章系统总线第七章系统总线7.1.1 总线的基本概念总线的基本概念（4/5）2.系统总线的带宽系统总线的带宽 尽管一个总线的带宽主要由总线定时方式所用的协议决定，但其他几尽管一个总线的
11、带宽主要由总线定时方式所用的协议决定，但其他几个因素也影响带宽。它们是：个因素也影响带宽。它们是：数据总线宽度数据总线宽度。增加数据总线的宽度可使总线一次传。增加数据总线的宽度可使总线一次传输更多数据位。输更多数据位。信号线是专用还是分时复用信号线是专用还是分时复用。将地址线和数据线单独。将地址线和数据线单独设置可使写操作的性能更高，因为地址和数据可在同设置可使写操作的性能更高，因为地址和数据可在同一个总线周期内传送出去。总线周期指总线上两个设一个总线周期内传送出去。总线周期指总线上两个设备进行一次信息传输所需要的时间。备进行一次信息传输所需要的时间。是否允许大数据块传送是否允许大数据块传送。
12、如果允许总线以背靠背总线。如果允许总线以背靠背总线周期连续传送多个字而不发送地址信息或释放总线，周期连续传送多个字而不发送地址信息或释放总线，那么可以减少传送一个大数据块所需的时间，提高总那么可以减少传送一个大数据块所需的时间，提高总线带宽。这就是前面讲的串并结合的方式，也称突发线带宽。这就是前面讲的串并结合的方式，也称突发数据传送方式。数据传送方式。1/23/202312计算机组成原理计算机组成原理 第七章系统总线第七章系统总线7.1.1 总线的基本概念总线的基本概念（5/5）3.系统总线的组成系统总线的组成 一个系统总线通常由一组控制线、一组数据线和一个系统总线通常由一组控制线、一组数据线
13、和一组地址线构成。也有些总线没有单独的地址线，一组地址线构成。也有些总线没有单独的地址线，地址信息通过数据线来传送，这种情况称为数据地址信息通过数据线来传送，这种情况称为数据线和地址线复用。线和地址线复用。数据线数据线用来承载在源部件和目的部件之问传输的信息，用来承载在源部件和目的部件之问传输的信息，这个信息可能是数据、命令、或地址（如果数据线和这个信息可能是数据、命令、或地址（如果数据线和地址线复用的话）。地址线复用的话）。地址线地址线用来给出源数据或目的数据所在的主存单元或用来给出源数据或目的数据所在的主存单元或I/O端口的地址。端口的地址。控制线控制线用来控制对数据线和地址线的访问和使用
14、。用来控制对数据线和地址线的访问和使用。1/23/202313计算机组成原理计算机组成原理 第七章系统总线第七章系统总线7.1.2 总线的连接方式总线的连接方式（1/4）1.连接方式连接方式（1）单总线结构）单总线结构 在许多单处理器的计算机中，使用一条单一的系统总线来在许多单处理器的计算机中，使用一条单一的系统总线来连接连接CPU、主存和主存和I/O设备，叫做单总线结构。设备，叫做单总线结构。外设存储器CPU图7-1 单总线的组成结构单总线1/23/202314计算机组成原理计算机组成原理 第七章系统总线第七章系统总线7.1.2 总线的连接方式总线的连接方式（2/4）1.连接方式连接方式（2
15、）双总线结构）双总线结构 在双总线结构中，存在两种总线：在双总线结构中，存在两种总线：l存储总线存储总线 用于用于CPU与主存储器的信息交换。与主存储器的信息交换。lI/O总线总线 用于外设与主机的信息交换。用于外设与主机的信息交换。（a）以CPU为中心存储总线I/O总线外设存储器CPU（c）采用通道形式（b）以存储器为中心存储总线I/O总线I/O总线外设存储器CPU存储总线外设外设CPU图7-2 双总线的组成结构存储器通道1/23/202315计算机组成原理计算机组成原理 第七章系统总线第七章系统总线7.1.2 总线的连接方式总线的连接方式（3/4）1.连接方式连接方式（3）多总线结构）多总
16、线结构 在双总线结构的基础之上，为了使高速外设（如磁盘机）在双总线结构的基础之上，为了使高速外设（如磁盘机）能高速度地与主存储器进行数据交换，在高速外设与主存能高速度地与主存储器进行数据交换，在高速外设与主存储器之间可以增设直接存储器访问（储器之间可以增设直接存储器访问（DMA：Direct Memory Access）方式的高速方式的高速I/O总线（总线（DMA总线），从总线），从而形成多总线结构。而形成多总线结构。存储总线DMA总线I/O总线存储器CPU图7-3 多总线的组成结构外设外设1/23/202316计算机组成原理计算机组成原理 第七章系统总线第七章系统总线7.1.2 总线的连接方
