《I-O接口和总线I》课件

I/O接口和总线II/O接口和总线是计算机系统中重要的组成部分，它们负责连接各种外设，并与CPU进行数据交换。I/O接口概述I/O接口是系统与外部设备之间连接的桥梁。它提供了一种标准化的方式，允许不同的设备与系统进行通信。I/O接口允许系统通过发送和接收数据与外部设备交互，从而实现对这些设备的控制和数据传输。I/O接口提供了一个通用接口，使不同类型的设备能够连接到系统，而不必考虑设备的具体实现细节。I/O接口分类按数据传输方式串行接口：数据一位一位地传输，使用一根或多根线。并行接口：数据同时传输多位，使用多根线。按连接类型内部接口：连接计算机内部的各个部件。外部接口：连接外部设备，如键盘、鼠标等。按功能类型通用接口：支持多种类型的设备，如USB、串口。专用接口：只支持特定的设备，如显卡接口、网卡接口。串行I/O接口单根线传输串行接口使用单根线进行数据传输，这使它更加灵活，并适用于较长的距离传输。数据传输方向串行接口可以是单向的（仅发送或接收）或双向的（同时发送和接收数据）。广泛应用于外设串行接口广泛用于连接各种外设，如键盘、鼠标、打印机和扫描仪等。串行I/O接口的特点1传输效率串行通信仅使用一根线路传输数据，效率较低，但成本低廉，适用远距离传输。2传输距离串行通信信号损耗低，适合长距离传输，如网络通信，蓝牙通信。3信号完整性串行通信数据通过单根线路传输，避免了并行通信中信号之间的干扰。4接口数量串行通信仅使用少量信号线，能够减少接口数量，提高设备集成度。常见的串行I/O接口标准RS-232RS-232是一个广泛使用的串行通信标准，用于低速设备连接，如鼠标、键盘和调制解调器。它定义了电气特性、信号和数据传输协议，在工业控制、数据采集和通信领域得到广泛应用。USBUSB是一种通用的串行总线标准，连接各种外围设备，如打印机、扫描仪和存储设备。它支持多种数据传输速率，并且具有热插拔功能，方便用户使用。SPISPI是一个同步串行通信接口，用于连接微控制器和外围设备，如传感器、存储器和显示器。它具有低成本、简单易用和高速度的特点，广泛应用于嵌入式系统中。I2CI2C是一个双线串行通信接口，用于连接多个设备，例如传感器、实时时钟和EEPROM。它具有低成本、低功耗和简单易用的特点，适合连接少量设备。串行I/O接口应用案例串行I/O接口广泛应用于现代电子设备中。USB接口连接鼠标、键盘、打印机等外设。蓝牙接口连接耳机、音箱等无线设备。串口连接工业设备，实现数据传输。SPI接口广泛应用于嵌入式系统，连接传感器、存储设备等。并行I/O接口并行数据传输并行接口使用多条数据线同时传输数据位，提高传输速度。早期设备接口并行接口曾广泛用于连接打印机、扫描仪等设备，但逐渐被串行接口取代。数据同步传输并行接口在传输数据时，所有数据位同时传输，需要精确的时序控制。高速传输数据并行接口可以有效地传输大量数据，适合对传输速度有较高要求的应用。并行I/O接口的特点传输速率高并行接口可以同时传输多位数据，一次传输多位数据，因此传输速率非常快。连接距离短并行接口的信号线较多，容易受到干扰，因此连接距离一般较短。成本高并行接口需要较多的信号线，因此成本相对较高。接口复杂并行接口的信号线较多，接口设计和实现比较复杂。常见的并行I/O接口标准并行SCSI并行SCSI是一种高速、多设备的并行接口标准，常用于存储设备，支持多达15个设备连接。IDE接口IDE（集成驱动电子设备）接口是一种常见的并行接口标准，常用于硬盘驱动器、光驱等存储设备。LPT接口LPT（LinePrinterTerminal）接口是一种标准的并行接口，用于连接打印机、绘图仪等设备。并行I/O接口应用案例并行接口广泛应用于早期的计算机系统中，例如打印机、扫描仪和硬盘驱动器等设备。随着技术的发展，并行接口逐渐被串行接口所取代，但在一些特定的领域，例如工业控制和数据采集系统中，并行接口仍然发挥着重要的作用。总线系统概述数据传输连接多个硬件设备共享资源共享CPU、内存等资源通信协调协调不同设备之间的通信系统扩展支持系统扩展性总线的基本功能1数据传输总线是计算机系统中数据传输的物理通道，负责在各个设备之间传递数据。2地址传输总线用于传递数据传输的地址，指示CPU要访问哪个设备或哪个内存位置。3控制信号传输总线包含控制信号线，用于协调不同设备之间的操作，例如读写操作、中断请求等。总线的基本特性带宽总线带宽决定了数据传输速度，影响系统性能。信号类型总线信号类型包括并行和串行，影响传输效率和成本。同步/异步同步总线使用时钟信号，异步总线不使用时钟，影响数据传输可靠性。总线结构总线结构分为单总线、多总线和层次化结构，影响系统扩展性和可靠性。