《IO接口和總線II》課件

IO接口和總線II本節(jié)課將深入探討IO接口和總線的關(guān)鍵概念和原理。我們將分析不同類型的IO接口，包括串行接口、并行接口和特殊接口。此外，我們將探討總線架構(gòu)，并重點介紹不同類型的總線，如系統(tǒng)總線、擴展總線和通信總線。課程大綱IO接口和總線概述介紹IO接口和總線的概念、發(fā)展歷程以及基本特性。IO接口類型深入探討同步、異步、并行和串行IO接口的特點和應(yīng)用?？偩€系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析總線的基本特性、分類和常見總線類型，例如PCI、AGP、USB和IEEE1394。無線連接技術(shù)介紹藍(lán)牙、WIFI等無線連接技術(shù)及其在計算機系統(tǒng)中的應(yīng)用。課程目標(biāo)理解IO接口和總線基礎(chǔ)概念掌握IO接口和總線的基本概念和分類，理解它們在計算機系統(tǒng)中的作用。掌握常見IO接口和總線技術(shù)深入了解常見IO接口和總線技術(shù)，包括PCI、USB、IEEE1394等，并分析其應(yīng)用場景和特點。理解總線仲裁機制和數(shù)據(jù)傳輸方式學(xué)習(xí)總線仲裁機制和各種數(shù)據(jù)傳輸方式，掌握不同傳輸方式的優(yōu)缺點，并理解其應(yīng)用場景。IO接口概述IO接口是計算機系統(tǒng)與外部設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)交換的橋梁。IO接口是計算機系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)內(nèi)部數(shù)據(jù)處理與外部設(shè)備的交互。IO接口的發(fā)展歷程1早期接口并行接口，速度較慢2串行接口RS-232，數(shù)據(jù)傳輸效率低3USB接口通用串行總線，廣泛應(yīng)用4高速接口PCIExpress，SATA，高速數(shù)據(jù)傳輸隨著計算機技術(shù)發(fā)展，IO接口也經(jīng)歷了重大變革。從早期并行接口到高速串行接口，IO接口不斷提升速度和效率。IO接口的基本特性數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)在IO設(shè)備與主機的雙向傳輸。實現(xiàn)主機與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)交互。命令控制主機發(fā)送命令控制IO設(shè)備，并接收設(shè)備狀態(tài)信息。控制IO設(shè)備的行為，如讀寫操作。接口匹配與IO設(shè)備和主機系統(tǒng)總線匹配，滿足連接需求。保證信號傳輸和兼容性。同步IO接口11.CPU控制CPU控制數(shù)據(jù)傳輸，需要等待數(shù)據(jù)傳輸完成才能繼續(xù)執(zhí)行其他操作。22.數(shù)據(jù)傳輸阻塞數(shù)據(jù)傳輸過程中，CPU會被阻塞，無法執(zhí)行其他任務(wù)，效率較低。33.簡單的設(shè)計同步IO接口設(shè)計簡單，容易實現(xiàn)。44.應(yīng)用廣泛在早期的系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，例如：串口、并口。異步IO接口異步數(shù)據(jù)傳輸異步接口不依賴時鐘信號同步，發(fā)送和接收設(shè)備可以獨立運行。獨立控制異步接口允許數(shù)據(jù)傳輸在任意時間開始和結(jié)束，不依賴于特定的時鐘信號。靈活性異步接口具有更高的靈活性和兼容性，可以用于不同的設(shè)備和傳輸協(xié)議。并行IO接口多條線路同時傳輸并行IO接口使用多條線路同時傳輸數(shù)據(jù)，每條線路傳輸一個位。傳輸速度快并行傳輸能夠同時傳輸多個位，因此傳輸速度快。電路復(fù)雜并行IO接口需要更多線路和連接器，因此電路設(shè)計比較復(fù)雜。串行IO接口串行接口特點數(shù)據(jù)一位一位傳輸使用單根數(shù)據(jù)線低成本、易于實現(xiàn)常見串行接口RS-232USBSPII2C應(yīng)用領(lǐng)域計算機外設(shè)嵌入式系統(tǒng)通信設(shè)備總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總線是連接計算機系統(tǒng)中各個部件的共享通道。它由一組并行線路組成，用于傳遞數(shù)據(jù)、地址和控制信號?？