片上计算机系统06-计算机输入输出系统

1、大连理工大学 软件学院 赖晓晨计算机组成原理计算机组成原理第六章 输入输出系统姓姓 名：杨慧晶名：杨慧晶单单 位：软件学院位：软件学院EmailEmail：大连理工大学 软件学院 赖晓晨第五章第五章 输入输出系统输入输出系统p 总线总线p 输入输出接口输入输出接口p 输入输出系统工作方式输入输出系统工作方式 程序查询方式 程序中断方式 DMA方式大连理工大学 软件学院 赖晓晨l 重点 要求掌握程序查询、程序中断及要求掌握程序查询、程序中断及DMA三种主机与三种主机与I/O交换信息的方式，交换信息的方式，并能明确不同控制方式各自所需的硬件及软件编程方法。尤其对中并能明确不同控制方式各自所需的硬件

2、及软件编程方法。尤其对中断技术应了解更深入，这样才能进一步加深理解整机的工作过程。断技术应了解更深入，这样才能进一步加深理解整机的工作过程。l 难点 处理中断过程中有各类技术，并要配置相应的各类硬件：和编写相处理中断过程中有各类技术，并要配置相应的各类硬件：和编写相应的软件程序。应的软件程序。 要真正认识要真正认识DMA与中断传送的区别，前者发生在存储周期结束时，与中断传送的区别，前者发生在存储周期结束时，后者发生在指令周期结束时，这就反映了后者发生在指令周期结束时，这就反映了DMA有挪用存储周期的特有挪用存储周期的特点。点。大连理工大学 软件学院 赖晓晨5.1 概述概述一、输入输出系统的发展

3、概况，共经历一、输入输出系统的发展概况，共经历4个阶个阶段：段： 早期阶段 接口模块和DMA阶段 通道阶段 I/O处理机阶段大连理工大学 软件学院 赖晓晨1、早期阶段、早期阶段p CPU和外设分散连接、串行工作、耦合性和外设分散连接、串行工作、耦合性强，机器速度慢、价格高。强，机器速度慢、价格高。while( busy = 1);Do something 主存主存CPUI/O设备设备外设工作在查询模式下。外设工作在查询模式下。大连理工大学 软件学院 赖晓晨p 这种交换方式具有以下几个特点：这种交换方式具有以下几个特点： 每个I/O设备都必须配有一套独立的逻辑电路与CPU相连，用来实现 I/O与

4、主机交换信息。线路十分零散、庞杂线路十分零散、庞杂 输入输出过程是穿插在CPU执行程序之中进行的。当当I/OI/O与主机交换信息时，与主机交换信息时，CPUCPU不得不停止其各种运算。不得不停止其各种运算。I/OI/O与与CPUCPU是按串行方式工作的，极浪费时间。是按串行方式工作的，极浪费时间。 每个 I/O设备的逻辑控制电路与CPU的控制器紧密构成一个不可分割的整体，它们彼此依赖，相互牵连。因此，欲增添或撤减或更换因此，欲增添或撤减或更换I/O设备是非常困难设备是非常困难大连理工大学 软件学院 赖晓晨2、接口模块与、接口模块与DMA阶段阶段p 具有总线模式，主机通过各种接口连接外具有总线模

5、式，主机通过各种接口连接外设，具有中断或设，具有中断或DMA功能。功能。主主机机接口接口I/O设备设备接口接口I/O设备设备接口接口I/O设备设备设备寻址设备寻址速度匹配速度匹配格式转换格式转换电平转换电平转换内内存存多个多个DMA控制器同时访问主存可能冲突；控制器同时访问主存可能冲突；CPU管理众多管理众多DMA控制器，任务繁重。控制器，任务繁重。大连理工大学 软件学院 赖晓晨通常在接口中都设有数据通路和控制通路。通常在接口中都设有数据通路和控制通路。 数据经过接口既起到缓冲作用，又可完成串数据经过接口既起到缓冲作用，又可完成串- -并变换或并变换或 并并- -串变换。串变换。 控制通路用以

6、传送控制通路用以传送CPUCPU向向I/OI/O设备发出的各种控制命令，设备发出的各种控制命令， 或使或使CPUCPU接受来自接受来自I/OI/O设备的反馈信号。设备的反馈信号。许多接口还能满足许多接口还能满足中断请求处理中断请求处理的要求。的要求。 使使I/OI/O设备与设备与CPUCPU可按并行方式工作，大大地提高了可按并行方式工作，大大地提高了CPUCPU 的工作效率。的工作效率。采用接口技术还可以使多台采用接口技术还可以使多台I/OI/O设备分时占用总线。设备分时占用总线。 使多台使多台I/OI/O设备互相之间也可实现并行工作方式，有利设备互相之间也可实现并行工作方式，有利 于整机工作

7、效率提高。于整机工作效率提高。大连理工大学 软件学院 赖晓晨接口存在的问题接口存在的问题 虽然这个阶段实现了虽然这个阶段实现了CPUCPU和和I/OI/O并行工作，但是在主并行工作，但是在主机与机与I/OI/O交换信息时，交换信息时， CPUCPU要中断现行程序，也即要中断现行程序，也即CPUCPU与与I/OI/O还不能做到绝对的并行工作。还不能做到绝对的并行工作。DMA (Direct Memory Access)DMA (Direct Memory Access)技术技术 其特点是其特点是I/OI/O与主存之间有一条直接数据通路，与主存之间有一条直接数据通路， I/OI/O设备可以与主存直

