总线和输入输出系统

• 1: 总线
• 2: I/O 系统

# 总线

## 总线

- 总线的基本概念
- 总线的组成和性能指标
- 总线事务和定时

## I/O接口

- I/O接口的功能和基本结构
- I/O端口和编址

## I/O方式

- 程序查询方式
- 程序中断方式
- DMA方式

1 - 总线

总线的基本概念

总线是一组电子导线或信号线，它们允许不同的硬件设备（如CPU、内存、输入/输出设备等）之间进行数据传输和通信。总线是计算机内部和外部设备之间的信息传递通道。

总线架构方式

1. 单总线结构:
   • 在单总线结构中，所有的处理器、存储器和I/O设备都通过一个共享的通信通道进行连接。
   • 这种设计简单、成本低，但所有设备都必须竞争同一个总线，可能导致瓶颈。
2. 多总线结构:
   • 多总线结构通过引入额外的总线来减轻单总线所带来的瓶颈问题。
   • 这种结构可能包括一个内部总线，专门用于处理器和主存储器之间的通信，以及一个或多个外部总线，用于处理器和外围设备之间的通信。
3. 分层总线结构:
   • 在分层总线结构中，总线被组织成层次结构，每一层服务于不同级别的数据传输需求。
   • 例如，高速缓存和处理器可能在顶层使用高速总线，而存储器和I/O设备可能在下一层使用较慢的总线。

总线组成

总线通常由多个不同的信号线或导线组成，每条线承担特定的功能。以下是总线的主要组成部分：

1. 数据总线（Data Bus）：数据总线用于在计算机系统的各个组件之间传输数据。它通常由多条并行线组成，每条线传输一个数据位（比特）。数据总线的宽度决定了每次数据传输的位数，例如，32位数据总线可以一次传输32位二进制数据。
2. 地址总线（Address Bus）：地址总线用于传输内存地址或外部设备的地址信息，以确定数据的存储位置或目标设备。地址总线的宽度决定了系统可以寻址的内存或设备的数量。更宽的地址总线通常允许系统寻址更多的内存或设备。
3. 控制总线（Control Bus）：控制总线传输控制信号和命令，用于控制各个硬件组件的操作。这些控制信号包括读/写信号、时钟信号、中断信号、复位信号等。控制总线用于协调数据传输和操作的序列。

常见总线标准

1. PCI (Peripheral Component Interconnect)：PCI总线是一种用于连接内部扩展卡（如显卡、网卡、声卡等）到主板的标准。PCI总线存在多个版本，包括PCI、PCI-X和PCI Express（PCIe），它们在带宽、速度和适用范围上有所不同。
2. SATA (Serial Advanced Technology Attachment)：SATA是一种用于连接存储设备（如硬盘驱动器和光盘驱动器）到计算机的总线标准。它广泛应用于个人电脑和服务器中。
3. ISA（Industry Standard Architecture）：16位体系结构，只能支持16位的I/O设备，是已经被淘汰的插槽接口。
4. IDE (Integrated Drive Electronics)：IDE是早期计算机中用于连接硬盘驱动器和光盘驱动器的总线标准，现在已经被SATA所取代。
5. USB (Universal Serial Bus)：USB是一种通用的总线标准，用于连接各种外部设备（如键盘、鼠标、打印机、存储设备等）到计算机。USB有多个版本，包括USB 1.0、USB 2.0、USB 3.0、USB 3.1和USB 3.2，它们在传输速度和功能上有所区别。

还有一些其他总线标准比如 PCI-Express、EISA 这种，看到能够认出来是总线标准即可。

总线事务

总线事务是计算机总线操作的一个基本单位。一个总线事务通常涉及一系列的操作，这些操作可以是数据的读取或写入。

在一个总线事务中，主设备（发起事务的设备）通过总线控制线对总线进行控制，并发出地址和数据，以及读写信号。从设备（数据被读取或写入的设备）则识别地址，并根据读写信号进行相应的数据交换。

总线事务包含几个主要阶段：

1. 请求（Request）：主设备发出总线传输请求。
2. 仲裁（Arbitration）: 如果多个设备同时尝试使用总线，它们必须通过某种仲裁过程来决定哪个设备有权控制总线。这通常涉及一个优先级方案，以防止冲突和数据损坏。
3. 寻址（Addressing）: 主设备将目标地址放在总线上，以指定事务的目的地，如特定的内存地址或I/O设备。
4. 传输（Transfer）: 一旦地址被确认，数据传输就会发生。这可以是读操作，也可以是写操作。
5. 终止（Termination）: 一旦数据成功传输，事务就会结束。终止阶段可能包括从设备发出的确认信号，或者主设备撤销其对总线的控制。

