总线与输入输出

第7章系统总线与输入输出控制方式7.1系统总线7.1.1总线概述计算机组成原理第7章系统总线与输入输出控制方式7.1.1总线概述1.总线的概念及总线组成总线是能为系统中多个部件分时共享的一组信息传输线及相关逻辑。共享是指总线所连接的各部件都通过它传递信息。分时是指在某一时刻总线只允许有一个部件将信息送上总线。分时共享是总线的主要特征总线不仅是指一组传输线，而且还包括相应的总线接口和总线控制器计算机组成原理第7章系统总线与输入输出控制方式7.1.1总线概述2.总线的分类（1）按总线连接的部件，可将总线分为：芯片内总线系统总线外总线（2）按传送方向，可将总线分为：单向总线双向总线计算机组成原理第7章系统总线与输入输出控制方式7.1.1总线概述（3）按数据传送格式，可将总线分为：并行总线串行总线（4）按时序控制方式，可将总线分为：同步总线异步总线准同步总线计算机组成原理第7章系统总线与输入输出控制方式7.1.1总线概述3.总线标准化下面是一些常见的总线标准：S—100，总线（IEEE696）Multibus总线（IEEE796）Futurebus（IEEE896.1）VME总线（IEEE1000）STD总线（IEEE961）计算机组成原理第7章系统总线与输入输出控制方式7.1.1总线概述PC机中广泛应用的总线标准则有；PC总线（8位），AT总线（16位，常称为工业标准AT总线，简称为ISA），EISA总线（32位，扩展工业标准AT总线），MCA线（微通道，32位）PCI总线等在外总线方面的总线标准如：串行总线RS232-C、RS422、RS485等；用于智能仪器互连的并行异步总线IEEE488；用于局域网络的EetherNet、PCtoken等网络总线7.1.2系统总线的结构与组成计算机组成原理第7章系统总线与输入输出控制方式7.1.2系统总线的结构与组成1.系统总线的结构系统总线的结构有多种，一般可分为单总线系统与多总线系统两大类为克服单总线的缺点，许多计算机系统采用了多重总线的系统结构，多总线结构的形式有多种多样，图7.1给出了几种有代表性的总线结构计算机组成原理第7章系统总线与输入输出控制方式7.1.2系统总线的结构与组成CPUMM接口I/OI/O接口…SystemBus(a)单总线结构(b)带存储总线的双总线结构SystemBus…接口I/OI/O接口MMCPUMemoryBus(c)带DMA的三总线结构I/OBus…接口I/OI/OI/O接口MMDMA接口CPUMemoryBusDMABusIOPMMCPUI/OBusI/O接口接口I/O接口I/O…(d)带IOP的双总线结构SystemBus图7.1几种有代表性的总线结构计算机组成原理第7章系统总线与输入输出控制方式7.1.2系统总线的结构与组成CPUCacheCacheBusSystemBusMMBridgeI/OExpansionBusI/OI/O…高速I/OHigh-speedBusBridgeBridgeMMSystemBusCacheBusCacheCPU高速I/OExpansionBus低速I/O低速I/O低速I/O…(e)带Cache总线和桥接器的总线结构(f)带高速总线的系统总线结构图7.1几种有代表性的总线结构计算机组成原理第7章系统总线与输入输出控制方式7.1.2系统总线的结构与组成2.系统总线的组成系统总线包括：数据总线、地址总线、控制总线和电源线（1）数据总线DB（DataBus）数据总线用来实现数据传送，一般为双向传送。数据总线的宽度，一般有8位、16位、32位、64位等，它是系统总线的一个重要指标（2）地址总线AB（AddressBus）地址总线用于传送地址信号，以确定所访问的存储单元或某个I/O端口，地址总线一般有16位、20位、24位、32位等几种宽度标准计算机组成原理第7章系统总线与输入输出控制方式7.1.2系统总线的结构与组成（3）控制总线CB（ControlBus）控制总线用来传送各类控制/状态信号。