总线和输入输出系统

概述

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总线是一组能为多个部件分时共享的公共信息传输线路

分时： 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，则它们只能分时的向总线发送信息

共享： 指总线上可以接多个部件，各个部件之间互相交换信息都可以通过这组线路分时共享

早期计算机外部设备少时多采用分散连接方式，不易实现随时增减外部设备。为了更好的解决 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

总线通常分为地址总线、数据总线、控制总线，总线上有主设备和从属设备。

分类

层次连接：

1. 片内总线：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：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不同，又可分为三类: 数据总线，地址总线和控制总线；
3. 通信总线：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。

数据位数：

1. 并行总线：逻辑时序比较简单，电路实现起来比较容易，但是信号线数量多，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；
2. 串行总线：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，但是在数据发送和接收的时候，要进行拆卸和装配，要考虑串行和并行转换的问题。

note

现在大部分都是使用串行的，如 $PCIE$ 和 $SATA$ 协议等，因为其可以用频率弥补。

用法：专用总线、公用总线。

总线结构

单总线结构

$CPU$，主存，$I/O$ 设备 (通过 $I/O$ 接口) 都连接在 一组 总线，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

warning

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

有两条总线，一条是主存总线，用于 $CPU$，主存和通道之间进行传送，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：需要增加硬件等通道设备

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

info

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。通道程序存放在主存中

三总线结构

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的通路。这三条总线分别为主存总线，$I/O$ 总线和直接内存访问 $DMA$ 总线 ($DMA: Direct Memory Access$ 直接内存访问)

优点：提高了 $I/O$ 设备的性能，使其更快的相应命令，提高系统的吞吐量

缺点：系统工作效率较低

通信方式

同步通信方式

与时钟同步，速度快，接口逻辑简单，但是所有的设备需要是一致的，且时钟速率依慢速设备而定；当总线太长时会有时钟偏移的问题。

异步通信方式

无时钟信号，使用握手协议，通常分为非互锁、半互锁和全互锁方式；也有串行异步通信，无需时钟信号也无需握手协议

全互锁的流程如下：

1. 先使数据信号保持有效；
2. 在发送一个表示数据准备好的信号，接收设备开始接收数据；
3. 接受完毕后返回一个应答信号，表示接受完毕。

串行异步通信需要设定好发送方和接受方的数据传输速率，有没有校验位等，当接收方检测到一个起始位之后，就会每隔一定的时间采样数据，直到采样到停止位（1/1.5/2 位），数据位一般不会太长（5,7,8 位等）。

总线仲裁

菊花链

使用总线的优先级由 总线可用 线所连接部件的物理位置来决定，离总线控制器越近的部件其优先级越高；叫菊花链的原因是因为 总线可用（Bus Grant） 的线直接接入第一个部件，再由第一个部件引出接入第二个，一次类推，像花环一样串起来，并依次实现优先级。

此外，还有两条线为 $Bus\ Request,Bus\ Busy$（都是默认高电平），所有部件都接入这两个线；当一个部件需要使用总线时，其将 $BR$ 线置为低电平，总线仲裁其会将 $BG$ 线置为低电平，传给第一个需要使用总线的部件，而其他部件只能等待。

使用总线的部件会将 $BB$ 线置为低电平表示有部件使用总线，总线仲裁时也只会在总线非忙时进行。

计数器定时查询（轮询）

将上述的 $BG$ 使用 $n$ 条线代替，满足 $2^n\geq m$ ，$m$ 为部件的个数，当总线空闲时进行轮询，部件中也有 $n$ 个线与之相连，可以以此判断总线仲裁器询问的是哪个部件。

独立请求

每个部件单独将 $BG$ 和 $BR$ 接入总线仲裁器，共用一个 $BB$ 线，分配速度高，且优先级可以由总线确定。

分布式仲裁

分布式仲裁不需要仲裁器，但是仍然需要有 BR 和 BB，以此进行相互监听，防止冲突。

自举式分布式仲裁： 硬布线，$n$ 个部件就有 $n$ 个 $BR$，优先级低的部件要同时监听所有优先级高的 $BR$ 线。

链式分布式仲裁：形式与菊花链的仲裁方式相似，但是没有仲裁器，而是使用一个令牌从第一个部件向后传递，令牌会定时生成。

典型总线

内总线（系统总线）有 $ISA$、$PCI$、$PCIE$ 总线；外总线（通信总线）有 $RS-232 C$、$USB$、$SCSI$、$SAS$、$ATA$、$SATA$ 等。

info

$PCI$ 总线和 $PCIE$ 总线有很大的区别，$PCIE$ 总线使用差分的形式进行串行传输，输入输出都是两根，并且支持全双工通信，属于端到端的传输形式；而 $PCI$ 总线类似一种树形的总线；但是其软件是兼容的，因此叫 $PCIE$.