总线定时

1. 总线同步定时方式：

• 工作原理：在总线同步定时方式中，数据传输的时钟信号由一个中央时钟源（通常是主时钟源或总线控制器）生成，并将时钟信号传送到所有参与通信的设备。数据的传输和采样都按照这个中央时钟信号的时序进行。
• 优点：传输速度快，总线控制逻辑简单。
• 缺点：对于大规模系统或跨越较长距离的总线，需要保证时钟信号的一致性和稳定性，可能增加系统设计的复杂性。

2. 总线异步定时方式：

• 工作原理：在总线异步定时方式中，数据传输的时钟信号不是由中央时钟源统一控制，而是由每个设备自己的时钟信号驱动。完全依靠传送双方相互制约的“握手”信号来实现定时控制，通常我们将交换信息的两个设备称为主设备和从设备，主设备发送“请求”，从设备接收到后回复“回答”。
• 优点：可以适应异构系统，其中不同设备可能具有不同的时钟频率。
• 缺点：比同步控制方式复杂，速度比同步定时方式慢。

异步定时根据“请求”和“回答”的类型，可以分为三种类型：

• 不互锁：主设备持续发送请求一段时间，默认从设备接收到请求。
• 半互锁：主设备接收到来自从设备的回答后停止发送请求，从设备发送回答一段时间，默认主设备接收到回答。
• 全互锁：从半互锁的基础上，从设备接收到来自于主设备的回答后停止发送回答。

2 - I/O 系统

输入/输出系统

• 输入设备：用于向计算机系统输入命令和本文或数据，比如鼠标和键盘。
• 输出设备：用于将计算机系统的信息输出到外部进行显示、交换的部件。
• I/O 接口：外部设备和主机之间进行数据传输时进行各种协调工作的逻辑部件，暴扣传输过程中速度的匹配、电平和格式转换等。
• I/O 软件：包含驱动程序、管理程序等，这些程序通过 I/O 指令来实现 CPU 和 I/O 设备的信息互换。
• I/O 端口：接口电路中可以直接被 CPU 访问的寄存器

I/O 端口

组成部分

一个 IO 端口通常包括以下部分：

• 数据寄存器：存储当前要传输的数据。
• 状态寄存器：存储设备的运行状态，如“忙碌”或“空闲”。
• 控制寄存器：存储对设备的控制命令，例如启动或停止设备。

编址方式

I/O 端口主要包含数据端口、状态端口和控制端口，若干端口加上响应的控制逻辑电路组成接口。通常，CPU 能对数据端口执行读写操作，但对状态端口只能执行读操作，对控制端口只能执行写操作。

为了方便 CPU 对于 I/O 端口的访问，需要对各个端口进行编号，每个端口对应一个端口地址。编址方式主要有如下两种：

1. 统一编址（Memory-Mapped I/O）：
   • 特点：计算机的内存和 I/O 设备都被看做是内存地址空间的一部分，即内存地址和 I/O 地址共享同一个地址空间。
   • 优点：访问I/O端口和访问内存单元一样，所有访问内存的指令都可以访问I/O端口，不用设置专门 的I/O指令；也不需要专用的I/O端口控制信号，简化了系统总线。
   • 缺点：占用一部分CPU地址空间。划出的端口地址范围，不能再作为内存地址使用 ，所以减少了内存地址空间。
2. 独立编址（Isolated I/O）：
   • 特点：计算机使用专门的 I/O 指令和地址空间来访问外部设备，与内存地址空间分开。
   • 优点：不占用内存空间，而且I/O端口地址线根数少，译码电路简单。
   • 缺点：需要专用的控制信号和专用的I/O指令。

I/O 方式

程序查询方式

CPU 重复检查 I/O 设备的状态，确定是否可以进行数据传输。

1. 查询：CPU 定期查询或检查 I/O 设备的状态寄存器，查看设备是否准备就绪。
2. 判断：如果设备未就绪，CPU 会继续执行其他任务或持续轮询；如果设备就绪，则进行数据传输。
3. 数据传输：CPU 直接与 I/O 设备交换数据，可以是读操作或写操作。
4. 结束：数据传输完成后，CPU 继续执行其他任务，同时继续轮询 I/O 设备状态。

程序中断方式

在程序中断方式中，当 I/O 设备准备好进行数据传输时，会触发一个硬件中断来通知 CPU。 CPU 会暂停当前正在执行的任务，处理中断，然后恢复执行被中断的任务。

