计算机组成原理课件9

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1、第11章,输入输出(I/O)系统,输入输出(I/O)系统概述,I/O系统的作用 连通计算机的各个功能部件和设备，并在它们之间实现数据交换 I/O系统的组成 硬件部分主要由计算机总线和输入输出接口组成。 软件方面需要操作系统的支持。,I/O系统复杂多变的原因 太多的CPU系列和型号。它们的运行速度、处理功能、接口逻辑各不相同。 更多的外围设备。它们的运行原理、提供的功能、读写速度、接口逻辑千差万别。 不同的用户、不同的应用场合提出众多不同的使用要求，无法使用一种方式、一套方法全面解决问题。,解决问题的途径 建立公用的交换信息的通路(即计算机总线)，提供各部件协调使用通路的规则。 在众多不同的CP

2、U和各种不同的外围设备之间设置功能电路(即输入输出接口或设备接口卡)，解决二者之间的连接、沟通、匹配、缓冲等。 支持多个I/O设备并发执行输入输出操作，降低输入输出操作对CPU干预的需求，采用多种不同的输入输出方式，例如中断方式、DMA方式等。,计算机总线概述,总线是计算机各个部件之间传输信息的公共通路，包括传输数据信号的逻辑电路、管理信息传输协议的逻辑线路和物理连线。,在任何时刻，只可以有一个部件向总线上发送信息，但却可以有一个或多个部件同时接收信息。 控制向总线发送信息通常用带有高阻态输出的选通门实现。,总线,高,低,高,A,B,C,总线按传送的信息分为： 数据总线-传输数据信息，频率与宽

3、度正比于吞吐量。 地址总线-传输地址信息，宽度决定了内存寻址空间。 控制总线-给出总线周期类型、I/O操作完成时刻、DMA周期、中断等有关的控制信号等。,存 储 器,I/O 接 口,输 入 设 备,I/O 接 口,数据总线 DB,控制总线 CB,地址总线 AB,输 出 设 备,CPU,总线周期以及相关概念 总线周期：通过总线完成一次内存读写操作或者完成一次I/O设备读写操作所需的时间，一般由地址时间和数据时间组成。 地址时间：CPU向内存或IO设备送出地址信息到地址总线。 数据时间：CPU完成数据读写。 总线周期类型（现已知道的）：分为主存读周期、主存写周期、 I/O读周期、 I/O写周期四种

4、类型。,总线的等待状态：由于被读写的部件或设备速度慢，一次数据时间内不能完成读写操作，就要增加一个或多个数据时间继续完成读写操作，在这增加的数据时间里，称总线处于等待状态。 它影响系统的运行效率，降低系统的性能。 数据传送方式 单周期数据传输方式-每个周期传输一个数据。 猝发数据传输方式(Burst总线周期)-数据传输时给出一次地址信息，可以连续传送多个数据。,输入 设备,计算机总线的结构,单总线结构：早期的计算机，如美国 DEC 公司PDP-11 机只使用一组总线，所有的部件和设备都接在这唯一的总线上，包括数据总线，地址总线，控制总线。 优点是结构简单，成本低廉 缺点是运行效率低。,CPU,

5、主存,输出 设备,总线,衡量总线性能指标 数据输入/输出的吞吐量即数据传输速率或带宽。 提高总线性能方法： 尽量提高CPU总线本身的速度。 从总线结构上多提供几组总线（如铁路可以修复线，公路可以有多条）。 多总线结构 双总线：是指是指在计算机中配置两组总线，即在处理机总线上通过一块扩展总线的控制线路，提供出另外一组总线，称为输入/输出总线。 比较常用的有工业标准总线(ISA)和扩展的工业标准总线(EISA)，主要用于连接一般的输入/输出设备。,CPU,主存,扩展总线 控制线路,I/O设备1,I/O设备2,处理机总线,33MHz,4B8B,ISA / EISA,8.33MHz 1 , 2 , 4