8、接交换信息，使设备可以与主存直接交换信息，使CPUCPU在在I/OI/O与主存与主存交换信息时，能继续完成自身的工作，故其资源利交换信息时，能继续完成自身的工作，故其资源利用率得到了进一步的提高。用率得到了进一步的提高。大连理工大学 软件学院 赖晓晨3、通道结构、通道结构p 通道是用来负责管理通道是用来负责管理I/O设备以及实现主存设备以及实现主存与与I/O设备之间交换信息的部件，可视为从设备之间交换信息的部件，可视为从属于属于CPU的的专用处理器专用处理器。p 通道具有专门指令，能独立执行由通道指通道具有专门指令，能独立执行由通道指令编写的输入输出程序。令编写的输入输出程序。通道并不能完全把

9、通道并不能完全把CPU解放出来，解放出来，CPU还要进行诸如码制转换之类的工作。还要进行诸如码制转换之类的工作。大连理工大学 软件学院 赖晓晨通道有专用的通道指令，它能独立地执行用通通道有专用的通道指令，它能独立地执行用通道指令所编写的输入输出程序。道指令所编写的输入输出程序。 但它不是一个完全独立的处理器，它受但它不是一个完全独立的处理器，它受CPUCPU的的I/OI/O指指令启动、停止或改变其工作状态，是从属于令启动、停止或改变其工作状态，是从属于CPUCPU的的一个专用处理器。一个专用处理器。依赖通道管理的依赖通道管理的I/OI/O设备在与主机交换信息时，设备在与主机交换信息时，CPUC

10、PU不直接参与管理，故不直接参与管理，故CPUCPU的资源利用率更的资源利用率更高。高。大连理工大学 软件学院 赖晓晨4、外围处理机、外围处理机p 外围处理机又称为外围处理机又称为I/O处理机，独立于主机处理机，独立于主机工作，除了具备通道功能之外，还具备码工作，除了具备通道功能之外，还具备码制转换、格式处理、数据校验等功能。制转换、格式处理、数据校验等功能。大连理工大学 软件学院 赖晓晨1. 总线的基本概念2. 总线的分类3. 总线控制4. 总线特性及性能指标系统总线系统总线大连理工大学 软件学院 赖晓晨存储器输入设备运算器控制器输出设备分散连接1：以运算器为中心的计算机硬件框图p 采用总线

11、的必要性采用总线的必要性大连理工大学 软件学院 赖晓晨计算机硬件框图分散连接2：以存储器为中心的计算机硬件框图程序存储器输出设备输入设备运算器控制器数据结果计算在里面使用中断、DMA提高计算机的cpu使用效率无法解决I/O设备与主机之间连接的灵活性是指当主机接到外界硬件(如I/O设备)发来的信号时，马上停止原来的工作，转去处理这一事件，在处理完了以后，主机又回到原来的工作继续工作。DMA （Direct Memory Access）是一种在CPU少量干预下，而直接从内存存取数据的数据交换模式。 大连理工大学 软件学院 赖晓晨总线的基本概念总线的基本概念p 采用总线的必要性采用总线的必要性 分散

12、连接 vs 总线连接p 总线的概念总线的概念 总线是连接多个部件的信息传输线，是各总线是连接多个部件的信息传输线，是各部件共享的传输介质。总线由许多传输线或部件共享的传输介质。总线由许多传输线或通道构成，每条线可以传送一个二进制位。通道构成，每条线可以传送一个二进制位。p 总线的特点总线的特点总线上有总线上有超过一个信息接收部件，且在任一个信息接收部件，且在任一时刻，只允许有一时刻，只允许有一个部件向总线发送信息。部件向总线发送信息。大连理工大学 软件学院 赖晓晨总线的分类总线的分类p 片内总线片内总线 芯片内部总线，例如运算器和cache之间的总线。p 系统总线（板级总线）系统总线（板级总线

13、） 处理器与主存、I/O等部件之间的信息传输线。 三总线结构：数据总线、地址总线、控制总线三总线结构：数据总线、地址总线、控制总线p 通信总线通信总线 计算机系统之间，或计算机与其他设备之间计算机系统之间，或计算机与其他设备之间的信息传输线。的信息传输线。大连理工大学 软件学院 赖晓晨总线的分类总线的分类p 片内总线片内总线 芯片内部总线，例如运算器和cache之间的总线。p 系统总线（板级总线）系统总线（板级总线） 处理器与主存、I/O等部件之间的信息传输线。 三总线结构：数据总线、地址总线、控制总线三总线结构：数据总线、地址总线、控制总线p 通信总线通信总线 计算机系统之间，或计算机与其他

14、设备之间计算机系统之间，或计算机与其他设备之间的信息传输线。的信息传输线。片内总线片内总线处理处理器核器核cacheCPU大连理工大学 软件学院 赖晓晨总线的分类总线的分类p 片内总线片内总线 芯片内部总线，例如运算器和cache之间的总线。p 系统总线（板级总线）系统总线（板级总线） 处理器与主存、I/O等部件之间的信息传输线。 三总线结构：数据总线、地址总线、控制总线三总线结构：数据总线、地址总线、控制总线p 通信总线通信总线 计算机系统之间，或计算机与其他设备之间计算机系统之间，或计算机与其他设备之间的信息传输线。的信息传输线。声卡声卡CPU显卡显卡网卡网卡系统总线系统总线dbabcb大

15、连理工大学 软件学院 赖晓晨总线的分类总线的分类p 片内总线片内总线 芯片内部总线，例如运算器和cache之间的总线。p 系统总线（板级总线）系统总线（板级总线） 处理器与主存、I/O等部件之间的信息传输线。 三总线结构：数据总线、地址总线、控制总线三总线结构：数据总线、地址总线、控制总线p 通信总线通信总线 计算机系统之间，或计算机与其他设备之间计算机系统之间，或计算机与其他设备之间的信息传输线。的信息传输线。计算机计算机计算机计算机设备设备1设备设备2通信总线通信总线大连理工大学 软件学院 赖晓晨一、系统总线一、系统总线1、数据总线 双向传输总线。 数据总线的位数称为数据总线宽度数据总线宽

