【計算機組成原理教程】總線與輸入輸出

第8章總線與輸入輸出

■本章簡要介紹了計算機總線的基本原理、

I/O接口和計算機與外部設備間互聯(lián)的基本

結(jié)構(gòu)。包括總線概述，總線仲裁，總線操

作與定時，總線標準，I/O接口，主機與

I/O設備間的連接方式等內(nèi)容。

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8.1總線概述

■8.L1總線的基本概念

■總線是各子系統(tǒng)間共享的通信鏈路，是計

算機中多個設備公用的電子通道。在計算

機系統(tǒng)中，各子系統(tǒng)間都必須有彼此相連

的接口。比如存儲器與CPU需要通信，

CPU和輸入輸出設備(也稱為I/O設備)同

樣也要進行通信。這通常是由總線(bus)

完成的。

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8.1.1總線的基本概念

■總線的兩個主要優(yōu)點是：

■低費用。由于一組總線可以供多個外部設備共

享，因此價格較低。

■通用性。通過定義一種互連模式，新設備可以

容易地加到總線上去，外部設備（簡稱外設）

可以在具有通用總線的計算機系統(tǒng)間移動使

用。

■總線的主要缺點是：

■性能上的不可擴展性引起通信瓶頸，限制I/O

侵備最大吞吐率。一一一一一

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8.1.1總線的基本概念

■一次典型的總線操作(bustransaction)包

括兩部分：發(fā)送地址和接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。

■主設備：連在總線上的設備是主動的，能

對總線的數(shù)據(jù)傳輸進行初始化。

■初始化指的是指定數(shù)據(jù)的傳送方向、要傳送的

數(shù)據(jù)塊的大小以及傳送的地址等信息。

■從設備：連在總線上的設備是被動的，只

能等待主設備的啟動命令。

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8.1.1總線的基本概念

■計算機設備輸出的二進制信號通常比較

弱，無法驅(qū)動總線進行工作，尤其是總線

比較長或者上面的設備比較多時。因此，

多數(shù)總線的主設備都要通過一片總線驅(qū)動

器芯片和總線相連，該芯片實際上起了一

個放大器的作用。

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812總線的功能

■總線是一組能為多個部件分時共享的信息

傳送線，用來連接多個部件并為之提供信

息交換通路。

■共享性：即總線所連接的部件都可通過它傳遞

信息。

■分時性：即在某一時刻總線只允許有一個部件

送出數(shù)據(jù)到總線上。

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8.1.2總線的功能

■總線不僅是一組傳輸信號線，從廣義上講，總線

是一組傳輸線路及與傳輸相關(guān)的總線協(xié)議。

■總線協(xié)議：為了實現(xiàn)對總線信息傳輸?shù)姆謺r共享,

必須指定相應的規(guī)則，這些規(guī)則稱為總線協(xié)議。

■各個連到總線上的部件必須遵守這些協(xié)議，才能有序

地分時共享該總線。總線協(xié)議一般包括：信號線定義、

數(shù)據(jù)格式、時序關(guān)系、信號電平、控制邏輯等，它確

定了一個系統(tǒng)使用總線的方法。

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8.1.3總線的分類

■可以從不同的角度對總線進行分類。

■按總線在系統(tǒng)中所處的地位，可分為內(nèi)總線和

外總線；

■按數(shù)據(jù)傳送格式，可分為并行總線和串行總線;

