第6章 计算机输入输出系统

第六章输入输出系统输出设备显示设备CRT液晶等离子体打印设备击打式串行、行式点阵针式、字模式非击打式喷墨激光热转印绘图仪输入设备文字输入设备键盘、书写笔图形输入设备光笔、鼠标器、数字化仪和触摸屏图像输入设备扫描仪、数字式照相机和摄像头外存储设备磁盘磁道，扇区，柱面软盘、硬盘访问过程磁带光盘只读型WORM型可擦写型字设备块设备6.1输入输出总线6.1.1总线数据传输方式1.串行传输2.并行传输3.复合传输4.消息传输串行传输波特率与比特率同步与异步例6-1在一个串行传输系统中，每秒可传输10个数据帧，每个数据帧包含1个起始位、8个数据位和2个结束位，试求其波特率和比特率。解：在每个帧中有1个起始位、8个数据位和2个结束位，总共11位，那么波特率就是11×10=110bps因为每个帧中的数据位为8位，所以比特率为8×10=80bps并行传输每个数据位都需要单独一条传输线并串行的传输方式猝发式数据传输模式复合传输总线复用消息传输方式消息一种有固定格式的数据RamLink,PCI,SCSI单端方式与差分方式6.1.2总线的通信同步方式1.同步通信 串行同步：信号编码 并行同步：专用时钟信号线 优点：时序关系简单，实现简单。 缺点：在设备速度不一致时按最坏情况确定，不能太长。 实例：EIDE硬盘接口2.异步通信串行异步通信：起始检测并行异步通信：握手信号非互锁：全互锁：（四边沿协议）2.异步通信(续)3.半同步方式例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32位，总线时钟频率为50MHz。解：从图中可见，该总线在5个时钟周期内传输了一个数据字。总线的数据传输带宽为:1/5=0.2(字/时钟周期)即0.2×50×106×4=40×106(字节/秒)例6-3在一个采用100MHz时钟的总线中，采用了块传输方式以支持块长为4个字的cache，每字的长度为4个字节。(1)对于读操作，访问顺序是1个周期接受地址，2个周期延迟，4个周期用于传输4个字。问读操作的总线数据传输速率是多少？(2)对于写操作，访问顺序是1个周期接受地址，1个周期延迟，4个周期用于传输4个字。问写操作的总线数据传输速率是多少？(3)如果总线的数据传输中80%为读操作，20%为写操作，问总线的平均数据传输速率是多少？解(1)读操作时总线周期为1+2+4=7个时钟周期，传输的数据为4×4=16字节，数据传输速率为 16×100M/7=228.57MB/s(2)写操作时总线周期为1+1+4=6个时钟周期，传输的数据为4×4=16字节，数据传输速率为 16×100M/6=267.67MB/s(3)总线的平均数据传输速率是 0.8×228.57+0.2×266.67 =182.856+53.334=236.19MB/s例6-4在一个32位总线中，时钟频率为33MHz，总线数据传输的周期是7个时钟周期传输4个字的数据块，(1)问总线的数据传输率是多少？(2)为了提高数据传输率，将总线的数据线改为8个字的块，使得总线在11个时钟周期传输8个字的数据块，问这时总线的数据传输率是多少？(3)如果不改变数据块的大小，而是将时钟频率加倍，问这时总线的数据传输率是多少？解(1)每个字为32位，总线在7个时钟周期传输了16个字节，传输率为:

R=16B/7×33MHz=75.43×106 B/S(2)总线在11个时钟周期传输了32个字节，传输率为:

R=32B/11×33MHz=96×106 B/S(3)时钟频率变为66MHz，传输率为:

R=16B/7×66MHz=150.86×106 B/S6.1.3总线的控制主模块与从模块总线事务请求裁决地址数据释放总线请求和裁决1.集中式裁决 链式查询总线请求和裁决1.集中式裁决计数器定时总线请求和裁决1.集中式裁决独立请求总线请求和裁决2.分布式裁决第三节总线接口为什么要用总线接口？总线接口的基本功能:(1)控制。(2)数据缓冲。(3)状态设置。(4)数据转换。如并－串转换或串－并转换。(5)整理。如在数据传输过程中更新字计数器。(6)程序中断。外围设备接口的结构接口地址并行接口的例子标准并行端口(SPP)6.2输入输出控制外设的寻址统一编址法存储器映像的外设寻址将接口中的控制寄存器、数据寄存器、状态寄存器和内存单元一样看待接口与存储器采用不同的地址可以利用访存指令进行输入输出操作单独编址法两个地址空间访问存储器和访问外围设备采用不同的指令实现输入输出数据传送的方式程序控制方式程序查询中断直接存储器访问(DMA)方式通道方式6.2.1程序控制方式程序查询信号传输过程MIPS汇编程序的例子addiu$7,$0,printer_addr ;$7指向打印机设备地址addiu$1,$0,data_addr ;$1中包含字符串起始地址addiu$2,$0,count ;$2中包含字符串长度addiu$3,$0,rdy_bit_mask ;状态屏蔽位addiu$6,printer_statwait:lw$4,0($6) ;读设备状态字位测试and$5,$3,$4 ;设备状态字屏蔽beq$5,$0,wait ;设备状态就绪位测试lw $8,0($1) ;将一个数据从内存读入sw$8,0($7) ;将该数据送入打印机addiu$1,$1,+1 ;更新字符串地址addi$2,$2,-1 ;更新字符串计数器bne$2,$0,wait ;循环中断方式6.2.2DMA控制方式一、基本概念目的减少大批量数据传输时CPU的开销。方法采用专用部件生成访存地址并控制访存过程。传输过程：预处理数据传输后处理二、DMA传送方式问题：访存冲突解决方法：DMA乘存储器空闲时访问存储器（周期挪用）。DMA控制器结构DMA与CPU的连接6.3输入输出总线实例6.3.1EIA-232串行接口6.3.2IDE磁盘接口6.3.3SCSI总线6.3.4PCI总线6.3.1EIA-232串行接口串行接收方式1.起始位检测：m倍取样2.数据位取样：隔m个采样周期后取样一次，共n次3.停止位检测：隔m个采样周期后取样并检测接口结构例6-5

用异步串行传输方式发送十六进制数8A16，数据位为8位，奇校验位一位，停止位一位，请画出波形图。答：通用异步接收器/发送器(UART)出错标志 1.奇偶错误 2.帧错误 3.溢出(丢失)错误(overrunerror)串行接口实例：EIA-232EIA-23225条信号线请求发送RTS(RequesttoSend)允许发送CTS(CleartoSend)数据终端就绪DTR(DataTerminalReady)数据集就绪DSR(DataSetReady)载波检测CD(CarryDetect)EIA-232-D信号定义6.3.2IDE磁盘接口IDE接口定义IDE接口定义DA0~DA2 寻址，与CS1FX*和CS3FX*一起使用DIOR* 启动读周期DIOW* 启动写周期DD0~DD15 传输磁盘数据IORDY 指示磁盘驱动器需要进行数据传输。IOCS16 16位输入输出的控制信号，已准备送出或接受数据。DMARQ 启动向磁盘驱动器或从驱动器往外传输数据DMACK* 数据传输结束INTQ 驱动器中断请求DASP* 驱动器有效PDIAG* 诊断命令或复位的结果RESET* 使驱动器在加电或重新启动时回到初始状态磁盘访问时间平均访问时间=控制延迟+寻道时间+旋转延迟+传输延迟例6-6设一个磁盘的平均寻道时间为10ms，数据读取的速率高于数据传输速率，数据传输速率是2MB/s，控制器延迟是2ms，盘片转速为每分钟5400转。求读写一个512字节的扇区的平均时间。解：平均旋转延时 0.5/5400转/分=0.0056秒=5.6ms

数据传输时间 0.5KB/2.0MB/s=0.25ms平均磁盘访问时间 10+5.6+0.25+2ms=18.85ms6.3.3SCSI总线1.特点从通道发展而来传输速度快灵活性好（适用于各种外设）设备独立性采用高级命令系统2.信号定义信号电平：单端方式差分方式3.总线控制地址构成：设备地址(8个)逻辑单元号（逻辑设备号）逻辑分区地址（16到32位块地址）通信协议：消息传递八个阶段（操作状态）：空闲，仲裁，选择，再选择，命令，数据，状态，消息两个异步条件：注意（有消息发出），复位操作状态4.消息系统消息的作用：传递操作信息（如设备执行情况以及操作控制）消息类型： 单字消息 双字消息 多字消息SCSI消息（一）SCSI消息（二）5.命令格式SCSI适配器结构SCSI外设控制器结构SCSI的发展6.3.4PCI总线1.主要特点采用猝发传输方式速度较高64位可扩展隐含式裁决可靠性高（地址、命令和数据校验）三个地址空间（内存、I/O和配置）自动配置2.信号定义

AD[31:0] 地址/数据

C/BE[3:0] 命令/字节许可

PAR 校验

FRAME# 成帧

TRDY# 目标就绪

IRDY# 始发就绪

STOP# 目标设备请求停止

DEVSEL# 设备选择

IDSEL 始发设备选择

REQ# 总线请求

GNT# 总线许可

CLK 系统时钟(0~33MHz)

RST# 系统复位

D[63:32] 数据

BE#[7:4] 字节允许

PAR64 高字校验

REQ64# 请求64位传输

ACK64# 确认64位传输

LOCK# 资源封锁（设备独占）

PERR# 校验错

SERR# 系统错

SBO# 侦测退出(snoopbackoff)，

命中了一个修改过的块

SDONE 侦测完成，探测结果为“干净”

TDI 测试输入

TDO 测试输出

TCK 测试时钟

TMS 测试模式选择

TRST# 测试复位

INTA#