片上計算機系統(tǒng)06-計算機輸入輸出系統(tǒng)

1、大連理工大學 軟件學院 賴曉晨計算機組成原理計算機組成原理第六章 輸入輸出系統(tǒng)姓姓 名：楊慧晶名：楊慧晶單單 位：軟件學院位：軟件學院EmailEmail：大連理工大學 軟件學院 賴曉晨第五章第五章 輸入輸出系統(tǒng)輸入輸出系統(tǒng)p 總線總線p 輸入輸出接口輸入輸出接口p 輸入輸出系統(tǒng)工作方式輸入輸出系統(tǒng)工作方式 程序查詢方式 程序中斷方式 DMA方式大連理工大學 軟件學院 賴曉晨l 重點 要求掌握程序查詢、程序中斷及要求掌握程序查詢、程序中斷及DMA三種主機與三種主機與I/O交換信息的方式，交換信息的方式，并能明確不同控制方式各自所需的硬件及軟件編程方法。尤其對中并能明確不同控制方式各自所需的硬件

2、及軟件編程方法。尤其對中斷技術(shù)應(yīng)了解更深入，這樣才能進一步加深理解整機的工作過程。斷技術(shù)應(yīng)了解更深入，這樣才能進一步加深理解整機的工作過程。l 難點 處理中斷過程中有各類技術(shù)，并要配置相應(yīng)的各類硬件：和編寫相處理中斷過程中有各類技術(shù)，并要配置相應(yīng)的各類硬件：和編寫相應(yīng)的軟件程序。應(yīng)的軟件程序。 要真正認識要真正認識DMA與中斷傳送的區(qū)別，前者發(fā)生在存儲周期結(jié)束時，與中斷傳送的區(qū)別，前者發(fā)生在存儲周期結(jié)束時，后者發(fā)生在指令周期結(jié)束時，這就反映了后者發(fā)生在指令周期結(jié)束時，這就反映了DMA有挪用存儲周期的特有挪用存儲周期的特點。點。大連理工大學 軟件學院 賴曉晨5.1 概述概述一、輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展

3、概況，共經(jīng)歷一、輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展概況，共經(jīng)歷4個階個階段：段： 早期階段 接口模塊和DMA階段 通道階段 I/O處理機階段大連理工大學 軟件學院 賴曉晨1、早期階段、早期階段p CPU和外設(shè)分散連接、串行工作、耦合性和外設(shè)分散連接、串行工作、耦合性強，機器速度慢、價格高。強，機器速度慢、價格高。while( busy = 1);Do something 主存主存CPUI/O設(shè)備設(shè)備外設(shè)工作在查詢模式下。外設(shè)工作在查詢模式下。大連理工大學 軟件學院 賴曉晨p 這種交換方式具有以下幾個特點：這種交換方式具有以下幾個特點： 每個I/O設(shè)備都必須配有一套獨立的邏輯電路與CPU相連，用來實現(xiàn) I/O與

4、主機交換信息。線路十分零散、龐雜線路十分零散、龐雜 輸入輸出過程是穿插在CPU執(zhí)行程序之中進行的。當當I/OI/O與主機交換信息時，與主機交換信息時，CPUCPU不得不停止其各種運算。不得不停止其各種運算。I/OI/O與與CPUCPU是按串行方式工作的，極浪費時間。是按串行方式工作的，極浪費時間。 每個 I/O設(shè)備的邏輯控制電路與CPU的控制器緊密構(gòu)成一個不可分割的整體，它們彼此依賴，相互牽連。因此，欲增添或撤減或更換因此，欲增添或撤減或更換I/O設(shè)備是非常困難設(shè)備是非常困難大連理工大學 軟件學院 賴曉晨2、接口模塊與、接口模塊與DMA階段階段p 具有總線模式，主機通過各種接口連接外具有總線模

5、式，主機通過各種接口連接外設(shè)，具有中斷或設(shè)，具有中斷或DMA功能。功能。主主機機接口接口I/O設(shè)備設(shè)備接口接口I/O設(shè)備設(shè)備接口接口I/O設(shè)備設(shè)備設(shè)備尋址設(shè)備尋址速度匹配速度匹配格式轉(zhuǎn)換格式轉(zhuǎn)換電平轉(zhuǎn)換電平轉(zhuǎn)換內(nèi)內(nèi)存存多個多個DMA控制器同時訪問主存可能沖突；控制器同時訪問主存可能沖突；CPU管理眾多管理眾多DMA控制器，任務(wù)繁重?？刂破?，任務(wù)繁重。大連理工大學 軟件學院 賴曉晨通常在接口中都設(shè)有數(shù)據(jù)通路和控制通路。通常在接口中都設(shè)有數(shù)據(jù)通路和控制通路。 數(shù)據(jù)經(jīng)過接口既起到緩沖作用，又可完成串數(shù)據(jù)經(jīng)過接口既起到緩沖作用，又可完成串- -并變換或并變換或 并并- -串變換。串變換。 控制通路用以

6、傳送控制通路用以傳送CPUCPU向向I/OI/O設(shè)備發(fā)出的各種控制命令，設(shè)備發(fā)出的各種控制命令， 或使或使CPUCPU接受來自接受來自I/OI/O設(shè)備的反饋信號。設(shè)備的反饋信號。許多接口還能滿足許多接口還能滿足中斷請求處理中斷請求處理的要求。的要求。 使使I/OI/O設(shè)備與設(shè)備與CPUCPU可按并行方式工作，大大地提高了可按并行方式工作，大大地提高了CPUCPU 的工作效率。的工作效率。采用接口技術(shù)還可以使多臺采用接口技術(shù)還可以使多臺I/OI/O設(shè)備分時占用總線。設(shè)備分時占用總線。 使多臺使多臺I/OI/O設(shè)備互相之間也可實現(xiàn)并行工作方式，有利設(shè)備互相之間也可實現(xiàn)并行工作方式，有利 于整機工作

