计算机体系架构（5）总线与 IO 接口

2024-06-20 18:44:27

正文

总线：

总线的定义：一种用来连接各功能部件并承当部件之间信息传送任务的信息公共通路。
总线的分类：数据总线、地址总线、控制总线。
总线的特性：
物理特性：几何尺寸、形状、引脚数、排列；
功能特性：规定信号线的功能；
电气特性：信号方向，电平范围；
时间特性：何时有效，持续时间、时序约定。
总线的标准：如 IIC、QSPI、PCIE、USB 等等。
总线的要素：
总线宽度：总线各功能组中的信号线数量，如 32 或 64 位；
总线频率：每秒数据传输的次数，如 33M、66M、133M 等；
总线带宽：BandWidth： $BW = (F\times W\times D\times L\times E)\div 8 (Bps)$ 。F - 总线频率、W - 总线位宽、D - 工作模式、L - 通道数、E - 编码方式；例如 PCI-E 3.0 总线，频率 8GHz ，位宽为 1bit ，全双工，16 通道，128/130 编码，求总线带宽：
$BW = (8G\times 1\times 2\times 16\times 128/130) \div 8 \approx 32GBps$ 。
总线周期：通过总线完成一次完整数据传输的时间。
主设备：申请并掌握总线权限的设备。（掌握权限就是可以发送数据的权限，但是能不能发送大部分时候还是要看从设备的响应的）
从设备：与主设备对应的设备。
总线操作的基本步骤：
1、主设备申请总线，仲裁器裁决并批准；
2、主设备掌握总线，启动总线周期，初始化；
3、从设备响应，主从设备之间数据传输；
4、主设备释放总线，结束总线周期。
总线上的数据传输模式：
单周期模式：其传输特点为只申请 1 次，只分配 1 个总线周期，只传输 1 次数据；
突发模式：Burst，其传输特点为只申请 1 次，分配多个总线周期，可传输多个数据。
总线的仲裁：总线上可能挂接多个设备，为了解决总线控制权的竞争问题，必须有总线仲裁部件，以某种规则裁决、分配总线的控制权；多个主设备提出总线控制请求时，一般采用优先级或公平策略进行仲裁。
仲裁的方式：按照总线仲裁电路的位置不同，分为集中式仲裁和分布式仲裁。
多总线结构：单总线结构已经很少使用了，现在大部分是多总线结构（如下）。

IO 接口：

IO 接口的定义：主机和外设之间的衔接部分，位于总线与外设（外部设备）之间（如下）。
IO 接口的功能：
1、设备寻址：接收 CPU 送来的地址码，选择接口中的寄存器供 CPU 访问；
2、数据缓冲：实现主机与外设的速度匹配, 缓冲深度与传送的数据量有关，如 VGA 显示接口；
3、预处理功能：串并转换（串口）、数据通路宽度转换（并口）、高低电平转换；
4、控制逻辑功能：接收主机 CPU 的控制命令、保存状态信息，协助主机实现对 IO 传送操作的控制。
IO 设备的类型：
输入设备，如麦克风、摄像头；
输出设备，如显示器、打印机；
外存储器，移动硬盘、光盘；
过程控制设备，如各类传感器；
数据终端设备，如蓝牙耳机；
数据通讯设备，如无线网卡。
对接口中寄存器编址：
1、单独编址：独立的端口地址；
2、与主存统一编址：例如低端地址为主存单元，高端地址为 IO 端口，二者共同占据一个地址空间。
主机与外设之间的 IO 操作的 4 种不同的工作模式：
1、直接程序传送方式 PIO；
2、程序中断方式 Interrupt；
3、直接存储器访问方式 DMA；
4、IOP 或 PPU 方式。
中断方式：在程序运行过程中，如果发生某种随机事态，CPU 暂停当前程序（被中断），转而执行该事态对应的服务程序，结束后再恢复原程序的执行（如下）。
DMA：直接依靠硬件系统来控制主存与外设之间的数据传送，传送期间无需 CPU 干预，传送结束后通常用中断方式通知 CPU。

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