5.5 总线的通信协议（课件）-《计算机原理》(电工版第五版) 同步精品课堂

计算机原理 -第22课时- 电工版第五版 总线的通信协议 教学目标 理解总线通信协议的概念和作用。 熟悉由 8088 CPU 组成的微型计算机的主要总线周期。 深入理解读存储器、写存储器、读 I/O 口、写 I/O 口总线周期的工作原理和信号时序。 教学重难点 总线通信协议的概念和必要性 几种主要总线周期（读 / 写存储器、读 / 写 I/O 口）的工作流程 理解等待周期（Tw）的插入机制和作用 让我们一起开启单片机的学习之旅。 导入新课 同学们，在总线系统中，数据传输的准确性至关重要。 如何保证数据通过总线后，接收方能够收到正确的信息呢？ 这就依赖于总线的通信协议。 接下来，让我们一起揭开总线通信协议的神秘面纱。 新知讲授 通信协议的基本概念 人与人交谈的基本流程： 找对方→确认空闲→寒暄交流→交替发言→致意告别； 对方繁忙则等待或另约。 而通讯协议，就相当于定义这一过程的具体规则：怎么找人、用什么 “语言”、如何反馈忙闲、怎样寒暄告别等。 新知讲授 总线通信协议的基本概念 总线用于传送数据，为保证数据传输正确，需通信协议。通信协议是通信双方约定的规则，发送方和接收方都要遵守。 新知讲授 总线通信 总线的一次信息传送过程，大致可分为如下几个阶段：请求总线，总线仲裁，寻址，信息传送，状态返回。 01 请求总线 由需要使用总线的主设备提出请求。 02 总线仲裁 总线仲裁机构决定将下一传输周期的总线使用授权于某一主设备。 03 寻址 取得了使用权的主设备通过总线发出本次要访问的从设备的地址及有关命令，启动参与本次传输的从设备。 04 信息传送 主设备和从设备进行数据交换，数据由源设备发出，经数据总线流入目的设备。 05 状态返回 主设备的有关信息均从总线上撤除，让出总线使用权。 新知讲授 总线上的设备（或部件）通过总线进行信息传送时，用一个公共的时钟信号进行同步，这种方式称为同步通信。 总线通信——同步通信 同步通信在系统总线设计时，对T1，T2，T3，T4都有明确且唯一的规定： T1主设备发地址； T2主设备发读命令； T3从设备提供数据； T4主设备撤销读命令，从设备撤销数据。 如上图表示某个输入设备向CPU传输数据的同步通信过程。总线传输周期是连接在总线上的两个部件完成一次完整且可靠的信息传输时间，它包含4个时钟周期T1，T2，T3和T4。 新知讲授 总线通信—— 同步通信的优缺点 具有较高的传输速率，数据传输速度快，总线控制逻辑也比较简单。同步通信适用于总线长度较短，各部件存取时间比较接近的情况。 同步通信优点 控制线的数量多，例如，要控制n个设备，必须有n根总线请求线和n根总线同意线，相比之下，链式查询方式只需1根总线请求线和1根总线同意线。另外，独立请求方式的控制器也要复杂得多。 同步通信缺点 新知讲授 总线通信——异步通信 新知讲授 同步：发送方用系统时钟前沿发信号接收方用系统时钟后沿判断、识别。 异步：允许不同速度的模块和谐工作。 总线通信——半同步通信： 新知讲授 总线通信——分离式通信 上述三种通信有一个共同的特点： 新知讲授 总线数据传送模式 总线数据传送模式 读、写操作 读操作是由从方到主方的数据传送；写操作是由主方到从方的数据传送。一般，主方先以一个总线周期发出命令和从方地址，经过一定的延时再开始数据传送总线周期。为了提高总线利用率，减少延时损失，主方完成寻址总线周期后可让出总线控制权，以使其他主方完成更紧迫的操作。然后再重新竞争总线，完成数据传送总线周期。 块传送操作 只需给出块的起始地址，然后对固定块长度的数据一个接一个地读出或写入。对于CPU（主方）、存储器（从方）而言的块传送，常称为猝发式传送，其块长一般固定为数据线宽度（存储器字长）的4倍。 写后读、读后写操作 只给出地址一次，或进行先写后读操作，或进行先读后写操作。前者用于校验目的，后者用于多道程序系统中对共享存储资源的保护。这两种操作和猝发式操作一样，主方掌管总线直到整个操作完成。 广播、广集操作 一般而言，数据传送只在一个主方和一个从方之间进行。但有的总线允许一个主方对多个从方进行写操作，这种操作称为广播。与广播相反的操作称为广集，它将选定的多个从方数据在总线上完成AND或OR操作，用以检测多个中断源。 新知讲授 三种周期定义及关系 指一条指令经取指、译码、读操作数、执行、送结果数据的过程。 指令周期 指CPU通过总线进行某种操作的过程。如存储器读周期、存储器写周期、I/O读周期、I/O写周期等。 总线周期 时钟是由振荡源产生的、幅度和周期不变的节拍脉冲，每个脉冲周期称为时钟周期，又称为T状态。 时钟周期 新知讲授 一个基本总线周期包含4个时钟周期：4个时钟周期编号为T1、T2、T3和T4 总线周期 新知讲授 总线周期 总线空闲状态 在两个总线周期之间，系统总线处在空闲状态，需要执行若干时钟周期Ti，Ti又称为空闲周期。 当需要延长总线周期时，需要在T3和T4之间插入若干时钟周期Tw，Tw又称为等待周期。 