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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 程序查询 中断 DMA 通道 第六章 输入/输出系统2306.5.1 总线优点：低成本、多样性缺点：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I/O吞吐量。1. 总线的设计 6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接 330选择高性能低价格 总线宽度独立的地址和 数据总线分时复用数据和 地址总线 数据总线 宽度越宽越快 （例如：64位）越窄越便宜 （例如：8位） 传输块大小块越大总线开销越小每次传送单字总线主设备多个（需要仲裁）单个（无
2、需仲裁）分离事务采用不用 定时方式同步异步6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接 430(1) 分离事务总线在有多个主设备时，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中 都占有总线。地址地址地址地址 1 1 地址地址 2 2 地址地址 3 3数据数据数据数据 0 0 数据数据 1 1等待等待等待等待 1 1 完成完成 1 16.5 I/O设备与CPU和存储器的连接 530(2) 同步总线同步总线上所有设备通过统一的总线系统时钟进行同步。优点：成本低，因为它不需要设备之间互相确定时序的逻辑。缺点：总线操作必须以相同的速度运行。(3) 异步总线异步总线上的设备之间没有统一的系统时钟
3、，设备自己内部定时。6.5 I/O设备与CPU和/存储器的连接 2. 总线标准和实例几种常用并行I/O总线 IDE / Ultra ATASCSIPCIPCI-X数据宽度16bit8 / 16bit32 / 64bit32 / 64bit时钟频率 MHz10010（Fast） 20（Ultra） 40（Ultra2） 80（Ultra3） 160（Ultra4）33 / 6666 / 100 / 133主设备数量一个多个多个多个 峰值带宽200MB/s320MB/s533MB/s1066MB/s 同步方式异步异步同步同步 标准无ANSI X3.131无无730几种常用串行I/O总线I2C1-w
4、ireRS-232SPI 数据宽度（bit）1121 信号线数量219 / 253 时钟频率（MHz）0.4 10异步0.04或异步异步总线主设备数量多个多个多个多个 峰值带宽（Mb/s）0.4 3.40.0140.1921同步方式异步异步异步异步 标准无无EIA, ITU-T V.21无6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接 830几种CPU-存储器互连系统 HP HyperPlane CrossbarIBM SPSUN Gigaplane- XB 数据宽度(bit)64128128 时钟频率(MHz)12011183.3 总线的主设备数多个多个多个 每端口峰值带宽 (MB/s)96017
5、001300总峰值带宽(MB/s)76801420010667 同步方式同步同步同步 标准无无无6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接 9306.5.2 设备的连接1. 典型的总线连接 CPUCache 主存I/O控制器图形显示I/O控制器I/O控制器总线适配器网络CPUCPU主存总线主存总线I/OI/O总线总线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I/O或统一编址 I/O设备单独编址无论选择哪一种编址方法，每个I/O设备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、DMA、I/O处理机6.5 I/O
6、设备与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I/O工作全部都要由CPU来承担，CPU的I/O负担很重，不能专心于用户程序的计算。 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。解决上述问题的方法：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I/O工作。通道处理机：能够执行有限I/O指令，并且能够被多台外围设备共享的小型DMA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) 接受CPU发来的I/O指令，根据
7、指令要求选择一台指定的外围设备与通道相连接。(2) 执行CPU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，并根据需要向被选中的设备控制器发出各种操作命令。(3) 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。如 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) 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，或者暂时存放将要输出到外围设备中去的数据。(5) 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，并判断数据传送工作是否结束。(6) 指定传送工作结束时要进行的操作。(7
8、) 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。6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接 1530(8) 在数据传输过程中完成必要的格式变换。例如 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) 寄存器部分l 数据缓冲寄存器l 主存地址计数器l 传输字节数计数器l 通道命令字寄存器l 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) 控制部分 l 分时控制l 地址分配l 数据传送l 数据装配l 拆卸3. 通道对外围设备的控制通过I/O接口和设备控制器进行通道与设备控制器之间一般采用标准的I/O接口来连接。 6.5
9、I/O设备与CPU和存储器的连接 17304. 工作过程(1) 在用户程序中使用访管指令进入管理程序，由CPU通过管理程序组织一个通道程序，并启动通道。(2) 通道处理机执行CPU为它组织的通道程序，完成指定的数据I/O工作。通道处理机执行通道程序是与CPU执行用户程序并行的。(3) 通道程序结束后向CPU发中断请求。CPU响应这个中断请求后，第二次进入操作系统，调用管理程序对I/O中断请求进行处理。6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接 19305. 通道程序、管理程序和用户程序的执行时间关系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 三种类型的通道
10、与CPU、设备控制器和外围设备的连接关系 l 字节多路通道l 选择通道l 数组多路通道 6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接 2230(1) 字节多路通道 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CPU之间的高速数据通路分时为多台设备服务。(2) 选择通道 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) 数组多路通道 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，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速外围设
11、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) 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 字节，然后又与另一台设备连接，并传送一个字节。(2) 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 ，传送完成后，又与另一台高速设备连接，再传送一个数据块。6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接 2530(3) 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n个字节全部传送完成，然后再与另一台设备相连接。8. 通道中数据的传送过程与流量分析
12、动画演示6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接 2630(1) 通道流量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，一般用字节个数来表示。又称为通道吞吐率，通道数据传输率等。(2) 通道最大流量一个通道在满负荷工作状态下的流量。(3) 流量计算公式 6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接 2730TS：设备选择时间。TD：传送一个字节所用的时间。p： 在一个通道上连接的设备台数，且这些设备同时都在工作。n: 每台设备传送的字节数，这里假设每台设备传送的字节数都相同。k： 数组多路通道传输的一个数据块中的包含的字节数。在一般情况下，kn。对于磁盘、磁带等磁表面存储器，通常k=512。T： 通道完成全部数据传送工作所需时间。6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接 2830 流量计算公式字节多路通道选择通道数组多路通道6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接 2930 最大流量字节多路通道选择通道数组多路通道6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接 3030 实际流量小于最大流量字节多路通道选择通道数组多路通道6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接
