总线与IO

 

---

总线

总线（Bus）：计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，它是由导线组成的传输线束， 按照计算机所传输的信息种类，计算机的总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号。

文字虽然很长，但不知道TA在说什么。

举个例子吧，$USB$USB 全称是 $Universal~Serial~Bus$Universal Serial Bus，中文是：$通用串行总线$通用串行总线。

$USB$USB 是一个总线。

无论什么总线，都是解决不同设备之间的通信问题。

这是有总线连接的设备（脉络清晰）：

如果没有总线连接，那设备之间是相互通信的，每个设备都要有线连接（分散连接）：

这样连接的话，每多一个设备，就得多 $n$n 条线，连接设备的线数会呈指数级增加。
 

---

总线的分类

片内总线是在芯片内部的总线。

在$CPU$CPU里，也有相关的总线：

可以连接寄存器和寄存器、寄存器与运算器、控制器之间的设备。

片内总线，可以说是高集成度芯片内部的信息传输线，大大简化了芯片里面的电路结构。
 

---

系统总线是 CPU、内存、IO设备、各组件之间的信息传输线。

系统总线，分为：

• 数据总线

  总线的位数（总线宽度）和 CPU 位数相同（32位 or 64位），负责双向传输各部件的数据信息。

• 地址总线

  负责地址的寻址，若地址总线位数有 $n$n 个，那寻址范围：$0-2^{n}$0−2n。

• 控制总线

  负责发出各种控制信号的传输线，也可以检测各个部件为交换数据是否就绪。

 

---

总线的仲裁

假设现在，内存与硬盘、IO设备交换数据，控制总线检测三者已经就绪，可总线该给谁使用呢？

总线的仲裁，就是为解决总线使用权的冲突问题。

总线的仲裁的方法：

• 【链式查询】
  
  假设 $设备3$设备3 需要使用权，仲裁控制器会通过链式顺序把使用权依次给 $设备1$设备1、$设备2$设备2、$设备3$设备3。

  因为只有 $设备3$设备3 需要使用权，所以，最后 $设备3$设备3 会得到使用权。

  链式查询的好处是电路简单，但如果 $设备1$设备1、$设备2$设备2、$设备3$设备3 同时需要使用权，那只有 $设备1$设备1 获取了使用权，对优先级低的设备难以获得使用权，对电路故障也比较敏感。

• 【计时器定时查询】

  仲裁控制器对设备编号并使用计数器累计计数，接收到仲裁信号后，往所有设备发射计数值，计数值与设备编号一致则获得使用权。

  比如，现在 $设备2$设备2 需要使用权。
  
  仲裁控制器从编号 $1$1 开始，往所有设备发信息，但 $1$1 与需要使用权的设备不一致， 所以仲裁控制器编号加一。
  
  计数器编号 = 设备2，$设备2$设备2 获取使用权。

• 【独立请求】

  每个设备均有与总线独立连接的仲裁器，设备可单独向仲裁器发射和接收请求，当同时收到多个请求信号，仲裁器有权按优先级分配使用权。

  
  独立请求的好处：响应速度快，优先级顺序可动态改变。

  但设备连接线多，总线控制复杂。

 

---

IO

I/O 输入/输出(Input/Output)，分为 IO 设备和 IO 接口两个部分。

字符输入设备，主要是键盘。

图像输入设备，主要是鼠标、数位板、扫描仪。

IO 接口负责：

• 向设备读写数据
• 判断设备是否被占用
• 判断设备是否已连接
• 判断设备是否已启动

于是，通用的接口就有：

• 数据线：主机和IO设备传输、交换数据
• 状态线：IO设备状态向主机报告的信号线，可判断是否被占用、已连接、已启动
• 命令线：CPU向设备发送命令的信号线（如读写、启动、停止的信号）
• 设备选择线：连接多个设备时，可以选择一个的信号线

 

---

CPU与IO设备的通信

CPU和IO设备的读写速度差几个数量级，

• 程序中断

  当外围IO设备就绪时，向CPU发出中断信号，CPU有专门的电路响应中断信号。
  

  程序中断，是提供低速IO设备通知高速CPU的一种异步通信方式，CPU可以高速运转同时兼顾低速IO设备的响应。

  但如果有多次中断，就会影响CPU效率，所以还有一种 DMA（直接存储器访问法）不需要CPU的参与。

• DMA（直接存储器访问法）

  DMA直接连接内存与IO设备，通信时不需要CPU参与。