16、度。 位数即为机器位数机器位数，与机器字长、存储器字长有关。CPU存储器存储器data bus8大连理工大学 软件学院 赖晓晨2、地址总线、地址总线p 用来标识主存或用来标识主存或I/O设备上存储单元的位设备上存储单元的位置。置。p 单向总线单向总线p 地址总线的位数如何确定？CPU存储器存储器address bus？大连理工大学 软件学院 赖晓晨2、地址总线、地址总线p 用来标识主存或用来标识主存或I/O设备上存储单元的位置。设备上存储单元的位置。p 单向总线单向总线p 地址总线的位数如何确定？地址总线的位数与存储单元的个数有关，与存储地址总线的位数与存储单元的个数有关，与存储单元的二进制位

17、长度无关。如地址总线有单元的二进制位长度无关。如地址总线有n条，则条，则最多可以寻址到最多可以寻址到2n个存储单元。个存储单元。回答以下问题：回答以下问题：如有如有256B存储单元，需要多少条地址线？存储单元，需要多少条地址线？如有如有2KB存储单元，需要多少条地址线？存储单元，需要多少条地址线？如有如有16MB存储单元，需要多少条地址线？存储单元，需要多少条地址线？如有如有4GB存储单元，需要多少条地址线？存储单元，需要多少条地址线？大连理工大学 软件学院 赖晓晨3、控制总线、控制总线p 用来发出各种控制信号的传输线。用来发出各种控制信号的传输线。p 单一控制线通常是单向的。单一控制线通常是

18、单向的。p 控制总线总体来说是双向总线。控制总线总体来说是双向总线。p 典型控制线典型控制线 复位、时钟、中断相关、总线请求、存储器复位、时钟、中断相关、总线请求、存储器读写、读写、I/O读写、读写、I/O读写、忙闲检测、传输响应读写、忙闲检测、传输响应等。等。CPU存储器存储器/外设外设control bus大连理工大学 软件学院 赖晓晨二、通信总线二、通信总线p 概念概念用于计算机系统之间、计算机系统和其他系用于计算机系统之间、计算机系统和其他系统之间的通信。统之间的通信。p 特点特点类别繁杂，连接规格、传输距离、速度、工类别繁杂，连接规格、传输距离、速度、工作模式各不相同。作模式各不相同

19、。传输速度和距离成反比。传输速度和距离成反比。p 类型：串行、并行类型：串行、并行大连理工大学 软件学院 赖晓晨1、串行通信、串行通信p 数据在单条数据在单条1位宽的传输线上一位一位按顺序依位宽的传输线上一位一位按顺序依次传送。次传送。p 适宜远距离数据传送，可从几米到几千千米。适宜远距离数据传送，可从几米到几千千米。成本低。成本低。p 一个字节分一个字节分8次传送完毕次传送完毕 MSB LSB大连理工大学 软件学院 赖晓晨串行通信举例：串行通信举例：IIC串行总线串行总线大连理工大学 软件学院 赖晓晨2、并行通信、并行通信p 数据在多条数据在多条1位宽位宽的传输线上并行传的传输线上并行传送，

20、同时由源传送送，同时由源传送到目的地。到目的地。p 适宜近距离的数据适宜近距离的数据传送，通常小于传送，通常小于30米。米。p 短距离内，传输速短距离内，传输速度远快于串行方式。度远快于串行方式。 大连理工大学 软件学院 赖晓晨并行通信举例：并行通信举例：8255并口控制器并口控制器大连理工大学 软件学院 赖晓晨p 单总线单总线p 多总线多总线 双总线 三总线 四总线总线结构总线结构大连理工大学 软件学院 赖晓晨一、单总线结构一、单总线结构 CPU 主存主存 I/O接口接口 I/O 设备设备1 I/O 设备设备2 I/O接口接口 I/O 设备设备n I/O接口接口大连理工大学 软件学院 赖晓晨

21、一、单总线结构一、单总线结构 CPU 主存主存 I/O接口接口 I/O 设备设备1 I/O 设备设备2 I/O接口接口 I/O 设备设备n I/O接口接口结构简单、便于扩充、传输速率低、容易形结构简单、便于扩充、传输速率低、容易形成瓶颈。成瓶颈。大连理工大学 软件学院 赖晓晨二、多总线结构二、多总线结构通道通道 I/O接口接口 设备设备n I/O接口接口 设备设备0 CPU主存主存主存总线主存总线I/O总线总线1、双总线结构、双总线结构大连理工大学 软件学院 赖晓晨大连理工大学软件学院 赖晓晨1、双总线结构、双总线结构通道通道 I/O接口接口 设备设备n I/O接口接口 设备设备0 CPU主存

22、主存主存总线主存总线I/O总线总线将速度较低的设备从主存总线上分离出来，将速度较低的设备从主存总线上分离出来，形成主存总线与形成主存总线与I/O总线分开的结构。总线分开的结构。通道通道是一个具有特殊功能的处理器，负责对是一个具有特殊功能的处理器，负责对I/O统一管理。统一管理。大连理工大学 软件学院 赖晓晨2、三总线结构、三总线结构1主存总线主存总线DMA总线总线I/O总线总线 CPU 主存主存设备设备1设备设备n高速外设高速外设I/O接口接口I/O接口接口I/O接口接口大连理工大学 软件学院 赖晓晨2、三总线结构、三总线结构1主存总线主存总线DMA总线总线I/O总线总线 CPU 主存主存设备

23、设备1设备设备n高速外设高速外设I/O接口接口I/O接口接口I/O接口接口主存总线用于主存总线用于CPU和主存交换信息，和主存交换信息，I/O总总线用于线用于CPU和和I/O设备见传送信息，设备见传送信息，DMA总总线负责在主存和线负责在主存和I/O设备间直接传递信息。设备间直接传递信息。大连理工大学 软件学院 赖晓晨局域网局域网系统总线系统总线CPUCache局部总线局部总线扩展总线接口扩展总线接口扩展总线扩展总线Modem串行接口串行接口SCSI局部局部I/O控制器控制器主存主存3、三总线结构、三总线结构2大连理工大学 软件学院 赖晓晨局域网局域网系统总线系统总线CPUCache局部总线局

