IO设备与CPU和存储器的连接

1、1306.5 i/o设备与cpu和存储器的连接 1. 通过接口将许多子系统连接起来2. 接口使用得最多的就是总线3. 输入输出方式 直接传送直接传送 程序查询程序查询 中断中断 dma dma 通道通道 第六章 输入/输出系统2306.5.1 总线优点：优点：低成本、多样性低成本、多样性缺点：缺点：必须独占使用，造成了设备信息交换的瓶颈，必须独占使用，造成了设备信息交换的瓶颈， 从而限制了系统中总的从而限制了系统中总的i/oi/o吞吐量。吞吐量。1. 总线的设计总线的设计 6.5 i/o设备与cpu和存储器的连接 330选择选择高性能高性能低价格低价格总线宽度总线宽度独立的地址和独立的地址和数

2、据总线数据总线分时复用数据和分时复用数据和地址总线地址总线数据总线数据总线宽度宽度越宽越快越宽越快（例如：（例如：6464位）位）越窄越便宜越窄越便宜（例如：（例如：8 8位）位）传输块大小传输块大小块越大总线开销越小块越大总线开销越小每次传送单字每次传送单字总线主设备总线主设备多个（需要仲裁）多个（需要仲裁）单个（无需仲裁）单个（无需仲裁）分离事务分离事务采用采用不用不用定时方式定时方式同步同步异步异步6.5 i/o设备与cpu和存储器的连接 430(1)(1) 分离事务总线分离事务总线 在有多个主设备时，总线通过数据打包在有多个主设备时，总线通过数据打包来提高总线带宽，而不必在整个传输过程

3、中来提高总线带宽，而不必在整个传输过程中都占有总线。都占有总线。 6.5 i/o设备与cpu和存储器的连接 530(2) (2) 同步总线同步总线 同步总线上所有设备通过统一的总线系统同步总线上所有设备通过统一的总线系统 时钟进行同步。时钟进行同步。 优点：优点：成本低，因为它不需要设备之间互相确成本低，因为它不需要设备之间互相确 定时序的逻辑。定时序的逻辑。 缺点：缺点：总线操作必须以相同的速度运行。总线操作必须以相同的速度运行。(3) (3) 异步总线异步总线 异步总线上的设备之间没有统一的系统时异步总线上的设备之间没有统一的系统时 钟，设备自己内部定时。钟，设备自己内部定时。6.5 i/

4、o设备与cpu和/存储器的连接 2. 总线标准和实例总线标准和实例 几种常用并行几种常用并行i/oi/o总线总线 ide /ide /ultra ataultra atascsiscsipcipcipci-xpci-x数据宽度数据宽度16bit16bit8 / 16bit8 / 16bit32 / 32 / 64bit64bit32 / 32 / 64bit64bit时钟频率时钟频率mhzmhz1001001010（fastfast）2020（ultraultra）4040（ultra2ultra2）8080（ultra3ultra3）160160（ultra4ultra4）33 / 6633

5、 / 6666 / 100 66 / 100 / 133/ 133主设备数量主设备数量一个一个多个多个多个多个多个多个峰值带宽峰值带宽200mb/s200mb/s320mb/s320mb/s533mb/s533mb/s1066mb/s1066mb/s同步方式同步方式异步异步异步异步同步同步同步同步标准标准无无ansi x3.131ansi x3.131无无无无730几种常用串行几种常用串行i/oi/o总线总线i i2 2c c1-wire1-wirers-232rs-232spispi数据宽度（数据宽度（bitbit）1 11 12 21 1信号线数量信号线数量2 21 19 / 259 /

6、253 3时钟频率（时钟频率（mhzmhz）0.4 0.4 1010异步异步0.040.04或异步或异步异步异步总线主设备数量总线主设备数量多个多个多个多个多个多个多个多个峰值带宽（峰值带宽（mb/smb/s）0.4 0.4 3.43.40.0140.0140.1920.1921 1同步方式同步方式异步异步异步异步异步异步异步异步标准标准无无无无eia, itu-t eia, itu-t v.21v.21无无6.5 i/o设备与cpu和存储器的连接 830几种几种cpu-cpu-存储器互连系统存储器互连系统 hp hyperplane hp hyperplane crossbarcrossba

7、ribm spibm spsun gigaplane-sun gigaplane-xbxb数据宽度数据宽度(bit)(bit)6464128128128128时钟频率时钟频率(mhz)(mhz)12012011111183.383.3总线的主设备数总线的主设备数多个多个多个多个多个多个每端口峰值带宽每端口峰值带宽(mb/s)(mb/s)9609601700170013001300总峰值带宽总峰值带宽(mb/s)(mb/s)7680768014200142001066710667同步方式同步方式同步同步同步同步同步同步标准标准无无无无无无6.5 i/o设备与cpu和存储器的连接 9306.5.2