6、 B,双总线结构,. . .,三总线：是指在计算机中配置3组总线。 在处理机总线上通过一块被称为PCI桥的控制线路，提供出一组高性能的局部总线，称为PCI总线。 把原来的ISA总线和EISA总线从处理机总线上断开，并通过IO控制线路连接到这里的PCI总线上。把一些慢速的输入/输出设备接到EISA（ISA）总线上。,三总线结构,常用的标准总线技术指标,现代PC机的结构,总线仲裁,主设备与从设备 主设备（master） ：申请总线使用权并发出命令控制总线运行的设备，如CPU等。 从设备（slave）：只能响应主设备发出的命令并执行读写操作的设备，如内存等。 总线控制器（总线仲裁器） 执行总线仲裁功

7、能，解决多个总线主设备竞争使用总线的管理问题。 是通过判别主设备使用总线的优先级（bus priority）来决定多个申请使用总线的主设备中哪个获取总线的使用权（优先级最高）。 保证任何时刻只有一个总线主设备使用总线传输数据。,总线仲裁方式 集中式控制：总线控制逻辑集中在一个部件上（如CPU）。 分布式控制：总线控制逻辑分散在多个总线部件上。 每一种控制又分为： 串行链式查询 独立请求 定时查询 下面主要以集中式控制为例。,1、串行链式查询方式，优点是结构简单、易于扩展；缺点是优先级固定，链式线路故障会损害系统运行质量。,总 线 控 制 器,设备1,设备2,设备n,BG,BR,BS,Data,

8、BG:Bus Grant BR:Bus request BS:Bus Busy,2、独立请求方式，可以采用多种仲裁策略，优先级灵活、响应速度快、结构复杂。,总 线 控 制 器,设备1,设备2,设备n,BG1,BR1,Data,BR2,BG2,BRn,BGn,3、定时查询控制 定时查询控制方式是指定时查询各部件是否需要使用总线。 一般通过设置计数器来实现。 若采用总线控制器设置统一的计数方式，则称为统一计数方式。,图 统一计数方式,工作过程： 当控制器接到某部件发来的“总线请求”信号时，计数器开始计数。当计数值与发出请求信号部件的地址一致时，说明已经查询到优先级高的请求部件。于是该部件建立“总线

9、忙”，并停止查询。该部件占用总线进行数据传送，传送完毕后，撤消“总线忙”信号。,若计数器不是集中设置，而是每一个部件设置一个，则是局部计数方式。 总线控制器只是一个时钟产生器，给各部件的计数器提供计数脉冲。 当计数值达到发出“总线请求”的部件时，该部件建立“忙”信号，并以它禁止时钟脉冲的发出。于是该部件成为主设备，进行数据传送，传送完成后，撤消“忙”信号，计数脉冲又可以继续发出。,定时查询控制方式优先级的确定可由程序确定，如从0或中止点开始等。这种灵活性是以增加连线数目为代价的。,图 局部计数方式,分布式仲裁： （1）各主模块有自己的仲裁号和仲裁逻辑。 （2）以优先级仲裁策略为基础。 （3）过

10、程：首先把自己的仲裁号发送到仲裁总线上，仲裁逻辑将仲裁总线上的仲裁号与自己的仲裁号比较，若自己的优先级低，则请求失败，撤除自己的仲裁号，仲裁总线上最终保留优先级最高的仲裁号。,数据传输控制,数据传输控制方式 解决的是通信双方交换数据过程中在时间上的配合关系，即同步问题。可以分为同步通信与异步通信。 同步通信 是指在总线上传送数据时，通信双方使用同一个时钟信号进行同步，这个时钟信号通常可以由CPU的总线控制逻辑部件提供，称为总线时钟。 该方式逻辑简单，有较高的数据传输率。,同步通信步骤： （1）主设备在第1个时钟周期开始处发出地址和读信号，地址和控制信号有效。 （2）从设备接收后在下一个时钟周期

11、开始处把数据信号及应答信号放到总线上。 （3）在下一个时钟周期到来时，各信号恢复，完成总线周期。,异步通信 是指在总线上传送数据时，允许通信双方各自使用自己的时钟信号，采用“应答方式”（握手方式）解决数据传输过程中的时间配合关系，而不是共同使用同一个时钟信号进行同步。此种方式便于实现不同速度部件之间的数据传送。,异步通信步骤： （1）主设备先发出地址和读信号，待稳定后再发出主同步信号MSYN，表示地址和控制信号有效。 （2）从设备检测到同步信号后发出数据，待数据稳定后再发出从同步信号SSYN，表示数据信号有效。 （3）主设备接收数据。,异步通信分为：单向控制方式 双向控制方式 双向控制分为：非

