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1、计算机组成原理第5章输入-输出系统,5.1 概 述,连接计算机各部件（器件）间的通信电缆（线路）就称为总线，为各部件之间的数据、地址和控制等信号的传输提供通道。,从硬件逻辑上：,输入/输出系统包括：,系统总线,接口,外部设备,计算机组成原理第5章输入-输出系统,从软件层次上：,用户输入输出,设备驱动程序,设备控制程序,计算机组成原理第5章输入-输出系统,5.1.1 主机与外部的连接模式,(1)辐射型(直接连接),I/O设备,主机,接口,I/O设备,I/O设备,计算机组成原理第5章输入-输出系统,(2)总线型,主机,接口,接口,接口,I/O设备,I/O设备,I/O设备,计算机组成原理第5章输入-
2、输出系统,(3)通道型,主机,接口,I/O设备,接口,通道,I/O设备,接口,I/O设备,接口,通道,I/O设备,计算机组成原理第5章输入-输出系统,5.1.2 总线类型与总线标准,总线的分类：,1.按功能分类,内总线 局部总线 系统总线 外总线,2.按数据传送格式分类,并行总线 串行总线,3.按时序控制分类,同步总线 异步总线,计算机组成原理第5章输入-输出系统,4.按传输信号类型分类,数据总线 地址总线 控制总线,5. 按总线的层次结构划分,局部总线：是指连接CPU与外围各芯片的连线，如主板上的印刷线路。,外部总线：是指计算机与外部设备的连线，如键盘连线。,计算机组成原理第5章输入-输出系
3、统,5.总线标准,总线标准规范的内容：,机械结构规范,规定外观尺求、引脚排列方式、连接器的形状及锁紧装置等。,功能规范,规定各引脚的名称和功能。,计算机组成原理第5章输入-输出系统,电气规范,规定信号的波形和参数，电压和阻抗的大小，编码方式等。该规范决定传输速率和传输距离。,过程规范,规定通信双方在进行信息交换时在各线路上的动作序列。,计算机组成原理第5章输入-输出系统,总线的性能参数,对总线的主要性能要求是数据传输速率。总线的数据传输速速率主要由总线宽度和总线频率决定，除此之外对总线的性能要求性还有数据的同步方式及信号线数等。,数据线越多数据传输速率越快,地址线越多寻址范围越大,一般来说：,
4、控制线越多控制功能越强,计算机组成原理第5章输入-输出系统,总线标准,制定总线标准的目的是为了使计算机各部件生产厂家所生产的部件能相互连接。,负责制定总线标准的组织主要有国际标准化组织(ISO)、电气及电子工程师协会(IEEE)和电子工业协会（EIA）等。,计算机组成原理第5章输入-输出系统,常见的总线标准,1. ISA总线,即工业标准总线（Industry Standard Architecture），又称AT总线。该总线的数据线是8位和16位兼容的总线，地址线是24位，时钟频率为8MHz。,计算机组成原理第5章输入-输出系统,2. EISA总线,即扩展工业标准结构(Extended Ind
5、ustry Standard Architecture)，由于ISA总线不能充分发挥32位微处理器的性能，因此制定了EISA总线标准，该总线与ISA总线是兼容的，即原来能通过ISA总线接入的设备，也可通过EISA总线连接到计算机。,EISA总线的数据线是32位，地址线是32位，时钟频率为8.33MHz，总线最大数据传输速率为33.3MB/s。,计算机组成原理第5章输入-输出系统,3. PCI总线,即外围器件互连（Peripheral Component Interconnect ），是目前微型计算机中广泛使用的一种总线标准，该总线具有数据传输速率高、性能好、可靠性高、价格低及使用方便等优点。,
6、计算机组成原理第5章输入-输出系统,4. USB总线,即通用串行总线（Universal Serial Bus ），USB总线是一种较新的总线标准，该总线较好地解决了微机系统中各种外设与CPU连接因为接口标准相互不兼容而无法共享所带来的安装与配置困难的问题。USB总线连接简单，只有条数据线、条电源线和条地线，外形为长方形，最高数据传输速度可达到480Mbps。,计算机组成原理第5章输入-输出系统,5.1.3 接口功能与接口分类,I/O接口指主机和外设的交接部分，位于系统总线和外部设备之间。,1.I/O接口的基本功能,(1) 寻址,接收CPU送来的地址码，选择接口中的寄存器供CPU访问。,计算机
7、组成原理第5章输入-输出系统,(2) 数据传送与缓存,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。,(3) 数据格式变换、电平变换等预处理,串-并转换、高低电平转换,传送控制命令与状态信息，实现I/O传送控制方式。,(4) 控制逻辑功能,计算机组成原理第5章输入-输出系统,2. I/O接口的分类,(1) 按数据传送格式划分,并行接口,数据各位同时传送。,传输距离近。,接口与系统总线均按并行方式传送数据。,计算机组成原理第5章输入-输出系统,串行接口,一次只传输1位数据。,传输距离远。,CPU,并行接口,外设,并行,并行,CPU,串行接口,外设,并行,串行,计算机组成原理第5章输入-输
