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计算机组成原理的学习笔记(12) -- 总线和I/O系统

news 来源：原创 2025/7/26 20:02:34

学习笔记

前言

​
本文主要是对于b站尚硅谷的计算机组成原理的学习笔记，仅用于学习交流。

总线

1. 组成

总线主要由三种信号线组成：

  • 数据线：用于传输实际的数据，宽度决定了数据传输的并行性。

  • 地址线：传输内存或I/O设备的地址，决定了系统可以寻址的最大内存空间。

  • 控制线：传输控制信息，协调设备间的操作，确保数据正确传输。

2. 结构

总线可以按功能和设计架构分为不同的结构，主要包括以下几种：

2.1 单总线结构

单总线结构指计算机系统内所有部件（如CPU、内存、I/O设备等）共享一条总线。这种结构简单，硬件开销低，但随着设备增多，竞争激烈，容易出现瓶颈。

2.2 双总线结构

双总线结构通常将内存总线和I/O总线分开，这样可以有效地分担总线带宽，提高整体性能。常见于需要高性能内存访问的系统。

2.3 三总线结构

三总线结构进一步将高速I/O设备与其他设备分开，专门为I/O设备提供单独的高速总线。这样可以避免I/O设备与CPU或内存的争用，提高数据传输效率。

3. 性能指标

总线的性能指标主要涉及以下几个方面：

  • 数据传输速率：指单位时间内通过总线传输的数据量，通常用MBps或Gbps表示。

  • 宽度：8位/32位等，表示总线一次可以传输的数据位数。

  • 带宽：总线的数据传输宽度和传输速率的乘积，表示总线一次可以传输的数据量。

  • 延迟：数据从一个设备到达另一个设备所需的时间，低延迟意味着更高效的数据传输。

  • 总线复用：通过在同一条总线上传输多种信号（如地址、数据、控制信号），减少了硬件资源的需求，提高了总线的利用率。

  • 总线周期：总线进行一次完整数据传输所需的时间。

  • 最大容量：总线能够支持的最大内存或设备数量。

4. 总线标准

常见的总线标准有很多，主要包括以下几种：

4.1 ISA

  • 由IBM推出，常用于早期的8位和16位计算机。

  • 最大传输率为16 MBps，地址线24位，数据线16位。

4.2 EISA

  • 在ISA的基础上扩展，支持更高的传输率（最大33 MBps），使用32位数据线和32位地址线，改进了传输效率。

4.3 VESA

  • 由VESA提出，主要用于显卡等高带宽需求的设备，最大传输速率可达133 MBps，采用32位或64位数据线。

4.4 PCI

  • 提供更高性能的总线标准，支持即插即用，33 MHz的时钟频率，数据传输速率为132 MBps，支持32位和64位数据通道。

4.5 PCIe

  • 基于串行通信，支持更高的带宽，最新版本支持的传输速率可达8 Gbps。

4.6 AGP

  • 专为显卡设计的总线，具有较高的带宽，最大传输速率可达533 MBps。

4.7 USB

  • 做到了真·即插即用，主要用于外设连接，支持热插拔，传输速率从1.5 Mbps到10 Gbps不等。

4.8 RS-232C

  • 用于串行数据交换，通常用于20米以内的通信，广泛应用于早期的计算机外设。

5. 总线仲裁

总线仲裁是多设备系统中用于决定哪个设备能够访问总线的机制。常见的仲裁方式有：

5.1 链式仲裁

  • 每个设备按顺序连接，优先级由设备在链条中的位置决定，简单但效率较低，适合设备数量较少的系统。

5.2 计数器仲裁

  • 每个设备有一个计数器，设备的优先级由计数器的值决定。优先级动态变化，避免了“饥饿”问题，适用于设备较多的系统，

5.3 独立请求仲裁

  • 每个设备可以独立发出请求，仲裁器根据请求决定哪个设备获得总线。灵活且高效，但可能出现争用和复杂的仲裁机制。

5.4 总线仲裁机制的应用

不同的总线仲裁机制适用于不同的系统，主要的选择标准包括：

  • 设备数量：设备数量多时，计数器仲裁和独立请求仲裁较为高效。

  • 系统复杂性：较为简单的系统可能使用链式仲裁，较为复杂的系统则可以选择计数器仲裁和独立请求仲裁。

  • 公平性要求：如果系统中设备间的公平性要求较高，计数器仲裁和独立请求仲裁更为合适。

5.5 总线仲裁的优缺点总结
仲裁方式优点缺点
链式仲裁实现简单，硬件开销小，适合设备数量少的系统，只需要两根线便可实现功能。效率低，设备数量多时存在等待延迟，可能产生优先级反转问题。
计数器仲裁提供动态优先级调整，较高的公平性，适合多设备系统，需要log(n) + 1根线来实现。实现复杂，硬件开销大，需要全局同步。
独立请求仲裁灵活高效，设备独立请求，适用于灵活的设备间竞争，需要2n根线实现。可能导致争用，仲裁复杂，低优先级设备可能无法及时获得总线。