■按時序控制方式，可分為同步總線

(synchronousbus)與異步總線

(asynchronousbus)。

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8.1.3.1內(nèi)總線和外總線

■按總線在系統(tǒng)中的位置，分為內(nèi)總線和外總線。

■內(nèi)總線：是指位于計算機系統(tǒng)內(nèi)部的總線。

■內(nèi)總線又可以分為芯片內(nèi)部總線和內(nèi)部系統(tǒng)總線。

■芯片內(nèi)部總線位于CPU芯片內(nèi)部，它連接了CPU內(nèi)部的寄存

器與算術(shù)邏單元ALU（如圖8.1所示）。芯片內(nèi)部總線則稱為

片級總線。

■內(nèi)部系統(tǒng)總線是CPU與計算機系統(tǒng)內(nèi)部的各個主要功能部件

之間的連接總線。內(nèi)部系統(tǒng)總線可以分為主存總線和內(nèi)部I/O

總線等，如圖8.1所示。內(nèi)部系統(tǒng)總線通常都安放在主板或各

個插件板上，所以也稱板級總線。

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8.1.3.1內(nèi)總線和外總線

■外總線：是多臺計算機系統(tǒng)之間，或計算

機與一些智能設備之間的連接總線。

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8.1.3.1內(nèi)總線和外總線

■內(nèi)總線一般包括地址、數(shù)據(jù)和控制信號三類傳輸

線，分別稱為地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。

■數(shù)據(jù)總線：各功能部件之間傳輸數(shù)據(jù)信息的連接

總殘。

■為了保證數(shù)據(jù)能夠在兩個部件A與B之間彼此傳送，要

求數(shù)據(jù)總線既能夠?qū)?shù)據(jù)由部件A傳送到部件B,又能

夠?qū)?shù)據(jù)由部件B傳送到部件A,即總線能夠兩個方向

傳送數(shù)據(jù)，這種總線稱為雙向總線。

■若目標部件僅僅作為從設備，則地址總線只需要提供

源到目標的單向傳送通路，稱為單向總線。

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8.1.3.1內(nèi)總線和外總線

■數(shù)據(jù)總線寬度：數(shù)據(jù)總線的位數(shù)稱為數(shù)據(jù)

總線寬度。

■總線寬度的確定是一個值得關(guān)注的問題。若設

計的不合理，將會影響計算機系統(tǒng)的效率。例

如，如果主存數(shù)據(jù)總線的寬度為"位，CPU內(nèi)