控制总线的组成体现了不同总线的特点控照各种控制信号的功用,将常见控制信号分为几组a.读/写控制RD/WR、内存/输入输出选择M/IOb.应答信号c.地址有效信号d.总线请求与交换信号总线请求与交换信号可大致分为两种类型，主控方式和均控方式计算机组成原理第7章系统总线与输入输出控制方式7.1.2系统总线的结构与组成e.其他控制信号。常见的有复位RESET、时钟信号CLK、刷新信号REFRESH、高字节使能信号BHE、锁定信号LOCK等（4）电源线7.1.3系统总线的操作时序和操作方式计算机组成原理第7章系统总线与输入输出控制方式7.1.3系统总线的操作时序和操作方式1.总线操作时序（1）同步传送方式所谓同步传送方式是指发送、接收双方按同一步调协调相互之间的时间关系，即双方遵循统一的时钟，采用同步方式的总线称为“同步总线”。如图7.2所示T0ClockAddrReadDataStrobe1T2T0T图7.2同步传送方式计算机组成原理第7章系统总线与输入输出控制方式7.1.3系统总线的操作时序和操作方式同步传送方式中发送双方遵照统一时钟运作，时序规整，控制简单同步方式的传输效率比较低同步传输方式若发生故障，不能及时发现，使得传送可靠性比较差（2）准同步传送方式采用准同步传送方式的控制总线中除了Clock信号线外还应当有一条准备好信号线Ready，从设备根据自己工作完成与否来决定Ready信号的高低。当从设备收到主控方的地址信息和操作命令后，若数据尚未计算机组成原理第7章系统总线与输入输出控制方式7.1.3系统总线的操作时序和操作方式做好准备，应使Ready信号为低，待准备好后再使Ready为高。下面仍以读操作为例，分析准同步方式的工作特点，如图7.3所示T0ClockAddrReadDataStrobe1T2T0TReadyTW图7.3准同步传送方式计算机组成原理第7章系统总线与输入输出控制方式7.1.3系统总线的操作时序和操作方式在准同步传送方式中，传输速率低的缺点得到了一定程度的改善。传送的可靠性并未得到根本改善，与同步传送方式一样仍比较差（3）异步传送方式异步传送方式是指发送和接收双方完全根据自身的工作速度和距离的远近来确定总线传送的步调。下面仍然以总线读操作为例，分析异步传送方式的特点，如图7.4所示计算机组成原理第7章系统总线与输入输出控制方式7.1.3系统总线的操作时序和操作方式计算机组成原理第7章系统总线与输入输出控制方式7.1.3系统总线的操作时序和操作方式异步传送方式的优点是效率高、可靠性高。其所付的代价是控制复杂，需要有两条应答信号线MSYN和SSYN以及相应的控制逻辑2.总线上的数据操作方式总线上的数据操作方式可分为（a）读操作（b）写操作（c）读修改写操作（d）写后读操作（e）批量读写操作；如图7.5所示计算机组成原理第7章系统总线与输入输出控制方式地/数复用总线地址存取时间数据tCycle2Cycle10t地址地址总线数据总线数据t00总线周期总线周期00t数据数据总线地址总线地址t(a)读操作Cycle2t数据地/数复用总线0地址Cycle1(b)写操作0Cycle1Cycle2t写数据存取时间地址地/数复用总线读数据Cycle3(c)读修改写操作Cycle3读数据地/数复用总线地址存取时间写数据tCycle2Cycle10(d)写后读操作(e)批量读写操作0Cycle1Cycle2t地址地/数复用总线Cycle3数据Cycle4数据数据……图7.5总线上的数据操作方式7.1.4系统总线的争用与仲裁计算机组成原理第7章系统总线与输入输出控制方式7.1.4系统总线的争用与仲裁在一次总线传输中，传输数据的两个部件总有一方控制着总线，发出总线地址和读写命令，这一方称为主设备，而另一方为被动方，称为从设备1.