5 总线与输入输出子系统

计算机组成原理-5 总线与输入输出子系统

5 总线与输入/输出子系统

• 1. 概述
  • 1. 总线简介
  • 2. 接口的功能与类型
    • 1. I/O接口的基本功能
      • （1）寻址
      • （2）数据传输与缓冲
      • （3）数据格式变换、电平变换等预处理
      • （4）控制逻辑
    • 2. I/O接口的编址
      • 1.外设独立编址
      • 2.外设与主存统一编址
    • 3. I/O接口分类
      • （1）按数据的传输格式分类
        • 1.并行接口
        • 2.串行接口
      • （2）按时序控制方式分类
        • 1.同步接口
        • 2.异步接口
      • （3）按信息传输的控制方式分类
        • 1.直接程序传输方式接口
        • 2.中断接口
        • 3.DMA接口
  • 3. 输入/输出控制方式
    • 1. 直接程序传输方式
    • 2. 中断方式
    • 3. DMA方式
    • 4. IOP和PPU方式
• 2. 总线
  • 分为单总线结构和多总线结构
  • 定义
  • 1. 总线的特性与分类
    • 1.1. 总线的特性
      • 1.物理特性
      • 2.功能特性
      • 3.电气特性
      • 4.时间特性
    • 1.2. 总线的分类
      • （1）从功能分类
        • 数据总线
        • 控制总线
        • 地址总线
      • （2）按数据传输格式分类
        • 并行总线
        • 串行总线
      • （3）按时序控制方式分类
        • 同步总线
        • 异步总线
      • （4）按总线的结构层次分类
        • 芯片内总线
        • 局部总线
        • 系统总线
        • 外部总线
  • 2. 总线的标准
    • ISA总线、EISA总线、AGP总线、PCI和PCI-EXpress
    • 1. 机械结构规范
    • 2. 功能规范
    • 3. 电气规范
  • 3. 总线的设计要素
    • 3.1. 总线的技术指标
      • （1）总线宽度
      • （2）总线频率
      • （3）总线带宽与数据传输率
    • 3.2. 总线周期与操作过程
      • 总线周期
        • 指CPU完成一次访问主存或I/O端口操作所需的时间
      • 总线操作步骤
        • 1.主设备申请总线控制权
        • 2.主设备掌握总线控制权
        • 3.从设备响应，主-从设备之间进行数据传输
        • 4.主设备释放控制权，结束总线周期
      • 总线上的数据传输模式
        • 1.单周期模式
        • 2.突发模式
    • 3.3. 总线的控制方式
      • （1）同步控制方式
      • （2）异步控制方式
        • 1.不互锁
        • 2.半互锁
        • 3.全互锁
    • 3.4. 总线的仲裁
      • （1）集中式总线仲裁
        • 1.链式查询方式
        • 2.计数器定时查询方式
        • 3.独立请求方式
      • （2）分布式总线仲裁
  • 4. PCI总线介绍
    • 4.1. 信号组成
    • 4.2. 总线仲裁
      • PCI总线使用的是集中式总线仲裁器，独立请求方式
• 3. 直接程序传输方式与接口
  • 1. 概念：
    • 数据在CPU和I/O设备间直接交换，CPU执行程序来直接控制I/O操作，程序中由一系列的检测设备状态、发送读或写命令以及数据传输的指令组成。在这种方式中，当CPU发送一个命令后，它必须等待，直到外设操作完成。
  • 2. 优缺点：
    • 硬件开销小，实时处理能力差，并行程度低，CPU大部分时间处于等待状态，利用率低
• 4. 中断方式与接口
  • 1. 中断的相关概念
    • 1.1. 定义
      • 在计算机的运行过程中，如果发生某种随机事态，CPU将暂时执行现行程序，转去执行中断处理程序，为该随机事态服务，并在服务完毕后自动恢复原程序的执行
      • 特点：程序切换性和随机性
      • 中断与子程序两者的本质区别：P297
    • 1.2. 中断方式的典型应用
      • 1.以中断方式管理中低I/O操作，使CPU与外部设备并行工作
      • 2.软中断
      • 3.故障处理
      • 4.实时处理
      • 5.多机通信
      • 6.人机对话
    • 1.3. 中断系统的硬件、软件组织
    • 1.4. 中断的分类
      • 1.硬件中断和软件中断
      • 2.强迫中断与自愿中断
      • 3.内中断与外中断
      • 4.可屏蔽中断与非屏蔽中断
      • 5.向量中断和非向量中断
  • 2. 中断请求
    • 2.1. 中断请求逻辑
    • 2.2. 中断请求信号的传输
  • 3. 中断判优
    • 3.1. CPU与中断请求之间的判优
    • 3.2. 中断请求之间的判优
      • （1）软件查询
      • （2）并行优先级排队逻辑
      • （3）链式优先排队逻辑
      • （4）二维结构的优先排队
      • （5）采用中断控制器集成芯片的优先逻辑
  • 4. 中断响应
    • 4.1. 中断服务程序入口地址的获取方式
      • （1）向量中断方式
        • 1.中断向量
        • 2.中断向量表
        • 3.向量地址
      • （2）非向量中断方式
    • 4.2. 响应中断的条件
      • 1.有中断请求信号发生
      • 2.该中断请求未被屏蔽
      • 3.CPU处于开中断状态，即中断允许触发器（或中断允许标志位）为1
      • 4.没有更重要的事件要处理
      • 5.CPU刚刚执行的指令不是停机指令
      • 6.在一条指令结束时响应
    • 4.3. 中断响应过程
      • 1.关中断
      • 2.保护断点
      • 3.获取服务程序的入口
      • 4.转向程序运行状态
  • 5. 中断处理
    • 5.1. 现场保护
    • 5.2. 多重中断与单级中断
    • 5.3. 恢复现场、返回到原程序
  • 6. 中断接口组成模型
  • 7. 典型中断接口举例
• 5. DMA方式与接口
  • 1. DMA方式基本概念
    • 1.1. 定义
      • DMA即直接存储器访问，依靠硬件直接在主存与外围设备之间进行数据传输，在传输过程中不需要CPU的干预
    • 1.2. 特点与应用
      • 与程序中断方式的比较P319
    • 1.3. 单字传输方式与成组传输方式
    • 1.4. 硬件组织
    • 1.5. 程序准备（DMA初始化）
  • 2. DMA控制器与接口的连接
    • 2.1. 单通道型DMA控制器
    • 2.2. 选择型DMA控制器
    • 2.3. 多路型DMA控制器
    • 2.4. 多个DMA控制器的连接
  • 3. DMA控制器的组成
  • 4. DMA传输操作过程
    • 4.1. 预处理
    • 4.2. 数据传输
    • 4.3. 后处理
  • 5. 典型DMA接口举例
• 6. IOP和PPU
  • 1. 通道的系统结构
  • 2. 通道的类型
  • 3. 通道的工作原理