总线

Posted 2023-04-22 yimumengke

第六章 总线

【复习提示】

本章的知识点较少，其中总线仲裁及总线操作和定时方式是难点。本章内容通常以选择题的形式出现，特别是系统总线的特点、性能指标、各种仲裁方式的特点、异步定时方式及常见的总线标准和特点等。总线带宽的计算也可能结合其他章节出综合题

在学习本章时，请读者思考以下问题：

• 1)引入总线结构有什么好处？
• 2)引入总线结构会导致什么问题？如何解决？

请读者在学习本章的过程中寻找答案，本章末尾会给出参考答案。

6.1 总线的概述

6.1.1 总线基本概念

3.总线的特性

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

6.1.2 总线的分类

6.1.4 总线的性能指标

总线的性能指标
1.总线的传输周期（总线周期）
2.总线时钟周期
3.总线的工作频率
4.总线的时钟频率
5.总线宽度
6.总线带宽
7.总线复用
8.信号线数

6.2 总线仲裁

6.2.2 分布仲裁方式

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。

6.3 总线操作和定时

6.4 总线标准

总线标准的基本概念：

• 总线标准是国际上公布或推荐的互连各个模块的标准，它是把各种不同的模块组成计算机系统时必须遵守的规范。按总线标准设计的接口可视为通用接口，在接口的两端，任何一方只需根据总线标准的要求完成自身方面的功能要求，而无须了解对方接口的要求。
• 系统总线标准：ISA、EISA、VESA、PCI、PCI- Express等。
• 设备总线标准：IDE、AGP、RS-232C、USB、SATA、SCSI、 PCMCIA等。
• 局部总线标准：在ISA.总线和CPU总线之间增加的一级总线或管理层，如PCI、PCI-E、VESA、AGP等，可以节省系统的总带宽。
• 即插即用( Plug-and-Play)的作用是自动配置（低层）计算机中的板卡和其他设备，然后告诉对应的设备都做了什么。把物理设备和软件（设备驱动程序）相配合，并操作设备，在每个设备和它的驱动程序之间建立通信信道
• 热插拔( hot-plugging或 Hot Swap)即带电插拔，热插拔功能就是允许用户在不关闭系统，不切断电源的情况下取出和更换损坏的硬盘、电源或板卡等部件，从而提高了系统对灾难的及时恢复能力、扩展性和灵活性等，例如一些面向高端应用的磁盘镜像系统都可以提供磁盘的热插拔功能。

6.4.1 常见的总线标准

6.5本章开头提出的问题回答

1)引入总线结构有什么好处？

• 1)引入总线结构有什么好处？

  引入总线结构主要有以下优点
  ①简化了系统结构，便于系统设计制造。
  ②大大减少了连线数目，便于布线，减小体积，提高系统的可靠性
  ③便于接口设计，所有与总线连接的设备均采用类似的接口。
  ④便于系统的扩充、更新与灵活配置，易于实现系统的模块化
  ⑤便于设备的软件设计，所有接口的软件对不同的接口地址进行操作。
  ⑥便于故障诊断和维修，同时也能降低成本。

2)引入总线会导致什么问题？如何解决？

• 2)引入总线会导致什么问题？如何解决？

  引入总线后，总线上的各个设备分时共享同一总线，当总线上多个设备同时要求使用总线时就会导致总线的冲突。为解决多个主设备同时竞争总线控制权的问题，应当采用总线仲裁部件，以某种方式选择一个主设备优先获得总线控制权，只有获得了总线控制权的设备才能开始数据传送。

6.6 常见问题

1.同一个总线不能既采用同步方式又采用异步方式通信吗？

• 1.同一个总线不能既采用同步方式又采用异步方式通信吗？

  半同步通信总线可以。这类总线既保留了同步通信的特点，又能采用异步应答方式连接速度相差较大的设备。通过在异步总线中引入时钟信号，其就绪和应答等信号都在时钟的上升沿或下降沿有效，而不受其他时间的信号干扰。
  例如，某个采用半同步方式的总线总是从某个时钟开始，在每个时钟到来时，采样Wait信号，若无效，则说明数据未准备好，下个时钟到来时，再采样Wait信号，直到检测到有效，再去数据线上取数据。PCI总线也是一种半同步总线，它的所有事件都在时钟下降沿同步，总线设备在时钟开始的上升沿采样总线信号。