部的寄存器字長為2〃位，則CPU必須兩次訪問

主存才能存取一個寄存器字。

■地址總線：各個功能部件之間傳送地址信

號的總線稱為地址總線。

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8.1.3.1內(nèi)總線和外總線

■地址線的位數(shù)與目標部件的存儲容量有

關(guān)。如地址線為〃根，則對應的目標部件的

存儲容量為2%

■這里要注意存儲粒度，若存儲粒度是字，貝胸

根地址線可以訪問2〃個字，若存儲粒度是字

節(jié)，則〃根地址線可以訪問2〃個字節(jié)。

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8.1.3.1內(nèi)總線和外總線

■控制總線：各個功能部件之間傳送控制信

號的總線稱為地址總線。

■由于總線是一組能為多個部件分時共享的信息

傳送線，用來連接多個部件并為之提供信息交

換通路，所以數(shù)據(jù)總線、地址總線都是被連接

在總線上的所有部件所分時共享的。通過控制

總線產(chǎn)生有關(guān)的控制信號，可以使總線上的各

個部件能在不同時刻占有總線使用權(quán)。

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8.1.3.2并行總線和串行總線

■按數(shù)據(jù)傳送格式，可分為并行總線和串行

總、殯。

■并行總線：有多根數(shù)據(jù)線，可并行傳送多

個二進制位，一般為一個字節(jié)或多個字節(jié),

其位數(shù)稱為該并行總線的數(shù)據(jù)路徑寬度

（或數(shù)據(jù)通路寬度）。

■串行總線：只有一根數(shù)據(jù)線，只能串行地

逐位傳送數(shù)據(jù)。

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8.1.3.3同步總線和異步總線

■按時序控制方式，可分為同步總線(synchronous

bus)與異步總線(asynchronousbus)。

■同步總線：在進行數(shù)據(jù)傳送時，有著嚴格的時鐘

周期來定時，一般設置有同步定時信號，如時鐘

同步、讀/寫信號等。

■異步總線：在數(shù)據(jù)傳送時，沒有固定的時鐘周期

定時，而采用應答方式工作，操作時間根據(jù)需要

可長可短。

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8.1.4總線的組成及其性能指標

■8.L4.1總線的組成

■從物理角度來看，總線的一種實現(xiàn)形式是由許多條導線組

成的連接線，這些連接線延伸到各個部件。

■為了保證總線在不同設備之間的可靠連接，必須規(guī)定其機

械特性。

■機械特性是總線在機械連接方式上的一些性能，如插頭與插座使

用的標準，它們的幾何尺寸、形狀、引腳的個數(shù)以及排列的順序,

接頭處的可靠接觸等。

■僅僅有可靠的機械連接還不夠，為了確?？偩€能夠正確工

作，必須規(guī)定其電氣特性。

■電氣特性是指總線上信號的有效電平的范圍、傳輸方向等。

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8.1.4.2總線性能指標

■常用的總線性能指標如下。

■總線寬度：指總線中線路的根數(shù)。

■總線寬度用位(bit)表示，如8位、16位、32

位、64位等。

■地址總線設計時要考慮的一個問題就是在尋址

空間的可擴展性和系統(tǒng)成本之間進行權(quán)衡。

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8.1.4.2總線性能指標

■總線帶寬：總線的數(shù)據(jù)傳輸速率，即單位

時間內(nèi)總線上傳輸數(shù)據(jù)的位數(shù)。

■總線帶寬的常用單位是字節(jié)/秒（B/S）或兆字

節(jié)/秒（MB/S）o

■總線偏離（busskew）:總線中不同信號

線的傳輸速度之間的差別。

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8.1.4.2總線性能指標

■總線復用(multiplexedbus)：總線上分時

傳送不同種類的多種信號的工作方式。

■總線的驅(qū)動能力(負載能力)：指當總線

接上負載后，總線輸入輸出的邏輯電平保

持在正常的額定范圍之內(nèi)的能力。

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8.2總線仲裁

■如果兩個或多個設備同時想要成為總線的

主設備時，就會出現(xiàn)爭用總線的現(xiàn)象，稱

為總線沖突。為防止總線沖突，就必須采

用一些總線仲裁(busarbitration)機制。

仲裁機制一般可分為集中式和分布式(競

爭式)兩種方式。

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8.2.1集中式仲裁方式

■集中式仲裁方式指的是由一個單獨的總線仲裁器

來決定下一次該哪個設備使用總線。在總線仲裁

器是一個硬件設備，它用來分配總線時間。

■圖旦2(a)中給出了一種典型的集中式仲裁方式。許

多CPU內(nèi)部都包含有仲裁器，但有時也需要單獨

的一片芯片?？偩€中含有一條“線或”的總線請

耒(busrequest)信號，它能使一個或8個總統(tǒng)

設備在任何時間發(fā)出請求信號。總線仲裁器無法

判斷出有多少個總線設備發(fā)出了總線請求，它只

能區(qū)分出有請求和無請求兩種狀態(tài)。

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8.2.1集中式仲裁方式

■當總線仲裁器發(fā)現(xiàn)總線請求后，它發(fā)出一個總線授權(quán)信號。

這個信號被串聯(lián)到所有的輸入輸出設備上。當物理上離仲

裁器最近的那個輸入輸出設備得到授權(quán)信號時，由這個設

備來檢查是否它發(fā)出了總線請求信號。如果是，則由它接

管總線，并停止授權(quán)信號繼續(xù)往下傳播。若該設備沒有發(fā)