12、互锁 半互锁 全互锁 在和外设通信时经常采用双向异步互锁通信。,图 异步通信方式,如图(a)，部件1发出请求信号，经过一定时间后，自动降下请求信号。部件2收到请求后，在条件允许时发出回答信号，经过一定时间后，自动降下回答信号。 在这种应答方式中，回答信号是因请求信号而引发的，用箭头表示这种引发关系。但这两个信号的结束都是由部件自身定时决定的，不存在互锁关系，因而称为非互锁方式。,如图(b)，部件1在接到部件2的回答信号后，便撤消请求信号。而部件2的回答信号撤消仍由自己的定时决定，不采用互锁。因此，这种方式称为半互锁方式 如图(c)，部件1在接到部件2的回答信号后，撤消其请求信号。而部件2在检测

13、到请求信号撤消后，便撤消其回答信号。因此，这种方式称为全互锁方式。,双向异步互锁通信是指发送部件将数据放到总线上后，经过一定的时间延迟后，要在控制线上发出“数据准备好”请求信号。而接收部件则应发“数据接收”回答信号到源部件，并接收数据。发送部件收到这个回答信号后，去除原数据，至此结束本次操作。,以某机总线为例，说明异步全互锁方式下主设备访问从设备的过程，如下图。因为它取消了公共时钟，时钟线被二条通信联络线代替，一条称为“Ready”(准备好)，另一条称为“Accept”(接收)。,图 异步通信总线信号,写操作过程： 主设备首先把地址、数据放到总线上，在允许的滞后、译码及建立时间的延迟之后，主设

14、备向从设备发送Ready信号，表示数据可以被从设备接收。 从设备接收到这个Ready后，开始进行写操作，把数据锁存于一个受控缓冲寄存器中，然后从设备向主设备回送Accept信号表示从设备已经收到了数据，主设备收到Accept信号之后撤消Ready信号，接着从设备也撤消Accept信号，表示一次数据传送结束。,读操作过程： 主设备首先把地址放到总线上，在选中从设备之后，主设备发送Ready信号，启动从设备操作，在从设备把所要求数据放到总线上之后，从设备向主设备回送Accept信号，表示从设备读操作完成。 主设备收到Accept信号后，立即把总线上的数据装入它的缓冲器，在这期间Accept信号必须

15、保持高电平，数据信号必须保持稳定，当主设备完成数据的接收，就撤消Ready信号，接着从设备也撤消Accept信号，于是整个数据传送完成。,异步通信方式优点：总线周期长度可变，便于实现不同速度部件之间的数据传送。 缺点：会增加总线的复杂性和成本。,总线参数选择,选择 提高性能 降低成本总线宽度 将地址和数据线分开 互用地址和数据线数据宽度 越宽越快（32位） 越窄越廉价（8位）传送大小 多字可减少总线开销 单字传送简单主设备 多主设备（仲裁） 单主设备时钟 同步 异步,输入输出接口基本功能,1、为主机提供识别要用的I/O设备的支持，即为每个设备规定几个地址码或编号。 将主存与I/O设备一起编址-

16、统一编址。 即对主存与I/O设备按统一的格式和方法来分配与安排在主存地址空间，指令访问的是主存还是I/O设备，是由用到的地址范围决定的。 将主存与I/O设备分开编址独立编址。 此时需设置并使用专用的输入（IN）输出（OUT）指令访问I/O设备。由于I/O设备的数量比较少，就可以用比较短的地址来编址，该地址被称为I/O端口地址。这种方案被大部分计算机普遍采用。,2、建立主机和设备之间的控制与通信机制，接收主机的命令，并提交给外部设备，同时，为主设备提供外部设备的状态。 3、提供主机和设备之间信息交换过程中的数据缓冲机构，如数据缓冲寄存器等。 4、提供主机和设备之间信息交换过程中的其他特别需求支持，屏蔽外部设备的差异。（如当主机和设备的信号幅度不同时的信号电平转换功能，数据传送中的格式转换功能）,