总线周期延长 新知讲授 由 8088 CPU 组成的微型计算机，主要有 7 种总线周期，包括读存储器、写存储器、读 I/O 口、写 I/O 口、DMA 写 I/O、DMA 读 I/O 和中断响应总线周期。 8088 CPU 组成的微型计算机总线周期概述 T1状态——IO/M输出低电平，表示存储器操作；输出20位存储器地址A19～A0；ALE输出正脉冲，表示锁存总线输出地址 T2状态——输出控制信号RD T3和Tw状态——检测数据传送是否能够完成 T4状态——前沿读取数据，完成数据传送 新知讲授 由 8088 CPU 组成的微型计算机，主要有 7 种总线周期，包括读存储器、写存储器、读 I/O 口、写 I/O 口、DMA 写 I/O、DMA 读 I/O 和中断响应总线周期。 8088 CPU 组成的微型计算机总线周期概述 T1状态——IO/M输出低电平，表示存储器操作；输出20位存储器地址A19～A0；ALE输出正脉冲，表示锁存总线输出地址 T2状态——输出控制信号WR和数据D7～D0 T3和Tw状态——检测数据传送是否能够完成 T4状态——完成数据传送 新知讲授 由 8088 CPU 组成的微型计算机，主要有 7 种总线周期，包括读存储器、写存储器、读 I/O 口、写 I/O 口、DMA 写 I/O、DMA 读 I/O 和中断响应总线周期。 8088 CPU 组成的微型计算机总线周期概述 T1状态——IO/M输出高电平，表示I/O操作；输出16位I/O地址A15～A0；ALE输出正脉冲，表示锁存总线输出地址 T2状态——输出控制信号RD T3和Tw状态——检测数据传送是否能够完成 T4状态——前沿读取数据，完成数据传送 新知讲授 由 8088 CPU 组成的微型计算机，主要有 7 种总线周期，包括读存储器、写存储器、读 I/O 口、写 I/O 口、DMA 写 I/O、DMA 读 I/O 和中断响应总线周期。 8088 CPU 组成的微型计算机总线周期概述 T1 状态——IO/M 输出高电平，表示 I/O 操作；输出 16 位 I/O 地址 A₁₅～A₀；ALE 输出正脉冲，表示锁存总线输出地址 T2 状态—— 输出控制信号 WR* T3 和 Tw 状态—— 检测数据传送是否能够完成 T4 状态—— 前沿写入数据，完成数据传送 新知讲授 由 8088 CPU 组成的微型计算机，主要有 7 种总线周期，包括读存储器、写存储器、读 I/O 口、写 I/O 口、DMA 写 I/O、DMA 读 I/O 和中断响应总线周期。 8088 CPU 组成的微型计算机总线周期概述 随堂检测1 总线通信协议是为了保证（ ）而制定的规则。 A. 数据传输速度 B. 数据传输的正确性 C. 总线的使用寿命 D. 设备的兼容性 答案：B 解析：总线通信协议是为了保证正确通信，即数据传输的正确性，使接收方收到正确信息，所以选 B。 练一练 随堂检测2 读存储器总线周期中，ALE 信号有效表示（ ）。 A. 数据传输开始 B. 地址信号有效 C. 读操作完成 D. 进入等待周期 答案：B 解析：读存储器总线周期中，ALE 信号有效后开始该周期，其下降沿表示地址信号有效，可采样地址信号，所以选 B。 练一练 随堂检测3 简述通信协议的概念及作用。 【答案】通信协议是为了保证正确通信而对通信双方约定的规则，也就是发送方和接收方都要遵守的规则。其作用是保证数据通过总线后，接收方能够收到正确的信息，不至于在传送过程中发生错误。 比较读 I/O 口总线周期和读存储器总线周期的异同。 【答案】 相同点：读 I/O 口的总线周期与读存储器的总线周期比较相似，都有类似的时钟周期（T1、T2、T3、T4 等），当连接的设备速度较慢时，都可能会插入等待周期 Tw 以保证正确通信。 不同点：读 I/O 口总线周期将 MEMR 信号换成了 IOR 信号，表示读 I/O 口。 练一练 随堂检测4 通信协议只是发送方需要遵守的规则。（ ） 【答案】× 【解析】通信协议是为了保证正确通信而对通信双方约定的规则，即发送方和接收方都要遵守的规则，所以该说法错误。 读存储器总线周期和写存储器总线周期的开始标志是一样的。（ ） 【答案】√ 【解析】读存储器总线周期和写存储器总线周期都是在 T1 时间内的 ALE 信号有效后开始的，ALE 的下降沿表示地址信号是有效的，可以采样地址信号，所以该说法正确。 练一练 师生互动 1 请同学们分组讨论，在一个多设备、速度差异较大的计算机总线系统中，如何优化总线通信协议以提高数据传输效率？ 课题小结 1. 总线通信协议概述 总线的通信协议 2. 读存储器总线周期 读存储器总线周期的信号时序图 总线周期的时钟周期（状态） 等待周期 Tw 的插入条件和作用 读存储器总线周期的具体流程 总线通信协议的概念 保证正常通信的条件 总线的通信协议与总线周期的关系 8088 CPU 组成的微型计算机的主要总线周期 写存储器总线周期的信号时序图 写存储器总线周期的开始条件 信号 MEMW 的作用 检测 READY 信号及插入 Tw 周期的情况 写存储器总线周期的数据写入过程 3. 写存储器总线周期 4. 读 I/O 口总线周期 5. 写 I/O 口总线周期 谢谢观看 THANKS $