偩€結(jié)構(gòu)決定了計算機系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，對系統(tǒng)的性能、擴展性和成本影響很大?？偩€系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括總線類型、總線寬度、總線速度、總線協(xié)議和總線仲裁機制。總線的基本特性11.共享性總線是系統(tǒng)中多個部件共享的通信路徑，可以實現(xiàn)多個部件之間的信息交換。22.時序性總線上的數(shù)據(jù)傳輸需要遵循一定的時序關(guān)系，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。33.并行性總線可以同時傳輸多個數(shù)據(jù)位，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。44.方向性總線通常是雙向的，即可以進行數(shù)據(jù)讀寫操作，但有些總線是單向的，只能進行數(shù)據(jù)讀或?qū)懖僮??？偩€的分類按總線結(jié)構(gòu)分類總線結(jié)構(gòu)可以分為單總線結(jié)構(gòu)、多總線結(jié)構(gòu)和層次總線結(jié)構(gòu)。按總線類型分類總線類型可以分為系統(tǒng)總線、外設(shè)總線、通信總線、背板總線和擴展總線。按總線傳輸方式分類總線傳輸方式可以分為并行傳輸、串行傳輸和并串混合傳輸。按總線帶寬分類總線帶寬可以分為低帶寬、中帶寬和高帶寬總線。數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)總線是負(fù)責(zé)在系統(tǒng)不同組件之間傳輸數(shù)據(jù)的路徑。它就像一條高速公路，可以雙向傳輸數(shù)據(jù)，例如從CPU到內(nèi)存或從內(nèi)存到外設(shè)。數(shù)據(jù)位寬數(shù)據(jù)總線的寬度決定了每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。例如，一個64位的數(shù)據(jù)總線可以一次傳輸8個字節(jié)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)總線的位寬直接影響系統(tǒng)的性能。地址總線傳輸?shù)刂返刂房偩€用于傳輸內(nèi)存地址、外設(shè)地址等信息，決定了CPU可以訪問的地址空間大小。單向傳輸?shù)刂房偩€通常是單向傳輸?shù)?，因為CPU是發(fā)出地址信息的，而內(nèi)存或外設(shè)是接受地址信息的。位寬決定地址空間地址總線的位寬決定了系統(tǒng)可以訪問的地址空間，例如一個32位地址總線可以訪問4GB的地址空間?？刂瓶偩€控制信號控制總線用于傳遞控制信號。讀寫操作中斷請求設(shè)備選擇方向信號方向信號指定數(shù)據(jù)傳輸方向。數(shù)據(jù)傳輸方向設(shè)備狀態(tài)時序信號時序信號用于同步數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸時鐘數(shù)據(jù)有效信號PCI總線11.高速數(shù)據(jù)傳輸PCI總線是一種用于連接外設(shè)的串行總線，它可以提供高速的數(shù)據(jù)傳輸速率。22.可擴展性強PCI總線可以支持多種外設(shè)，并且可以根據(jù)需要進行擴展。33.應(yīng)用廣泛PCI總線廣泛應(yīng)用于各種計算機系統(tǒng)，例如臺式機、筆記本電腦和服務(wù)器。44.插槽類型PCI總線有多種插槽類型，例如PCI、PCI-X和PCIExpress。AGP總線特點AGP總線是為滿足顯卡高速數(shù)據(jù)傳輸需求而設(shè)計的，其工作頻率比傳統(tǒng)的PCI總線高很多。它采用點對點方式，專門用于連接主板和顯卡，避免了與其他設(shè)備爭奪帶寬。優(yōu)勢AGP總線可以有效地提高顯卡的性能，提升游戲和圖形處理速度，使圖形顯示更加流暢，并為高分辨率和3D圖形處理提供了更大的帶寬支持。USB總線通用串行總線USB總線是一種串行總線，適用于多種設(shè)備，如鍵盤、鼠標(biāo)、打印機和外部存儲設(shè)備。它可以傳輸數(shù)據(jù)、電源和控制信號。高速傳輸USB總線支持多種傳輸速率，包括低速、全速、高速和超高速。隨著技術(shù)發(fā)展，傳輸速度不斷提升。熱插拔USB設(shè)備可以在系統(tǒng)運行時插入或拔出，無需重啟系統(tǒng)。這方便了用戶連接和使用設(shè)備。