计组笔记 06 总线与输入/输出系统

第6章 总线与输入/输出系统

1. 总线基础

• 概念：多部件共享的数据传送通路（公用连线）。
• 层次：片内总线 → 系统总线（CPU–主存–I/O）→ 通信总线（机间）。
• 按传输：并行/串行。
• 按功能：数据总线DB（双向）、地址总线AB（单向，宽度决定寻址空间）、控制总线CB（读/写、应答、中断请求等）。
• 关键指标：宽度（数据/地址）、工作频率、带宽（传输率）、负载能力、同步/异步定时方式、仲裁方式。

单/双/三总线（寄存器—ALU—总线 结构）

• 单总线：所有数据在一条总线上流动；一次只能传一种数据，简单但易冲突。
• 双总线：两条读总线供 ALU 同时取两个源操作数，写回仍用一条；效率更高。
• 三总线：两读一写全分离；一次取两数并回写，吞吐最好，硬件代价最高。

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2. I/O 系统与外设

• 外设：输入（键盘、鼠标、扫描仪等）、输出（显示器、打印机、扬声器等）、外存（磁盘、光盘、磁带、U 盘等）。
• I/O 系统组成：设备本体 + 设备控制器/适配器（I/O接口） + 传输控制（中断/DMA/通道）。
• I/O 接口的功能与组成
  • 功能：数据缓冲、命令/状态交换、地址译码与选择、中断/DMA 握手、与系统总线/设备端口的时序匹配。
  • 典型寄存器：数据缓冲寄存器（DBR）、命令/状态寄存器（CSR）、地址/端口寄存器等。
• 端口编址
  • 独立编址（I/O 指令）：有专门 IN/OUT 指令，地址空间与内存分离。
  • 统一编址（内存映射 I/O）：把端口映射到存储地址空间，用普通访存指令访问。

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3. I/O 控制方式

1. 程序查询（轮询）
   • 流程：CPU 发命令→不停读状态→就绪再传数。
   • 优：实现简单；劣：CPU 忙等、效率低，适合低速、偶发I/O。
2. 程序中断
   • 基本概念：设备就绪→发中断请求→CPU 响应→保存断点与现场→转中断服务程序→恢复→返回。
   • 分类：可屏蔽/不可屏蔽，外中断（I/O、时钟）/ 内中断（异常、陷入）。
   • 判优：硬件排队/向量中断/查询方式。优：CPU 与设备并行度高；劣：有中断开销。
3. DMA（直接存储器访问）
   • 适用：大批量、高速数据在外设↔主存之间传送。
   • DMA 控制器典型寄存器：MAR/AR（主存地址）、WC（剩余字/节计数）、CSR（控制/状态）、DBR（数据缓冲）。
   • 过程：CPU 初始化（地址、长度、方向）→设备请求 DMA→仲裁获总线→按粒度传送→结束产生中断。
   • 粒度：按字节/字/块。
   • 与CPU关系的三种工作方式
     • 停机方式：DMA 独占总线，CPU 暂停访存；
     • 周期窃取（cycle stealing）：DMA “偷”若干存储周期；
     • DMA 与 CPU 并行：在 CPU 内部周期与主存周期交错，重叠度最好。
   • 对比中断：DMA 传输阶段不需CPU 参与；中断方式每个数据块仍需CPU介入。
4. 通道方式（I/O Channel）
   • 在 DMA 基础上再卸载控制流程，由通道处理器执行 I/O 程序。
   • 类型：
     • 选择通道：高速设备，独占通道，成批传送；
     • 字节多路通道：许多低速设备分时按字节复用；
     • 数组/块多路通道：多设备按块复用。
   • 优：CPU 负担最小，可同时服务多外设；缺：硬件和控制复杂。

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4. 典型外设

显示器

• 字符显示：按字模点阵（如 5×7、8×8…）。
• 图形显示：逐点或逐行扫描，分辨率示例：常见1024×1024、更高视设备。

打印机

• 击打式：点阵、行式；非击打式：喷墨、激光、热敏。
• 关键指标：分辨率（dpi）、打印速度（行/页）。

磁盘存储

• 结构：盘片/盘面—柱面—磁道—扇区。
• 容量 ≈ 盘面数 × 每面磁道数 × 每磁道扇区数 × 每扇区字节数。
• 访问时间 = 寻道时间 + 旋转延迟 + 传输时间；平均旋转延迟 ≈ 半圈时间。
• 类型：固定/可换；移动头/固定头。

RAID 概览（0–6）

• RAID0：条带化，无冗余，最高速；
• RAID1：镜像，双写，可靠性高，代价高；
• RAID2/3：校验/奇偶校验集中（现少用）；
• RAID4：块级条带 + 独立校验盘；
• RAID5：块级条带 + 分布式奇偶校验，读写均衡，最常见；
• RAID6：双重奇偶，可容忍两盘同时失效。

光盘（以 CD-ROM 为例）

• 记录介质：凹坑/平地反射率差；只读/一次写多读/可擦写三类。
• 扇区结构：2352 B/扇区，其中2048 B为用户数据，其余为同步/地址/纠错等。

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5. 习题

• 地址总线位数决定可寻址空间大小；数据总线位数影响一次并行传送数据量。
• 独立编址需专用 I/O 指令（IN/OUT）；内存映射可用普通访存指令。
• 程序查询：CPU 忙等、效率最低；中断：需保存与恢复现场；
• DMA：在传送阶段不占用 CPU，结束通常发中断告知完成。
• DMA 三方式：停机 / 周期窃取 / 与 CPU 并行（交错）；粒度可按字节/字/块。
• 通道方式：面向批量和并发I/O，选择通道→高速独占，字节多路→低速多设备。
• 磁盘访问时间三部分牢记；容量公式会算；
• RAID5关键词：分布式奇偶校验，容错与性能折中；RAID1镜像最安全；RAID0无冗余最快。
• I/O 接口寄存器：DBR/CSR/地址译码与选择逻辑是必考三件套。