计算机组成原理第三部: 总线与IO系统

总线的概念与分类

总览:

总线是一组能为多个部件分时共享的公共信息传送线路。
共享是指总线上可以挂接多个部件,各个部件之间互相交换的信息都可以通过这组线路分时共享。
分时是指同一时刻只允许有一个部体向总线发送信息,如果系统中有多个部件，则它们只能分时地向总线发送信息。

为什么要用总线?
早期计算机外部设备少时大多采用分散连接方式，不易实现随时增减外部设备。为了更好地解决I/O设备和主机之间连接的灵活性问题，计算机的结构从分散连接发展为总线连接。

总线特性:

1.机械特性:尺寸、形状、管脚数、排列顺序
2.电气特性:传输方向和有效的电平范围
3.功能特性:每根传输线的功能(地址、数据、控制)
4.时间特性:信号的时序关系

分类

• 按数据传输格式

  • 串行总线
    优点:只需要一条传输线，成本低廉，广泛应用于长距离传输;应用于计算机内部时，可以节省布线空间。
    缺点:在数据发送和接收的时候要进行拆卸和装配,要考虑串行-并行转换的问题。
  • 并行总线优点:总线的逻辑时序比较简单,电路实现起来比较容易。
    缺点:信号线数量多, 占用更多的布线空间;远距离传输成本高昂; 由于工作频率较高时，并行的信号线之间会产生严重干扰,对每条线等长的要求也越高，所以无法持续提升工作频率。所以并行不一定比串行高
    1.工作频率相同时，串行总线传输速度比并行总线慢。
    2.并行总线的工作频率无法持续提高，而串行总线可以通过不断提高工作频率来提高传输速度，最终超过并行总线。

• 总线功能

  • 片内总线
    片内总线是芯片内部的总线。
    它是CPU芯片内部寄存器与寄存器之间、寄存器与ALU之间的公共连接线。

  • 系统总线
    系统总线是计算机系统内各功能部件（CPU、主存、I/O接口）之间相互连接的总线。按系统总线传输信息内容的不同，又可分为3类: 数据总线、地址总线和控制总线。
    数据总线: 传输各功能部件之间的数据信息,包括指令和操作数;位数(根数)与机器字长、存储字长有关;
    双向传输。
    数据通路表示的是数据流经的路径数据总线是承载的媒介

    地址总线: 传输地址信息,包括主存单元或I/O端口的地址;
    位数(根数)与主存地址空间大小及设备数量有关;
    单向传输。
    控制总线: 传输控制信息;一根控制线传输一个信号;
    有出:CPU送出的控制命令;
    有入:主存(或外设）返回CPU的反馈信号。

  • 通信总线
    通信总线是用于计算机系统之间或计繁机系统与其他系统(如远程通信设备、测试设备)之间信息传送的总线，通信总线也称为外部总线。

系统总线的结构:

单总线结构:

• 结构: CPU、主存、I/O设备（通过IO接口）都连接在一组总线上，允许I/O设备之间、I/O设备和CPU之间或I/O设备与主存之间直接交换信息。
• 优点: 结构简单，成本低，易于接入新的设备。
• 缺点: 带宽低、负载重，多个部件只能争用唯一的总线，且不支持并发传送操作。

注: 单总线并不是指只有一根信号线,系统总线按传送信息的不同可以细分为地址总线、数据总线和控制总线。

双总线结构:

结构: 双总线结构有两条总线，一条是主存总线，用于CPU、主存和通道之间进行数据传送;另一条是I/O总线，用于多个外部设备与通道之间进行数据传送。
优点: 将较低速的I/O设备从单总线上分离出来，实现存储器总线和I/O总线分离。
缺点:需要增加通道等硬件设备。

主存总线支持突发(猝发)传送:送出一个地址, 收到多个地址连续的数据

图中的通道是具有特殊功能的处理器，能对I/O设备进行统一管理。通道程序放在主存中。

三总线结构:

结构: 三总线结构是在计算机系统各部件之间采用3条各自独立的总线来构成信息通路，这3条总线分别为主存总线、I/O总线和直接内存访问DMA总线。
优点: 提高了I/O设备的性能，使其更快地响应命令，提高系统吞吐量
缺点: 系统工作效率较低

DMA:Direct Memory Access 直接内存访问

四总线结构:

总线的性能指标

1.总线的传输周期(总线周期) : 一次总线操作所需的时间(包括申请阶段、寻址阶段、传输阶段和结束阶段），通常由若干个总线时钟周期构成。
2.总线时钟周期: 即机器的时钟周期。计算机有一个统一的时钟,以控制整个计算机的各个部件，总线也要受此时钟的控制。
3.总线的工作频率: 总线上各种操作的频率，为总线周期的倒数。若总线周期=N个时钟周期，则总线的工作频率 = 时钟频率 / N。实际上指一秒内传送几次数据。
4.总线的时钟频率: 即机器的时钟频率，为时钟周期的倒数。若时钟周期为T，则时钟频率为1/T。
实际上指一秒内有多少个时钟周期。

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5.总线宽度: 又称为总线位宽，它是总线上同时能够传输的数据位数，通常是指数据总线的根数如32根称为32位（bit）总线。
6.总线带宽: 可理解为总线的数据传输率，即单位时间内总线上可传输数据的位数,通常用每秒钟传送信息的字节数来衡量，单位可用字节/秒（B/s）表示。
总线带宽 = 总线工作频率 × 总线宽度(bit/s）= 总线工作频率 × (总线宽度 / 8) （B/s） = 总线宽度 / 总线周期 (bit / s) = (总线宽度 / 8) / 总线周期 (B / s) 注意: 单位会导致公式的系数改变
注: 总线带宽是指总线本身所能达到的最高传输速率, 在计算实际的有效数据传输率时，要用实际传输的数据量除以耗时。

7.总线复用: 总线复用是指一种信号线在不同的时间传输不同的信息。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。
8.信号线数: 地址总线、数据总线和控制总线3种总线数的总和称为信号线数。

例题:

总线仲裁

同一时刻只能有一个设备控制总线传输操作，可以有一个或多个设备从总线接收数据。将总线上所连接的各类设备按其对总线有无控制功能分为:
主设备:获得总线控制权的设备。
从设备:被主设备访问的设备，只能响应从主设备发来的各种总线命令。
为什么要仲裁?
总线作为一种共享设备，不可避免地会出现同一时刻有多个主设备竞争总线控制权的问题。
总线仲裁的定义:
多个主设备同时竞争主线控制权时，以某种方式选择一个主设备优先获得总线控制权称为总线仲裁。
总线仲裁分类:
集中仲裁方式: 链式查询方式、计数器定时查询方式、独立请求方式

分布仲裁方式

工作流程:
1.主设备发出请求信号;
2.若多个主设备同时要使用总线，则由总线控制器的判优、仲裁逻辑按一定的优先等级顺序确定哪个主设备能使用总线;
3.获得总线使用权的主设备开始传送数据。

集中仲裁方式:

链式查询方式:

“总线忙”信号的建立者是获得总线控制权的设备
优先级:
离总线控制器越近的部件,其优先级越高
离总线控制器越远的部件,其优先级越低

优点: 链式查询方式优先级固定。
只需很少几根控制线就能按一定优先次序实现总线控制，结构简单，扩充容易。
缺点: 对硬件电路的故障敏感，并且优先级不能改变。
当优先级高的部件频繁请求使用总线时，会使优先级较低的部件长期不能使用总线。

计数器查询方式:

独立请求方式:

总结:

总线忙 信号的建立者是获得总线控制权的设备

分布仲裁方式 (了解):