相比于轮询方式，CPU 在执行程序中断之前不需要一直检查 IO 设备的状态，这提升了效率。

中断处理过程

1. 中断触发：
   • 当外部设备完成操作或需要注意时，它会发送一个信号到处理器的中断请求（IRQ）线路。
   • 如果中断使能，并且当前的中断优先级允许，处理器会响应这个中断信号。
2. 中断识别：
   • 处理器完成当前指令的执行，并开始中断处理过程。
   • 处理器检查中断向量表（一个存储了不同中断处理程序地址的表），确定哪个中断被触发。
3. 保存上下文：
   • 处理器会保存当前任务的状态，通常包括程序计数器（PC）、程序状态字（PSW）和其他必要的寄存器，以便中断处理完成后能够恢复。
4. 中断服务程序（ISR）调度：
   • 处理器根据中断向量表跳转到相应的中断服务程序（ISR）。
   • 在执行中断服务程序之前，处理器可能会禁止或优先级屏蔽进一步的中断，以防止中断处理程序被其他中断打断。
5. 执行中断服务程序：
   • 中断服务程序执行所需的操作以响应外部中断，比如从 I/O 设备读取数据或向其发送数据。
6. 恢复上下文：
   • 中断服务完成后，处理器通过恢复之前保存的状态（上下文）来恢复中断之前执行的任务。
7. 中断返回：
   • 处理器执行一条专门的中断返回指令（比如 x86 架构中的 IRET 指令），该指令将程序计数器（PC）和程序状态字（PSW）等恢复到中断前的值，然后继续执行中断之前的程序。

多重中断和中断屏蔽

若 CPU 在执行中断服务程序的过程中，又出现了新的更高优先级的中断请求，而 CPU 对新的中断请求不予响应，则这种中断称为单重中断。

若 CPU 暂停现行的中断服务程序，转去处理新的中断请求，则这种中断称为多重中断，又称中断嵌套。

CPU 要具有处理多重中断的功能，必须满足下列条件：

1. 在中断服务程序中提前设置开中断指令。
2. 优先级高的中断源有权中断优先级低的中断源。

可以利用中断屏蔽技术动态调整中断处理优先级，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，所有的屏蔽触发器组合在一起便构成一个屏蔽字触发器。

如上图，中断屏蔽字中的每一位表示在执行一个中断的时候，我们是否屏蔽来自于其他中断源的请求。比如 B 的优先级高于 C、D，所以在处理来自于中断源 B 的中断时，需要屏蔽 B、C、D，即屏蔽字为 0100。

DMA 方式

DMA（Direct Memory Access，直接内存访问）是一种计算机系统的 I/O（输入/输出）方式，它允许外部设备直接访问主内存而无需 CPU 的干预。

步骤

1. 预处理：在进行 DMA 传输之前，CPU 需要进行初始化设置，包含源地址、目标地址、数据传输长度以及数据传输方向。
2. DMA 请求：外设向 DMA 控制器发送 DMA 请求，并向 CPU 发送总线请求。
3. 获取总线控制权：CPU 响应总线请求，发出总线响应信号，DMA 控制器接管总线控制权，进行 DMA 操作周期。
4. 数据传输：DMA 控制器进行数据传输，这个过程不需要 CPU 的干预。
5. 释放总线控制权：一旦 DMA 控制器完成数据传输，它会发出 DMA 传输完成信号，通知外设设备数据已经传输完毕。同时 DMA 控制器会释放总线控制权，使 CPU 可以继续执行其他任务。

使用总线方式

1. 总线独占（Bus Mastering）:
   • 在这种模式下，DMA 控制器会取得对总线的独占控制权。在传输期间，CPU 将无法访问内存，因为总线已经被 DMA 控制器占用了。
   • 在独占期间，CPU 通常会执行不涉及内存访问的指令，如计算或寄存器操作，或者进入等待状态直到 DMA 操作完成。
2. 周期挪用（Cycle Stealing，也叫做循环窃取）:
   • 在循环窃取模式下，DMA 控制器会逐个窃取总线周期来进行数据传输，而不是一次性占据所有的总线周期。
   • 这意味着 CPU 在 DMA 控制器未使用总线时仍然可以访问内存。因此，DMA 和 CPU 会交替使用总线，通常不会显著影响 CPU 的操作。
3. 分时多路复用（Time-Division Multiplexing）:
   • 在分时多路复用模式下，DMA 控制器和 CPU 会在预定的时钟周期内轮流使用总线。
   • 这种方式确保了 CPU 和 DMA 控制器都可以在它们的时隙内访问内存，但都无法全时段访问。

视频讲解