24、部总线扩展总线接口扩展总线接口扩展总线扩展总线Modem串行接口串行接口SCSI局部局部I/O控制器控制器主存主存3、三总线结构、三总线结构2处理器采用局部总线连到处理器采用局部总线连到cache，再利用系，再利用系统总线连接主存，通过扩展总线接口连接其统总线连接主存，通过扩展总线接口连接其他接口。他接口。大连理工大学 软件学院 赖晓晨多媒体多媒体 Modem主存主存扩展总线接口扩展总线接口局域网局域网SCSICPU串行接口串行接口FAX系统总线系统总线局部总线局部总线高速总线高速总线扩展总线扩展总线图形图形Cache/桥桥4、四总线结构、四总线结构大连理工大学 软件学院 赖晓晨多媒体多媒体

25、Modem主存主存扩展总线接口扩展总线接口局域网局域网SCSICPU串行接口串行接口FAX系统总线系统总线局部总线局部总线高速总线高速总线扩展总线扩展总线图形图形Cache/桥桥4、四总线结构、四总线结构系统把设备总线分为两个层次，高速设备连系统把设备总线分为两个层次，高速设备连接高速总线，低速设备连接扩展总线，各总接高速总线，低速设备连接扩展总线，各总线直接由桥连接。线直接由桥连接。大连理工大学 软件学院 赖晓晨总线控制总线控制p 总线上连接有多个部件时，何时由哪个部总线上连接有多个部件时，何时由哪个部件发送信息，如何给信息传送定时，如何件发送信息，如何给信息传送定时，如何防止信息丢失，如何

26、避免多个部件同时发防止信息丢失，如何避免多个部件同时发送信息，如何规定信息发送的部件等问题，送信息，如何规定信息发送的部件等问题，由总线控制器统一管理。由总线控制器统一管理。p 总线判优控制（仲裁逻辑）总线判优控制（仲裁逻辑）p 通信控制通信控制大连理工大学 软件学院 赖晓晨一、总线判优一、总线判优p 主设备：对总线有控制权，可以发起信：对总线有控制权，可以发起信息传送。息传送。p 从设备：只能响应总线上的命令：只能响应总线上的命令p 判优逻辑：当多个主设备同时申请使用：当多个主设备同时申请使用总线时，总线判优逻辑电路按照一定的总线时，总线判优逻辑电路按照一定的优先级顺序来确定哪个主设备可以使

27、用优先级顺序来确定哪个主设备可以使用总线。总线。p 判优逻辑分类：分布式、集中式（链式查询、计算器定分布式、集中式（链式查询、计算器定时查询、独立请求方式）时查询、独立请求方式）大连理工大学 软件学院 赖晓晨总总线线控控制制部部件件I/O接口接口0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口nBG数据线数据线地址线地址线BS 总线忙总线忙BR总线请求总线请求BG总线同意总线同意I/O接口接口11、链式查询方式、链式查询方式大连理工大学 软件学院 赖晓晨总总线线控控制制部部件件I/O接口接口0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口nBG数据线数据线地址线地址线BS 总线忙总线忙BR总线请求总线请求BG

28、总线同意总线同意I/O接口接口11、链式查询方式、链式查询方式自动支持优先级自动支持优先级连接简单，易于扩充设备，但是对电路故障连接简单，易于扩充设备，但是对电路故障敏感，而且优先级低的设备获得请求很难。敏感，而且优先级低的设备获得请求很难。大连理工大学 软件学院 赖晓晨 0BS 总线忙总线忙BR总线请求总线请求总总线线控控制制部部件件数据线数据线地址线地址线I/O接口接口0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口n设备地址设备地址I/O接口接口1 计数器计数器设备地址设备地址 12、计数器定时查询方式、计数器定时查询方式大连理工大学 软件学院 赖晓晨 0BS 总线忙总线忙BR总线请求总线请求总

29、总线线控控制制部部件件数据线数据线地址线地址线I/O接口接口0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口n设备地址设备地址I/O接口接口1 计数器计数器设备地址设备地址 12、计数器定时查询方式、计数器定时查询方式对故障不敏感，但是增加了设备地址线，控对故障不敏感，但是增加了设备地址线，控制复杂。制复杂。大连理工大学 软件学院 赖晓晨排队器排队器排队器排队器总总线线控控制制部部件件数据线数据线地址线地址线I/O接口接口0I/O接口接口1I/O接口接口nBR0 BG0BR1BG1BRnBGnBG总线同意总线同意BR总线请求总线请求3、独立请求方式、独立请求方式大连理工大学 软件学院 赖晓晨排队器排队

30、器排队器排队器总总线线控控制制部部件件数据线数据线地址线地址线I/O接口接口0I/O接口接口1I/O接口接口nBR0 BG0BR1BG1BRnBGnBG总线同意总线同意BR总线请求总线请求3、独立请求方式、独立请求方式响应速度快，优先次序控制灵活，但是控制响应速度快，优先次序控制灵活，但是控制线数目多，总线控制逻辑更加复杂。线数目多，总线控制逻辑更加复杂。大连理工大学 软件学院 赖晓晨二、总线通信控制二、总线通信控制p 目的：解决通信方法协调配合的问题目的：解决通信方法协调配合的问题p 总线周期分为四个阶段：总线周期分为四个阶段： 申请分配阶段：各主模块提出申请申请，总线仲裁器选中合适的模块。