17、式总线的连接方式（4/4）2.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最大存储容量最大存储容量：例如在单总线系统中，对主存和外设进行存取例如在单总线系统中，对主存和外设进行存取的差别，仅仅在于出现总线上的地址不同，为此必须为外围设的差别，仅仅在于出现总线上的地址不同，为此必须为外围设备保留某些地址。由于某些地址必须用于外围设备，所以在单备保留某些地址。由于某些地址必须用于外围设备，所以在单总线系统中，最大主存容量必须小于计算机字长所决定的可能总线系统中，最大主存容量必须小于计算机字长所决定的可能的地址总数。的地址总数。指令系统指令系统：在双总线系统中，在双总线系统中，CPU
18、CPU对存储总线和系统总线必须有对存储总线和系统总线必须有不同的指令系统，这是因为操作码规定了要使用哪一条总线，不同的指令系统，这是因为操作码规定了要使用哪一条总线，所以在双总线系统中，访存操作和输入输出操作各有不同的指所以在双总线系统中，访存操作和输入输出操作各有不同的指令。令。吞吐量吞吐量：计算机系统的吞吐量是指流入、处理和流出的信息的计算机系统的吞吐量是指流入、处理和流出的信息的速率。它取决于信息输入内存的速度、速率。它取决于信息输入内存的速度、CPUCPU取指、存取数据的速取指、存取数据的速度，以及所得结果从内存送给一台外围设备的速度。这些步骤度，以及所得结果从内存送给一台外围设备的速
19、度。这些步骤中每一步都关系到主存，因此，系统吞吐量主要取决于主存的中每一步都关系到主存，因此，系统吞吐量主要取决于主存的存取周期。存取周期。1/23/202317计算机组成原理计算机组成原理 第七章系统总线第七章系统总线7.2 总线的控制、数据传输和接口总线的控制、数据传输和接口l总线的信号线类型有专用和复用两种。总线的信号线类型有专用和复用两种。专用信号线专用信号线就是指这种信号线专门用来传送某一种信息。例如，使用分就是指这种信号线专门用来传送某一种信息。例如，使用分立的数据线和地址线。立的数据线和地址线。复用信号线复用信号线就是指一种信号线在不同的时间传输不同的信息。例如，采就是指一种信号
20、线在不同的时间传输不同的信息。例如，采用数据、地址线分时复用的方式，用一组数据线在地址阶段传送地址信用数据、地址线分时复用的方式，用一组数据线在地址阶段传送地址信息，在数据阶段传送数据信息。这样就使得地址和数据通过同一组数据息，在数据阶段传送数据信息。这样就使得地址和数据通过同一组数据线进行传输。从而实现了复用。线进行传输。从而实现了复用。l信号线的分时复用的优点：可以使用较少的线传输更多的信息，从而信号线的分时复用的优点：可以使用较少的线传输更多的信息，从而节省了空间和成本。节省了空间和成本。l信号线的分时复用的缺点：信号线的分时复用的缺点：挂接的每个部件的电路变得更复杂了。挂接的每个部件的
21、电路变得更复杂了。因为共享同一线路的事件不能同时发生，所以它还潜在地降低了性能。因为共享同一线路的事件不能同时发生，所以它还潜在地降低了性能。例如，存储器写事务中，如果采用数据和地址专用线的话，主存单元地例如，存储器写事务中，如果采用数据和地址专用线的话，主存单元地址和数据可以同时送到总线上，而数据和地址线分时复用的情况下就不址和数据可以同时送到总线上，而数据和地址线分时复用的情况下就不能这样。能这样。1/23/202318计算机组成原理计算机组成原理 第七章系统总线第七章系统总线7.2.1 总线的控制总线的控制（1/6）l最简单的系统可以只有一个总线主控设备：处理器。在一最简单的系统可以只有