8、 设备的连接1. 典型的总线连接 cpucache主存主存i/o控制器控制器图形显示图形显示i/o控制器控制器i/o控制器控制器总线适配器总线适配器网络网络6.5 i/o设备与cpu和存储器的连接 10302. cpu寻址i/o设备的方式 存储器映射存储器映射i/oi/o或统一编址或统一编址 i/oi/o设备单独编址设备单独编址 无论选择哪一种编址方法，每个无论选择哪一种编址方法，每个i/oi/o设备设备都提供状态寄存器和控制寄存器。都提供状态寄存器和控制寄存器。3. 设备的连接和工作方式直接传送、程序查询、中断、直接传送、程序查询、中断、dmadma、i/oi/o处理机处理机6.5 i/o设

9、备与cpu和存储器的连接 11304. 程序控制、中断和dma方式管理外围设备会引 起两个问题： 所有外围设备的所有外围设备的i/oi/o工作全部都要由工作全部都要由cpucpu来来 承担，承担，cpucpu的的i/oi/o负担很重，不能专心于用负担很重，不能专心于用 户程序的计算。户程序的计算。 大型计算机系统中的外围设备台数虽然很大型计算机系统中的外围设备台数虽然很 多，但是一般并不同时工作。多，但是一般并不同时工作。 解决上述问题的方法：解决上述问题的方法：采用通道处理机采用通道处理机6.5 i/o设备与cpu和存储器的连接 12306.5.3 通道通道处理机能够负担外围设备的大部分通道

10、处理机能够负担外围设备的大部分i/oi/o工作。工作。通道处理机：通道处理机：能够执行有限能够执行有限i/oi/o指令，并且能够被多指令，并且能够被多 台外围设备共享的小型台外围设备共享的小型dmadma专用处理机。专用处理机。1. 通道的功能6.5 i/o设备与cpu和存储器的连接 1330 (1) (1) 接受接受cpucpu发来的发来的i/oi/o指令，根据指令要求选指令，根据指令要求选 择一台指定的外围设备与通道相连接。择一台指定的外围设备与通道相连接。 (2) (2) 执行执行cpucpu为通道组织的通道程序，从主存中为通道组织的通道程序，从主存中 取出通道指令，对通道指令进行译码，

11、并根取出通道指令，对通道指令进行译码，并根 据需要向被选中的设备控制器发出各种操作据需要向被选中的设备控制器发出各种操作 命令。命令。 (3) (3) 给出外围设备的有关地址，即进行读写操给出外围设备的有关地址，即进行读写操 作的数据所在的位置。作的数据所在的位置。 如如 磁盘存储器的柱面号、磁头号、扇区号等。磁盘存储器的柱面号、磁头号、扇区号等。6.5 i/o设备与cpu和存储器的连接 1430(4) (4) 给出主存缓冲区的首地址，这个缓冲区用来暂时给出主存缓冲区的首地址，这个缓冲区用来暂时 存放从外围设备上输入的数据，或者暂时存放将存放从外围设备上输入的数据，或者暂时存放将 要输出到外围

12、设备中去的数据。要输出到外围设备中去的数据。(5) (5) 控制外围设备与主存缓冲区之间数据交换的个数，控制外围设备与主存缓冲区之间数据交换的个数， 对交换的数据个数进行计数，并判断数据传送工对交换的数据个数进行计数，并判断数据传送工 作是否结束。作是否结束。(6) (6) 指定传送工作结束时要进行的操作。指定传送工作结束时要进行的操作。(7) (7) 检查外围设备的工作状态，是正常或故障。根据检查外围设备的工作状态，是正常或故障。根据 需要将设备的状态信息送往主存指定单元保存。需要将设备的状态信息送往主存指定单元保存。6.5 i/o设备与cpu和存储器的连接 1530 (8) (8) 在数据

13、传输过程中完成必要的格式变换在数据传输过程中完成必要的格式变换。 例如例如 把字拆卸为字节，或者把字节装配成字把字拆卸为字节，或者把字节装配成字2. 通道的主要硬件 (1) (1) 寄存器部分寄存器部分l 数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器l 主存地址计数器主存地址计数器l 传输字节数计数器传输字节数计数器l 通道命令字寄存器通道命令字寄存器l 通道状态字寄存器通道状态字寄存器 6.5 i/o设备与cpu和存储器的连接 1630(2) (2) 控制部分控制部分 l 分时控制分时控制l 地址分配地址分配l 数据传送数据传送l 数据装配数据装配l 拆卸拆卸3. 通道对外围设备的控制通过i/o接口和设备控

14、制 器进行 通道与设备控制器之间一般采用标准的通道与设备控制器之间一般采用标准的i/oi/o 接口来连接。接口来连接。 6.5 i/o设备与cpu和存储器的连接 17304. 工作过程 (1) (1) 在用户程序中使用访管指令进入管理程序，在用户程序中使用访管指令进入管理程序， 由由cpucpu通过管理程序组织一个通道程序，并通过管理程序组织一个通道程序，并 启动通道。启动通道。 (2) (2) 通道处理机执行通道处理机执行cpucpu为它组织的通道程序，为它组织的通道程序， 完成指定的数据完成指定的数据i/oi/o工作。通道处理机执行工作。通道处理机执行 通道程序是与通道程序是与cpucpu

15、执行用户程序并行的。执行用户程序并行的。 (3) (3) 通道程序结束后向通道程序结束后向cpucpu发中断请求。发中断请求。cpucpu响应响应 这个中断请求后，第二次进入操作系统，调这个中断请求后，第二次进入操作系统，调 用管理程序对用管理程序对i/oi/o中断请求进行处理。中断请求进行处理。6.5 i/o设备与cpu和存储器的连接 访管 入口 oc 设备号 oc 交换长度 oc 主存起始地址 用户程序 广义指令和 参数 通道程序 置通道地址字 启动 i/o 管理程序 通道程序 断开通道指令 通道程序 中断处理程序 i/o 中断响应 i/o 中断返回 19305. 通道程序、管理程序和用户

16、程序的执行时间关系 cpu 运行用户程序 时间 请求 i/o 访管指令 响应 i/o 中断请求 cpu 运行 i/o 管理程序 通道运行存放在主存中的通道程序 编制通道程序 启动 i/o 操作 组织 i/o 操作 向 cpu 发中断请求 登记或处理 6.5 i/o设备与cpu和存储器的连接 20306. 通道种类 通道分为三种类型通道分为三种类型 三种类型的通道三种类型的通道与与cpucpu、设备控制器和外围设备设备控制器和外围设备 的连接关系的连接关系 l 字节多路通道字节多路通道l 选择通道选择通道l 数组多路通道数组多路通道 6.5 i/o设备与cpu和存储器的连接 cpu 主存 字节多

17、路通道 磁盘 控制器 磁盘 控制器 磁盘 磁盘 磁盘 选择 通道 设备 控制器 设备 控制器 设备 设备 设备 数组多路通道 设备 控制器 设备 控制器 设备 设备 设备 通道总线 通道总线 通道总线 2230(1) (1) 字节多路通道字节多路通道 为多台低速或中速的外围设备服务；为多台低速或中速的外围设备服务； 采用分时方式工作，依靠它与采用分时方式工作，依靠它与cpucpu之间的高之间的高 速数据通路分时为多台设备服务。速数据通路分时为多台设备服务。(2) (2) 选择通道选择通道 为多台高速外围设备服务；为多台高速外围设备服务； 传送数据期间，通道只能为一台高速外围设传送数据期间，通道

18、只能为一台高速外围设 备服务，在不同时间内可以选择不同设备。备服务，在不同时间内可以选择不同设备。6.5 i/o设备与cpu和存储器的连接 2330(3) (3) 数组多路通道数组多路通道 数组多路通道适于为高速设备服务；数组多路通道适于为高速设备服务； 每次选择一个高速设备后传送一个数据块，每次选择一个高速设备后传送一个数据块， 并轮流为多台外围设备服务；并轮流为多台外围设备服务； 数组多路通道之所以能够并行地为多个高数组多路通道之所以能够并行地为多个高 速外围设备服务，是因为这些高速外围设速外围设备服务，是因为这些高速外围设 备并不能在整个数据输入输出时间内单独备并不能在整个数据输入输出时

19、间内单独 利用通道的全部传输能力。利用通道的全部传输能力。6.5 i/o设备与cpu和存储器的连接 24307. 通道中的数据传送过程 (1)(1) 字节多路通道的数据传送过程字节多路通道的数据传送过程 通道每连接一个外围设备，只传送一个通道每连接一个外围设备，只传送一个 字节，然后又与另一台设备连接，并传送一字节，然后又与另一台设备连接，并传送一 个字节。个字节。 (2) (2) 数组多路通道的数据传送过程数组多路通道的数据传送过程 每连接一台高速设备，传送一个数据块，每连接一台高速设备，传送一个数据块， 传送完成后，又与另一台高速设备连接，再传送完成后，又与另一台高速设备连接，再 传送一个

20、数据块。传送一个数据块。6.5 i/o设备与cpu和存储器的连接 2530 (3) (3) 选择通道的工作过程选择通道的工作过程 每连接一个外围设备，就把这个设备的每连接一个外围设备，就把这个设备的 n n个字节全部传送完成，然后再与另一台设个字节全部传送完成，然后再与另一台设 备相备相连接。连接。8. 通道中数据的传送过程与流量分析 动画演示动画演示 6.5 i/o设备与cpu和存储器的连接 2630(1) (1) 通道流量通道流量 一个通道在数据传送期间，单位时间内一个通道在数据传送期间，单位时间内 能够传送的最大数据量，一般用字节个数来能够传送的最大数据量，一般用字节个数来 表示。表示。 又称为又称为通道吞吐率，通道数据传输率通道吞吐率，通道数据传输率等。等。(2) (2) 通道最大流量通道最大流量 一个通道在满负荷工作状态下的流量。一个通道在满负荷工作状态下的流量。(3) (3) 流量计算公式流量计算公式 6.5 i/o设备与cpu和存储器的连接 2730 t ts s：设备选择时间。设备选择时间。 t td d：传送一个字节所用的时间。传送一个字节所用的时间。 p p：