计算机体系结构 第8章 输入输出系统（3）

第8章 输入输出系统

8.5 总线

在计算机系统中，各子系统之间可以通过总线互相连接。

优点：成本低、简单

主要缺点：它是由不同的外设分时共享的，形成了信息交换的瓶颈，从而限制了系统中总的I/O吞吐量。

8.5.1 总线的设计

总线设计存在很多技术难点

• 一个重要原因：总线上信息传送的速度极大地受限于各种物理因素。如总线的长度、设备的数目、信号的强度等，这些物理因素限制了总线性能的提高。

• 另外，我们一方面要求I/O操作响应快，另一方面又要求高吞吐量，这可能造成设计需求上的冲突。

设计总线时需要考虑的一些问题

特性	高性能	低价格
总线宽度	独立的地址和数据总线	数据和地址分时共用同一套总线
数据总线宽度	越宽越快（例如：64位）	越窄越便宜（例如：8位）
传输块大小	块越大总线开销越小	单字传送更简单
总线主设备	多个（需要仲裁）	单个（无需仲裁）
分离事务	采用——分离的请求包和回答包能提高总线带宽	不采用——持续连接成本更低，而且延迟更小
定时方式	同步	异步

8.5.1.1 分离事务总线

又称：流水总线、悬挂总线、包交换总线

在有多个主设备时，可以通过包交换来提高总线带宽。

基本思想

• 将总线事务分成请求和应答两部分。
• 在请求和应答之间的空闲时间内，总线可以供其他的I/O使用，这样就不必在整个I/O过程中都独占总线。

特点：

• 分离事务总线有较高的带宽，但是它的数据传送延迟通常比独占总线方法大。

8.5.1.2 同步总线

同步总线的控制线中包含一个时钟，总线上所有设备的所有的通信操作都以该时钟为基准。

优点：速度快、成本低。

缺点：

• 由于时钟通过长距离传输后会扭曲，因而同步总线不能用于长距离的连接。特别是对于高速同步总线来说，更是如此。
• 总线上的所有设备都必须以同样的时钟频率工作。

CPU-存储器总线通常是采用同步总线。

8.5.1.3 异步总线

• 没有统一的参考时钟，每个设备都有各自的定时方法。
• 采用握手协议。
• 不存在时钟扭曲和同步的问题，传输距离可以比较长。
• 很多I/O总线都采用异步总线。
• 同步总线通常比异步总线快。

8.5.2 总线标准和实例

I/O总线标准：定义如何将设备与计算机进行连接的文档。

常见I/O总线的一些典型特征

几种常用并行I/O总线

在嵌入式系统中使用较多的4种串行I/O总线的一些典型特征

在服务器系统中使用的CPU-存储器互连系统

8.5.3 与CPU的连接

I/O总线的物理连接方式有两种选择

• 连接到存储器上（ 更常见）
• 连接到Cache上

I/O总线连接到存储器总线上的方式

• 一种典型的组织结构

CPU对I/O设备的编址有两种方式

存储器映射I/O（也称为I/O设备统一编址）

• 将一部分存储器地址空间分配给I/O设备，用load指令和store指令对这些地址进行读写将引起I/O设备的数据传输。
• 将一部分存储空间留出用于设备控制，对这一部分地址空间进行读写就是向设备发出控制命令。

给I/O设备独立编址

• 需要在CPU中设置专用的I/O指令来访问I/O设备。
• CPU需要发出一个标志信号来表示所访问的地址是I/O设备的地址。

CPU与外部设备进行输入/输出的方式可分为4种

• 程序查询
• 中断
• DMA
• 通道