22、一个总线主控设备：处理器。在一个单主控设备系统中，所有总线操作都必须由处理器控制，个单主控设备系统中，所有总线操作都必须由处理器控制，所以无需总线裁决。所以无需总线裁决。l另一种选择是采用多个总线主控设备，每个主控设备都能另一种选择是采用多个总线主控设备，每个主控设备都能启动数据传送。启动数据传送。l决定哪个总线主控设备将在下次得到总线使用权的过程被决定哪个总线主控设备将在下次得到总线使用权的过程被称为总线裁决。进行总线裁决有多种方案。从大的方面来称为总线裁决。进行总线裁决有多种方案。从大的方面来讲，有两类总线裁决方式：集中式和分布式。前者将控制讲，有两类总线裁决方式：集中式和分布式。前者将控
23、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。而在分布式的裁决方式中，没有专门的总线控制器，决。而在分布式的裁决方式中，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。其控制逻辑分散在各个部件或设备中。1/23/202319计算机组成原理计算机组成原理 第七章系统总线第七章系统总线7.2.1 总线的控制总线的控制（2/6）l在选择哪个设备获得总线使用权时，一般的裁决在选择哪个设备获得总线使用权时，一般的裁决方案通常试图平衡两个因
24、素。方案通常试图平衡两个因素。（1）“等级性等级性”即每个主控设备有一个总线优先级，具有最高优即每个主控设备有一个总线优先级，具有最高优先级的设备应该先被服务：先级的设备应该先被服务：（2）“公平性公平性”即任何设备，即使是具有最低优先权的设备也不即任何设备，即使是具有最低优先权的设备也不能永远得不到总线使用权。这种能永远得不到总线使用权。这种“公平性公平性”保证保证了想使用总线的每个设备最终总能得到总线。除了想使用总线的每个设备最终总能得到总线。除了上述因素外，更复杂的方案考虑怎样缩短总线了上述因素外，更复杂的方案考虑怎样缩短总线裁决时间。裁决时间。图10-3 阵列处理机结构1/23/202
25、320计算机组成原理计算机组成原理 第七章系统总线第七章系统总线7.2.1 总线的控制总线的控制（3/6）1.集中裁决方式集中裁决方式（1）菊花链查询方式）菊花链查询方式总 线 控 制 部 件设备0设备1设备nBGBRBS数据线地址线图7-4 菊花链查询方式1/23/202321计算机组成原理计算机组成原理 第七章系统总线第七章系统总线7.2.1 总线的控制总线的控制（4/6）（2）计数器定时查询方式计数器定时查询方式图7-5 计数器定时查询方式数据线总 线 控 制 部 件设备0设备1设备nBRBS地址线设备线1/23/202322计算机组成原理计算机组成原理 第七章系统总线第七章系统总线7.
26、2.1 总线的控制总线的控制（5/6）（3）独立请求方式）独立请求方式数据线图7-6 独立请求方式总 线 控 制 部 件设备0设备1设备nBR0BG0地址线BR1BG1BR2BG21/23/202323计算机组成原理计算机组成原理 第七章系统总线第七章系统总线7.2.1 总线的控制总线的控制（6/6）2.分布式裁决方式分布式裁决方式（1）自举分布式裁决）自举分布式裁决 在冲突检测分布式裁决方案也使用多个请求线，不需要中心裁决器，在冲突检测分布式裁决方案也使用多个请求线，不需要中心裁决器，每个设备独立地决定自己是否是最高优先级请求者。每个设备独立地决定自己是否是最高优先级请求者。（2）冲突检测分
27、布式裁决）冲突检测分布式裁决 在冲突检测分布式裁决方案中，每个设备独立地请求总线，多个同时在冲突检测分布式裁决方案中，每个设备独立地请求总线，多个同时使用总线的设备会产生冲突，这时冲突被检测到，按照某种策略在冲使用总线的设备会产生冲突，这时冲突被检测到，按照某种策略在冲突的各方选择一个设备。突的各方选择一个设备。l存储器写（不可重试）：当处理器要写回一个更新的存储器写（不可重试）：当处理器要写回一个更新的Cache行到存储行到存储器（淘汰）以便为一个新行腾出空间时，由处理器发出该事务。器（淘汰）以便为一个新行腾出空间时，由处理器发出该事务。l存储器写（可重试）：当处理器执行到某指令需写数据到存