出總線請求，則將授權(quán)信號繼續(xù)傳送到下一個設備，這個

設備再重復上述動作，直到有一個設備接管總線為止。這

種方式被稱為菊鏈法(daisychaining)o它的特點是設

備使用總線的優(yōu)先級由它離總線仲裁器的距離決定，最近

的優(yōu)先級最高，最遠的優(yōu)先級最低。

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8.2.1集中式仲裁方式

■為了克服設備的優(yōu)先級由其與總線仲裁器的距離

來決定這個不足，許多總線設置了多級仲裁。每

一級都有各自的總線請求信號和總線授權(quán)信號。

圖&2(b)所示的有兩級仲裁器：1級和2級(實際

的總線常常有4、8或者16級)。每個設備都接在

總線的某一級仲裁線上，時間急迫的設備連接的

仲裁線的優(yōu)先級較高。在圖8.2(b)中,設備1、2和

4連在優(yōu)先級為1的仲裁線上，而設備3和設備5連

在優(yōu)先級為2的仲裁線上。

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8.2.2分布式仲裁方式

■分布式（競爭式）仲裁方式：在每個設備模塊中包含訪問

控制邏輯，這些設備模塊共同作用，分享總線。

■例如，某臺計算機可以有16個優(yōu)先級的總線請求信號。當

它的一個設備需要使用總線時，就發(fā)出與它相對應的總線

請求信號。所有的設備都監(jiān)聽著所有的總線請求信號，這

樣，到每個總線周期結(jié)束時，每個設備都能知道自己是否

是優(yōu)先級最高的總線請求者，以及能否在下一個總線周期

使用總線。與集中式總線仲裁相比，這種總線仲裁方式要

求的總線信號更多，但防止了總線潛在的浪費。它還要求

總線上設備的個數(shù)不能超過總線請求信號線的條數(shù)。

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822分布式仲裁方式

■圖8.3給出了另一種競爭式的總線仲裁方式,

它不管總線上有多少設備，都只需要三條

信號線。

■第一條是各設備的總線請求信號的線或；

■第二條為“總線忙”信號，是由當前使用總線

的主設備發(fā)出的；

■第三條信號線用于總線仲裁，它將總線的所有

設備串行連接在一起，其中一頭接在5V的電源

±o

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8.2.2分布式仲裁方式

■當沒有設備申請使用總線時，電平為高的總線仲裁信號被

傳輸?shù)剿械脑O備。要得到總線的使用權(quán)，設備首先要檢

查總線是否空閑，并檢查它得到的總線仲裁信號（即

IN）是否為高電平。見圖8.3。

■如果IN已經(jīng)是低電平，則該設備不能成為總線的主設

備，還要把它的OUT端置為低。但是，如果IN是高電

平，則該設備還是要將其OUT端置為低。這就使得它下

游的鄰居的IN為低，并因此也把OUT置為低。當一切就

緒后，只會有一個設備的IN為高，而OUT為低。這個設

備就成為總線的主設備，發(fā)出BUSY信號和OUT信號，然

后開始傳送數(shù)據(jù)。見圖8.3。

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8.3總線操作與定時

