计算机组成原理之总线和输入/输出系统

1. 总线系统的基本概念与分类

总线的基本概念：总线是构成计算机系统的互联机构，是系统内各功能部件之间进行信息传送的公共通路。它是计算机系统中的重要组成部分，负责实现各个部件之间的数据传输和通信。
总线的分类：总线可以按传送信息、连接部件等不同标准进行分类。按传送信息分，总线包括数据总线、地址总线和控制总线；按连接部件分，总线则包括内部总线、系统总线和通信总线。

2. 总线的特性和总线标准

总线的特性：总线具有物理特性、功能特性、电气特性和时间特性。物理特性涉及总线的位数、插头插座的形状以及引脚的排列方式等；功能特性则确定每一根总线的名称、定义、功能与逻辑关系；电气特性规定每一根总线上信号的传送方向及有效电平范围；时间特性则关注总线上各信号有效的时序关系。
总线标准：为保证总线的性能充分发挥以及兼容问题，需要制定总线标准。这些标准主要包括总线的各种特性、数据传输率、总线通信协议、仲裁协议等一系列规定和约定。典型的标准总线有ISA、EISA、PCI等。

3. 输入/输出系统的基础构成

输入/输出系统的基本概念：输入/输出系统（I/O系统）是计算机与外部世界进行信息交换的桥梁。它主要由输入设备、输出设备、外存储器以及I/O接口（I/O控制器）等部分组成。
输入/输出设备的种类：输入设备包括键盘、鼠标等，用于向计算机输入信息；输出设备则包括显示器、打印机等，用于将计算机处理后的信息输出给用户；外存储器如硬盘存储器、磁盘阵列、光盘存储器等，则用于长期存储数据和程序。

4. 输入/输出系统的控制方式

程序控制I/O方式：在这种方式下，CPU通过I/O指令询问指定外设当前的状态，如果外设准备就绪，则进行数据的输入或输出，否则CPU等待。这种方式结构简单，但效率较低，因为CPU的速度远远高于外设。
中断控制方式：中断控制方式下，当外围设备需要请求服务时，向CPU发出中断请求。CPU响应外围设备中断，停止执行当前程序，转去执行一个外围设备服务的程序（即中断服务处理程序）。中断处理完毕后，CPU又返回来执行原来的程序。这种方式提高了CPU的工作效率，满足了外设的实时要求。
DMA控制方式：DMA（Direct Memory Access）控制方式采用一个专门的控制器来控制内存与外设之间的数据交流，无须CPU介入。在进行DMA数据传送之前，DMA控制器会向CPU申请总线控制权。CPU如果允许，则将控制权交出。在数据交换时，总线控制权由DMA控制器掌握。传输结束后，DMA控制器将总线控制权交还给CPU。这种方式大大提高了CPU的工作效率。
通过以上解读，我们可以对计算机组成原理中的总线和输入/输出系统有更深入的了解。这些概念和原理对于理解计算机的工作原理以及进行计算机系统的设计和优化都至关重要。