28、储器中去存储器写（可重试）：当处理器执行到某指令需写数据到存储器中去时，由处理器发出该事务。时，由处理器发出该事务。1/23/202324集中裁决：链式查询方式集中裁决：链式查询方式总总线线控控制制部部件件I/O接口接口0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口nBG数据线数据线地址线地址线BS -总线忙总线忙BR-总线请求总线请求BG-总线同意总线同意I/O接口接口11/23/202325 0BS -总线忙总线忙BR-总线请求总线请求总总线线控控制制部部件件数据线数据线地址线地址线I/O接口接口0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口n设备地址设备地址集中裁决：计数器定时查询方式集中裁决：计数
29、器定时查询方式I/O接口接口1 计数器计数器设备地址设备地址 11/23/202326排队器排队器排队器排队器集中裁决：独立请求方式集中裁决：独立请求方式总总线线控控制制部部件件数据线数据线地址线地址线I/O接口接口0I/O接口接口1I/O接口接口nBR0BG0BR1BG1BRnBGnBG-总线同意总线同意BR-总线请求总线请求1/23/202327分布式裁决分布式裁决中央中央处理器处理器设备接口设备接口0设备接口设备接口1设备接口设备接口N3121/23/202328计算机组成原理计算机组成原理 第七章系统总线第七章系统总线7.2.2 总线的数据传输方式总线的数据传输方式（1/2）1.串行传
30、输串行传输串行总线的数据在数据线上按位进行传输，因此只需要一根数据串行总线的数据在数据线上按位进行传输，因此只需要一根数据线，线路的成本低，适合于远距离的数据传输。线，线路的成本低，适合于远距离的数据传输。在进行串行传输时，按顺序传送一个数据的所有二进位的脉冲信在进行串行传输时，按顺序传送一个数据的所有二进位的脉冲信号，每次一位，被传送的数据在发送部件中必须进行并行数据到号，每次一位，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，这个过程称为拆卸；而在接收部件中则需要将串行数据的转换，这个过程称为拆卸；而在接收部件中则需要将串行数据转换成并行数据，这个过程称为装配。串行数据转换成并
31、行数据，这个过程称为装配。串行总线是一种信息传输信道。在信息传输通道中，携带数据信串行总线是一种信息传输信道。在信息传输通道中，携带数据信息的信号单元叫码元，每秒钟通过信道传输的码元数称为码元传息的信号单元叫码元，每秒钟通过信道传输的码元数称为码元传输速率，简称波特率。输速率，简称波特率。串行传输方式可分为同步方式和异步方式两种。在异步传输方式串行传输方式可分为同步方式和异步方式两种。在异步传输方式中，每个字符要用一位起始位和若干停止位作为字符传输的开始中，每个字符要用一位起始位和若干停止位作为字符传输的开始和结束标志，需占用一定的时间。所以在进行数据块传送时，为和结束标志，需占用一定的时间。
32、所以在进行数据块传送时，为了提高速度，一般把每个字符前后的附加位去掉，而将若干个字了提高速度，一般把每个字符前后的附加位去掉，而将若干个字符作为一个数据块一起传送，在数据块的开始和结尾处用一个或符作为一个数据块一起传送，在数据块的开始和结尾处用一个或若干个同步字符作标志。这种方式称为同步串行传输方式。若干个同步字符作标志。这种方式称为同步串行传输方式。1/23/202329计算机组成原理计算机组成原理 第七章系统总线第七章系统总线7.2.2 总线的数据传输方式总线的数据传输方式（2/2）2.并行传输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，每并行总线的数据在数据线上同时有多位一起传送
33、，每一位要有一根数据线，因此有多根数据线。并行传输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。比串行传输速度要快得多，但需要更多的传输线。衡量并行总线速度的指标是最大数据传输率，即单位衡量并行总线速度的指标是最大数据传输率，即单位时间内在总线上传输的最大信息量。时间内在总线上传输的最大信息量。为了减少线路的数量，可以将并行方式和串行方式结为了减少线路的数量，可以将并行方式和串行方式结合起来。当数据线不是很宽时，采用分多次传输的方合起来。当数据线不是很宽时，采用分多次传输的方法来实现，例如在主存和法来实现，例如在主存和Cache之问传输数据块时常之问
