《输入输出接口与总线-2013》由会员分享，可在线阅读，更多相关《输入输出接口与总线-2013（72页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、计算机组成原理计算机组成原理 (2011级级) 北航计算机学院北航计算机学院 刘旭东刘旭东 、肖利民、肖利民 Tel Tel ：8231628582316285 MailMail： 2 第六部分第六部分 总线与总线与I/OI/O 一一、总总线线 二、二、I/O接口接口 三、三、程序查询程序查询I/O方式方式 四、四、中断与中断中断与中断I/O方式方式 五、五、DMA I/O方式方式 六、六、I/O通道通道 3 1.1 1.1 总线的一般概念总线的一般概念 总线总线：连接两个或多个功能部件的一：连接两个或多个功能部件的一组公共的信组公共的信号传输线。号传输线。 4 1.1 1.1 总线的一般概
2、念总线的一般概念 总线特性总线特性 机械特机械特性：机械连接方式。如几何尺寸、引脚数量、性：机械连接方式。如几何尺寸、引脚数量、插头标准插头标准。 连接方式：电缆式、主板式、底板式连接方式：电缆式、主板式、底板式 电气特性：信号传输方向、有效电平、电平逻辑等电气特性：信号传输方向、有效电平、电平逻辑等。 电平方式：单端方式（一组信号线、一个公共接地电平方式：单端方式（一组信号线、一个公共接地信号）、差分方式信号）、差分方式 电平逻辑：正逻辑、负逻辑电平逻辑：正逻辑、负逻辑 功能特性：信号功能定义。功能特性：信号功能定义。 时间特性：信号之间的时序关系时间特性：信号之间的时序关系。 5 1.1
3、1.1 总线的一般概念总线的一般概念 总线的设计要素总线的设计要素 类型：专用或复用类型：专用或复用 总线复用：地址总线与数据总线是否复用（时分多路复用）总线复用：地址总线与数据总线是否复用（时分多路复用） 仲裁方式：集中式或分布式仲裁方式：集中式或分布式 总线总线上各部件使用总线的仲裁方式。上各部件使用总线的仲裁方式。 时序：同步时序：同步/异步异步方式方式 总线总线上的数据与时钟同步工作的总线为同步总线，与时钟异步的总上的数据与时钟同步工作的总线为同步总线，与时钟异步的总线为异步总线。线为异步总线。 总线总线宽度宽度：数：数据总据总线位线位数（根数），如数（根数），如32位，位，64位。位
4、。 标准传输率：每秒传输的最大字节量。标准传输率：每秒传输的最大字节量。 信号信号线数：所有信号线的总数线数：所有信号线的总数。 6 1.1 1.1 总线的一般概念总线的一般概念 总线的分类总线的分类 片片内总线内总线：芯片内部连接各元件的总线，如：芯片内部连接各元件的总线，如CPU内部的总内部的总线，是线，是 CPU内各内各寄存寄存器、器、寄存器与寄存器与ALU之间传递信息的公共通道。之间传递信息的公共通道。 系统总线系统总线：CPU、主存、主存、I/O部件（部件（I/O接口）之间传递信息的公接口）之间传递信息的公 共通道。一般分为数据总线、地址总线和控制总线三部分共通道。一般分为数据总线、
5、地址总线和控制总线三部分 数数据线据线：传输数据；：传输数据； 地地址线址线：传输存储器地址和：传输存储器地址和I/O地址；地址； 控控制线制线： 数据传输控制信号：存储器读写控制信号、数据传输控制信号：存储器读写控制信号、I/O读写控读写控 制信号，应答信号等。制信号，应答信号等。 总线请求和交换信号：总线请总线请求和交换信号：总线请求、总线允许，中求、总线允许，中断请断请 求与响应信号等。求与响应信号等。 其他控制信号：时钟、复位、电源线等其他控制信号：时钟、复位、电源线等 通信总线通信总线：用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统之间的通信。用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统之间的