31、 寻址阶段：主模块发出地址和命令地址和命令 传数阶段：主模块和从模块交换数据交换数据 结束阶段：主模块撤销撤销有关信息大连理工大学 软件学院 赖晓晨三、总线通信的四种方式三、总线通信的四种方式p 同步通信：发送同步通信：发送时钟信号来同步数据传送来同步数据传送p 异步通信：没有时钟，采用异步通信：没有时钟，采用握手信号同步同步p 半同步通信：同步、异步半同步通信：同步、异步结合，插入插入等待周期。p 分离式通信：传输周期分离式通信：传输周期划分为功能独立的为功能独立的子周期子周期大连理工大学 软件学院 赖晓晨 读读命令命令T1总线传输周期总线传输周期T2T3T4 时钟时钟 地址地址 数据数据1

32、、同步通信（读）、同步通信（读）大连理工大学 软件学院 赖晓晨 数据数据T1总线传输周期总线传输周期T2T3T4 时钟时钟 地址地址 写写命令命令1 1、同步通信（写）、同步通信（写）大连理工大学 软件学院 赖晓晨不互锁不互锁半互锁半互锁全互锁全互锁主设备主设备从设备从设备请请求求回回答答2、异步通信、异步通信大连理工大学 软件学院 赖晓晨3、半同步通信、半同步通信p 发送方仍然发送时钟。发送方仍然发送时钟。p 接收方根据自身情况反馈信息给发送方，接收方根据自身情况反馈信息给发送方，使发送方进行相应调整。增加一条使发送方进行相应调整。增加一条等待响响应信号线（应信号线（wait）p “主体同步

33、，细节异步主体同步，细节异步”p 允许不同速率的设备和谐工作允许不同速率的设备和谐工作大连理工大学 软件学院 赖晓晨 读读 命令命令WAIT 地址地址 数据数据 时钟时钟总线传输周期总线传输周期T1T2TWTWT3T4半同步通信时序图半同步通信时序图大连理工大学 软件学院 赖晓晨上述三种通信方式的共同点上述三种通信方式的共同点p 对于一个总线周期，以读为例对于一个总线周期，以读为例占用总线从模块发出数据不占用总线从模块准备数据占用总线主模块发出地址、命令大连理工大学 软件学院 赖晓晨4、分离式通信、分离式通信p 每个总线传输周期分为两个子周期每个总线传输周期分为两个子周期 子周期1：主模块申请

34、占用总线，使用完后即放弃总线的使用权。 子周期2：从模块申请占用总线，将各种信息送到总线上。充分挖掘系统总线每个瞬间的潜力充分挖掘系统总线每个瞬间的潜力大连理工大学 软件学院 赖晓晨分离式通信的特点分离式通信的特点p 各模块有权申请占用总线。各模块有权申请占用总线。p 采用同步方式通信，省去握手开销。采用同步方式通信，省去握手开销。p 各模块准备数据时，不占用总线资源。各模块准备数据时，不占用总线资源。p 总线无空闲等待时间，提高了利用率。总线无空闲等待时间，提高了利用率。大连理工大学 软件学院 赖晓晨一、总线物理实现一、总线物理实现总线特性及性能指标总线特性及性能指标CPU 插板插板主存主存

35、 插板插板I/O 插板插板BUS主板主板大连理工大学 软件学院 赖晓晨二、总线特性二、总线特性p 机械特性机械特性p 电气特性电气特性p 功能特性功能特性p 时间特性时间特性大连理工大学 软件学院 赖晓晨二、总线特性二、总线特性p 机械特性：机械特性：物理尺寸、插头形状、管脚数、排列顺序。物理尺寸、插头形状、管脚数、排列顺序。p 电气特性：电气特性：信号线的电平范围。逻辑信号线的电平范围。逻辑“1”，逻辑，逻辑“0”。TTL电平、电平、CMOS电平。电平。 大连理工大学 软件学院 赖晓晨二、总线特性二、总线特性p 机械特性：机械特性：物理尺寸、插头形状、管脚数、排列顺序。物理尺寸、插头形状、管

36、脚数、排列顺序。p 电气特性：电气特性：信号线的电平范围。逻辑信号线的电平范围。逻辑“1”，逻辑，逻辑“0”。TTL电平、电平、CMOS电平、电平、RS-232C。 10大连理工大学 软件学院 赖晓晨二、总线特性二、总线特性p 功能特性：功能特性：每根传输线的功能：数据、地址、控制。每根传输线的功能：数据、地址、控制。p 时间特性：时间特性：信号的前后时序关系。信号的前后时序关系。大连理工大学 软件学院 赖晓晨二、总线特性二、总线特性p 功能特性：功能特性：每根传输线的功能：数据、地址、控制。每根传输线的功能：数据、地址、控制。p 时间特性：时间特性：信号的前后时序关系。信号的前后时序关系。

37、大连理工大学 软件学院 赖晓晨三、总线性能指标三、总线性能指标p 总线宽度：总线宽度：数据线位数位数p 总线带宽：数据传输速率总线带宽：数据传输速率p 时钟同步方式：同步、异步时钟同步方式：同步、异步p 总线复用：地址、数据、控制线复用总线复用：地址、数据、控制线复用p 信号线数：三总线所有信号线总数信号线数：三总线所有信号线总数p 总线控制方式：突发工作、仲裁方式等总线控制方式：突发工作、仲裁方式等p 其他指标：带载能力、电源电压等其他指标：带载能力、电源电压等大连理工大学 软件学院 赖晓晨大连理工大学 软件学院 赖晓晨总线标准总线标准1、概念： 系统与模块、模块与模块之间第一个互连的系统与