2.一个总线在某一时刻可以有多对主从设备进行通信吗？

• 2.一个总线在某一时刻可以有多对主从设备进行通信吗？

  不可以。在某个总线周期内，总线上只有一个主设备控制总线，选择一个从设备与之进行通信（即一对一的关系），或对所有设备进行广播通信（即一对多的关系）。所以一个总线在某一时刻不能有多对主从设备进行通信，否则会发生数据冲突。

第七章 输入/输出系统

【复习提示】

I/O方式是本章的重点和难点，每年不仅会以选择题的形式考查基本概念和原理，而且可能会以综合题的形式考査，特别是各种IO方式效率的相关计算，中断方式的各种原理、特点、处理过程、中断屏蔽，DMA方式的特点、传输过程、与中断方式的区别等。

在学习本章时，请读者思考以下问题

• 1)IO设备有哪些编址方式？各有何特点？
• 2)CPU响应中断应具备哪些条件？

请读者在学习本章的过程中寻找答案，本章末尾会给出参考答案。

【复习提示】
I/O方式是本章的重点和难点，每年不仅会以选择题的形式考査基本概念和原理，而且可能会以综合题的形式考査，特别是各种IO方式效率的相关计算，中断方式的各种原理、特点、处理过程、中断屏蔽，DMA方式的特点、传输过程、与中断方式的区别等。
在学习本章时，请读者思考以下问题：

• 1)I/O设备有哪些编址方式？各有何特点？
• 2)CPU响应中断应具备哪些条件？

请读者在学习本章的过程中寻找答案，本章末尾会给出参考答案。

7.1 I/O系统基本概念

7.1.1 输入/输出系统

输入、输出是以主机为中心谈论的！输入、输出设备都属于外部设备

7.1.2 I/O控制方式

7.1.4 解析

1. I/O设备不可能直接与主板总线相连，它总是通过设备控制器来相连的
2. I/O指令是指令系统的一部分，是机器指令的一类，但其为了反映与I/O设备交互的特点，格式和其他通用指令相比有所不同。
3. 通道程序存放在主存而非通道中，由通道从主存中取出并执行。通道程序由通道执行，且只能在具有通道的I/O系统中执行

7.2 外部设备

• 外部设备
  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。
  

7.2.1 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。

7.2.2 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。

打印机从打字原理的角度可以分为：击打式和非击打式！

7.2.3 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。






串行：不能同时写和读！

3.光盘存储器

4.固态硬盘

7.2.5 解析

• 存取一个扇区的平均延迟时间为旋转半周的时间。
• 磁盘存储器的最小读写单位为一个扇区，即磁盘按块存取。

7.3 I/O接口

7.4 I/O方式

7.4.2 程序中断方式

7.4.3 DMA方式

7.5 本章开头提出的问题回答

1)I/O设备有哪些编址方式？各有何特点？

1)I/O设备有哪些编址方式？各有何特点？

统一编址和独立编址。统一编址是在主存地址中划出一定的范围作为I/O地址，以便通过访存指令即可实现对I/O的访问，但主存的容量相应减少。独立编址是指IO地址和主存是分开的，I/O地址不占主存空间，但访存需专门的I/O指令。

2)CPU响应中断应具备哪些条件？

• 2)CPU响应中断应具备哪些条件？

  ①在CPU内部设置的中断屏蔽触发器必须是开放的
  ②外设有中断请求时，中断请求触发器必须处于“1”状态，保持中断请求信号。
  ③外设(接ロ)中断允许触发器必须为“1”，这样才能把外设中断请求送至CPU。
  具备上述三个条件时，CPU在现行指令结束的最后一个状态周期响应中断。

7.6 常见问题

1.中断响应优先级和中断处理优先级分别指什么？

• 1.中断响应优先级和中断处理优先级分别指什么？

  中断响应优先级是由硬件排队线路或中断查询程序的查询顺序决定的，不可动态改变；而中断处理优先级可以由中断屏蔽字来改变，反映的是正在处理的中断是否比新发生的中断的处理优先级低(屏蔽位为“0”，对新中断开放)，若是，则中止正在处理的中断，转到新中断去处理，
  处理完后再回到刚才被中止的中断继续处理。