34、传输数据块时常采用连续串行传输多个字的方法进行。这种总线传输采用连续串行传输多个字的方法进行。这种总线传输方式称为突发式数据传送模式。方式称为突发式数据传送模式。1/23/202330计算机组成原理计算机组成原理 第七章系统总线第七章系统总线7.2.3 总线的的接口总线的的接口（1/5）1.接口的基本概念接口的基本概念（1）接口的定义）接口的定义 广义的说，广义的说，“接口接口”是指中央处理器（是指中央处理器（CPU）和内和内存、外部设备、两种外部设备间或两种机器之间存、外部设备、两种外部设备间或两种机器之间通过总线连接的逻辑部件。接口部件在它所连接通过总线连接的逻辑部件。接口部件在它所连接的
35、两部件之间起着的两部件之间起着“转换器转换器”的作用，以便实现彼的作用，以便实现彼此之间的信息传送。此之间的信息传送。一个典型的计算机系统具有各种类型的外部设备，一个典型的计算机系统具有各种类型的外部设备，因而有各种类型的接口。因而有各种类型的接口。为了使所有的外部设备能够兼容，并能在一起正为了使所有的外部设备能够兼容，并能在一起正常工作，常工作，CPU规定了不同的信息传送控制方法。规定了不同的信息传送控制方法。1/23/202331计算机组成原理计算机组成原理 第七章系统总线第七章系统总线7.2.3 总线的的接口总线的的接口（2/5）（2）接口的功能）接口的功能 数据转换数据转换 不同类型的
36、数据必须经过转换过程才能被对方不同类型的数据必须经过转换过程才能被对方识别和接收。识别和接收。数据缓冲与时序配合数据缓冲与时序配合 在接口电路中，一般设置几个数据在接口电路中，一般设置几个数据缓冲寄存器，从而接口具备一定的缓冲存储能力。缓冲寄存器，从而接口具备一定的缓冲存储能力。提供外部设备和接口的状态提供外部设备和接口的状态 在接口线路中设置设备和接在接口线路中设置设备和接口状态寄存器，口状态寄存器，CPU可以通过读取其内容了解外部设备和接可以通过读取其内容了解外部设备和接口线路的工作状态，调整对外部设备及数据接口的指令。口线路的工作状态，调整对外部设备及数据接口的指令。实现主机和外部设备之
37、间的通信联络控制实现主机和外部设备之间的通信联络控制 主要通信联络主要通信联络控制工作包括设备选择、操作时序的控制与协调、中断的请控制工作包括设备选择、操作时序的控制与协调、中断的请求与批准、主机命令与求与批准、主机命令与I/O设备状态的交换与传递。设备状态的交换与传递。电平匹配和负载匹配电平匹配和负载匹配 总线信号电平通常是与总线信号电平通常是与TTL兼容的，兼容的，而外设的而外设的I/O信号有信号有TTL电平和其它规格的电平。当电平不同电平和其它规格的电平。当电平不同时，需经过接口电路进行电平转换。时，需经过接口电路进行电平转换。1/23/202332计算机组成原理计算机组成原理 第七章系
38、统总线第七章系统总线7.2.3 总线的的接口总线的的接口（3/5）2.接口的分类接口的分类（1）按数据传输宽度分类）按数据传输宽度分类并行接口并行接口 主机与接口、接口与外部设备之间都是对一个字节或几个主机与接口、接口与外部设备之间都是对一个字节或几个字节各位同时进行处理的方式完成信息传递工作，即每次传送一个字节各位同时进行处理的方式完成信息传递工作，即每次传送一个字节或几个字节的全部代码。因此并行接口的数据通路是按字或字字节或几个字节的全部代码。因此并行接口的数据通路是按字或字节设置的。一般当节设置的。一般当I/OI/O设备本身是按照并行方式工作，并且主机与外设备本身是按照并行方式工作，并且
