计算机体系结构-第5章

1、第 5 章 输输 入输出入输出系统 5.1输入输出工作原理输入输出工作原理5.2总线系统总线系统5.3中断系统中断系统5.4通道处理机通道处理机5.5输入输出处理机输入输出处理机第第 5 章章 输输 入入 输输 出出 系系 统统 第 5 章 输输 入输出入输出系统 本章重点：本章重点： 五种基本输入输出方式的特点、总线的控制方五种基本输入输出方式的特点、总线的控制方式、中断的处理过程、中断系统的软硬件功能式、中断的处理过程、中断系统的软硬件功能分配、中断屏蔽的设置、通道处理机的工作原分配、中断屏蔽的设置、通道处理机的工作原理及通道流量分析。理及通道流量分析。本章难点：本章难点： 总线的通信方式

2、及通道的设计。总线的通信方式及通道的设计。第 5 章 输输 入输出入输出系统 5.1 输入输出原理输入输出原理 通常把处理机与主存储器之外的部分统称为通常把处理机与主存储器之外的部分统称为输入输出系统输入输出系统（简称（简称I/O系统）系统），是计算机系统的重要组成部分，它的主要作用是连是计算机系统的重要组成部分，它的主要作用是连通计算机的各个功能部件和设备，在它们之间实现数据交换。通计算机的各个功能部件和设备，在它们之间实现数据交换。 包括包括输入输出设备、输入输出接口和输入输出软件输入输出设备、输入输出接口和输入输出软件等。等。 实际上，运算器、控制器、主存储器和总线等也要通过输入输出实际

3、上，运算器、控制器、主存储器和总线等也要通过输入输出系统来管理。系统来管理。第 5 章 输输 入输出入输出系统 输入输出系统是处理机与外界进行数据交换的通输入输出系统是处理机与外界进行数据交换的通道道, ,是计算机系统中最具多样性和复杂性的部分是计算机系统中最具多样性和复杂性的部分, ,涉及涉及到机、光、电、磁、声、自动控制等多种学科。到机、光、电、磁、声、自动控制等多种学科。 输入输出系统最典型地反映着硬件与软件的相互结输入输出系统最典型地反映着硬件与软件的相互结合。输入输出系统的复杂性隐藏在系统软件中，用户合。输入输出系统的复杂性隐藏在系统软件中，用户无需了解输入输出设备的具体细节。无需了

4、解输入输出设备的具体细节。5.1.1 5.1.1 输入输出系统的特点输入输出系统的特点第 5 章 输输 入输出入输出系统 1.1.实时性实时性 对于一般输入输出设备对于一般输入输出设备, ,如果处理机提供的服务不如果处理机提供的服务不及时，及时，可能丢失数据可能丢失数据，或造成外围设备工作的错误。，或造成外围设备工作的错误。 对于实时控制计算机系统，如果处理机提供的服对于实时控制计算机系统，如果处理机提供的服务不及时，务不及时，可能造成巨大的损失可能造成巨大的损失，甚至造成人身伤害。，甚至造成人身伤害。 对于对于处理机本身的硬件或软件错误处理机本身的硬件或软件错误：如电源故障、：如电源故障、数

5、据校验错、页面失效、非法指令、地址越界等，处数据校验错、页面失效、非法指令、地址越界等，处理机必须及时处理。理机必须及时处理。 对不同类型的设备，必须具有与设备相配合的对不同类型的设备，必须具有与设备相配合的多多种工作方式种工作方式。第 5 章 输输 入输出入输出系统 2.2.与设备无关性与设备无关性 独立于具体设备的标准接口独立于具体设备的标准接口。例如，串行接口、并。例如，串行接口、并行接口、行接口、SCSISCSI（Small Computer System InterfaceSmall Computer System Interface）接口等接口等 计算机系统的使用者，在需要更换外围

6、设备时，计算机系统的使用者，在需要更换外围设备时，各种不同型号，不同生产厂家的设备都可以直接各种不同型号，不同生产厂家的设备都可以直接通过通过标准接口标准接口与计算机系统连接。与计算机系统连接。 处理机处理机采用统一的硬件和软件对品种繁多的设备采用统一的硬件和软件对品种繁多的设备进行管理。进行管理。 某些计算机系统已经实现了某些计算机系统已经实现了即插即用技术即插即用技术。第 5 章 输输 入输出入输出系统 3.3.异步性异步性 输入输出设备通常不使用统一的中央时钟，输入输出设备通常不使用统一的中央时钟，各个各个设备按照自己的时钟工作设备按照自己的时钟工作，但又要在某些时刻接受处，但又要在某些

7、时刻接受处理机的控制。理机的控制。 处理机与外围设备之间，处理机与外围设备之间，外围设备与外围设备之外围设备与外围设备之间能并行工作。间能并行工作。 针对实时性，采用针对实时性，采用层次结构层次结构的方法，的方法， 针对与设备无关性，采用针对与设备无关性，采用分类处理分类处理的方法，的方法， 针对异步性，采用针对异步性，采用自治控制自治控制的方法。的方法。第 5 章 输输 入输出入输出系统 5.1.2 输入输出系统的组织方式输入输出系统的组织方式1. 1. 自治控制自治控制输入输出系统是独立于输入输出系统是独立于CPU之外的自治系统之外的自治系统处理机与外围设备之间要有恰当的分工处理机与外围设

8、备之间要有恰当的分工2. 2. 层次结构层次结构最内层是最内层是输入输出处理机输入输出处理机、输入输出通道输入输出通道等等中间层是中间层是标准接口标准接口。标准接口通过设备控制器与标准接口通过设备控制器与输入输出设备输入输出设备连接连接3. 3. 分类组织分类组织面向字符的设备面向字符的设备，如字符终端、打字机等，如字符终端、打字机等面向数据块的设备面向数据块的设备，如磁盘、磁带、光盘等。，如磁盘、磁带、光盘等。第 5 章 输输 入输出入输出系统 图图5-1 输入输出系统的层次结构输入输出系统的层次结构第 5 章 输输 入输出入输出系统 1程序查询方式程序查询方式 程序查询方式是由程序查询方式

9、是由CPU通过程序通过程序不断查询不断查询I/O设备是设备是否已做好难备，从而控制否已做好难备，从而控制I/O与主机交换信息。与主机交换信息。 程序查询方式具体有状态驱动输入输出方式、应答输程序查询方式具体有状态驱动输入输出方式、应答输入输出方式、查询输入输出方式、条件驱动输入输出方入输出方式、查询输入输出方式、条件驱动输入输出方式。式。 程序控制输入输出方式的程序控制输入输出方式的4个特点：个特点： (1)何时对何设备进行输入输出操作受何时对何设备进行输入输出操作受CPU控制。控制。 (2)CPU要通过指令对设备进行测试才能知道设备的工作要通过指令对设备进行测试才能知道设备的工作状态。状态。

10、空闲、准备就绪、忙碌等。空闲、准备就绪、忙碌等。 (3)数据的输入和输出都要经过数据的输入和输出都要经过CPU。 (4)用于连接低速外围设备，如终端、打印机等。用于连接低速外围设备，如终端、打印机等。 5.1.3 基本输入输出方式基本输入输出方式第 5 章 输输 入输出入输出系统 程序查询方式中只要程序查询方式中只要CPU一启动一启动I/O设备，设备，CPU便便不断查询不断查询I/O的准备情况，从而终止了原程序的执行。的准备情况，从而终止了原程序的执行。CPU在反复查询过程中，犹如就地在反复查询过程中，犹如就地“踏步踏步”。另一方。另一方面，面，I/O准备就绪后，准备就绪后，CPU要一个字一个

11、字地从要一个字一个字地从I/O设设备取出，经备取出，经CPU送至主存，此刻送至主存，此刻CPU也不能执行原程也不能执行原程序，可以看出这种方式使序，可以看出这种方式使CPU和和I/O处于串行工作状态，处于串行工作状态，CPU的工作效率不高。例如为的工作效率不高。例如为CPU从某一外设读数据从某一外设读数据块（例如从磁带上读一记录块）至主存的查询方式，块（例如从磁带上读一记录块）至主存的查询方式，见图见图5-2所示。所示。第 5 章 输输 入输出入输出系统 I/O出错从CPU向主存写入一个字CPU向I/O发读指令CPU读I/O状态检查状态从I/O接口中读一个字到 CPU完成否CPUI/OCPU主

12、存I/OCPUCPU现行程序现行程序是否未准备就绪已准备就绪第 5 章 输输 入输出入输出系统 【例【例5.1】一个处理机在一段时间内只能管理一台打印机。】一个处理机在一段时间内只能管理一台打印机。处理机执行指令的速度为处理机执行指令的速度为1GIPS，字长，字长32位，打印机位，打印机每秒钟每秒钟100个字符，求处理机的实际利用率。个字符，求处理机的实际利用率。解：处理机用一条指令就能向打印机传送解：处理机用一条指令就能向打印机传送4个字符。因此，个字符。因此，处理机的实际利用率只有即处理机的实际利用率只有即4千万分之一：千万分之一：100/109 40.25 10-7第 5 章 输输 入输

13、出入输出系统 2.2.中断输入输出方式中断输入输出方式定义：定义：当出现来自系统外部，机器内部，甚至处理机本当出现来自系统外部，机器内部，甚至处理机本身的任何例外的身的任何例外的，或者虽然是事先安排的，但出现在，或者虽然是事先安排的，但出现在现行程序的什么地方是事先不知道的现行程序的什么地方是事先不知道的事件时，事件时，CPUCPU暂停暂停执行现行程序，转去处理这些事件，等处理完成后再执行现行程序，转去处理这些事件，等处理完成后再返回来继续执行原先的程序。返回来继续执行原先的程序。特点：特点：(1)CPU与外围设备能够并行工作。与外围设备能够并行工作。(2)能够处理例外事件。能够处理例外事件。

14、(3)数据的输入和输出都要经过数据的输入和输出都要经过CPU。(4)用于连接低速外围设备。用于连接低速外围设备。第 5 章 输输 入输出入输出系统 【例【例5.25.2】采用程序中断方式从外设读数据块到主存的程序】采用程序中断方式从外设读数据块到主存的程序流程如图流程如图5-45-4所示。所示。 CPUCPU向向I/OI/O设备发出读命令后，仍在处理其他一些事设备发出读命令后，仍在处理其他一些事情（如继续在算题）。当设备向情（如继续在算题）。当设备向CPUCPU发出请求后，发出请求后，CPUCPU才才从从I/OI/O接口读一个字经接口读一个字经CPUCPU送至主存（这是通过执行中断送至主存（这

15、是通过执行中断服务程序完成的）。如果服务程序完成的）。如果I/OI/O设备的一批数据（一个数据设备的一批数据（一个数据块的全部数据）尚未传送结束时，块的全部数据）尚未传送结束时，CPUCPU再次启动再次启动I/OI/O设备，设备，命令命令I/OI/O设备再作准备，一旦又接收到设备再作准备，一旦又接收到I/OI/O设备中断请求设备中断请求时，时，CPUCPU又重复上述中断服务过程，这样周而复始，直至又重复上述中断服务过程，这样周而复始，直至一批数据传送完毕。一批数据传送完毕。第 5 章 输输 入输出入输出系统 I/OCPUI/O 到CPU的中断请求I/O设备工作准备就绪从CPU向主存写入一个字C

16、PU向I/O发读指令CPU做其它事情CPU读I/O状态检查状态从I/O接口中读一个字到 CPU完成否I/OCPUCPU主存否是目 接 收数据图5-4程序中断方式程序流程示意图第 5 章 输输 入输出入输出系统 3直接存储器访问方式（直接存储器访问方式（DMA：Direct Memory Access） 在在DMA方式中，主存与方式中，主存与I/O设备的数据传送过程如图设备的数据传送过程如图所示，主存与所示，主存与I/O之间有一条数据通路，主存与之间有一条数据通路，主存与I/O设备设备交换信息时，无需处理中断服务程序。交换信息时，无需处理中断服务程序。 输入设备ID存储器MM处理机CPU输出设备

17、OD第 5 章 输输 入输出入输出系统 DMA方式具有如下特点：方式具有如下特点：(1)外围设备的访问请求直接发往主存储器，数据的传外围设备的访问请求直接发往主存储器，数据的传送过程不需要送过程不需要CPUCPU的干预的干预。(2)全部用硬件实现，不需要做保存现场和恢复现场等全部用硬件实现，不需要做保存现场和恢复现场等工作。工作。(3)DMA控制器复杂，需要设置数据寄存器、设备状态控制器复杂，需要设置数据寄存器、设备状态控制寄存器、主存地址寄存器、设备地址寄存器和数控制寄存器、主存地址寄存器、设备地址寄存器和数据交换个数计数器及控制逻辑等。据交换个数计数器及控制逻辑等。(4)在在DMA方式开始

18、和结束时，需要处理机进行管理。方式开始和结束时，需要处理机进行管理。第 5 章 输输 入输出入输出系统 4通道（通道（Channel）方式）方式 通道是一个具有特殊功能的处理器，把对外围设备的通道是一个具有特殊功能的处理器，把对外围设备的管理工作从管理工作从CPU中分离出来，可以实现对外围设备的统一中分离出来，可以实现对外围设备的统一管理和外围设备与内存之间的数据传送，大大提高了管理和外围设备与内存之间的数据传送，大大提高了CPU的工作效率。然而这种提高的工作效率。然而这种提高CPU效率的办法是以花费更多效率的办法是以花费更多硬件为代价，通道处理机能够负担外围设备的大部分硬件为代价，通道处理机

19、能够负担外围设备的大部分I/O工工作。作。5I/O处理机方式处理机方式 I/O处理机方式是通道方式的进一步发展，它基本上独处理机方式是通道方式的进一步发展，它基本上独立于主机工作，结构更接近一般处理机，甚至就可以是微立于主机工作，结构更接近一般处理机，甚至就可以是微小型计算机。小型计算机。 在大型、巨型计算机系统中，常采用输入输出处理机在大型、巨型计算机系统中，常采用输入输出处理机来分担中央处理机的输入输出任务，它有一定的运算功能，来分担中央处理机的输入输出任务，它有一定的运算功能，有自己的存储器，不必通过主存储器就能完成与外围设备有自己的存储器，不必通过主存储器就能完成与外围设备的数据交换，

20、大大提高了计算机系统性能。的数据交换，大大提高了计算机系统性能。 第 5 章 输输 入输出入输出系统 五种方式中，程序查询方式和程序中断方式适用于数五种方式中，程序查询方式和程序中断方式适用于数据传输率比较低的外围设备，而据传输率比较低的外围设备，而DMA方式、通道方式方式、通道方式 和和I/O处理机方式适用于数据传输率比较高的设备。目处理机方式适用于数据传输率比较高的设备。目前，单片机和微型机中多采用程序查询方式、程序中前，单片机和微型机中多采用程序查询方式、程序中断方式和断方式和DMA方式。通道方式和方式。通道方式和I/O处理机方式大都处理机方式大都用在大中型计算机中。用在大中型计算机中。

21、 第 5 章 输输 入输出入输出系统 5.2 总线系统总线系统 计算机中的各个部件，包括计算机中的各个部件，包括CPU、内存储器、外、内存储器、外存储器和输入输出设备的接口之间是通过一条公共信存储器和输入输出设备的接口之间是通过一条公共信息通路连接起来的，这条信息通路称为总线，包括传息通路连接起来的，这条信息通路称为总线，包括传输数据（信息）信号的逻辑电路、管理信息传输协议输数据（信息）信号的逻辑电路、管理信息传输协议的逻辑线路和物理连线。总线与其相配合的附属控制的逻辑线路和物理连线。总线与其相配合的附属控制电路统称为总线系统。电路统称为总线系统。 第 5 章 输输 入输出入输出系统 5.2.

22、1 总线的分类总线的分类1总线在计算机结构中所处的位置总线在计算机结构中所处的位置 四类：片内总线、片总线、内总线和外总线。片内四类：片内总线、片总线、内总线和外总线。片内总线是总线是CPU芯片中的内部总线，是连接运算器、寄存芯片中的内部总线，是连接运算器、寄存器和控制器的信息通路。片总线（器和控制器的信息通路。片总线（chip Bus）是芯片）是芯片级互联总线如级互联总线如CPU与内存、与内存、I/O接口之间的连接总线。接口之间的连接总线。内总线（内总线（System Bus）又称系统总线，是模板级互联）又称系统总线，是模板级互联总线，用来连接构成微机的各种接口卡（如声卡、显总线，用来连接构

23、成微机的各种接口卡（如声卡、显卡、网卡等）。外总线（卡、网卡等）。外总线（External Bus）又称通信总线，）又称通信总线，用于微机之间，微机与外设（如磁盘、打印机）、仪用于微机之间，微机与外设（如磁盘、打印机）、仪器、仪表、远程终端之间的通信。器、仪表、远程终端之间的通信。第 5 章 输输 入输出入输出系统 2传递的信息类型传递的信息类型 可分为数据总线（可分为数据总线（data bus，DB ）、地址总线）、地址总线（address bus，AB）和控制总线（）和控制总线（control bus，CB）3个部分。个部分。 数据总线在计算机部件之间传输数据信息（数据数据总线在计算机部件

24、之间传输数据信息（数据和指令），数据的传送是双向的，因而数据总线为双和指令），数据的传送是双向的，因而数据总线为双向总线。地址总线指示欲传数据的来源地址或目的地向总线。地址总线指示欲传数据的来源地址或目的地址，一般是单向的。控制总线用于在各部件之间传递址，一般是单向的。控制总线用于在各部件之间传递各种控制信息，一般是单向的。如微处理器到存储器各种控制信息，一般是单向的。如微处理器到存储器或外设接口的控制信号（复位、存储器请求、输入或外设接口的控制信号（复位、存储器请求、输入输出请求、读信号、写信号等）。输出请求、读信号、写信号等）。第 5 章 输输 入输出入输出系统 3信息传送的方向信息传送的

25、方向 总线就允许信息传送的方向来说可以有单向传输总线就允许信息传送的方向来说可以有单向传输和双向传输两类。其中双向传输又有半双向和全双向和双向传输两类。其中双向传输又有半双向和全双向两种。半双向可沿相反方向传送，但同时只能向一个两种。半双向可沿相反方向传送，但同时只能向一个方向传送。全双向允许同时向两个方向传送，但其造方向传送。全双向允许同时向两个方向传送，但其造价高，结构复杂，速度快。价高，结构复杂，速度快。4信息在总线上的传送方式信息在总线上的传送方式 按信息在总线上的传送方式可分为同步和异步按信息在总线上的传送方式可分为同步和异步通信总线。同步通信总线上所有设备通过统一的系通信总线。同步

26、通信总线上所有设备通过统一的系统时钟进行同步。异步通信总线上的设备之间没有统时钟进行同步。异步通信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。统一的系统时钟，设备自己内部定时。第 5 章 输输 入输出入输出系统 5总线的用途总线的用途 总线按用途可分有专用和非专用两类。专用总线总线按用途可分有专用和非专用两类。专用总线只连接一对物理部件，优点是系统的流量高，可靠性只连接一对物理部件，优点是系统的流量高，可靠性好，控制简单，不用指明源部件和目的部件。非专用好，控制简单，不用指明源部件和目的部件。非专用总线，即公共总线，能被多种功能或多个部件分时共总线，即公共总线，能被多种功能或多个部件

27、分时共享，同一时刻只有一对部件可使用总线进行通信。享，同一时刻只有一对部件可使用总线进行通信。 I/O系统中，总线既要能传送数据信息、地址信息、系统中，总线既要能传送数据信息、地址信息、控制信息，还要能传送状态信息，并使多台外设与控制信息，还要能传送状态信息，并使多台外设与CPU或主存交叉地经这些总线传送信息，一般使用非或主存交叉地经这些总线传送信息，一般使用非专用总线。专用总线。第 5 章 输输 入输出入输出系统 5.2.2 总线结构的特点总线结构的特点 总线是构成计算机系统的骨架，是多个系统部件总线是构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路。总线有四个特性：物之间进行

28、数据传送的公共通路。总线有四个特性：物理、功能、电气、时间特性。在任何时刻，只能有一理、功能、电气、时间特性。在任何时刻，只能有一个部件向总线上发送信息，可以有多个部件同时接收个部件向总线上发送信息，可以有多个部件同时接收信息。根据总线与设备的连接方式不同，单机系统中信息。根据总线与设备的连接方式不同，单机系统中采用的总线结构有三种基本类型：单总线结构、双总采用的总线结构有三种基本类型：单总线结构、双总线结构和三总线结构。线结构和三总线结构。第 5 章 输输 入输出入输出系统 1单总线结构单总线结构 计算机系统只使用唯一的一组总线，如图计算机系统只使用唯一的一组总线，如图5-7所示，所示，系统

29、中所有的部件、设备都连接到这组总线上，各部系统中所有的部件、设备都连接到这组总线上，各部件只能分时使用总线，使信息传送的吞吐量受到限制。件只能分时使用总线，使信息传送的吞吐量受到限制。该方案的优点是结构简单，成本低，易于接入新的设该方案的优点是结构简单，成本低，易于接入新的设备，缺点是不利于提高总线上的数据传输率。备，缺点是不利于提高总线上的数据传输率。CPU主存总线输入设备输出设备图5-7 单总线结构图第 5 章 输输 入输出入输出系统 2双总线结构双总线结构 在计算机中配置两组总线，如图在计算机中配置两组总线，如图5-8所示，即在处所示，即在处理机总线上通过一块扩展总线的控制线路提供另外一

30、理机总线上通过一块扩展总线的控制线路提供另外一组总线，主要用于连接一般的输入输出设备，处理机组总线，主要用于连接一般的输入输出设备，处理机总线的性能较高，可以实现总线的性能较高，可以实现CPU和主存储器之间的高和主存储器之间的高速数据传输。这两组总线可以并发执行速数据传输。这两组总线可以并发执行I/O操作，使总操作，使总线的输入输出能力和计算机系统的总体性能得到很大线的输入输出能力和计算机系统的总体性能得到很大的提高。的提高。 CPU主存扩展总线控制线路I/O设备 ISA/EISA处理机总线图5-8 双总线结构图I/O设备 第 5 章 输输 入输出入输出系统 3三总线结构三总线结构 在计算机中

31、配置三组总线，如图在计算机中配置三组总线，如图5-9所示，在处理所示，在处理机总线上通过一块被称为机总线上通过一块被称为PCI桥的控制线路，提供一桥的控制线路，提供一组高性能的局部总线，称为组高性能的局部总线，称为PCI总线，主要用于连接总线，主要用于连接各种快速设备。三组总线可以并发执行各种快速设备。三组总线可以并发执行I/O操作，速度操作，速度差异较大的设备模块使用不同速度的总线，而速度相差异较大的设备模块使用不同速度的总线，而速度相近的设备模块使用同一类总线，使总线的输入输出能近的设备模块使用同一类总线，使总线的输入输出能力和计算机系统的总体性能再次得到更大提高。目前，力和计算机系统的总

32、体性能再次得到更大提高。目前，大多数计算机采用了分层次的多总线结构。大多数计算机采用了分层次的多总线结构。CPU主存扩展总线控制线路I/O设备 ISA/EISA处理机总线图5-9 三总线结构图I/O设备 PCI桥I/O设备 I/O设备 PCI BUS接快速设备接慢速设备第 5 章 输输 入输出入输出系统 5.2.3 总线仲裁总线仲裁 总线仲裁，解决的是多个设备竞争使用总线的管总线仲裁，解决的是多个设备竞争使用总线的管理问题，由总线仲裁逻辑线路完成。理问题，由总线仲裁逻辑线路完成。 数据传输总要在计算机的两个部件之间进行，必数据传输总要在计算机的两个部件之间进行，必须有一方首先启动这次传输过程，

33、即申请总线使用权须有一方首先启动这次传输过程，即申请总线使用权并发出命令控制总线运行，这一方被称为总线主设备，并发出命令控制总线运行，这一方被称为总线主设备，而另一方则只能响应由主设备发出的命令并执行读写而另一方则只能响应由主设备发出的命令并执行读写操作，它被称为总线从设备操作，它被称为总线从设备 第 5 章 输输 入输出入输出系统 当有多个总线主设备都发出申请总线的请求时，当有多个总线主设备都发出申请总线的请求时，为了能决定哪一个申请者能取得总线的使用权，需要为了能决定哪一个申请者能取得总线的使用权，需要设置一个专用的部件来执行仲裁功能，这就是总线仲设置一个专用的部件来执行仲裁功能，这就是总

34、线仲裁器，也可以叫总线控制器，它是通过判别主设备使裁器，也可以叫总线控制器，它是通过判别主设备使用总线的优先级来完成的，即首先把总线分配给优先用总线的优先级来完成的，即首先把总线分配给优先级最高的主设备使用，以确保在任何时刻只会有一个级最高的主设备使用，以确保在任何时刻只会有一个总线主设备使用总线传输数据。总线主设备使用总线传输数据。 对于多个设备提出的占用总线请求，一般采用优对于多个设备提出的占用总线请求，一般采用优先级或公平策略进行仲裁，例如在多处理机系统中先级或公平策略进行仲裁，例如在多处理机系统中个个CPU模块的总线请求采用公平的原则来处理，而模块的总线请求采用公平的原则来处理，而对于

35、对于I/O模块的总线请求采用优先级策略。目前比较模块的总线请求采用优先级策略。目前比较常用的仲裁办法是查询方式、计数器定时查询方式常用的仲裁办法是查询方式、计数器定时查询方式和独立申请方式。和独立申请方式。第 5 章 输输 入输出入输出系统 5.2.4 总线的控制方式总线的控制方式 非专用总线（即公共总线）所挂多个设备或部件非专用总线（即公共总线）所挂多个设备或部件如果同时申请使用总线，则需要总线控制机构按照某如果同时申请使用总线，则需要总线控制机构按照某种优先次序裁决，保证在同一时间内只能有一个优先种优先次序裁决，保证在同一时间内只能有一个优先级高的申请者取得对总线的使用权。按照总线控制电级

36、高的申请者取得对总线的使用权。按照总线控制电路的位置不同可分为集中式和分散式控制。路的位置不同可分为集中式和分散式控制。 集中控制中，总线控制逻辑基本上集中放在一起集中控制中，总线控制逻辑基本上集中放在一起的裁决控制机构，每个功能模块有两条线连到总线控的裁决控制机构，每个功能模块有两条线连到总线控制器，一条是往总线送请求信号，一条是往总线送总制器，一条是往总线送请求信号，一条是往总线送总线可用信号。线可用信号。 分布式控制方式中，总线控制逻辑分散于连到总线分布式控制方式中，总线控制逻辑分散于连到总线的各个部件中。的各个部件中。 在计算机结构中最常用的总线控制方式是三种集中在计算机结构中最常用的

37、总线控制方式是三种集中式总线控制：串行链接、定时查询和独立请求。式总线控制：串行链接、定时查询和独立请求。 第 5 章 输输 入输出入输出系统 1. 集中式串行链接控制集中式串行链接控制 图为集中式串行链接控制方式示意图，总线可用信图为集中式串行链接控制方式示意图，总线可用信号串行地从一个号串行地从一个I/O接口传送到下一个接口传送到下一个I/O接口。假如接口。假如总线可用信号到达的接口无总线请求，则继续往下查总线可用信号到达的接口无总线请求，则继续往下查询，如果总线可用信号到达的接口有总线请求，总线询，如果总线可用信号到达的接口有总线请求，总线可用信号便不再往下查询，此可用信号便不再往下查询

38、，此I/O接口获得总线控制权，接口获得总线控制权，并置总线忙。设有并置总线忙。设有n个部件，编号个部件，编号U0Un-1。U0U1Un-1总线控制器C总线可用总线请求总线忙第 5 章 输输 入输出入输出系统 优点优点: 优先级的选择算法简单各部件的优先级是连接在总线上的优先级的选择算法简单各部件的优先级是连接在总线上的先后顺序先后顺序 用于分配总线所增加的辅助控制总线线数少，只需要用于分配总线所增加的辅助控制总线线数少，只需要3根，根，价格便宜价格便宜 控制线数的多少与部件的数量无关，可扩充性好控制线数的多少与部件的数量无关，可扩充性好 易于通过多重设置易于通过多重设置“总线可用总线可用”线来

39、提高其系统有可靠性。线来提高其系统有可靠性。 缺点缺点: “总线可用总线可用”线的失效，会导致系统瘫痪，从而使系统的线的失效，会导致系统瘫痪，从而使系统的可靠性差可靠性差 优先级是靠优先级是靠“总线可用总线可用”线所连各部件的先后顺序而线连线所连各部件的先后顺序而线连固定，无法用程序改变，使之灵活性差固定，无法用程序改变，使之灵活性差 总线使用的分配速度低总线使用的分配速度低 第 5 章 输输 入输出入输出系统 2集中式定时查询控制集中式定时查询控制 图集中式定时查询控制示意图，总线上任意设备图集中式定时查询控制示意图，总线上任意设备要求使用总线时，通过总线请求信号请求，总线控制要求使用总线时

40、，通过总线请求信号请求，总线控制器接到请求信号后，在总线可用信号不忙时，计数器器接到请求信号后，在总线可用信号不忙时，计数器开始计数，计数值通过一组地址线发向各设备。每个开始计数，计数值通过一组地址线发向各设备。每个设备接口都有一个设备地址判别电路，当地址线上的设备接口都有一个设备地址判别电路，当地址线上的计数值与请求总线的设备地址相一致时，该设备获得计数值与请求总线的设备地址相一致时，该设备获得总线控制权，并置总线可用信号忙。总线控制权，并置总线可用信号忙。 U0U1Un-1总线控制器C总线请求总线忙定时查询计数第 5 章 输输 入输出入输出系统 获得总线的优先级获得总线的优先级:如果每次分

41、配总线前，如果每次分配总线前， 将计数器清将计数器清0，各部件的优先级是连接在总线上的先后顺序；计数器不清各部件的优先级是连接在总线上的先后顺序；计数器不清0，则是一种循环优先级；则是一种循环优先级； 将计数器置成某个初值，则具有此部将计数器置成某个初值，则具有此部件号（即设备地址）的部件具有最高优先级；将部件号重新件号（即设备地址）的部件具有最高优先级；将部件号重新设置，则可以为各个部件指定任意所希望的优先级。设置，则可以为各个部件指定任意所希望的优先级。 优点优点: 优先级可以由程序控制，灵活性好优先级可以由程序控制，灵活性好 某个部件失效不会使系统瘫痪，可靠性高某个部件失效不会使系统瘫痪

42、，可靠性高 缺点缺点: 所增加的控制总线较多所增加的控制总线较多 可扩展性较差，受限于查询计数线的根数；总线控制器比较可扩展性较差，受限于查询计数线的根数；总线控制器比较复杂，价格较贵复杂，价格较贵 总线的分配速度取决于计数信号的频率和部件数，仍不能很总线的分配速度取决于计数信号的频率和部件数，仍不能很高高第 5 章 输输 入输出入输出系统 3集中式独立请求控制集中式独立请求控制 图为集中式独立请求控制示意图，每一个共享总线图为集中式独立请求控制示意图，每一个共享总线的设备都有一对总线请求线和总线准许线。当设备要的设备都有一对总线请求线和总线准许线。当设备要求使用总线时，便发出该设备的请求信号

43、。总线控制求使用总线时，便发出该设备的请求信号。总线控制器有一个排队电路，它根据一定的优先次序决定首先器有一个排队电路，它根据一定的优先次序决定首先响应哪一个设备的请求，给设备以总线准许信号。响应哪一个设备的请求，给设备以总线准许信号。U0Un-1总线控制器C总线请求0总线准许0总线请求n-1总线准许n-1总线已被分配第 5 章 输输 入输出入输出系统 优点：优点： 总线的分配速度高，不需要检测是哪个设备要求使用总线的分配速度高，不需要检测是哪个设备要求使用总线总线 总线使用的优先级可以由程序控制改变，灵活性好总线使用的优先级可以由程序控制改变，灵活性好 不会因部件故障而使系统瘫痪，可靠性高不

44、会因部件故障而使系统瘫痪，可靠性高缺点：缺点： 所需增加的辅助控制总线线数多，需要所需增加的辅助控制总线线数多，需要2N1根根 可扩充性差可扩充性差 控制器复杂，价格高控制器复杂，价格高 上述上述3种总线控制方式各有优缺点，在计算机中适种总线控制方式各有优缺点，在计算机中适用的场合不同。一般在微、小型机上宜使用串行链接用的场合不同。一般在微、小型机上宜使用串行链接方式，而在中型机上宜采用定时查询方式，在大、巨方式，而在中型机上宜采用定时查询方式，在大、巨型机上宜采用独立请求方式。型机上宜采用独立请求方式。第 5 章 输输 入输出入输出系统 5.2.5 总线的通信方式总线的通信方式 信息在总线上

45、的通信方式有同步和异步通信。同信息在总线上的通信方式有同步和异步通信。同步通信用统一的时钟信号来协调发送方和接收方的传步通信用统一的时钟信号来协调发送方和接收方的传送定时关系。异步也称为应答方式，允许总线上的各送定时关系。异步也称为应答方式，允许总线上的各部件有各自的时钟，在部件之间进行通信时没有公共部件有各自的时钟，在部件之间进行通信时没有公共的时间标准，而是靠发送信息时同时发出本设备的时的时间标准，而是靠发送信息时同时发出本设备的时间标志信号，用间标志信号，用“应答方式应答方式”来进行。来进行。 同步同步 单向源控式单向源控式总线通信总线通信 单向单向 单向目控式单向目控式 异步异步 双向

46、互锁双向互锁 双向双向 双向非互锁双向非互锁第 5 章 输输 入输出入输出系统 1 .单向源控式异步通信单向源控式异步通信 图为单向源控式异步通信示意图，结构简单，控制图为单向源控式异步通信示意图，结构简单，控制方便，但源不知目此时是否需要当前的数据，且源更方便，但源不知目此时是否需要当前的数据，且源更不知目是否可以接收到准确的当前数据，只能是每延不知目是否可以接收到准确的当前数据，只能是每延迟时间段迟时间段t1、t2来发下一个数据。来发下一个数据。源发数据源发数据准备（选通信号）目接收数据n条数据线t1t2t3n 条数据线一条控制线第 5 章 输输 入输出入输出系统 2单向目控式异步通信单向

47、目控式异步通信 图为单向目控式异步通信示意图，针对单向源控图为单向目控式异步通信示意图，针对单向源控式异步通信中源不知目是否需要当前的数据，由目建式异步通信中源不知目是否需要当前的数据，由目建立数据请求，使源把数据放在数据线上（经过立数据请求，使源把数据放在数据线上（经过t1时间时间做好准备），高电平触发事件，这样解决了源已知目做好准备），高电平触发事件，这样解决了源已知目需要数据的问题，但源不知目是否收到数据，就增加需要数据的问题，但源不知目是否收到数据，就增加了一条控制线，这样会使总线传送的速率下降。了一条控制线，这样会使总线传送的速率下降。t1t3n条数据线t2目发数据请求源发数据源发数

48、据准备目接收数据一条控制线另一条控制线n条数据线图5-14 单向目控式异步通信示意图第 5 章 输输 入输出入输出系统 单向控制不能保证下一数据传送之前让所有数据线单向控制不能保证下一数据传送之前让所有数据线和控制线的电平信号恢复到初始状态，从而可能造成和控制线的电平信号恢复到初始状态，从而可能造成错误，为此可采用异步双向通信方式，主要有异步双错误，为此可采用异步双向通信方式，主要有异步双向非互锁和互锁两种通信方式。双向控制也有主从关向非互锁和互锁两种通信方式。双向控制也有主从关系，下面以源为主设备来介绍。系，下面以源为主设备来介绍。第 5 章 输输 入输出入输出系统 3异步双向非互锁通信异步

49、双向非互锁通信 图为异步双向非互锁通信示意图，源发出请求信号图为异步双向非互锁通信示意图，源发出请求信号后，不等待收到目的回答信号，而是经过一段时间后，不等待收到目的回答信号，而是经过一段时间t2，确认目已收到请求信号后，便撤消其请求信号；目接确认目已收到请求信号后，便撤消其请求信号；目接到请求信号后，在条件允许时发出回答信号，并且经到请求信号后，在条件允许时发出回答信号，并且经过一段时间过一段时间t3，确认目已收到回答信号后，自动撤消，确认目已收到回答信号后，自动撤消回答信号。可以看出通信双方并无互锁关系。回答信号。可以看出通信双方并无互锁关系。 第 5 章 输输 入输出入输出系统 一般情况

50、下，异步双向非互锁通信可完成可靠通一般情况下，异步双向非互锁通信可完成可靠通信，但目接收数据的速度较慢时，可能会出现数据信，但目接收数据的速度较慢时，可能会出现数据“重迭重迭”错（将两个数据当作一个数据接收），源不错（将两个数据当作一个数据接收），源不知道目何时结束数据接收。知道目何时结束数据接收。4. 异步双向互锁通信异步双向互锁通信 在异步双向互锁通信方式中，源发出请求信号，在异步双向互锁通信方式中，源发出请求信号，待目回答后（高电平触发）再撤其请求信号；目发出待目回答后（高电平触发）再撤其请求信号；目发出回答信号，待源获知后，再撤消其回答信号，也就是回答信号，待源获知后，再撤消其回答信号

51、，也就是说，在双向非互锁异步通信中增加时间段说，在双向非互锁异步通信中增加时间段t4，让源知，让源知道目结束数据通信，可以接着传送下一个数据。异步道目结束数据通信，可以接着传送下一个数据。异步双向互锁通信方式是用增加控制复杂度与时间来提高双向互锁通信方式是用增加控制复杂度与时间来提高可靠性。异步双向互锁通信的传输过程如下图所示可靠性。异步双向互锁通信的传输过程如下图所示。第 5 章 输输 入输出入输出系统 异步双向互锁通信方式虽增加了信号沿总线来回传异步双向互锁通信方式虽增加了信号沿总线来回传送的次数，使控制硬件变得复杂，但它能适应各种不同送的次数，使控制硬件变得复杂，但它能适应各种不同速度的

52、速度的I/O设备，保证数据的准确性，且有较高的数据传设备，保证数据的准确性，且有较高的数据传送速率。综合以上四种通信方式的特点，目前，送速率。综合以上四种通信方式的特点，目前，I/O总线总线中最广泛使用的是异步双向互锁通信方式。中最广泛使用的是异步双向互锁通信方式。t1t2t4源发数据源发数据准备目接收数据数据1数据2t2t3t3t4第 5 章 输输 入输出入输出系统 【例【例5.3】对于具有图示的操作时序的总线，试计算总】对于具有图示的操作时序的总线，试计算总线的数据传输速率，假设总线上传输的每个字为线的数据传输速率，假设总线上传输的每个字为32位，位，总线时钟频率为总线时钟频率为50MHz

53、。 解：从图中可以看出，该总线在解：从图中可以看出，该总线在5个时钟周期内传输个时钟周期内传输了一个数据字。了一个数据字。 总线的数据传输带宽为：总线的数据传输带宽为：1/5=0.2 （字（字/时钟周期）时钟周期） 或者或者 5010640.2=40106 （字节（字节/秒）秒） 地址与模式 CLK 就绪 应答 t5 t4 t3 t2 t1 t0 第 5 章 输输 入输出入输出系统 5.2.6 总线标准及发展总线标准及发展 由于各厂商生产的各种类型模块遵从一个总线标由于各厂商生产的各种类型模块遵从一个总线标准，就必然要求总线进行周密的考虑与严格的规定，准，就必然要求总线进行周密的考虑与严格的规

54、定，以便不同供应商提供的产品都能互换与组合。而形成以便不同供应商提供的产品都能互换与组合。而形成总线标准，需要投入大量人力、物力及财力，往往要总线标准，需要投入大量人力、物力及财力，往往要在几年的实践过程中不断完善。在几年的实践过程中不断完善。n 每个总线标准都有详细的规范说明，它们通常有上百每个总线标准都有详细的规范说明，它们通常有上百页、几十万字（含大量图标）的文档。主要包括以下页、几十万字（含大量图标）的文档。主要包括以下几部分：几部分：n 机械结构规范，确定模块尺寸、总线插头、边沿连接机械结构规范，确定模块尺寸、总线插头、边沿连接器插座等规格及位置。器插座等规格及位置。n 功能规范，确

55、定总线每根线（引脚）信号名称与功能，功能规范，确定总线每根线（引脚）信号名称与功能，对它们相互作用的协议（例如定时关系）进行说明。对它们相互作用的协议（例如定时关系）进行说明。n 电器规范，规定总线每根线其信号工作时的有效高低电器规范，规定总线每根线其信号工作时的有效高低电平、动态转换时间、负载能力、各电器性能的额定电平、动态转换时间、负载能力、各电器性能的额定值及最大值。值及最大值。第 5 章 输输 入输出入输出系统 1ISA总线总线 IBM公司为其生产的公司为其生产的PC系列制定的总线标准。先系列制定的总线标准。先后推出了后推出了PC、PC/XT和和PC/AT机。机。PC、PC/XT机是以

56、机是以8088、8086为为CPU，采用，采用8位的外部总线，二者使用相位的外部总线，二者使用相同的总线标准（同的总线标准（ISA-8）。）。PC/AT机以机以80286为为CPU，采用采用16位的外部总线，总线标准为位的外部总线，总线标准为ISA-16。ISA-8一共一共有有62根信号线，其中有根信号线，其中有8位数据线，位数据线，20位地址线，位地址线，6路路中断请求信号，中断请求信号，3个个DMA通道信号。通道信号。ISA总线是一种总线是一种16位总线结构，适用范围广，早期位总线结构，适用范围广，早期PC机的很多接口卡都机的很多接口卡都是根据是根据ISA标准生产的。标准生产的。2PCI总

57、线总线 是一种是一种32位总线标准，可扩展到位总线标准，可扩展到64位，与位，与ISA总线总线兼容。目前，高性能的微型机主板上都设有该总线。兼容。目前，高性能的微型机主板上都设有该总线。该总线标准性能先进，成本较低，可扩充性好，特别该总线标准性能先进，成本较低，可扩充性好，特别是对微型机的是对微型机的“即插即用即插即用”方案都有很好的支持，现方案都有很好的支持，现已成为计算机普遍采用的外设接口总线。已成为计算机普遍采用的外设接口总线。第 5 章 输输 入输出入输出系统 3EISA总线总线 EISA总线是对总线是对ISA总线的扩展，总线的扩展，1989年由年由Compaq、HP、AST、Epso

58、n、NEC等等9家公司联合推出的一种总线结构。家公司联合推出的一种总线结构。特点是能同特点是能同ISA标准兼容，有开放式体系结构，是标准兼容，有开放式体系结构，是32位总线。位总线。4AGP（Accelerated Graphics Port，图形加速接口）总线，图形加速接口）总线 AGP总线是由总线是由Intel创建的新总线，是随着三维图形的应创建的新总线，是随着三维图形的应用而发展起来的一种总线标准。三维图形对计算机速度提用而发展起来的一种总线标准。三维图形对计算机速度提出了很高的要求，使得出了很高的要求，使得PCI总线传送速度变得很紧张，总线传送速度变得很紧张，AGP在图形与内存之间提供

59、了一条直接访问通道。在图形与内存之间提供了一条直接访问通道。第 5 章 输输 入输出入输出系统 5.2.7 总线的指标总线的指标 总线达到什么样的性能，是由总线的指标体现的。随总线达到什么样的性能，是由总线的指标体现的。随着计算机性能的提高，各功能模块要求总线必须达到更高着计算机性能的提高，各功能模块要求总线必须达到更高的性能，因而总线的指标也就要相应地提高。的性能，因而总线的指标也就要相应地提高。1总线宽度总线宽度 总线宽度通常指的是其一次操作可以传输的数据位数，总线宽度通常指的是其一次操作可以传输的数据位数，位数越多，一次传输的信息也就多。如位数越多，一次传输的信息也就多。如STD为为8位

60、，位，ISA为为16位，位，EISA和和PCI为为32位，位，PCI-X可达到可达到64位。通常微计位。通常微计算机系统的总线宽度不会超过起算机系统的总线宽度不会超过起CPU的外部数据总线宽度。的外部数据总线宽度。2总线频率总线频率 总线通常都有一个基本时钟，这个时钟是总线工作的总线通常都有一个基本时钟，这个时钟是总线工作的最高频率时钟，所有的其它信号都以这个时钟作为基准。最高频率时钟，所有的其它信号都以这个时钟作为基准。通常，时钟的频率越高，单位时间内传送的数据也越大。通常，时钟的频率越高，单位时间内传送的数据也越大。如如ISA，EISA，为，为8MHz，PCI为为33.3MHz，PCI-X