计算机的总线

总线的概述

总线解决不同设备之间的通信问题。

• USB(通用串行总线)

  • 提供了对外连接的接口
  • 不同设备可以通过USB接口进行连接
  • 连接的标准，促使外围设备接口的统一
• PCI总线
• ISA总线
• Thunderbolt总线

片内总线

• 芯片内部的总线
• 寄存器与寄存器之间
• 寄存器与控制器、运算器之间

系统总线

• 数据总线

  • 一般与CPU位数相同
  • 双向传输各个部件的数据信息
  • 数据总线的位数(总线宽度)是数据总线的重要参数

• 地址总线

  • 地址总线位数=n，寻址范围：$0\sim2^n$
  • 地址总线的位数与存储单元有关系

• 控制总线

  • 控制总线是用来发初各种控制信号的传输线
  • 控制信号经由控制总线从一个组件发给另一个组件
  • 控制总线可以监视不同组件之间的状态(就绪/未就绪)

总线的仲裁

为什么需要总线的仲裁

总线的仲裁是为了解决总线使用权冲突的问题。

总线仲裁的方法

• 链式查询

好处：电路复杂度低，仲裁方式简单

坏处：优先级低的设备难以获得总线的使用权、对电路故障敏感

• 计时器定时查询

仲裁控制器对设备编号并使用计时器累计计数，接收到仲裁信号后，往所有设备发出计数值，计数值与设备编号一致则获得总线使用权。

• 独立请求

每个设备均有总线独立连接仲裁器，设备可单独向仲裁器发送请求和接收请求，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。

好处：响应速度快，优先顺序可动态改变

坏处：设备连线多，总线控制复杂

计算机的输入输出设备

常见的输入设备有字符输入设备和图像输入设备，常见的输出设备有图像输出设备。

输入输出设备的通用设计

数据线

• 是I/O设备与主机之间进行数据交换的传送线
• 单向传输数据线/双向传输数据线

状态线

• I/O设备状态向主机报告的信号线
• 查询设备是否已经正常连接并就绪
• 查询设备是否已经被占用

命令线

• CPU向设备发送命令的信号线
• 发送读写信号
• 发送启动停止信号

设备选择线

• 主机选择与I/O设备进行操作的信号线
• 对连在总线上的设备进行选择

CPU与IO设备的通信

程序中断

• 当外围I/O设备准备就绪时，向CPU发出中断信号
• CPU有专门的电路响应中断信号

程序中断提供低速设备通知CPU的一种异步的方式，CPU可以高速运转同时兼顾低速设备的响应。

DMA(直接存储器访问)

• DMA直接连接主存与I/O设备
• DMA工作时不需要CPU参与