39、主机与外部设备之间距离较近时，选用并行接口。部设备之间距离较近时，选用并行接口。串行接口串行接口 接口与主机之间完全按照并行的方式传递数据。但接口与接口与主机之间完全按照并行的方式传递数据。但接口与I/OI/O设备之间有时是按照每次传送一位的方式实现数据传递，即每个设备之间有时是按照每次传送一位的方式实现数据传递，即每个字节是按位依次传送的。因此要求串行接口必须设置具有移位功能字节是按位依次传送的。因此要求串行接口必须设置具有移位功能的数据缓冲器，以实现数据格式的串并转换。同时还要求接口中的数据缓冲器，以实现数据格式的串并转换。同时还要求接口中同步定时脉冲信号来控制信息的传递速率，以保证信号能
40、够在接口同步定时脉冲信号来控制信息的传递速率，以保证信号能够在接口与外部设备之间实现同步串行传送。一般的低速与外部设备之间实现同步串行传送。一般的低速I/OI/O设备、计算机网设备、计算机网络的远程终端设备以及通信系统的终端采用串行接口。络的远程终端设备以及通信系统的终端采用串行接口。1/23/202333总线接口总线接口 1.1.串行传送串行传送只只有有一一条条传传输输线线，每每次次一一位位，按按顺顺序序来来传传送送表表示示一个数码的所有二进制位一个数码的所有二进制位(bit)(bit)2.2.并行传送并行传送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。二二进进制制数数“0
41、”0”或或“1”1”在不同的线上同时进行传送在不同的线上同时进行传送1/23/202334计算机组成原理计算机组成原理35串行通信l串串行行通通信信：将将数数据据分分解解成成二二进进制制位位用用一一条条信信号号线，一位一位顺序传送的方式线，一位一位顺序传送的方式l串串行行通通信信的的优优势势：用用于于通通信信的的线线路路少少，因因而而在在远距离通信时可以极大地降低成本远距离通信时可以极大地降低成本l通信协议通信协议（通信规程）：收发双方共同遵守（通信规程）：收发双方共同遵守解解决决传传送送速速率率、信信息息格格式式、位位同同步步、字字符符同同步步、数据校验等问题数据校验等问题l串串行行通通信信
42、适适合合于于远远距距离离数数据据传传送送，也也常常用用于于速速度要求不高的近距离数据传送度要求不高的近距离数据传送lPCPC系系列列机机上上有有两两个个串串行行异异步步通通信信接接口口、键键盘盘、鼠标器与主机间采用串行数据传送鼠标器与主机间采用串行数据传送计算机组成原理计算机组成原理36通信方式l串行异步通信串行异步通信：以字符为单位进行传输：以字符为单位进行传输l串串行行同同步步通通信信：以以一一个个数数据据块块（帧帧）为为传传输输单单位位，每每个个数数据据块块附附加加1个个或或2个个同同步步字字符符，最最后后以校验字符结束以校验字符结束l传输制式传输制式全双工全双工：双根传输线，能够同时发
43、送和接收：双根传输线，能够同时发送和接收半双工半双工：单根传输线，不能同时发送和接收：单根传输线，不能同时发送和接收单工单工：单根传输线只用作发送或只用作接收：单根传输线只用作发送或只用作接收l调调制制解解调调器器ModemModem：通通信信线线路路信信号号与与计计算算机机数数字信号相互转换的设备字信号相互转换的设备计算机组成原理计算机组成原理37起起始始位位每每个个字字符符开开始始传传送送的的标标志志，起始位采用逻辑起始位采用逻辑0电平电平数数据据位位数数据据位位紧紧跟跟着着起起始始位位传传送送。由由58个二进制位组成，低位先传送个二进制位组成，低位先传送校校验验位位用用于于校校验验是是否
44、否传传送送正正确确；可可选择奇检验、偶校验或不传送校验位选择奇检验、偶校验或不传送校验位停停止止位位表表示示该该字字符符传传送送结结束束。停停止止位采用逻辑位采用逻辑1电平，可选择电平，可选择1、1.5或或2位位起止式异步通信字符格式起始位起始位校验位校验位停止位停止位空闲位空闲位数据位数据位低位低位高位高位字符字符0/10/1 0/10/10/10/10/10/11 10 01 11 11 1空空闲闲位位传传送送字字符符之之间间的的逻逻辑辑1电电平平，表示没有进行传送表示没有进行传送计算机组成原理计算机组成原理38数据传输速率l数据传输速率数据传输速率比特率比特率（Bit Rate）每秒传输