■總線可以根據(jù)其時鐘類型分為同步總線和異步總

線兩大類。

■同步總線(synchronousbus)有一條由晶振驅(qū)動

的方波信號線?？偩€的所有操作都將占用其中的

幾個完整的方波，把一個方波的時間稱為總線周

期(buscycle)。

■異步總線(asynchronousbus)中不存在一個起

控制作用的時鐘。它的總線周期可以是總線操作

所需的任意長度，并不要求其上面的所有設備都

保持一致。下面分別對它們進行討論。

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8.3.1同步定時方式

■對于同步總線而言，其控制線路包含一個時鐘和

一個固定的與時鐘有關(guān)的地址和數(shù)據(jù)發(fā)送協(xié)議。

由于需要很少或根本不需要其他邏輯來決定下一

步該做什么，因此同步總線速度較快而且費用

低。CPU—主存總線是典型的同步總線。

■缺點：

■由于總線偏離問題，總線長度一般很短，并且總線上

所有的設備必須有相同的時鐘頻率。

■某些總線可以連接不同速度的設備，但它們的工作速

度和速度最慢的設備相等。

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8.3.1同步定時方式

■下面以圖8.4為例來說明同步總線的工作原

理。

■圖g4中使用的是40MHz的時鐘信號，相應的

總線周期為25ns?？偩€頻率一般用要比CPU的

主頻低很多，總線頻率較低的主要原因是總線

偏離和向后兼容的要求。

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8.3.1同步定時方式

■在本例中，再進一步假設主存讀在地址建立后還

需要4011s的時間。有了這個參數(shù)，馬上可以得出,

從主存中讀取一個字需要三個總線周期。第一個

周期從“的上升沿開始，第三個周期在心的上升

沿結(jié)束，如圖8.4所示。

■值得注意的是，圖8.4中沒有任何一個上升沿或者下降

沿是垂直的，因為沒有哪個電平信號能在零時間內(nèi)將

其電平降為零。本例中假設電平變化的時間是1ns。

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8.3.1同步定時方式

■表8」對時序圖中出現(xiàn)的8個符號做了進一步

的區(qū)分。

■例如，“D是從北的上升沿開始到地址建立好時

的地址建立時間。根據(jù)時序規(guī)格要求，

TAD<llnSo這就是說，CPU生產(chǎn)商保證，在任

何一個讀周期中，CPU都將在儲的上升沿的中

點開始的11ns內(nèi)輸出要讀的數(shù)據(jù)的地址。

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8.3.1同步定時方式

■時序規(guī)格同時也要求，數(shù)據(jù)應至少在，3的下降沿

之前7%（5ns）時間內(nèi)在數(shù)據(jù)線上準備好，使其

在CPU連通數(shù)據(jù)線之前有足夠的時間能穩(wěn)定下來o

，AD和TDS這兩項約束組合起來，就意味著在最壞

的信況下，在地址出現(xiàn)在地址信號線上以后，主

存芯片只有62.5-11?5=46?511§的時間，就必須將數(shù)