IEEE1394(火線)總線高帶寬IEEE1394標(biāo)準(zhǔn)支持高達(dá)400Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，可以有效地進行高速數(shù)據(jù)傳輸。實時性火線總線具有低延遲特性，適用于需要實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用，如視頻和音頻設(shè)備。即插即用火線總線支持熱插拔功能，設(shè)備連接后可以立即識別和使用，無需重啟系統(tǒng)。菊花鏈連接火線總線支持菊花鏈連接，多個設(shè)備可以串聯(lián)連接到同一根總線上，簡化了連接配置。無線連接技術(shù)概述無線連接技術(shù)利用電磁波進行數(shù)據(jù)傳輸，無需物理連接線纜。優(yōu)勢無線連接提供更高的靈活性和便捷性，不受地理位置限制，擴展性強。應(yīng)用范圍無線連接廣泛應(yīng)用于個人電腦、移動設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域，改變了人們的連接方式。藍(lán)牙1低功耗藍(lán)牙技術(shù)設(shè)計初衷是用于短距離無線通信，功耗較低，適合移動設(shè)備。2數(shù)據(jù)傳輸速率藍(lán)牙傳輸速率較低，主要用于音頻、數(shù)據(jù)和控制信息，不適合高速數(shù)據(jù)傳輸。3安全性藍(lán)牙支持安全連接，可以通過加密和身份驗證保護數(shù)據(jù)傳輸安全。4應(yīng)用領(lǐng)域藍(lán)牙應(yīng)用范圍廣泛，包括耳機、鍵盤、鼠標(biāo)、智能手表、智能家居設(shè)備等。WIFI無線局域網(wǎng)技術(shù)WIFI全稱WirelessFidelity，指利用無線電波進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)木钟蚓W(wǎng)技術(shù)。它使用IEEE802.11協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，提供高速、可靠、安全的無線連接方式。特點無線連接，方便快捷高數(shù)據(jù)傳輸速率廣泛的應(yīng)用范圍靈活性和可擴展性總線仲裁機制總線仲裁機制是多個設(shè)備共享總線的關(guān)鍵。1集中式仲裁單一仲裁器控制2分布式仲裁多個設(shè)備共同參與3鏈?zhǔn)街俨脙?yōu)先級依次傳遞4投票仲裁多數(shù)投票決定5定時輪詢仲裁輪流獲得總線控制權(quán)突發(fā)傳輸連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸突發(fā)傳輸是一種高效的數(shù)據(jù)傳輸方式，可以連續(xù)傳輸多個數(shù)據(jù)字節(jié)，無需每次傳輸都進行地址和控制信號的更新。提高效率通過減少傳輸次數(shù)，突發(fā)傳輸能夠顯著提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，適用于大塊數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱鼍啊Ｑh(huán)傳輸概述循環(huán)傳輸是一種簡單的總線傳輸方式。它在多個設(shè)備之間依次進行數(shù)據(jù)傳輸，就像一個循環(huán)一樣。設(shè)備輪流訪問總線，以發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。特點循環(huán)傳輸簡單易實現(xiàn)，但效率較低。每個設(shè)備都必須等待輪到自己才能訪問總線，這會降低系統(tǒng)性能。優(yōu)先級傳輸優(yōu)先級調(diào)度多個設(shè)備請求使用總線時，根據(jù)優(yōu)先級分配資源，高優(yōu)先級設(shè)備優(yōu)先使用總線。優(yōu)先級機制通過硬件或軟件實現(xiàn)優(yōu)先級分配，例如設(shè)置優(yōu)先級寄存器，或使用優(yōu)先級算法。中斷傳輸高優(yōu)先級中斷信號具有最高優(yōu)先級，可以立即打斷當(dāng)前正在執(zhí)行的程序。異步傳輸中斷傳輸是一種異步傳輸方式，不受CPU控制，可以隨時發(fā)生。事件驅(qū)動中斷傳輸通常由外部事件觸發(fā)，例如鍵盤按鍵、鼠標(biāo)移動等。本課程重點與難點IO接口技術(shù)不同類型的IO接口，如串行、并行、同步、異步接口總線系統(tǒng)總線類型、結(jié)構(gòu)、特性，例如PCI、USB、