6.总线通信控制

  • 同步通信：

    • 规定明确，简单，但具有局限性。

  • 异步通信：

    • 采取握手方式，一问一答的方式实现，克服了同步通信的缺点，但控制逻辑更复杂，传输率更低。

    • 分为不互锁，半互锁，全互锁式(TCP协议的三次握手)。

  • 半同步通信：

    • 前两者的结合。

  • 分离式通信：

    • 将传输周期分为两个子周期，A为主设备，B为访问的设备

    • 第一个子周期，A占用总线向B设备发送信息，之后立即退出占用总线。

    • 第二个子周期，B设备接受到了A设备发送的信息，在内部准备好A需要的信息后，再占用总线向A发送信息。

    • 总的来说节省了等待B设备准备数据的时间，但设计更加复杂。

I/O系统

1. 组成

1.1 I/O软件

  • I/O指令：

    • 由操作码/命令码/设备码组成。

    • 命令码：表示具体的操作类型，如输入、输出、状态检测等。

    • 操作码：标识该命令为I/O指令。

  • 通道指令：

    • 通道是操作系统与I/O设备交互的一个重要组成部分，负责处理与I/O设备相关的操作。

    • 通道指令是指通过通道进行I/O操作时所使用的指令，它通常是计算机硬件的一部分，直接影响设备的工作和数据传输。

1.2 I/O硬件

  • 采取接口模块的I/O系统：

    • 接口模块/I/O设备。

  • I/O通道：

    • 通道/设备控制器/I/O设备

  • I/O总线

2. I/O接口

2.1 功能

  1. 选址功能：

    • I/O接口负责为每个外部设备分配一个唯一的地址，这样计算机系统能够通过该地址访问特定的I/O设备。

  2. 数据缓冲：

    • I/O接口使用缓冲区存储数据，以解决设备速度差异问题，避免因传输速率不匹配而导致的数据丢失或过载。

  3. 串并转换：

    • 对于串行通信的设备和并行通信的计算机，I/O接口负责进行串行与并行数据格式的转换，以保证数据传输的兼容性。

  4. 电平转换：

    • 计算机内部和外部设备通常使用不同的电压标准，I/O接口负责将信号电平转换，使设备能够正确理解信号。

  5. 传送控制命令：

    • I/O接口发送控制命令，确保I/O设备能够按时启动、停止或执行特定的操作。

  6. 反馈状态信息：

    • I/O接口不断监控设备的状态，并反馈给计算机，告知设备是否处于就绪、忙碌、错误等状态.

2.2 I/O接口的基本组成

I/O接口的基本组成通常包括以下几个关键部分：

  1. 设备选择电路

    • 当设备码匹配时，发出设备选择信号，选择并激活目标I/O设备。该电路确保数据和控制信号被发送到正确的设备。

  2. 命令寄存器/命令译码器

    • 命令寄存器：用于暂时存储通过命令线传输过来的命令码。

    • 命令译码器：对命令寄存器中的命令进行解析，决定该执行的操作类型，如读、写、状态检测等。

  3. 数据缓冲寄存器 (DBR)