據(jù)讀出并送到數(shù)據(jù)信號線上。這樣，4011s的芯片

就可以滿足這條總線的要求，即使在最壞的情況

下，它也能在4周期內(nèi)給出數(shù)據(jù)。如果使用的是

5011s的芯片，虱么，就需要插入第二個等待狀態(tài),

并只能在，4周期得到響應。見圖8.4和衣8.1。

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8.3.2異步定時方式

■雖然由于使用同一個時鐘信號，同步總線的工作

原理相對簡單，但它也存在以下一些問題。

■1.時間效率問題。它要求所有事件必須在一個或多個

完整的時鐘周期內(nèi)完成。

■2.難以采用新技術(shù)帶來的好處。例如，假定在圖8.4所

示的總線系統(tǒng)生產(chǎn)幾年后，出現(xiàn)了訪問時間只有20ns

的主存芯片，可以用來取代現(xiàn)有的40ns的主存芯片。

這時，可以去掉插入的等待狀態(tài)，提高機器的速度。

如果再有了訪問時間只有10ns的主存芯片，就無法使

用現(xiàn)有總線來提高性能了，因為該總線設計的讀操作

就是兩個周期。

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832異步定時方式

■將這種情況稍微變一個說法，若一條同步

總線上接有多個不同的設備，這些設備的

數(shù)據(jù)傳輸速度有快有慢，那么，總線周期

就必須設計得能滿足最慢的設備，而快速

設備就不可能滿負荷地運行。

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832異步定時方式

■異步總線無固定的時鐘，接收端和發(fā)送端

通過自身時鐘控制的握手協(xié)議

(handshakingprotocol)來保證數(shù)據(jù)的正

確接收和發(fā)送。

■源：數(shù)據(jù)發(fā)送方稱為源。

■源數(shù)據(jù)：源產(chǎn)生的數(shù)據(jù)成為源數(shù)據(jù)。

■目標：數(shù)據(jù)接收方稱為目標。

■目標數(shù)據(jù)：目標接收的數(shù)據(jù)成為目標數(shù)據(jù)。

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832.1單向選通

■單向選通(strobe)控制是由通信的一方提

供選通信號，這里的一方可以是源，如圖

8.5(a)所示，也可以是目標，如圖8.5

(b)所示。

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832.1單向選通

■在圖8.5（a）中，數(shù)據(jù)的發(fā)送方（源）送出

數(shù)據(jù)及選通信號（strobe）。發(fā)送方（源）

的選通信號在經(jīng)過一段時間之后主動結(jié)束，

接收方（目標）可以利用發(fā)送方的選通信

號的下降沿接收數(shù)據(jù)。這種方式實現(xiàn)起來

簡單，但是所帶來的問題是數(shù)據(jù)的發(fā)送方

（源）不管接收方（目標）有無能力接收，

按照自己的時序結(jié)束工作。

39

832.1單向選通

■圖8.5（b）示出的是首先由數(shù)據(jù)的接收方

（目標）發(fā)出選通信號，要求數(shù)據(jù)的發(fā)送

方（源）送出數(shù)據(jù)。接收方使用自己發(fā)出

的選通信號的下降沿接收數(shù)據(jù)。在圖8.5（b）

中，不管發(fā)送方（源）有無能力提供數(shù)據(jù)，

接收方（目標）在發(fā)出請求信號后，都按

照接收方（目標）自己的時序接收數(shù)據(jù)。

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832.1單向選通

■圖8.5(a)和圖8.5(b)所存在的共同問題

就是源所發(fā)送的數(shù)據(jù)并不能保證被目標正

確接收，這種情況稱為源與目標不同步

(應該注意的是這里的同步概念與前面提

到的同步總線的概念不同)。這顯然是一

個嚴重的問題，任何有意義的通信，都希

望源與目標同步，即源發(fā)送的數(shù)據(jù)能夠被

目標正確接收，所以需要認真研究，解決

源與目標同步的問題。

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832.2雙向握手

■從前面的討論知道，無論是源還是目標都可以是

主動發(fā)起通信的一方，也可以是被動接受通信的

一方。將主動發(fā)起通信的一方（源或目標）稱為

主動方；而將被動接受通信的一方（源或目標）

稱為被動方。

■前面討論的選通方法的缺點是主動方（源或目標）沒

有辦法知道被動方（源或目標）是否已經(jīng)準備就緒，

即是否已經(jīng)正確地接收了數(shù)據(jù)或者是否已經(jīng)正確提供

了數(shù)據(jù)。可見，解決源與目標同步的問題關(guān)鍵在于讓

對方知道自己的工作狀態(tài)。一種解決方法是通過設定

請求與應答信號來通知對方自己的工作狀態(tài)。

8.322雙向握手

■雙向握手(handshaking)信號：為了實現(xiàn)

源與目標同步，在通信的雙方建立的請求

與應答信號稱為雙向握手信號，簡稱為握

手信號。

■“握手”是一個形象的術(shù)語，表示主動方和被

動方各“伸出一只手”，即主動方和被動方各

發(fā)出一個控制信號，把本方的狀況通知對方。

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8.322雙向握手

■圖8.6給出了雙向握手的說明,這里假設圖8.6中的

被動方空閑。在圖8.6（a）中，源是主動方。

■主動方（源）送出有效數(shù)據(jù)，并向被動方（目標）發(fā)

W.索值號（數(shù)據(jù)有效信號），請求被動方（目標）

?“乂發(fā)義“古o

■被動方（旦標）把數(shù)據(jù)接收完成以后，并發(fā)出廖登信

號（收到信號），通知主動方（源）數(shù)據(jù)已被接收。

■主動方（源）收到應答信號（收到信號）后，撤銷數(shù)

據(jù)及詰求信號（數(shù)據(jù)有效信號）。

■被動方（目標）在主動方（源）撤銷請求信號（數(shù)據(jù)