6、通信。 7 1.1 1.1 总线的一般概念总线的一般概念 ISA（Industrial Standard Architecture，工业标准体系结构），工业标准体系结构） IBM公司为公司为PC/AT电脑而制定的总线电脑而制定的总线标准，最开始是标准，最开始是8位位总线；总线； 1984年推出年推出IBM-PC/AT系统，系统，ISA从从8位扩充到位扩充到16位；位； 16位数据总线，位数据总线，24位位地址总线；地址总线； 总线总线时钟频率时钟频率8MHz，最大数据传输率，最大数据传输率16MB/s。 8 1.1 1.1 总线的一般概念总线的一般概念 EISA(Extended Indust
7、rial Standard Architecture ，扩展，扩展的的 ISA) 1988年，康柏、年，康柏、HP、NEC等等9个个厂商协同把厂商协同把ISA扩展到扩展到32位，即位，即 EISA总线总线(Extended ISA)。 32位数据总线，位数据总线，32位地址总线，位地址总线，总线时钟频率总线时钟频率8MHz，最大数据传，最大数据传输率输率33MB/s。 与与ISA兼容，连结器是一个两层槽兼容，连结器是一个两层槽设计，既能接受设计，既能接受ISA卡，又能接受卡，又能接受EISA卡。顶层与卡。顶层与ISA卡相连，低层卡相连，低层则与则与EISA 卡相连。卡相连。 9 1.1 1.1
8、 总线的一般概念总线的一般概念 PCI（Peripheral Component Interconnect，外部设备互连，外部设备互连） Intel 1991年，局部总线年，局部总线 32位或位或64位的总线位宽位的总线位宽 33MHz频率下，频率下，133MB/s266MB/s的最的最 大数据传输率大数据传输率 66MHz频率下，频率下，266MB/s533MB/s的最的最 大数据传输率大数据传输率 64位的存储器和位的存储器和I/O寻址能力寻址能力 完全的完全的多总线主控器多总线主控器 无限无限突发读突发读/写方式写方式 CPU和存储器子系统或和存储器子系统或PCI设备并发工作设备并发工作
9、 地址地址线和数据线线和数据线多路复用多路复用 自动配置，即插即自动配置，即插即用用 PCI信号线：信号线： 必备的和可选的必备的和可选的。作为从。作为从设设 备备为最少为最少47条条，作为主设备，作为主设备为最少为最少49条条。 后续发展：后续发展：PCI-X，PCI-E 10 1.1 1.1 总线的一般概念总线的一般概念 USB（Universal Serial Bus，通用串行总线通用串行总线） 1995年，年，Intel、 Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC等等 7家世界著名的计算机和通信公司共同家世界著名的计算机和通信公司共同推出；推出； USB采用采用
10、主从结构，主机叫主从结构，主机叫Host，从机，从机叫叫Device。外观上。外观上Host 一侧一侧为为 4 针公插针公插，Device一侧一侧为为 4 针母针母插。可为外设提供电源；插。可为外设提供电源； 允许外设在开机状态下热插拔，最多可串接下来允许外设在开机状态下热插拔，最多可串接下来127个外设个外设 管脚管脚定义：定义：VCC（5V）、）、D-、D+、GND USB 1.0：1.5Mbps 12Mbps USB 2.0：数据传输率最高可达：数据传输率最高可达480Mbps USB 3.0：SuperSpeed USB ，最大传输带宽高达，最大传输带宽高达5.0Gbps，也，也 就是
