计算机体系结构-第5章

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1、5.1输入输出工作原理 5.2总线系统 5.3中断系统 5.4通道处理机 5.5输入输出处理机,第 5 章 输 入 输 出 系 统,本章重点： 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。 本章难点： 总线的通信方式及通道的设计。,5.1 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输入输出系统（简称I/O系统），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。 包括输入输出设备、输入输出接口和输入输出软件等。 实际上，运算器、控制器、主存储器

2、和总线等也要通过输入输出系统来管理。,输入输出系统是处理机与外界进行数据交换的通道,是计算机系统中最具多样性和复杂性的部分,涉及到机、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。,5.1.1 输入输出系统的特点,1.实时性 对于一般输入输出设备,如果处理机提供的服务不及时，可能丢失数据，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务不及时，可能造成巨大的损失，甚至造成人身伤害。 对于处理机本身的硬件或软件错误：如电源故障、数据校验错、页面失效、非法指令、

3、地址越界等，处理机必须及时处理。 对不同类型的设备，必须具有与设备相配合的多种工作方式。,2.与设备无关性 独立于具体设备的标准接口。例如，串行接口、并行接口、SCSI（Small Computer System Interface）接口等 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通过标准接口与计算机系统连接。 处理机采用统一的硬件和软件对品种繁多的设备进行管理。 某些计算机系统已经实现了即插即用技术。,3.异步性 输入输出设备通常不使用统一的中央时钟，各个设备按照自己的时钟工作，但又要在某些时刻接受处理机的控制。 处理机与外围设备之间，外围设备与外

4、围设备之间能并行工作。 针对实时性，采用层次结构的方法， 针对与设备无关性，采用分类处理的方法， 针对异步性，采用自治控制的方法。,5.1.2 输入输出系统的组织方式,1. 自治控制 输入输出系统是独立于CPU之外的自治系统 处理机与外围设备之间要有恰当的分工 2. 层次结构 最内层是输入输出处理机、输入输出通道等 中间层是标准接口。 标准接口通过设备控制器与输入输出设备连接 3. 分类组织 面向字符的设备，如字符终端、打字机等 面向数据块的设备，如磁盘、磁带、光盘等。,图5-1 输入输出系统的层次结构,1程序查询方式 程序查询方式是由CPU通过程序不断查询I/O设备是否已做好难备，从而控制I

5、/O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、应答输入输出方式、查询输入输出方式、条件驱动输入输出方式。 程序控制输入输出方式的4个特点： (1)何时对何设备进行输入输出操作受CPU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状态。空闲、准备就绪、忙碌等。 (3)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。,5.1.3 基本输入输出方式,程序查询方式中只要CPU一启动I/O设备，CPU便不断查询I/O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“踏步”。另一方面，I/O准备就绪后，CPU要一个字一个字

6、地从I/O设备取出，经CPU送至主存，此刻CPU也不能执行原程序，可以看出这种方式使CPU和I/O处于串行工作状态，CPU的工作效率不高。例如为CPU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，见图5-2所示。,【例5.1】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1GIPS，字长32位，打印机每秒钟100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4个字符。因此，处理机的实际利用率只有即4千万分之一：100/10940.2510-7,2.中断输入输出方式 定义：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，或者虽然是

7、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事件时，CPU暂停执行现行程序，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。 特点： (1)CPU与外围设备能够并行工作。 (2)能够处理例外事件。 (3)数据的输入和输出都要经过CPU。 (4)用于连接低速外围设备。,【例5.2】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5-4所示。 CPU向I/O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CPU发出请求后，CPU才从I/O接口读一个字经CPU送至主存（这是通过执行中断服务程序完成的）。如果I/O设备的一批数据（一个数据块的全部数据）尚未传送结束时

8、，CPU再次启动I/O设备，命令I/O设备再作准备，一旦又接收到I/O设备中断请求时，CPU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。,3直接存储器访问方式（DMA：Direct Memory Access） 在DMA方式中，主存与I/O设备的数据传送过程如图所示，主存与I/O之间有一条数据通路，主存与I/O设备交换信息时，无需处理中断服务程序。,DMA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，数据的传送过程不需要CPU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工作。 (3)DMA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

9、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。 (4)在DMA方式开始和结束时，需要处理机进行管理。,4通道（Channel）方式 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CPU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CPU的工作效率。然而这种提高CPU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I/O工作。 5I/O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。 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

10、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的数据交换，大大提高了计算机系统性能。,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DMA方式、通道方式 和I/O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、程序中断方式和DMA方式。通道方式和I/O处理机方式大都用在大中型计算机中。,5.2 总线系统,计算机中的各个部件，包括CPU、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、管理信息传输协议的逻辑线

11、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。,5.2.1 总线的分类 1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。片内总线是CPU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（chip Bus）是芯片级互联总线如CPU与内存、I/O接口之间的连接总线。内总线（System Bus）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、显卡、网卡等）。外总线（External Bus）又称通信总线，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。,2传递的信息类型 可分为数据总线（data

12、bus，DB ）、地址总线（address bus，AB）和控制总线（control bus，CB）3个部分。 数据总线在计算机部件之间传输数据信息（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、输入输出请求、读信号、写信号等）。,3信息传送的方向 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

13、传送，但其造价高，结构复杂，速度快。,4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通信总线。同步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一的系统时钟，设备自己内部定时。,5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。非专用总线，即公共总线，能被多种功能或多个部件分时共享，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、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

14、般使用非专用总线。,5.2.2 总线结构的特点 总线是构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间进行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。,1单总线结构 计算机系统只使用唯一的一组总线，如图5-7所示，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。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。,2双总线结构

15、在计算机中配置两组总线，如图5-8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CPU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I/O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的提高。,3三总线结构 在计算机中配置三组总线，如图5-9所示，在处理机总线上通过一块被称为PCI桥的控制线路，提供一组高性能的局部总线，称为PCI总线，主要用于连接各种快速设备。三组总线可以并发执行I/O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

16、系统的总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。,5.2.3 总线仲裁 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。 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，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，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,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，需要设置一个专用的部件来执行仲裁功能，这就是总线仲裁器，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。,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个CPU模块的总线请求采用公平的原则来处理，而对于I/O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和独立申请方式。,5.2.4 总线的控制方式 非