USB 总线

$USB: Universal\ Serial\ Bus$，通用串行总线，由七家公司联合开发，其总线信号有 $VBUS$ （电源），$GND$（接地），$D+$（信号正），$D-$（信号负）；有三种传输速率，高速、全速、低速。

$USB\ 3.0$ 加入了超速传输模式，速率可达 $5.0\ Gbps$，类似于 $PCIE$ ，使用两跟数据线差分传输数据，同时为了防止高速串行传输数据造成丢失，需要使用特殊的编码方式，将传输数据均衡化，不会出现太多连续的 $0$ 和 $1$，$PCIE$ 中也使用了该方法。

I/O 接口作用及模型

接口是两个系统或者两个部件之间的交接部分，可以是两种硬件设备之间的连接电路，也可以是两个软件之间的共同逻辑边界。

那么 $I/O$ 接口通常是指 $I/O$ 设备和主机之间的一个硬件电路及其相应的软件控制，其内部有数据寄存器（缓冲器）、状态寄存器、控制寄存器、命令寄存器、$I/O$ 控制逻辑电路等，一边与总线相连接，一边与 $I/O$ 设备连接。

接口的功能有：

1. 选址功能
2. 传送命令
3. 传送数据
4. 信号形式匹配
5. 负载匹配
6. 错误检测
7. 设备选择、控制
8. 数据缓存、速度匹配
9. 支持中断。 . .

I/O 地址的编码方式

存储器映射方式（统一编址）

将主存与 $I/O$ 设备放在同一个地址空间中，使用与主存相同的指令和控制信号，不需要专门的 $I/O$ 指令可以简化控制，在地址空间确定的情况下，两者的地址扩充相互制约。

I/O 映射方式（独立编址）

使用独立的地址空间，要求系统提供专门的 $I/O$ 指令，并且采用与主存不同的读/写控制信号，便于系统调试与维护，便于主存与 $I/O$ 地址空间的扩展，但是 $I/O$ 设备的操作不够灵活。

输入输出技术

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一般有四种：

1. 程序查询方式
2. 中断方式
3. 直接存储器存取 ($DMA$) 方式
4. $I/O$ 通道方式

程序查询方式

$CPU$ 不断地轮询 $I/O$ 设备，硬件简单，但是 $CPU$ 占用高；常用于简单的设备，如单片机等。

中断方式

接口电路和 $CPU$ 都需要添加中断的相应的电路，当外设向 $CPU$ 发射了中断请求，如果现在 $CPU$ 运行的程序没有屏蔽中断，则会进行中断处理，包括保护断点（保存 $PC$ 和 $PSW$），保护现场（保存通用寄存器），执行中断服务，恢复现场，中断返回等。

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中断可以来自 $CPU$ 内部和外部，内中断也被称为异常，常见的有溢出中断、缺页中断。

中断源的选择也是需要仲裁优先级的，一般使用菊花链（无优先仲裁电路）或者分组独立请求的方案。

DMA 方式

中断方式中数据交换必须经过 $CPU$ 中的寄存器，因此速度受限，$DMA$ 直接存储器存取的基本思想是在 $I/O$ 设备直接直接建立数据交换通路，彻底解放 $CPU$，特点如下：

1. 基本单位是数据块；
2. 从设备直接送入内存，反之亦然；
3. 仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需要 $CPU$ 干预，整块数据的传送是在 $DMA$ 控制器下完成的。

DMA 控制器中有如下 4 类寄存器：

1. 命令/状态寄存器（CR），接受 $CPU$ 的 $I/O$ 命令、有关控制信息或设备状态；
2. 内存地址寄存器（MAR），输入时，其存放传输数据到内存中的启始目标地址，输出则存放数据在内存中的源地址；
3. 数据寄存器（DR）；
4. 数据计数器，存放本次要传送的字（节）数；

通道控制方式

$I/O$ 通道是指专门负责输入/输出的处理机，$I/O$ 通道方式是 $DMA$ 方式的发展，可以进一步减少 $CPU$ 的干预，传输单位由块变为组，同时可以实现 $CPU$、通道、$I/O$ 设备三者的并行操作。

读写时，$CPU$ 向通道发送一条 $I/O$ 指令，给出要执行的 通道程序 的首地址和要访问的 $I/O$ 设备，通道会执行通道程序；结束时会向 $CPU$ 发送中断请求。

通道与一般处理机的区别

指令类型单一，没有自己的内存，通道程序放在主机的内存当中。

通道与DMA的区别

DMA 需要 CPU 控制传送数据块大小和内存位置，而通道则是由通道程序控制；一个 DMA 控制器只能对应一个设备，而一个通道可以对应多台设备。