有效值號）之后，也把應答信號（收到信號）撤銷，

此時宥女數(shù)據(jù)也被撤清。

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832.2雙向握手

■再來看圖8.6（b）o

■被動方（目標）主動發(fā)出通信請求信號（準備好），

請求主動方（源）送來數(shù)據(jù)。

■主動方（源）收到請求信號之后，把數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總

線，并發(fā)出應答信號（數(shù)據(jù)有效信號），通知被動方

（目標）數(shù)據(jù)已經(jīng)準備好。

■被動方（目標）把數(shù)據(jù)接收完成之后，撤銷請求信號,

■主動方（源）也撤銷應答信號（數(shù)據(jù)有效信號），此

時有效數(shù)據(jù)也被撤消。

45

832.2雙向握手

■如果I/O設備出現(xiàn)故障，處理器發(fā)出請求后，始終

得不到I/O設備的響應時，不會一直等下去，采用

的一種策略是：處理器發(fā)出請求后，啟動一個計

時器。若經(jīng)過一定的時間后，仍得不到響應，則

計時器發(fā)出“超時”(timeout)中斷信號，強迫

處理器停止I/O訪問操作。

■很明顯，雙向握手方式和時序無關(guān)。每個事件都

由前一個事件引起，而不是由時鐘脈沖控制。

46

8,4總線標準

■總線標準：設備應該如何連接到計算機的

規(guī)范或規(guī)定。

■總線標準可以使計算機設計者和I/O設備設計

者獨立進行開發(fā)，因此非常重要。

■只要計算機設計者和I/O設備設計者都遵循總

線標準，則設計出來的任何I/O設備都可以連

到任何計算機上。總線標準定義了I/O設備應

該如何連接到計算機。

47

8.5I/O接口

■8.5.1概述

■從最頂層看，計算機系統(tǒng)包含CPU、存儲器和I/O

等部件，每種類型有一個或多個模塊。這些部件

以某種方式互相連接，實現(xiàn)計算機的基本功能，

即執(zhí)行程序，并實現(xiàn)人機交互。因此，可以采用

以下兩種方法來描述計算機系統(tǒng)：

■L描述每個部件的外部操作，即它與其他部件之

間交換的數(shù)據(jù)和控制信號。

■2.描述互連結(jié)構(gòu)。

48

851概述

■計算機系統(tǒng)的主要部件（處理器、主存、

I/O模塊）等為了交換數(shù)據(jù)和控制信號，需

要進行互連。

■最普通的互連方式是使用多條線組成共享總線,

將計算機的各個部件連接起來。

■由于電參數(shù)、機械參數(shù)的不匹配，總線通常不

能直接與計算機系統(tǒng)的I/O設備相互連接，而

需要通過接口將總線與計算機系統(tǒng)的各個部件

連接起來。

49

852I/O接口概念

■I/O設備一般不能夠直接與連接CPU和主存的總線

相連。因為I/O設備的本質(zhì)與CPU和主存的本質(zhì)不

同，I/O設備都是些機電、磁性或光學設備，而

CPU和主存是電子設備。

■與CPU和主存相比I/O設備的操作速度要慢得多。

因此必須要有中介來處理這種差異，I/O設備是通

過一種被稱為I/O接口電路，簡稱為I/O接口（也

稱為I/O控制器）的器件連接到總線上的。圖8.7

表明了它們?nèi)咧g的關(guān)系。

50

852I/O接口概念

■I/O接口可以是串行或并行接口。

■串行接口只有一根線連接到設備上。

■并行接口有數(shù)根線連接到設備上，使得一次能

同時傳送多個位。

■從廣義上講，接口是指兩個相對獨立的子

系統(tǒng)之間的相連部分。

51

852I/O接口概念

■軟件接口：指一個程序模塊或子程序在調(diào)用和返

回時所必須遵守的傳遞參數(shù)規(guī)則或約定。

■硬件接口：指兩個硬件設備之間的連接邏輯及信

號傳遞協(xié)議。

■軟硬接口：指軟件對某個硬件電路進行控制，或

者硬件要傳遞一些信息給軟件，彼此間也有著共

同遵守的協(xié)議。

■人機接口：指軟件與其使用者（人）的聯(lián)系部

分。

52

853I/O接口的功能和基本結(jié)構(gòu)

■I/O接口并非僅僅完成物理上的連接，一般來講,

它具有下述主要功能。

■i.識別地址碼，即地址譯碼功能。

■2.在主機與I/O設備之間交換數(shù)據(jù)、控制命令及狀態(tài)

信息等。

■3.支持主機采取程序查詢、中斷、DMA等方式。

■4.提供主機和I/O設備所需的緩沖、暫存、驅(qū)動能

力，滿足一定的負載要求和時序要求。

■5.進行數(shù)據(jù)類型、格式等方面的轉(zhuǎn)換。

53

853I/O接口的功能和基本結(jié)構(gòu)

■從不同的角度出發(fā)，I/O接口可分為若干類

型。

■L按主機訪問I/O設備的控制方式，可分為程

序查詢接口、中斷接口、DMA接口，以及更復

雜一些的通道控制器、I/O處理機。

■2.按時序控制方式可分為：同步接口、異步

接口。

■3.按數(shù)據(jù)傳送的格式可分為串行接口、并行

接口。

54

853I/O接口的功能和基本結(jié)構(gòu)