8、出系统,(2)按时序控制方式划分,同步接口,接口与系统总线的信息传送由统一时序信号控制。,异步接口,接口与系统总线的信息传送采用异步应答方式。,计算机组成原理第5章输入-输出系统,(3)按信息传送控制方式划分,中断接口,DMA接口,计算机组成原理第5章输入-输出系统,5.2 计算机系统中的总线,5.2.1 总线设计要素,1.总线宽度,总线各功能组中的信号(数据)线数量。,2.总线的时序,（1）同步总线,由统一时序控制总线传送操作。,计算机组成原理第5章输入-输出系统,打入地址,打入数据,计算机组成原理第5章输入-输出系统,（2）异步总线,无固定时钟周期划分，总线周期时间由传送实际需要决定；以异
9、步应答方式控制总线传送操作。,计算机组成原理第5章输入-输出系统,总线请求,总线批准,主同步,从同步,总线周期,总线传送,（时间可变）,（时间可变）,总线权切换,计算机组成原理第5章输入-输出系统,有三种异步应答关系：,数据,请求,应答,不互锁,计算机组成原理第5章输入-输出系统,半互锁,数据,请求,应答,计算机组成原理第5章输入-输出系统,全互锁,数据,请求,应答,计算机组成原理第5章输入-输出系统,（3）扩展同步总线,以时钟周期为时序基础，允许总线周期中的时钟数可变。,时钟周期：,CPU一步操作(一次内部数据通路传送)时间。,总线周期：,经过总线的一次数据传送(访存)时间，通常包含若干时钟
10、周期。,工作周期：,指令周期中的一个操作阶段。,可包含多个总线周期。,计算机组成原理第5章输入-输出系统,3.总线的仲裁,连接到总线上的模块有主动和被动两种形态，为了解决竞争总线控制权，必须有总线仲裁部件，以某种规则选择一个主设备作为总线的控制者。,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。,计算机组成原理第5章输入-输出系统,仲裁方式：,集中式仲裁,中每个模块有两条线连到中央仲裁器：一条是送往仲裁器的总线请求（BR）信号线；一条是仲裁器送出的总线授权（BG）信号线。,计算机组成原理第5章输入-输出系统,（1）链式查询集中式总线仲裁,总线授权,总线仲裁器,总线请求,总线忙
11、,设备1,设备2,设备n,计算机组成原理第5章输入-输出系统,定时查询计数,总线仲裁器,总线请求,总线忙,设备1,设备2,设备n,（2）计数器定时查询方式总线仲裁,计算机组成原理第5章输入-输出系统,（3）独立请求方式总线仲裁,总线忙,总线请求,总线授权,设备1,设备2,设备n,总线仲裁器,总线请求,总线授权,总线请求,总线授权,计算机组成原理第5章输入-输出系统,分布式仲裁,设备需要控制总线时，发请求信号，并监听其它请求信号，各设备能判别自己的优先级，以及能否在下一周期控制总线。缺点：信号线复杂；优点：防止总线时间浪费,计算机组成原理第5章输入-输出系统,设备1,设备2,设备n,总线请求,总
12、线忙,仲裁电路,仲裁电路,仲裁电路,数据线,计算机组成原理第5章输入-输出系统,5.2.2 总线的信号组成,PCI总线,1991年Intel公司首先提出了PCI的概念，并联合IBM、Compaq等多家公司成立PCI集团，制定了PCI总线标准。,PCI总线标准定义的信号线共有120根（包括电源、地和保留引脚），通常可分为2大类：必选信号和可选信号。,计算机组成原理第5章输入-输出系统,必选信号,可选信号,主控设备49根，目标设备47根。主控设备是指取得PCI总线控制权的设备，目标设备是指被主设备选中进行数据交换的设备。,51根，主要用于PCI总线64位扩展、中断请求、高速缓存支持等。,计算机组成
13、原理第5章输入-输出系统,PCI总线的特点主要有：,1. 数据传输率高最大数据传输率为133MB/s，若数据宽度升级到64位，最大数据传输率可达266MB/s。,2. 多总线共存采用PCI总线可在一个系统中让多种总线共存，使不同速度的设备一起工作。具体做法是通过PCI-ISA桥接器组件芯片，将PCI总线与ISA桥接，构成一个分层次的多总线系统。,计算机组成原理第5章输入-输出系统,CPU,HOST-PCI桥接器（82443BX）,PCI-ISA桥接器（82371EB）,PCI总线,ISA总线,计算机组成原理第5章输入-输出系统,3. 独立于CPU PCI总线不依附于任何具体的处理器，即PCI总线可用于多种不同处理器的计算机系统。当处理器更换时，只需更换不同的HOST-PCI桥接器即可。,4. 自动识别与配置外设，方便用户。,PCI总线共有4种标准规格，分别支持32位、64位微处理器以及3.3V和5.5V工作环境，总线频率为33.3MHz/66MHz。,计算机组成原理第5章输入-输出系统,PCI总线的物理尺寸,77.48,1.19,1.27,B1,A1,B49,A49,B52,A52,B62,A62,PCI总线插槽（单位：mm）,