    • 用于暂存即将传输的数据或已接收的数据，解决计算机和外部设备之间的速度差异问题。数据缓冲寄存器确保数据在适当时刻被正确传输和处理。

  4. 状态触发器

    • 包括完成触发器（D）和工作触发器（B），用于表示设备的工作状态和操作完成状态。这些触发器提供设备当前状态的实时反馈。

  5. 中断请求触发器

    • 发送中断请求信号，当设备完成任务或发生异常情况时，触发中断请求，通知CPU进行处理。

  6. 中断屏蔽触发器

    • 实现对中断请求的屏蔽功能，用于控制哪些中断信号需要被忽略，防止不需要的中断干扰正常的操作。

2.3 I/O端口及其编址

  1. 端口

    • 指的是接口电路中的一些寄存器，包括数据端口，控制端口，状态端口。

  2. 编址

    • 统一编址：将I/O地址看成存储器地址的一部分，可以通过CPU直接进行访问，缺点是减少了主存的容量。

    • 不统一编址：I/O地址和存储器地址完全分开，两者独立，但与此同时需要专门的I/O指令进行访问，结构更清晰，但指令系统更加复杂。

3. I/O方式

3.1 程序查询方式

  • 定义：在程序查询方式下，CPU通过不断查询设备的状态寄存器来判断I/O操作是否完成，是否可以进行下一步操作。

  • 过程：程序轮询外设的状态寄存器，检查是否就绪，如果未就绪则继续查询，直到操作完成。

  • 特点：

    • 简单易实现，但效率较低。

    • 占用CPU资源，CPU在等待期间无法执行其他任务。

    • 常用于I/O操作较少、延迟要求不高的场景。

3.2 DMA方式 (Direct Memory Access)

  • 定义：DMA方式通过DMA控制器直接将数据在I/O设备和内存之间传输，CPU仅在初始化传输时参与，不需要进行数据传输过程中的干预。

  • 过程：CPU向DMA控制器发送命令，DMA控制器负责直接在内存和I/O设备之间传输数据，传输完成后生成中断通知CPU。

  • 特点：提高了数据传输效率，释放了CPU的处理能力。

    • 适用于大量数据传输的场景，如磁盘、网络、音视频处理等。

    • 需要额外的硬件支持（DMA控制器）。

    • 支持更高的带宽和低延迟。

结语

总之算是先把计组的知识点过了一遍，感觉距离掌握这门课还差很多...

看来是逃不了二刷了，不过学习计组的过程，姑且还不算枯燥。

另外再次推荐一下这位老师，讲得真的很不错....

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编程日记 2025/7/25 10:18:51

应用层2——FTP文件传输协议

FTP文件传输协议 FTP文件传输协议 TFTP简单文件传输协议 提供不同种类主机系统&#xff08;软硬件体系不同&#xff09;之间的文件传输能力 即屏蔽底层操作系统的差异 FTP以C/S模式进行服务,FTP使用TCP协议传输 FTP服务器进程&#xff1a; 一个主进程&#xff0c;n个从属进…...

编程日记 2025/7/23 9:22:26

《探索PyTorch计算机视觉：原理、应用与实践》

《探索PyTorch计算机视觉&#xff1a;原理、应用与实践》 一、PyTorch 与计算机视觉的奇妙相遇二、核心概念解析&#xff08;一&#xff09;张量&#xff1a;计算机视觉的数据基石&#xff08;二&#xff09;神经网络&#xff1a;视觉任务的智慧大脑&#xff08;三&#xff09;…...

编程日记 2025/7/12 5:28:34

【Linux学习五】时间日期指令与查找指令

目录 一、时间日期指令 1.1 显示日期 1.2 设置日期 1.3 日历指令 二、搜索查找类指令 2.1 find指令 2.2 locate指令 2.3 grep指令和管道符号| 一、时间日期指令 1.1 显示日期 date &#xff08;功能描述&#xff1a;显示当前时间&#xff09;date %Y&#xff0…...

编程日记 2025/7/23 16:32:41

程序环境和预处理

程序环境和预处理 1.程序环境1.1如何从test.c到test.exe1.2.翻译环境1.2.1翻译过程1.2.2详细过程 1.3.运行环境 2.预处理2.1 预定义符号2.2 define2.2.1 define定义标识符2.2.2 define定义宏2.2.3 带副作用的宏参数2.2.4 宏和函数的对比 2.3 #undef2.4 命令行定义2.5 条件编译2…...

编程日记 2025/7/25 10:51:13

SpringCloud整合skywalking实现链路追踪和日志采集

1.部署skywalking https://blog.csdn.net/qq_40942490/article/details/144701194 2.添加依赖 <!-- 日志采集 --><dependency><groupId>org.apache.skywalking</groupId><artifactId>apm-toolkit-logback-1.x</artifactId><version&g…...

编程日记 2025/7/22 18:07:14

【Java】面试题 并发安全 （2）

文章目录 可重入锁&#xff08;ReentrantLock&#xff09;知识总结1. 可重入锁概念与特点2. 基本语法与使用注意事项3. 底层实现原理4. 面试回答要点 synchronized与lock的区别死锁相关面试题讲解死锁产生的四个条件ConcurrentHashMap2. JDK1.7的ConcurrentHashMap结构添加数据…...

编程日记 2025/7/22 19:51:51