38、模块、模块与模块之间第一个互连的标准界面，能够隐藏符合标准的部件内部的操标准界面，能够隐藏符合标准的部件内部的操作细节。作细节。标准界面模块1模块2模块3模块4系统1系统2模块、系统之间模块、系统之间不需知道对方的不需知道对方的实现细节。实现细节。什么样的总线什么样的总线大连理工大学 软件学院 赖晓晨2、总线标准举例、总线标准举例p ISA/AT总线总线 p EISA总线总线 p VESA（VL-BUS）总线）总线 p PCI总线总线p AGP总线总线p RS-232C总线总线p USB总线总线自学：自学：p48-p52大连理工大学 软件学院 赖晓晨总线标准数据线总线时钟带宽ISA168 MH

39、z（独立）33 MBpsEISA328 MHz（独立）33 MBpsVESA(VL-BUS)3232 MHz（CPU）133 MBpsPCI326433 MHz（独立）64 MHz（独立）132 MBps528 MBpsAGP3266.7 MHz（独立）133 MHz（独立）266 MBps533 MBpsRS-232串行通信总线标准数据终端设备（计算机）和数据通信设备（调制解调器）之间的标准接口USB串行接口总线标准普通无屏蔽双绞线带屏蔽双绞线最高1.5 Mbps (USB1.0)12 Mbps (USB1.0)480 Mbps (USB2.0)大连理工大学 软件学院 赖晓晨二、输入输出系统

40、的组成二、输入输出系统的组成p I/O软件软件 输入输出系统软件的主要任务是：输入输出系统软件的主要任务是： 如何将用户编制的程序如何将用户编制的程序(或数据或数据)输入至主机内；输入至主机内； 如何将运算结果输送给用户；如何将运算结果输送给用户； 如何实现如何实现I/O系统与主机工作的协调等。系统与主机工作的协调等。 不同结构的不同结构的I/O系统所采用的软件技术差异很大。系统所采用的软件技术差异很大。 当采用接口模块方式时，应用机器指令系统中的当采用接口模块方式时，应用机器指令系统中的I/O指令指令及及系统软件中的系统软件中的管理程序管理程序，便可使，便可使I/O与主机与主机协调工作。协调

41、工作。 当采用通道管理方式时，除当采用通道管理方式时，除I/O指令外，还必须有指令外，还必须有通道指令通道指令及相应的及相应的操作系统操作系统 即使都采用操作系统，不同的机器其操作系统的复杂程度差即使都采用操作系统，不同的机器其操作系统的复杂程度差异也是很大的。异也是很大的。 大连理工大学 软件学院 赖晓晨二、输入输出系统的组成二、输入输出系统的组成p I/O软件软件 I/O指令：CPU指令 操作码： I/O指令标志 命令码：指令功能，读、写、检测、控制命令 设备码：地址码 通道指令： 通道自身的指令，用于执行I/O操作，存放于主存，由通道执行，完成输入输出功能 在具有通道的计算机中， I/O

42、指令不完成数据输入输出，而主要完成启停设备、通道控制，实际数据传输由通道完成。操作码操作码 命令码命令码 设备码设备码操作码操作码 地址码地址码大连理工大学 软件学院 赖晓晨二、输入输出系统的组成二、输入输出系统的组成p I/O硬件：硬件： 输入输出系统的硬件组成是多种多样的，在带有接口的I/O系统中，一般包括接口模块接口模块及设设备备两大部分。 在带有通道的I/O系统中一般包括通道通道-设备设备控制器控制器-设备设备大连理工大学 软件学院 赖晓晨三、三、I/O设备与主机的联系方式设备与主机的联系方式p I/O与主机联系方式包括与主机联系方式包括 CPU如何对I/O编址； 如何寻找I/O设备号

43、； 信息传送是逐位串行还是多位并行： I/O与主机以什么方式进行联络，使它们之间彼此都知道双方处于何种状态； I/O与主机是怎么连接的等等。大连理工大学 软件学院 赖晓晨三、三、I/O设备与主机的联系方式设备与主机的联系方式p I/O设备编址方式设备编址方式 统一编址： I/O占用存储器地址空间，无须专门的I/O指令。减少了存储器最大容量。 独立编址： I/O地址与存储器地址分开，采用专门指令来访问I/O。不占用主存容量。p 设备寻址设备寻址 每台设备都有设备号，启动设备时，由I/O指令的设备码字段直接指出设备号，经接口中的设备选择电路选中设备。操作码操作码 命令码命令码 设备码设备码大连理工

44、大学 软件学院 赖晓晨三、三、I/O设备与主机的联系方式设备与主机的联系方式p 传送方式传送方式 并行：多位同时传送，需要多条数据线，速度快。 串行：一条数据线和一条地线，逐位传送，速度慢，适用于远距离传送。p 联络方式联络方式 不论是串行传送还是并行传送， I/O设备与主机之间必须互相了解彼此当时所处的状态，如相互是否可以传送，传送是否已结束等等。这就是I/O设备与主机之间的联络问题。 立即响应式：对于一些工作速度十分缓慢的简单的外设，例如指示灯、继电器等设备，随时处在待命状态，只要收到CPU的信号，立刻做出响应。大连理工大学 软件学院 赖晓晨三、三、I/O设备与主机的联系方式设备与主机的联

45、系方式p 联络方式联络方式 异步工作采用应答信号联络 当I/O设备与主机工作速度不匹配时，通常采用异步工作方式。 这种方式在交换信息前， I/O与CPU各自完成自身的任务，一旦出现联络信号时，彼此才准备交换信息“Ready”“Strobe”I/O 接接 口口I/O 设设 备备CPU大连理工大学 软件学院 赖晓晨三、三、I/O设备与主机的联系方式设备与主机的联系方式p 联络方式联络方式 同步工作采用同步时标联络 要求外设与CPU的工作速度完全一致例如在数据采集过程中，若外部数据以2400位/秒速率传送至接口，则CPU也必须以1/2400秒的速率接收每一位数。 这种联络互相之间还得配有专用电路，用

