总线与输入输出系统

本节导读

这是组成原理的最后一节，对应大纲的「总线和输入/输出系统」：总线的基本概念、组成及性能指标、总线事务和定时；I/O 接口的功能和基本结构、I/O 端口及其编址；程序查询、程序中断、DMA 三种 I/O 方式。操作系统的第 26 节会从软件一侧再讲 I/O 控制方式。

这一节的计算有：总线带宽和传送时间，三种 I/O 方式各占用多少 CPU 时间。学完你应该能按「每秒要服务几次 × 每次花几个周期 ÷ 主频」算出 CPU 占用比例，并能根据屏蔽字判断中断的处理次序。

总线

总线是多个部件共享的信息传输线。按连接对象分：片内总线、系统总线、通信总线；系统总线又按传送内容分为数据总线、地址总线和控制总线。数据总线的位数影响一次传送的数据量，地址总线的位数决定可寻址的空间。早期的单总线结构把 CPU、主存、I/O 设备都挂在一条总线上，现代计算机多采用多总线（层次化）结构，让高速部件与低速设备分开。

性能指标：总线宽度（数据线的位数）、总线时钟频率、总线周期（完成一次总线操作的时间，可能含几个时钟周期）、总线带宽（单位时间传送的最大数据量）：

$$\begin{aligned} \text{总线带宽} = {} & \text{总线宽度（字节）} \\ & \times \text{每秒传送次数} \end{aligned}$$总线带宽=​总线宽度（字节）×每秒传送次数​

总线复用指同一组信号线分时传送不同信息（如地址和数据）。多个主设备同时要使用总线时由总线仲裁决定谁先用，集中式仲裁有链式查询、计数器定时查询、独立请求三种。

一次总线事务一般经过请求、仲裁、寻址、传输、释放几个阶段。突发（猝发）传送只送一次首地址，随后连续传送多个数据，适合 Cache 行的读写。

总线定时方式：

方式	做法	特点
同步定时	用统一的时钟信号控制	简单、快，适合速度相近的部件，总线不能太长
异步定时	用「请求」「回答」握手信号联络，分不互锁、半互锁、全互锁	速度不同的部件都能可靠工作，联络开销大
半同步定时	以时钟为主，慢设备用「等待」信号插入等待周期	兼顾两者
分离式	一次总线操作分成两个子周期，中间释放总线	提高总线利用率

I/O 接口与端口编址

I/O 接口（I/O 控制器）在主机与外设之间完成数据缓冲、状态检测、控制与定时、数据格式转换和通信联络。它的主要部件是数据缓冲寄存器、状态寄存器、控制寄存器和 I/O 控制逻辑。接口中能被 CPU 直接访问的寄存器叫 I/O 端口，端口编址有两种：

编址方式	做法	特点
统一编址（存储器映射）	端口占用一部分主存地址空间	用访存指令访问 I/O，指令丰富；主存可用地址减少
独立编址（I/O 映射）	端口有单独的地址空间	用专门的 I/O 指令（如 IN、OUT），程序清晰；指令较少

程序查询方式与程序中断方式

程序查询方式：CPU 启动设备后反复读状态寄存器，设备准备好才传送一个数据。CPU 与设备串行工作，大量时间花在等待上；为不丢数据，查询的频率至少要等于设备每秒的传送次数。

程序中断方式：设备准备好时向 CPU 发中断请求，CPU 暂停当前程序去执行中断服务程序，传完一个数据再返回。过程分两步：

• 中断响应（由硬件完成，又叫中断隐指令）：响应的条件是有中断请求、CPU 处于开中断状态、当前指令执行结束；响应时关中断、保存断点、找到中断服务程序的入口（软件查询或硬件向量法）。
• 中断处理（由中断服务程序完成）：保护现场、设备服务、恢复现场、开中断、中断返回。

多重中断：在中断服务程序里开中断，允许优先级更高的中断打断它。中断屏蔽字可以改变处理的先后：每级中断服务程序都有一个屏蔽字，1 表示屏蔽该级；响应次序由硬件排队决定，处理（完成）次序由屏蔽字决定——一个中断服务程序屏蔽了哪些级，那些级就不能打断它。

DMA 方式

DMA 方式由 DMA 控制器在主存和设备之间直接成块传送数据，不经过 CPU。DMA 控制器包括：主存地址计数器、传送长度计数器、数据缓冲寄存器、DMA 请求触发器、控制和状态逻辑、中断机构。传送过程分三段：