特点: 不需要中央仲裁器，每个潜在的主模块都有自己的仲裁器和仲裁号，多个仲裁器竞争使用总线。
当设备有总线请求时，它们就把各自唯一的仲裁号发送到共享的仲裁总线上;
每个仲裁器将从仲裁总线上得到的仲裁号与自己的仲裁号进行比较;
如果仲裁总线上的号优先级高，则它的总线请求不予响应，并撤销它的仲裁号;最后，获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上。

总线操作和定时

总线周期的四个阶段:

1）申请分配阶段: 由需要使用总线的主模块（或主设备）提出申请，经总线仲裁机构决定将下一传输周期的总线使用权授予某一申请者。也可将此阶段细分为传输请求和总线仲裁两个阶段。
2）寻址阶段: 获得使用权的主模块通过总线发出本次要访问的从模块的地址及有关命令，启动参与本次传输的从模块。
3）传输阶段: 主模块和从模块进行数据交换，可单向或双向进行数据传送。
4）结束阶段: 主模块的有关信息均从系统总线上撤除，让出总线使用权。

总线定时是指总线在双方交换数据的过程中需要时间上配合关系的控制，这种控制称为总线定时，它的实质是一种协议或规则:

1. 同步通信 (同步定时方式) 由统一时钟控制数据传送
2. 异步通信 (异步定时方式) 采用应答方式,没有公共时钟标准
3. 半同步通信 同步异步结合
4. 分离式通信 充分挖掘系统总线每瞬间的潜力

同步定时方式

同步定时方式是指系统采用一个统一的时钟信号来协调发送和接收双方的传送定时关系。
时钟产生相等的时间间隔，每个间隔构成一个总线周期。
在一个总线周期中，发送方和接收方可进行一次数据传送。
因为采用统一的时钟，每个部件或设备发送或接收信息都在固定的总线传送周期中，一个总线的传送周期结束，下一个总线传送周期开始。

优点: 传送速度快,具有较高的传输速率;总线控制逻辑简单。
缺点: 主从设备属于强制性同步;不能及时进行数据通信的有效性检验，可靠性较差。

同步通信适用于总线长度较短及总线所接部件的存取时间比较接近的系统。

异步定时方式

在异步定时方式中，没有统一的时钟，也没有固定的时间间隔，完全依靠传送双方相互制约的“握手”信号来实现定时控制。
主设备提出交换信息的“请求”信号，经接口传送到从设备;从设备接到主设备的请求后，通过接口向主设备发出“回答”信号。

根据是否互锁分为三种:

优点: 总线周期长度可变，能保证两个工作速度相差很大的部件或设备之间可靠地进行信息交换，自动适应时间的配合。
缺点: 比同步控制方式稍复杂一些，速度比同步定时方式慢。

数据传输率

半同步通信

半同步通信:统一时钟的基础上，增加一个“等待”响应信号WAIT

分离式通信

总线标准

1.桥接器: 用于连接不同的总线，具有数据缓冲、转换和控制功能。
2.靠近CPU的总线速度较快。
3.每级总线的设计遵循总线标准(见本章第4节)。

能认识标准的名字, 要知道红线的特征

串行不是一根线, 指每根线都负责一对设备的输出

SATA --> 串行 IDE(ATA) --> 并行

了解红框内的性质: 串行或者并行, 背景

视频线标准

IO系统基本概念

演变过程: 注意串行并行

IO接口

IO控制方式

主要由程序控制, 用于速度较低的外设:
程序查询方式: IO与CPU串行，CPU有"踏步等待"现象
程序中断方式: IO准备数据时CPU继续工作，在指令执行结束时响应中断

主要由硬件控制, 用于速度较高的外设:
DMA方式: 主存与IO交换信息时由DMA控制器控制,在存取周期结束时响应DMA请求
通道方式: 通过lO指令启动通道，通道程序存放在主存中

输入输出设备

外部设备也称外围设备，是除了主机以外的、能直接或间接与计算机交换信息的装置。

输入设备: 用于向计算机系统输入命令和文本、数据等信息的部件。键盘和鼠标是最基本的输入设备。

输出设备: 用于将计算机系统中的信息输出到计算机外部进行显示、交换等的部件。显示器和打印机是最基本的输出设备。

外存设备: 是指除计算机内存及CPU缓存等以外的存储器。硬磁盘、光盘等是最基本的外存设备。

输出设备:

阴极射线管 (CRT)显示器:

CRT显示器主要由电子枪、偏转线圈、荫罩、高压石墨电极和荧光粉涂层及玻璃外壳5部分组成。具有可视角度大、无坏点、色彩还原度高、色度均匀、可调节的多分辨率模式、响应时间极短等目前LCD难以超过的优点。

液晶显示器 (LCD):

原理: 利用液品的电光效应，由图像信号电压直接控制薄膜晶体管，再间接控制液晶分子的光学特性来实现图像的显示。特点:体积小、重量轻、省电、无辐射、绿色环保、画面柔、不伤眼等。

LED（发光二极管）显示器
原理: 通过控制半导体发光二极管进行显示，用来显示文字、图形、图像等各种信息。

阴极射线管CRT显示器:

打印机:

外存储器

计算机的外存储器又称为辅助存储器，目前主要使用磁表面存储器。
所谓“磁表面存储”，是指把某些磁性材料薄薄地涂在金属铝或塑料表面上作为载磁体来存储信息。磁盘存储器、磁带存储器和磁鼓存储器均属于磁表面存储器。

磁表面存储器的优点:
①存储容量大，位价格低;
②记录介质可以重复使用;
③记录信息可以长期保存而不丢失，甚至可以脱机存档;
④非破坏性读出，读出时不需要再生。
磁表面存储器的缺点:
①存取速度慢;
②机械结构复杂;
③对工作环境要求较高。

原理:当磁头和磁性记录介质有相对运动时，通过电磁转换完成读/写操作。
编码方法:按某种方案（规律），把一连串的二进制信息变换成存储介质磁层中一个磁化翻转状态的序列，并使读/写控制电路容易、可靠地实现转换。
磁记录方式:通常采用调频制（FM）和改进型调频制（MFM）的记录方式。

是一个串行工作模式, 既可以当输入设备, 又可以当输出设备

磁盘存储器:

性能指标:

圈越小, 位密度越大

磁盘地址与工作过程:

磁盘阵列:

RAID通过同时使用多个磁盘，提高了传输率;通过在多个磁盘上并行存取来大幅提高存储系统的数据吞吐量;通过镜像功能，可以提高安全可靠性;通过数据校验，可以提供容错能力。

光盘存储器:

固态硬盘:

在微小型高档笔记本电脑中，采用高性能Flash Memory作为硬盘来记录数据，这种“硬盘”称固态硬盘。
固态硬盘除了需要Flash Memory外，还需要其他硬件和软件的支持。
注:闪存(Flash Memorv)是在E2PROM的基础上发展起来的，本质上是只读存储器。

I/O接口

I/O接口（I/O控制器）是主机和外设之间的交接界面，通过接口可以实现主机和外设之间的信息交换。

编址方式:

IO接口的类型:

IO方式: 程序查询方式

流程图:

程序查询方式接口结构:

例题:

CPU一旦启动I/O，必须停止现行程序的运行，并在现行程序中插入一段程序。主要特点:CPU有“踏步”等待现象，CPU与I/O串行工作。
优点: 接口设计简单、设备量少。
缺点: CPU在信息传送过程中要花费很多时间用于查询和等待，而且在一段时间内只能和一台外设交换信息,效率大大降低。

CPU和IO之间的数据传送是发生在CPU的寄存器和IO接口中的数据缓冲寄存器DBR之间, 交换单位是一个字

中断系统

中断机制是来提高计算机工作效率的, 程序中断方式是中断机制的一个具体应用

工作流程:
1.中断请求
中断源向CPU发送中断请求信号。
2.中断响应
响应中断的条件。
中断判优:多个中断源同时提出请求时通过中断判优逻辑响应一个中断源。
3.中断处理
中断隐指令(如保存断点信息)
中断服务程序。