46、以产生同步时标来控制同步工作。大连理工大学 软件学院 赖晓晨三、三、I/O设备与主机的联系方式设备与主机的联系方式p I/O设备与主机的连接方式设备与主机的连接方式 辐射式：每台设备都配有一套控制线路和一组信号线 总线式：便于增删设备 外设外设 外设外设 外设外设 主主机机大连理工大学 软件学院 赖晓晨四、四、I/O设备与主机信息传送控制方式设备与主机信息传送控制方式p I/O设备与主机信息传送的控制方式如下：设备与主机信息传送的控制方式如下： 程序查询方式 中断方式 DMA方式 通道方式 外围处理机方式大连理工大学 软件学院 赖晓晨1、程序查询方式、程序查询方式p 由由CPU通过程序不断通过

47、程序不断查询查询I/O设备是否己做设备是否己做好准备，从而控制好准备，从而控制I/O与主机交换信息。与主机交换信息。 I/O接口内设置一个能接口内设置一个能反映设备是否准备就反映设备是否准备就绪的状态标记，绪的状态标记， CPU通过对此标记的检测，通过对此标记的检测，可得知设备的准备情可得知设备的准备情况。况。 CPU和和I/O串行工作，串行工作， I/O工作时工作时CPU原地踏原地踏步。步。从从I/O接口中读接口中读 一个字到一个字到CPU从从CPU向主存向主存 写入一个字写入一个字CPU读读I/O状态状态检查状态检查状态 完成否完成否未准备就绪未准备就绪是是出错出错已准备就绪已准备就绪否否

48、现行程序现行程序现行程序现行程序大连理工大学 软件学院 赖晓晨2、中断方式、中断方式p CPU在启动I/O设备后，对设备是否已准备就绪不加过问，继续执行自身程序，只是当I/O设备准备就绪并向CPU发出中断请求中断请求后才予理睬， CPU和I/O部分并行工作，在中断服务子程序中完成数据的传送。大连理工大学 软件学院 赖晓晨CPU 向向 I/O 发读指令发读指令CPU 读读 I/O 状态状态检查状态检查状态完成否？完成否？CPU 做其他事情做其他事情I/O 设备工作设备工作准备就绪准备就绪CPU I/O从从 CPU 向主存写入一个字向主存写入一个字CPU 主存主存从从 I/O 接口中读一个字到接口

49、中读一个字到CPUI/O CPU中断请求中断请求I/O CPU出错出错是是否否未错未错大连理工大学 软件学院 赖晓晨CPU 向向 I/O 发读指令发读指令CPU 读读 I/O 状态状态检查状态检查状态完成否？完成否？CPU 做其他事情做其他事情I/O 设备工作设备工作准备就绪准备就绪CPU I/O从从 CPU 向主存写入一个字向主存写入一个字CPU 主存主存从从 I/O 接口中读一个字到接口中读一个字到CPUI/O CPU中断请求中断请求I/O CPU出错出错是是否否未错未错中断程序消除了中断程序消除了CPU原地踏步的情况，但是，原地踏步的情况，但是，CPU在响应中断请求后，必须暂停现程序，在

50、响应中断请求后，必须暂停现程序，转而去执行中断服务子程序，消耗了转而去执行中断服务子程序，消耗了CPU资资源，并且，中断处理过程是有开销的。源，并且，中断处理过程是有开销的。大连理工大学 软件学院 赖晓晨3、DMA方式方式p 在主存和在主存和I/O之间建立数据传送的直接通道，之间建立数据传送的直接通道，由由DMA控制器来完成信息传送，不需要中控制器来完成信息传送，不需要中断断CPU的运行。进一步提高了的运行。进一步提高了CPU和和I/O的的并行程度。并行程度。 CPU周期窃取若出现若出现DMADMA和和CPUCPU同时访问主存，同时访问主存， CPUCPU总是将总线占有权让给总是将总线占有权让

51、给DMADMA，通，通常把常把DMADMA的这种占有叫做的这种占有叫做“窃取窃取”或或“挪用挪用”。窃取的时间一般为一。窃取的时间一般为一个存储周期，故又把个存储周期，故又把DMADMA占用的存占用的存取周期叫做取周期叫做“窃取周期窃取周期”或或“挪用挪用周期周期”。而且，在。而且，在DMADMA窃取存取周窃取存取周期时，期时， CPUCPU尚能继续作内部操作尚能继续作内部操作( (如乘法运算如乘法运算) )。大连理工大学 软件学院 赖晓晨存取周期结束存取周期结束CPU 执行现行程序执行现行程序CPU 执行现行程序执行现行程序DMA请求请求启动启动I/OI/O准备准备I/O准备准备一个存取周期

52、一个存取周期实现实现I/O与主存与主存之间的传送之间的传送CPU 执行执行现行程序现行程序CPU查询等待并传输查询等待并传输I/O数据数据CPU 执行执行现行程序现行程序启动启动I/OI/O 准备及传送准备及传送指令执行周期结束指令执行周期结束CPU 执行现行程序执行现行程序CPU 执行现行程序执行现行程序启动启动I/O中断请求中断请求I/O准备准备I/O准备准备CPU 处理中断服务程序处理中断服务程序实现实现 I/O 与主机之间的传送与主机之间的传送间间断断启动启动I/O启动启动I/OI/O准备准备中断请求中断请求启动启动I/OI/O准备准备一个存取周期一个存取周期DMA请求请求程序程序查询

53、查询方式方式程序程序中断中断方式方式DMA 方式方式I/O 准备及传送准备及传送间间断断I/O准备准备I/O准备准备大连理工大学 软件学院 赖晓晨I/O设备设备p 计算机中除主机外的其余部分，称为外部计算机中除主机外的其余部分，称为外部设备（设备（ I/O 设备、外设）设备、外设）主机主机 设备设备控制器控制器机、电机、电磁、光磁、光部分部分I/O接接口口外部设备外部设备大连理工大学 软件学院 赖晓晨外设分类外设分类p 分为三类分为三类 人机交互设备：键盘、鼠标、打印机、显示人机交互设备：键盘、鼠标、打印机、显示器。器。 信息存储设备：磁盘、光盘、磁带。信息存储设备：磁盘、光盘、磁带。 机机-