■一種簡單的I/O接口部件的例例如圖8.8所示。

■它包括兩個數(shù)據(jù)寄存器（端口A寄存器和端口B寄存器）、

一個控制寄存器、一個狀態(tài)寄存器、一個數(shù)據(jù)緩沖寄

存器和一個時序控制電路。

■I/O接口與CPU的通信通過數(shù)據(jù)總線進行。

■片選信號用于指明該接口是否被選中。被選中時，寄

存器選擇信號選擇I/O接口內(nèi)部的寄存器。

■I/O讀和I/O寫控制數(shù)據(jù)的傳輸方向，其中的“讀”意

味著數(shù)據(jù)從I/O傳輸?shù)紺PU,“寫”意味著數(shù)據(jù)從CPU

傳輸?shù)絀/O。

55

8.5.4I/O接口的編址

■根據(jù)前面的討論知道，計算機系統(tǒng)通常有

多個I/O接口，每一個I/O接口內(nèi)部通常又

有多個寄存器，這些I/O接口內(nèi)部的寄存器

稱為I/O端口。CPU為了能夠訪問這些端口,

就必須對它們進行唯一的身份標識，即對

每一個端口賦以一個唯一的地址。于是就

帶來一個問題，這些端口的地址與存儲器

的地址究竟是什么關(guān)系？應該如何編址？

56

854I/O接口的編址

■一種方式是將存儲器和i/o端口統(tǒng)一編址，即在存

儲器空間中劃分出一段地址空間作為訪問I/O端口

的地址空間。這種方式使用訪問存儲器的指令來

實現(xiàn)對I/O端口的讀寫。這種方式稱為存儲器映像

的I/O端口。

■優(yōu)點：不用單獨設置I/O端口訪問指令，而是使用存儲

器訪問指令來訪問I/O端口，因此可以充分利用存儲器

訪問指令的強大功能，編寫程序比較方便。

■缺點：是程序員必須知道I/O端口的地址在存儲器地址

空間中的分配情況。

57

854I/O接口的編址

■另外一種方式是將存儲器和I/O端口分開編

址，即存儲器和I/O端口的地址彼此獨立，

例如,他們可以各自從0開始編址。CPU有

專門的I/O端口訪問指令和存儲器訪問指

令。

■優(yōu)點：程序員無須知道I/O端口的地址在存儲

器地址空間中的分配情況。

■缺點：無法充分利用存儲器訪問指令的強大功

△*匕編寫程序要復雜一些。

58

55I/O方式一輸入/輸出的基本控制方式

■通常，輸入輸出的基本控制方式(簡稱為

I/O方式)有以下幾種：

■程序查詢方式；

■程序中斷方式；

■直接存儲器訪問(directmemoryaccess,DMA)

方式；

■通道方式。

59

8.551程序查詢方式

■程序查詢方式：CPU直接通過I/O指令對

I/O接口進行操作訪問，主機與外部設備交

換信息的每一過程均在程序中表示出來。

如果接口尚未準備好，CPU就等待，如果

已作好準備，CPU才能執(zhí)行I/O指令。

60

8.551程序查詢方式

■在相應的I/O程序中須進行下列幾步操作，

其接口和軟件模型如圖8.9所示。

■1.讀取外部設備狀態(tài)信息。

■2.判斷是否可進行新的操作，例如判斷鍵盤

是否有新的鍵被按下，或打印機是否準備好接

收新數(shù)據(jù)。如果設備尚未準備好，則返回第一

步；若已準備好，就進行下一步。

■3.執(zhí)行所需的I/O操作，例如從鍵盤接口讀數(shù),

或送出打印信息到打印機接口。

61

8.552程序中斷方式

■1.基本概念

■程序中斷（interrupt）方式：CPU首先對I/O接口

及一個中斷控制器排行初始化，然后去執(zhí)行CPU

自己的程序（用戶程序）。當I/O數(shù)據(jù)準備好時，

由中斷控制器向CPU發(fā)出中斷請求。CPU在收至U

中斷請求后，若能夠響應中斷，則暫時停止當前

正在執(zhí)行的程序（用戶程序），轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服

務（處理）程序，然后再返回被中斷的程序（用

斷方式省去了、

需配曾甄i席篋）間,因此提高

了效率。

62

8.552程序中斷方式

序

中

序

原

被

的

稱

為

點

程

斷

程

地

址

斷

用

位

置1>.

，

中

事

處

斷

服

序

稱

為

務

的

序

件

程

理