《计算机组成原理教程》课件.ppt

*************************************总线仲裁集中仲裁由一个仲裁器负责处理所有设备的总线请求，决定哪个设备可以获得总线使用权。链式查询方式：通过总线授权信号在各设备间依次传递计数器定时查询方式：仲裁器按计数器顺序轮询各设备独立请求方式：每个设备有独立的请求和授权线分布仲裁没有中央仲裁器，由各设备自行协商决定总线使用权。自举式仲裁：设备根据自身优先级决定是否使用总线冲突检测方式：设备检测到总线冲突后按一定规则重试总线仲裁机制是解决多个设备争用总线冲突的关键技术。好的仲裁机制应具备公平性(确保每个设备都有机会使用总线)和效率性(最大化总线利用率)。在实际系统中，常根据性能需求、设备数量和系统复杂度选择适当的仲裁方式。如PC中，PCI总线采用集中仲裁方式，而USB总线则采用主控制器轮询方式。总线操作和定时同步总线所有总线事件都由统一的时钟信号控制，总线上的所有设备必须同步于这一时钟信号。优点：控制简单，速度快，设计容易缺点：不灵活，要求所有设备具有相同的工作速度应用：系统内部高速总线，如CPU与内存之间的总线异步总线没有统一的时钟信号，通过握手信号协调数据传输，设备间通过请求和应答信号完成数据传输。优点：灵活，可连接不同速度的设备，可扩展性好缺点：控制复杂，速度较慢，需额外的握手时间应用：外部设备总线，如早期的PCI总线总线定时是控制总线数据传输的关键机制，它规定了总线事件的发生顺序和持续时间。良好的总线定时设计能确保数据传输的可靠性和高效性。现代总线通常采用混合方式，结合同步和异步操作的优点，如PCIe总线使用同步传输数据，但允许异步握手建立连接。总线标准PCI总线外设组件互连标准，是PC机中常用的系统总线标准。PCI总线支持32位或64位数据传输，工作频率33MHz或66MHz，提供即插即用功能。现已逐渐被PCIe(PCIExpress)取代。USB总线通用串行总线，是连接计算机与外部设备的标准接口。USB采用主从式结构，支持热插拔和即插即用，传输速率从USB1.0的12Mbps发展到USB4.0的40Gbps，广泛应用于各类外部设备连接。PCIe总线PCIExpress是PCI的继任者，采用点对点串行连接方式，通过增加通道数(×1到×16)提高带宽。最新PCIe5.0标准单通道带宽可达32GT/s，广泛用于图形卡、存储设备和高性能网络接口。总线标准的发展趋势是从并行向串行、从共享总线向点对点连接、从板级互连向芯片级互连方向发展。新一代总线标准通常具有更高的带宽、更低的延迟和更好的可扩展性，以满足日益增长的数据传输需求。第七章：输入输出系统I/O系统的地位输入输出系统是计算机系统的重要组成部分，它连接计算机内部与外部世界，实现信息交换。现代计算机系统中，I/O系统的性能和功能对整体系统性能有重要影响。I/O系统的特点I/O设备种类繁多，性能差异大；I/O操作涉及大量的数据传输；I/O操作速度通常远低于CPU处理速度，是系统潜在的性能瓶颈。I/O系统发展趋势I/O系统向智能化、标准化和模块化方向发展，越来越多的I/O功能被集成在专用芯片中，接口标准不断统一，设备间兼容性不断提高。I/O系统概述I/O设备分类按使用特性分：人机交互设备：如键盘、鼠标、显示器等存储设备：如硬盘、光盘、U盘等通信设备：如网卡、调制解调器等按传输速率分：低速设备：如键盘、鼠标(字节级/秒)中速设备：如打印机(KB级/秒)高速设备：如网卡、图形卡(MB级/秒)I/O接口I/O接口是连接I/O设备与系统总线的硬件电路，主要功能包括：地址译码：识别CPU发出的设备地址数据缓冲：协调CPU与设备间的速度差异控制和状态管理：接收控制信号，报告设备状态数据格式转换：在设备格式和系统格式间转换I/O系统是计算机与外部世界交互的桥梁，它通过I/O接口和I/O控制器管理各种外部设备，实现数据的输入和输出。随着计算机应用的多样化，I/O系统的重要性日益突出，有效的I/O管理对提升系统整体性能至关重要。程序查询方式CPU检查设备状态CPU通过执行程序指令查询I/O设备的状态等待设备就绪如果设备未就绪，CPU重复查询直到设备准备好执行数据传输设备就绪后，CPU执行数据的输入或输出操作检查传输是否完成CPU检查传输是否成功完成，必要时进行错误处理程序查询方式是最基本的I/O控制方式，其特点是由CPU直接控制I/O操作的全过程。CPU通过不断查询I/O设备的状态寄存器，确定设备是否准备好进行数据传输，然后发出命令启动传输，传输完成后再检