11、就是625MB/s 11 1.1 1.1 总线的一般概念总线的一般概念 五种主要五种主要总线总线标准的关键特性标准的关键特性 12 1.2 1.2 总线结构总线结构 单总线结构单总线结构 CPUI/O接口I/O接口I/O接口I/O接口I/O接口I/O接口外部设备外部设备外部设备外部设备外部设备外部设备主存储器主存储器13 1.2 1.2 总线结构总线结构 多总线结构多总线结构 Main memoryLANIDESCSICPU32/64 CPU Local BusLocal Bus to PCI Bus bridgePCI BusAdapterPCI to ISA bridgePCI Slots
12、ISA BusISA SlotsISA adapterCacheCache14 1.2 1.2 总线结构总线结构 多总线结构多总线结构 CPUI/O接口I/O接口I/O接口I/O接口I/O接口I/O接口外部设备外部设备外部设备外部设备外部设备外部设备主存储器主存储器通道通道主存总线主存总线I/O总线I/O总线双 总 线 结 构 15 1.2 1.2 总线结构总线结构 多总线结构多总线结构 三 总 线 结 构 CPUI/O接口I/O接口I/O接口I/O接口I/O接口I/O接口外部设备外部设备外部设备外部设备外部设备外部设备主存主存 储器储器主存总线主存总线I/O总线I/O总线DMA总线DMA总线
13、16 X86X86设备的设备的I/OI/O互联互联 17 X86X86设备的设备的I/OI/O互联互联 18 1.3 1.3 总线的仲总线的仲裁方裁方式式 总总线设计的要素线设计的要素 信号线类型：占用、复用（地址数据分时复用）信号线类型：占用、复用（地址数据分时复用） 总线事务类型总线事务类型 总线事务：总线上一对设备之间的一次信息交换总线事务：总线上一对设备之间的一次信息交换 主设备（请求代理）、从设备（响应代理）主设备（请求代理）、从设备（响应代理） 事务类型：存储器读（写）、事务类型：存储器读（写）、I/OI/O读（写）、中断响读（写）、中断响应等等应等等 总线宽度总线宽度 总线仲裁方
14、式：多个设备同时申请总线时的问题总线仲裁方式：多个设备同时申请总线时的问题 19 1.3 1.3 总线的仲总线的仲裁方裁方式式 总线仲总线仲裁方裁方式式 集集中中式仲裁方式仲裁方式式 链式查链式查询方询方式式 计数器定时查询方式计数器定时查询方式 独立请求方独立请求方式式 分布式仲裁方式分布式仲裁方式 自举分布式仲裁自举分布式仲裁 冲突检测分布式仲裁冲突检测分布式仲裁 并行竞争分布式仲裁并行竞争分布式仲裁 20 1.3 1.3 总线的仲总线的仲裁方裁方式式 总线 仲裁器I/O接口1REQREQGNTGNTBSBRI/O接口2I/O接口3BUSYBUSYADDADDDATADATABGBG链式查
15、询方式链式查询方式 总线控制器（仲裁器）收到总线申请总线控制器（仲裁器）收到总线申请BR，BG（总线同意信号）逐（总线同意信号）逐 个往下传；个往下传； 遇到某接口有总线申请（遇到某接口有总线申请（BR：总线申请信号），：总线申请信号），BG停止往下传；停止往下传； 该接口获得总线使用权，并建立总线忙信号该接口获得总线使用权，并建立总线忙信号BS。 21 1.3 1.3 总线的仲总线的仲裁方裁方式式 总线 仲裁器I/O接口1BSBRI/O接口2I/O接口3ADDADDDATADATA设备地址计数器定时查询方式计数器定时查询方式 总线控制器（仲裁器）收到总线申请总线控制器（仲裁器）收到总线申请BR，计数器开始，计数器开始 计数；计数； 当某个有总线申请的设备地址与计数器一致，便获得总当某个有总线申请的设备地址与计数器一致，便获得总 线使用权，并建立总线忙信号线使用权，并建立总线忙信号BS。 22 1.3 1.3 总线的仲总线的仲裁方裁方式式 独立请求方式独立请求方式 每个设备有独立的请求信号和总线同意信号；每个设备有独立的请求信号和总线同意信号；
