计算机硬件的爱情你知道吗?-IOTA

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计算机硬件的爱情你知道吗?

阅读量：3609504 2019-10-20

1.爱情之路
我们要了解存储的工作原理，最开始的基础一定是了解计算机内部是如何交流的。
每个人都知道，计算机组成的三大件是CPU、内存和硬盘。那他们之间是如何建立联系的，他们之间是如何传递IO的，了解清楚了就知道他们的爱情之路是如何建立的。CPU需要从内存中提取数据来运算，运算完成之后再存入内存中，对于CPU而言，从内存中提取的数据是IN，运算完成了，再通过CPU脚针通过计算机总线传递给内存，这个就是OUT。对于硬盘，读硬盘数据，例如你在打开word文档，这个过程就是OUT，修改了word文档中的某个字，进行保存就是IN。
IO（IN OUT）只是一个过程，每个部件都在不停的IO，传递给CPU由其进行运算，经过各部件IO，最终到达输出设备。
2.总线传递爱的讯号

图3-1
IO是通过共享的总线来实现，看起来是一条线，其实就是条物理的导线，跟每个家里用的电线是一个道理。
导线在某一时刻，电位都是相等的，这样总线上所有的部件都会收到相同的信号。这就是说，总线是共享的，同一时刻一个部件只能接收或者发送，我们称为这种工作模式是半双工。
那么在这一时刻到底是谁在用总线呢，在上图可以看到，我们会有一类总线叫做控制总线，控制总线是用来仲裁的。如果某个设备要想给CPU发送信息，那么就要申请控制总线进行仲裁，如果这时候有部件在传递信号，那么则要等待，如果没有人在使用，这时候控制总线就会把使用权给“你”来使用。

图3-2
图3-2所示，主板上的每个部件就是通过总线连接起来，你如果数一数，这里画了8条，但实际中，不止8条，可能是16、32、64、128。这些导线像毛细血管印刷在电路板上，根据物理学中大家都知道，高频振荡会导致线路传输的数据出现错误，那如何解决这问题呢？答案是，在印刷的时候排列在不同的电路板（PCB）层，那么每层的导线数量就少了，再加上每层电路板的屏蔽性能好，所以就不会相互干扰。
在这些总线中有数据总线，控制总线，地址总线，分别使用来传输数据，控制部件数据的传递，寻找部件。比如有32位PCI总线，就表示用32根导线来传递信息。
下表就是不同的PCI总线传输数据。
连接带宽
X1
X2
X4
X8
X16
X32
PCIe 1.0 (双向) (GB/s)
0.5
1
2
4
8
16
PCIe 2.0 (双向) (GB/s)
1
2
4
8
16
32
PCIe 3.0 (双向) (GB/s)
2
4
8
16
32
64
表3-1
2.1PCI总线

图3-3
图3-3就是多层电路板，这个多层电路板就是用单层电路板组成，上面在插上CPU，内存，硬盘，显卡等。
PCI总线是PC机和服务器普遍的连接技术，北桥一般连接CPU和内存，南桥连接外设（键盘，鼠标，硬盘等）。
为了解决总线数量少，和提高总线传输速度，PCI总线中会将地址总线和数据总线进行分时公用（一个时刻只能变成一种总线）。
在数据传输时主要由三个角色组成，发起者（Initiator或Master），目标设备（Target或Slave），仲裁设备（Arbiter）。总线上所有控制都有Master发起，PCI总线同一时刻只能有一对设备进行传输数据，这是就需要仲裁设备来决定谁拿到总线的控制权。
接下来我们用一个例子来看下总线的工作。

现在你（Master）最近很想找一个女朋友（Slave），你不认识她，但看到照片就心动了，可你认识她妈妈（Arbiter）。你就动身买好了礼品，准备去未来丈母娘家，灿烂的阳光洒在你的脸上，此时你觉得你的世界是如此的温暖，到了未来丈母娘家，一番嘘寒问暖，终于把最心底的方法告诉了丈母娘，丈母娘的脸上流露出了我们家的白菜终于有猪看中的微笑，则把女孩的电话号码告诉了你，并等你走后，跟女儿说：“给你介绍一个男朋友，其他人都不要再带回来了”。
在计算机的角度看待就是，Master先置REQ#信号，用来请求总线的控制权，当仲裁器给你许可（GNT#信号）时，会将FRAME#信号置于低电位，并在地址总线上放Slave的地址。Slave设备置DEVSEL#信号，以声明自己被选中了。
回到生活中，去拜访丈母家之后已经很晚了，回到家躺倒床上，准备给未来的女朋友发短信，聊了一段时间之后，兄弟叫你去玩LOL了，你经过深思熟虑之后准备给他发我要睡觉了，结束今天的话题。
在穿越到计算机中，Master置IRDY#为低电位，代表自己准备传输数据，Slave置TRDY#为低电位，代表自己准备接受数据。当Master数据准备传最后一组数据时，将FRAME#信号置为高，并在传输完成后放开IDRY#信号以释放总线控制权，接下来就是重复的过程。
2.2中断共享中断指的是，有些设备突然需要使用总线的时候出现的，比如你在打游戏时候，正准备上高地，女朋友给你弹QQ视频，你被弹出了桌面，这时候中断就产生了。
原来对于计算机设备比较少的时候，可能一个中断线好可以对应一个中断处理程序(非共享中断线)，没有任何用，但随着计算机设备的增加，一个中断线号对应一个中断处理程序已经不太现实，这个时候就使用了共享的中断线号，多个设备使用同一个中断线号，同一个中断设备线号的所有处理程序链接成一个链表，这样当在共享中断线号的方式下一个中断产生的时候，就要遍历其对应的处理程序链表，但这个中断是由使用同一个中断线号的多个设备中间的一个产生的，不可能链表里面的所有处理程序都调用一遍吧。

那中断是分成两种方法，硬件方法和软件方法。
硬件方法：
中断信号一侧的设备电阻接高，在要产生中断的设备上利用三极管将信号拉低。当所有设备的终端都得到处理后，中断信号才会恢复高电位，中断就停止了。
软件方法
在linux内核中，发现设备A使用了中断7，就会将中断7对应的内存区指向北厍A对应中断服务程序入口ISR_A；然后系统发现设备B也使用中断7，这时候就会将中断7对应的内存指向ISR_B，同时将ISR_B的结束指向ISR_A。依次类推，就会形成一个中断链。而当有中断发生时，系统跳转到中断7对应的内存，就是ISR_B。ISR_B就要检查是不是B设备的终端，如果是则处理，并将设备上的拉低电路开发；如果不是则呼叫ISR_A。这样就完成了中断共享。