中断请求的分类: 详见操作系统

中断请求标记

中断判优

优先级设置(多从题目中进行积累)

1.硬件故障中断属于最高级，其次是软件中断;
2.非屏蔽中断优于可屏蔽中断;
3.DMA请求优于I/O设备传送的中断请求;
4.高速设备优于低速设备;
5.输入设备优于输出设备;
6.实时设备优于普通设备。

中断隐指令:

①关中断: 在中断服务程序中，为了保护中断现场（即CPU主要寄存器中的内容）期间不被新的中断所打断，必须关中断，从而保证被中断的程序在中断服务程序执行完毕之后能接着正确地执行下去。
②保存断点: 为了保证在中断服务程序执行完毕后能正确地返回到原来的程序，必须将原来程序的断点(即程序计数器(PC）的内容)保存起来。可以存入堆栈，也可以存入指定单元。
③引出中断服务程序: 引出中断服务程序的实质就是取出中断服务程序的入口地址并传送给程序计数器（PC）

• 软件查询法
• 硬件向量法: 由硬件产生向量地址, 再由向量地址找到入口地址

单重中断和多重中断

中断屏蔽技术:

中断屏蔽技术主要用于多重中断，CPU要具备多重中断的功能，须满足下列条件。
①在中断服务程序中提前设置开中断指令。
②优先级别高的中断源有权中断优先级别低的中断源。
每个中断源都有一个屏蔽触发器，1表示屏蔽该中断源的请求，0表示可以正常申请，所有屏蔽触发器组合在一起，便构成一个屏蔽字寄存器，屏蔽字寄存器的内容称为屏蔽字。

例题:

重点:
分类
中断处理过程(中断隐指令)

1. 关中断
2. 保存断点
3. 引出中断程序
   • 软件查询法
   • 硬件向量法
     • 中断向量
4. 单重中断与多重中断
   • 中断服务程序的具体步骤
   • 中断屏蔽技术
     • 屏蔽字
     • 程序执行轨迹

程序中断方式

程序中断的作用如下:
①实现CPU与I/O设备的并行工作。
②处理硬件故障和软件错误。
③实现人机交互，用户干预机器需要用到中断系统。
④实现多道程序、分时操作，多道程序的切换需借助于中断系统。
⑤实时处理需要借助中断系统来实现快速响应。
⑥实现应用程序和操作系统（管态程序）的切换，称为“软中断”。
⑦多处理器系统中各处理器之间的信息交流和任务切换。

这里主要讲讲第一点如何实现

流程图:

例题:

DMA方式

每准备好一个数据都要中断CPU，由CPU运行中断服务程序来完成一次传送
磁盘机、磁带机等高速设备需要大批量的数据传送 → CPU大量时间用于中断服务由硬件实现控制大批量的数据传送 → DMA控制器

在DMA方式中，当I/O设备需要进行数据传送时，通过DMA控制器(DMA接口)向CPU提出DMA传送请求，CPU响应之后将让出系统总线，由DMA控制器接管总线进行数据传送。其主要功能有:
传送前:
1.接受外设发出的DMA请求，并向CPU发出总线请求。
2.CPU响应此总线请求，发出总线响应信号，接管总线控制权，进入DMA操作周期。

传送时:
3.确定传送数据的主存单元地址及长度，并能自动修改主存地址计数和传送长度计数。
4.规定数据在主存和外设间的传送方向，发出读写等控制信号，执行数据传送操作。

传送后:
5.向CPU报告DMA操作的结束。

DMA传送过程:

• 预处理: CPU完成寄存器初值设置等准备工作
• 数据传送: CPU继续执行主程序, DMA控制器完成数据传送
• 后处理: CPU执行中断服务程序做DMA结束处理
  

数据传送:

但是: CPU和DMA控制器访问主存可能产生冲突

解决方式:

DMA特点总结:

对比:

例题: