第6章计算机输入输出系统

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1、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

2、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1110=110 bps 因为每个帧中的数据位为8位，所以比特率为810=80 bps,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

3、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 0.2501064=40106 (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

4、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44=16字节，数据传输速率为 16100M/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44=16字节，数据传输速率为 16100M/6=267.67MB/s

5、 (3) 总线的平均数据传输速率是 0.8228.57 + 0.2266.67 = 182.856 + 53.334 = 236.19 MB/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

6、33MHz = 75.43106 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/1133MHz = 96106 B/S (3) 时钟频率变为66MHz，传输率为: R = 16B/766MHz = 150.86106 B/S,6.1.3 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

7、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

8、,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_stat wait: 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)

9、; 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,6.2.2 DMA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,6.3.1 EIA-232串行接口 6.3.2 IDE磁盘接口 6.3.3 SCSI总线 6.3

10、.4 PCI总线,6.3.1 EIA-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8 A 16，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(overrun error) 串行接口实例：EIA-232,EIA-232,25条信号线 请求发送RTS(Request to Send) 允许发送CTS(Clear to Se

11、nd) 数据终端就绪DTR(Data Terminal Ready) 数据集就绪DSR(Data Set Ready) 载波检测CD(Carry Detect),EIA-232-D信号定义,6.3.2 IDE磁盘接口,IDE接口定义,IDE接口定义,DA0DA2 寻址，与CS1FX*和CS3FX*一起使用 DIOR* 启动读周期 DIOW* 启动写周期 DD0DD15 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

12、 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.

13、85ms,6.3.3 SCSI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.

14、命令格式,SCSI适配器结构,SCSI外设控制器结构,SCSI的发展,6.3.4 PCI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,AD31:0 地址/数据 C/BE3:0 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(033MHz) RST# 系统复位 D63:32 数据 BE#7

15、: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(snoop back off)， 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# 中断请求,3. 命令定义,4. 传输操作时序,用PCI总线构成的系统,5. PCI的发展,（1）66MHz时钟。 在PCI 2.1中允许总线以最高66MHz的时钟工作。PCI规范2.1版定义了66MHz速度下的操作。 在64位的66MHz总线中，可达到的最大数据流量是8B66M/s=528MB/s （2）Compact PCI。 PCI工业计算机制造商联盟制订的规范 更加坚固耐用的PCI总线 在电气、逻辑和软件功能方面与PCI完全兼容 支持热插拔。,