54、机通信设备：调制解调器、机通信设备：调制解调器、A/D、D/A。大连理工大学 软件学院 赖晓晨二、输入设备1. 键盘2. 鼠标3. 触摸屏按键判断哪个键按下将此键翻译成 ASCII 码 （编码键盘法）机械式 金属球 电位器光电式 光电转换器大连理工大学 软件学院 赖晓晨三、输出设备1. 显示器(1) 字符显示(2) 图形显示(3) 图像显示字符发生器主观图像客观图像2. 打印机(1) 击打式(2) 非击打式点阵式（逐字、逐行）喷墨（逐字）激光（逐页）大连理工大学 软件学院 赖晓晨四、其他1. A/D、D/A2. 终端3. 汉字处理五、多媒体技术完成显示控制与存储、键盘管理及通信控制模拟/数字（

55、数字/模拟）转换器汉字输入、汉字存储、汉字输出1. 什么是多媒体2. 多媒体计算机的关键技术由键盘和显示器组成大连理工大学 软件学院 赖晓晨I/O接口接口p 接口接口 可以看做两个系统或部件之间的交接部分，它既是两种硬可以看做两个系统或部件之间的交接部分，它既是两种硬件设备之间的连接电路，也可以看做两个软件之间的共同件设备之间的连接电路，也可以看做两个软件之间的共同逻辑边界。逻辑边界。p I/O接口接口 通常是指主机与外部设备之间设置的一个硬件电路及其相通常是指主机与外部设备之间设置的一个硬件电路及其相应的软件控制。应的软件控制。 不同的设备都有其相应的设备控制器，而它们往往都是通不同的设备都

56、有其相应的设备控制器，而它们往往都是通过过I/O接口与主机取得联系的。接口与主机取得联系的。主机主机 设备设备控制器控制器机、电机、电磁、光磁、光部分部分I/O接接口口外部设备外部设备大连理工大学 软件学院 赖晓晨一、为什么要采用一、为什么要采用I/O接口接口p 实现设备的选择实现设备的选择p 实现数据缓冲达到速度匹配实现数据缓冲达到速度匹配p 实现数据串实现数据串-并格式转换并格式转换p 实现电平转换实现电平转换p 传送控制命令传送控制命令p 反映设备的状态（反映设备的状态（“忙忙”、“就绪就绪”、“中断请求中断请求”）大连理工大学 软件学院 赖晓晨p 接口与端口的概念接口与端口的概念 端口

57、是指接口电路中的一些寄存器，这些寄存器分别用来存放数据信息，控制信息和状态信息，相应的就是数据端口、控制端口和状态端口。 若干个端口加上相应的控制逻辑才能组成接口。CPU通过输入指令，从端口读入信息，通过输出指令，可将信息写入到端口中。大连理工大学 软件学院 赖晓晨二、接口的功能与组成二、接口的功能与组成p 总线连接方式的总线连接方式的I/O接口电路接口电路 设备选择线 数据线 命令线 状态线I/O 接口接口设备设备I/O 接口接口设备设备数据线数据线命令线命令线状态线状态线I/O总线总线设备选择线设备选择线大连理工大学 软件学院 赖晓晨 数据线：是数据线：是I/O与主机之间数据代码的传送线，

58、其根数一般等于与主机之间数据代码的传送线，其根数一般等于存储字长的位数或字符的位数，它通常是双向的，也可以是单存储字长的位数或字符的位数，它通常是双向的，也可以是单向的。若采用单向数据总线，则必须用两组才能实现数据的输向的。若采用单向数据总线，则必须用两组才能实现数据的输入和输出两种功能，而双向数据总线只需一组即可。入和输出两种功能，而双向数据总线只需一组即可。 设备选择线：是用来传送设备码的，它的根数取决于设备选择线：是用来传送设备码的，它的根数取决于I/O指令中指令中设备码的位数。如果把设备码看作是地址号，那么设备选择线设备码的位数。如果把设备码看作是地址号，那么设备选择线又可称为地址线。

59、又可称为地址线。 命令线：主要用以传输命令线：主要用以传输CPU向设备发出的各种命令信号，如启向设备发出的各种命令信号，如启动、屏蔽、读、写等等。它是一组单向总线，其根数与命令信动、屏蔽、读、写等等。它是一组单向总线，其根数与命令信号多少有关。号多少有关。 状态线：是将状态线：是将I/O设备的状态向主机报告的信号线，如设备是否设备的状态向主机报告的信号线，如设备是否准备就绪，是否向准备就绪，是否向CPU发出中断请求等等。它也是一组单向总发出中断请求等等。它也是一组单向总线线大连理工大学 软件学院 赖晓晨p接口的功能和组成接口的功能和组成功能功能组成组成选址功能选址功能传送命令的功能传送命令的功

60、能传送数据的功能传送数据的功能反映设备状态的功能反映设备状态的功能设备选择电路设备选择电路命令寄存器、命令译码器命令寄存器、命令译码器数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器设备状态标记设备状态标记完成触发器完成触发器 D工作触发器工作触发器 B中断请求触发器中断请求触发器 INTR屏蔽触发器屏蔽触发器 MASK大连理工大学 软件学院 赖晓晨I/O接口的基本组成接口的基本组成 命令寄存器命令寄存器和命令译码器和命令译码器 设备选择设备选择 电路电路 设备状态设备状态 标记标记 数据缓冲数据缓冲 寄存器寄存器DBR 控制逻辑电路控制逻辑电路I/O接口接口外外 部部 设设 备备数据线数据线命令命令状态状态数据线数据线