总线的分类按结构分类总线可以分为系统总线、扩展总线和外设总线，根据其在计算机系统中的作用和连接的设备进行区分。按传输方式分类总线可分为串行总线和并行总线，串行总线数据一位一位传输，而并行总线数据同时传输多位。按传输介质分类总线可分为导线总线和光纤总线，导线总线通过导线传输数据，而光纤总线通过光纤传输数据。按功能分类总线可分为地址总线、数据总线和控制总线，分别用于传输地址、数据和控制信号。总线仲裁机制集中式仲裁由一个专门的仲裁器负责管理总线访问权。分散式仲裁由多个设备协商决定总线访问权。链式仲裁设备按照优先级顺序依次请求总线访问权。轮询仲裁系统按照预先设定的顺序，轮流分配总线访问权。优先级仲裁根据设备的优先级，优先级高的设备优先获得总线访问权。总线时序1时钟信号时钟信号控制数据传输的节奏，它决定了数据传输的速率。2数据信号数据信号在时钟信号的控制下进行传输，确保数据在正确的时序下被发送和接收。3控制信号控制信号用于协调数据传输过程，例如请求、确认、选择等。总线上的通信协议11.协议类型总线通信协议决定了数据传输的方式和规则，例如同步协议、异步协议等。22.数据传输方式总线传输方式包括串行传输和并行传输，影响传输速度和数据量。33.信号编码方式信号编码决定了数据的表示方式，例如NRZ、曼彻斯特编码等。44.错误检测机制总线通信协议包含错误检测机制，例如奇偶校验、CRC校验等，保证数据的完整性。总线操作模式同步操作模式所有设备同步进行数据传输，需要使用统一的时钟信号。简单易懂，但效率低，对时钟信号要求高。异步操作模式设备之间不使用统一时钟，通过握手信号来同步数据传输。效率较高，更灵活，但复杂度高。混合操作模式将同步和异步操作模式结合使用，以提高传输效率。例如，地址总线使用同步模式，数据总线使用异步模式。总线的发展趋势高速化数据传输速率不断提高，满足日益增长的带宽需求。多功能化支持更多功能和协议，例如支持多种数据类型和设备。智能化整合更多功能，例如支持数据预处理和错误检测。标准化推动行业标准的制定，促进互操作性。总线标准案例一：ISA总线ISA(IndustryStandardArchitecture)总线是PC机中最早采用的总线标准，它在1981年由IBM推出，最初作为IBMPC/AT计算机的扩展总线。ISA总线是一种16位总线，采用同步时序方式工作，传输速度相对较慢，但兼容性强，被广泛应用于早期PC机中。ISA总线支持多种外设，如硬盘、网卡、声卡等，在早期PC机发展中起到了重要作用。随着技术的发展，ISA总线逐渐被更新的总线标准所取代，但仍然可以在一些老式PC机上找到它的踪迹。总线标准案例二：PCI总线PCI总线是一种高速、灵活的总线标准，广泛应用于计算机系统中。PCI总线采用32位或64位数据总线，传输速度快，支持热插拔，并提供多种扩展接口。PCI总线支持多种设备，例如网卡、声卡、硬盘控制器等，极大地扩展了计算机系统的功能。总线标准案例三：USB总线USB（通用串行总线）是一种广泛应用于现代计算机系统中的串行总线标准。USB总线以其高带宽、低成本、易于使用和热插拔特性而闻名。USB总线广泛应用于连接各种外设，例如键盘、鼠标、打印机、扫描仪、摄像头、存储设备和移动设备等。总线标准案例四：PCI-Express总线PCIExpress，也称为PCIe，是当前主流的计算机总线标准。它采用点对点串行通信方式，相较于传统的并行总线具有更高的带宽和更低的延迟。PCIe总线支持热插拔，可用于连接各种外设，例如显卡、声卡、网卡等。PCIe总线还支持多种数据传输模式，例如单通道、双通道等，可以根据不同的应用需求进行选择。总线标准案例五：SATA总线串行ATA(SATA)总线是一种串行数据传输接口标准，主要用于连接硬盘、光驱等存储设备。它以更快的速度、更少的连接线和更小的空间占用为特点，逐渐取代了传统的并行ATA接口。SATA接口支持热插拔，即在系统运行过程中可以连接或断开设备，方便用户升级和维护。SATA接口支持多种传输模式，包括SATA1.0、SATA2.0、SATA3.0等。随着技术的进步，SATA接口的传输速度不断提升，最新版本的SATA3.0接口的理论传输速度可达6Gbps。本章小结I/O接口的重要性I/O接口是计算机系统与外部设备连接的关键桥梁，负责数据传输和控制，实现系统与外界的信息交互。丰富多样的I/O接口各种I/O接口标准满足不同应用需求，如高速数据传输、音频视频处理、外部存储设备连接等。总线系统构建总线系统是计算机系统中各部件之间信息传递的通路，通过总线实现CPU、内存、外设等部件的协调工作。总线标准不同总线标准拥有不同的数据传输速度、连接方