串行链裁决方式图7.6（a）为串行链裁决方式，所有部件的总线请求都是通过公用的“总线请求”BR（BusRequest）线向仲裁逻辑提出总线申请的图7.6（b）为其逻辑组成计算机组成原理第7章系统总线与输入输出控制方式总线仲裁逻辑部件0部件1部件n-1BBBRBAAB(a)(b)HARB&&CVccQCPAQD&D&GFEI&CPDKQR+5VBABBBR总线申清总线仲裁逻辑总线部件i图7.6串行裁决方式计算机组成原理第7章系统总线与输入输出控制方式7.1.4系统总线的争用与仲裁2.计数查询方式图7.7（a）为计数查询方式图7.7（b）为计数查询方式组成逻辑3.独立请求裁决方式图7.8（a）为独立请求裁决方式图7.8（b）为独立请求方式逻辑组成计算机组成原理第7章系统总线与输入输出控制方式7.1.4系统总线的争用与仲裁总线仲裁逻辑部件0部件1部件n-1BBBRABAB(a)(b)FARB&&CVccQCPAQD&DK&BBBR总线仲裁逻辑总线部件i计数值J计数器J译码器E总线申请图7.7计数查询方式计算机组成原理第7章系统总线与输入输出控制方式7.1.4系统总线的争用与仲裁总线仲裁逻辑部件0部件n-1BBBR0(a)(b)AR&&VccQCPAQD&D总线部件i总线申请BA0BRn-1BAn-1n-1&AB&1逻辑仲裁总线0&n-1BRn-1BABBBR0BA0BR1BA1图7.8独立请求裁决方式7.2输入输出概论计算机的输入输出系统除了外部设备以外，还包括外设与主机之间的连接部件——接口，数据传送的通路——I/O总线，以及相关软件——I/O程序7.2.1外设的种类及与的连接计算机组成原理第7章系统总线与输入输出控制方式7.2.1外设的种类及与的连接根据外部设备的功能，可将外部设备分为输入设备和输出设备根据外设的工作速度可将外设分为低速设备、中速设备和高速设备根据外设在计算机系统中所起的作用，可将外部设备分为：（1）人—机交互设备（2）外部存储设备（3）机—机通信设备计算机组成原理第7章系统总线与输入输出控制方式7.2.1外设的种类及与的连接无论外设采用何种方式与主机交换信息，都存在以下几个问题需要解决：（1）主机如何从众多的外设中找出要与之交换信息的外设（2）如何解决异步工作的系统之间的信息交换问题，例如当外设工作速度与主机速度差异非常大时，如何使主机与外设之间的速度相互协调（3）主机如何了解外设的工作情况，如何向外设发出控制命令，也是需要考虑的问题解决以上问题的办法便是在主机与I/O设备之间设立输入输出接口（Input/OutputInterface）7.2.2外设接口计算机组成原理第7章系统总线与输入输出控制方式7.2.2外设接口1.接口的定义接口泛指两个相对独立子系统之间的连接部分，也被称为界面图7.9（a）表明了主机、I/O接口、I/O设备三者之间的关系另外在图7.9（b）中还可看到I/O接口是直接与I/O设备中的外设控制器相连的计算机组成原理第7章系统总线与输入输出控制方式7.2.2外设接口主机接口外设……(a)主机与外设的连接外设接口外设接口机主地址译码器数据寄存器命令状态寄存器控制电路I/O接口外设控制器数据命令状态I/O设备(b)接口基本组成ABDBCB图7.9主机、I/O接口、I/O设备的关系计算机组成原理第7章系统总线与输入输出控制方式7.2.2外设接口2.接口功能由于外部设备的不同，采用的信息交换的方式不同，其接口的功能也大不相同，但作为接口电路它必须具备以下一些基本功能：（1）数据缓冲功能（2）接收主机命令并提供外设状态（3）控制功能（4）寻址功能（5）提供主机和I/O设备所需的驱动能力和工作电平，满足一定的负载要求和电平要求计算机组成原理第7章系统总线与输入输出控制方式7.2.2外设接口3.接口分类根据不同的标准，I/O接口可以有不同的分类（1）按数据传送的格式可分为串行接口、并行接口（2）