2.向量中断、中断向量、向量地址三个概念是什么关系？

• 2.向量中断、中断向量、向量地址三个概念是什么关系？

  中断向量：每个中断源都有对应的处理程序，这个处理程序称为中断服务程序，其入口地址称为中断向量。所有中断的中断服务程序入口地址构成一个表，称为中断向量表；也有的机器把中断服务程序入口的跳转指令构成一张表，称为中断向量跳转表。
  向量地址：中断向量表或中断向量跳转表中每个表项所在的内存地址或表项的索引值，称为向量地址或中断类型号。
  向量中断：指一种识别中断源的技术或方式。识别中断源的目的是找到中断源对应的中断服务程序的入口地址的地址，即获得向量地址。

3.程序中断和调用子程序有何区别？

• 3.程序中断和调用子程序有何区别？

  两者的根本区别主要表现在服务时间和服务对象上不一样。
  1)调用子程序过程发生的时间是已知的和固定的，即在主程序中的调用指令(CALL)执行时发生主程序调用子程序过程，调用指令所在位置是已知的和固定的。而中断过程发生的时间一般是随机的，CPU在执行某个主程序时收到中断源提出的中断申请，就发生中断过程，而中断申请一般由硬件电路产生，申请提出时间是随机的。也可以说，调用子程序是程序设计者事先安排的，而执行中断服务程序是由系统工作环境随机决定的
  2)子程序完全为主程序服务，两者属于主从关系。主程序需要子程序时就去调用子程序，并把调用结果带回主程序继续执行。而中断服务程序与主程序二者一般是无关的，不存在谁为谁服务的问题，两者是平行关系。
  3)主程序调用子程序的过程完全属于软件处理过程，不需要专门的硬件电路；而中断处理系统是一个软/硬件结合的系统，需要专门的硬件电路才能完成中断处理的过程
  4)子程序嵌套可实现若干级，嵌套的最多级数受计算机内存开辟的堆栈大小限制；而中断嵌套级数主要由中断优先级来决定，一般优先级数不会很大。
  从宏观上看，虽然程序中断方式克服了程序査询方式中的CPU“踏步”现象，实现了CPU与I/O并行工作，提高了CPU的资源利用率，但从微观操作分析，CPU在处理中断服务程序时，仍需暂停原程序的正常运行，尤其是当高速I/O设备或辅助存储器频繁地、成批地与主存交换信息时，需要不断打断CPU执行现行程序，而执行中断服务程序。

4.IO指令和通道指令有何区别？

• 4.IO指令和通道指令有何区别？

  I/O指令是CPU指令系统的一部分，是CPU用来控制输入/输出操作的指令，由CPU译码后执行。在具有通道结构的机器中，I/O指令不实现I/O数据传送，主要完成启、停I/O设备，査询通道和I/O设备的状态，及控制通道进行其他一些操作等。
  通道指令是通道本身的指令，用来执行I/O操作，如读、写、磁带走带及磁盘找道等操作。

总线——概念与分类

文章目录

• 总线的定义
• • 为什么要用总线？
• 总线的特点
• 总线的特性
• 总线的分类
• • 串行总线与并行总线
  • • 串行总线
    • • 优缺点
    • 并行总线
    • • 优缺点
  • 按总线功能
  • • 1. 片内总线
    • 2. 系统总线
    • 3. 通信总线（外部总线）
    • 补：系统总线的结构
    • • 单总线结构
      • 双总线结构
      • 三总线结构
• 总线结构简介

总线的定义

总线：是一组能为多个部件分时共享的公共信息传送线路。

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。

总线的特点

在定义中我们也可以看到，总线的特点是分时和共享：

1. 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。

2. 分时是指同一时刻只允许有一个部件向总线发送信息，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。

总线的特性

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

总线的分类

串行总线与并行总线

串行总线

优缺点

• 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

优缺点

• 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。

按总线功能

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

1. 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。

2. 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。

1）数据总线用来传输各功能部件之间的数据信息，它是双向传输总线，其位数与机器
字长、存储字长有关。
2）地址总线用来指出数据总线上的源数据或目的数据所在的主存单元或I/O端口的地址，它是单向传输总线，地址总线的位数与主存地址空间的大小有关。
3）控制总线传输的是控制信息，包括CPU送出的控制命令和主存（或外设）返回CPU的反馈信号。

3. 通信总线（外部总线）

通信总线是用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统（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。

补：系统总线的结构

单总线结构

• 结构：CPU、主存、I/O设备（通过I/O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。
• 注意：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

主存主线：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。
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

• 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

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

总线结构简介

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