45、的每秒传输的二进制位数二进制位数bps字字符符中中每每个个二二进进制制位位持持续续的的时时间间长长度度都都一一样样，为为数数据传输速率的倒数据传输速率的倒数l进行二进制数码传输，每位时间长度相等：进行二进制数码传输，每位时间长度相等：比特率比特率波特率波特率（Baud Rate）l过去，限制在过去，限制在50 bps到到9600 bps之间之间l现在，可以达到现在，可以达到115200 bps或更高或更高【例例】利利用用串串行行方方式式传传送送字字符符，每每秒秒钟钟传传送送的的数数据据位位数数常常称称为为波波特特。假假设设数数据据传传送送速速率率是是120120个个字字符符/秒秒，每每一一个个
46、字字符符格格式式规规定定包包含含1010个个数数据据位位(起起始始位位、停停止止位位、8 8个个数数据据位位)，问问传传送送的的波波特数是多少？每个数据位占用的时间是多少特数是多少？每个数据位占用的时间是多少？【解解】：波特数为：波特数为：10位位120/秒秒=1200波特波特 每个数据位占用的时间每个数据位占用的时间Td是波特数的倒数：是波特数的倒数：Td=1/1200=0.8330.001s=0.833ms发送发送8位数据：位数据：59H01011001B，偶校验、两个停止位，偶校验、两个停止位1/23/202339计算机组成原理计算机组成原理 第七章系统总线第七章系统总线7.2.3 总线
47、的的接口总线的的接口（4/5）（2）按操作的节拍分类）按操作的节拍分类 同步接口同步接口 同步接口的数据传送是按照同步接口的数据传送是按照CPUCPU的控制节拍进行。无论是的控制节拍进行。无论是CPUCPU与接口之间，还是接口与外部设备之间的数据交换都由与接口之间，还是接口与外部设备之间的数据交换都由CPUCPU控制控制节拍的协调，与节拍的协调，与CPUCPU的节拍同步。这种接口的控制简单，但其操作时的节拍同步。这种接口的控制简单，但其操作时间必须与间必须与CPUCPU的时钟同步。的时钟同步。异步接口异步接口 异步接口不由异步接口不由CPUCPU的时钟控制。的时钟控制。CPUCPU与与I/OI
48、/O设备之间的信设备之间的信息交换采用应答方式。连接在总线上的任何两个设备均可以交换信息交换采用应答方式。连接在总线上的任何两个设备均可以交换信息，在交换信息的两个设备中，负责控制和支配总线控制权的设备息，在交换信息的两个设备中，负责控制和支配总线控制权的设备叫主设备，和主设备交换信息的设备叫从设备。如将叫主设备，和主设备交换信息的设备叫从设备。如将CPUCPU看作主设备，看作主设备，将将I/OI/O设备看作从设备。在信息交换时，主设备发出交换信息的设备看作从设备。在信息交换时，主设备发出交换信息的“请请求求”信号，经过接口传送给设备，从设备完成主设备指定的操作后信号，经过接口传送给设备，从设
49、备完成主设备指定的操作后向主设备发出向主设备发出“回答回答”信号。按这种一问一答的方式分步完成信息信号。按这种一问一答的方式分步完成信息的交换。其中从的交换。其中从“请求请求”到到“回答回答”之间的时间是由完成操作所需之间的时间是由完成操作所需的实际工作时间决定的，与的实际工作时间决定的，与CPUCPU的时钟节拍无关。的时钟节拍无关。1/23/202340同步时序1/23/202341异步时序1/23/202342计算机组成原理计算机组成原理 第七章系统总线第七章系统总线7.2.3 总线的的接口总线的的接口（5/5）（3）按信息传送的控制方式分类）按信息传送的控制方式分类 根据接口对信息传送的
50、控制方式，可将接口分为：根据接口对信息传送的控制方式，可将接口分为：有程序控制的输入输出接口有程序控制的输入输出接口程序中断输入输出接口程序中断输入输出接口直接存储器存取（直接存储器存取（DMA）接口接口1/23/202343计算机组成原理计算机组成原理 第七章系统总线第七章系统总线7.3 常用总线举例常用总线举例l7.3.1 ISA总线总线l7.3.2 EISA总线总线l7.3.3 VL总线（总线（VESA总线）总线）l7.3.4 PCI总线总线l7.3.5 USB 总线总线l7.3.6 Futurebus 总线总线1/23/202344计算机组成原理计算机组成原理 第七章系统总线第七章系统