7、效率提高。于整機工作效率提高。大連理工大學 軟件學院 賴曉晨接口存在的問題接口存在的問題 雖然這個階段實現(xiàn)了雖然這個階段實現(xiàn)了CPUCPU和和I/OI/O并行工作，但是在主并行工作，但是在主機與機與I/OI/O交換信息時，交換信息時， CPUCPU要中斷現(xiàn)行程序，也即要中斷現(xiàn)行程序，也即CPUCPU與與I/OI/O還不能做到絕對的并行工作。還不能做到絕對的并行工作。DMA (Direct Memory Access)DMA (Direct Memory Access)技術(shù)技術(shù) 其特點是其特點是I/OI/O與主存之間有一條直接數(shù)據(jù)通路，與主存之間有一條直接數(shù)據(jù)通路， I/OI/O設(shè)備可以與主存直

8、接交換信息，使設(shè)備可以與主存直接交換信息，使CPUCPU在在I/OI/O與主存與主存交換信息時，能繼續(xù)完成自身的工作，故其資源利交換信息時，能繼續(xù)完成自身的工作，故其資源利用率得到了進一步的提高。用率得到了進一步的提高。大連理工大學 軟件學院 賴曉晨3、通道結(jié)構(gòu)、通道結(jié)構(gòu)p 通道是用來負責管理通道是用來負責管理I/O設(shè)備以及實現(xiàn)主存設(shè)備以及實現(xiàn)主存與與I/O設(shè)備之間交換信息的部件，可視為從設(shè)備之間交換信息的部件，可視為從屬于屬于CPU的的專用處理器專用處理器。p 通道具有專門指令，能獨立執(zhí)行由通道指通道具有專門指令，能獨立執(zhí)行由通道指令編寫的輸入輸出程序。令編寫的輸入輸出程序。通道并不能完全把

9、通道并不能完全把CPU解放出來，解放出來，CPU還要進行諸如碼制轉(zhuǎn)換之類的工作。還要進行諸如碼制轉(zhuǎn)換之類的工作。大連理工大學 軟件學院 賴曉晨通道有專用的通道指令，它能獨立地執(zhí)行用通通道有專用的通道指令，它能獨立地執(zhí)行用通道指令所編寫的輸入輸出程序。道指令所編寫的輸入輸出程序。 但它不是一個完全獨立的處理器，它受但它不是一個完全獨立的處理器，它受CPUCPU的的I/OI/O指指令啟動、停止或改變其工作狀態(tài)，是從屬于令啟動、停止或改變其工作狀態(tài)，是從屬于CPUCPU的的一個專用處理器。一個專用處理器。依賴通道管理的依賴通道管理的I/OI/O設(shè)備在與主機交換信息時，設(shè)備在與主機交換信息時，CPUC

10、PU不直接參與管理，故不直接參與管理，故CPUCPU的資源利用率更的資源利用率更高。高。大連理工大學 軟件學院 賴曉晨4、外圍處理機、外圍處理機p 外圍處理機又稱為外圍處理機又稱為I/O處理機，獨立于主機處理機，獨立于主機工作，除了具備通道功能之外，還具備碼工作，除了具備通道功能之外，還具備碼制轉(zhuǎn)換、格式處理、數(shù)據(jù)校驗等功能。制轉(zhuǎn)換、格式處理、數(shù)據(jù)校驗等功能。大連理工大學 軟件學院 賴曉晨1. 總線的基本概念2. 總線的分類3. 總線控制4. 總線特性及性能指標系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線大連理工大學 軟件學院 賴曉晨存儲器輸入設(shè)備運算器控制器輸出設(shè)備分散連接1：以運算器為中心的計算機硬件框圖p 采用總線

11、的必要性采用總線的必要性大連理工大學 軟件學院 賴曉晨計算機硬件框圖分散連接2：以存儲器為中心的計算機硬件框圖程序存儲器輸出設(shè)備輸入設(shè)備運算器控制器數(shù)據(jù)結(jié)果計算在里面使用中斷、DMA提高計算機的cpu使用效率無法解決I/O設(shè)備與主機之間連接的靈活性是指當主機接到外界硬件(如I/O設(shè)備)發(fā)來的信號時，馬上停止原來的工作，轉(zhuǎn)去處理這一事件，在處理完了以后，主機又回到原來的工作繼續(xù)工作。DMA （Direct Memory Access）是一種在CPU少量干預(yù)下，而直接從內(nèi)存存取數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)交換模式。 大連理工大學 軟件學院 賴曉晨總線的基本概念總線的基本概念p 采用總線的必要性采用總線的必要性 分散

12、連接 vs 總線連接p 總線的概念總線的概念 總線是連接多個部件的信息傳輸線，是各總線是連接多個部件的信息傳輸線，是各部件共享的傳輸介質(zhì)?？偩€由許多傳輸線或部件共享的傳輸介質(zhì)?？偩€由許多傳輸線或通道構(gòu)成，每條線可以傳送一個二進制位。通道構(gòu)成，每條線可以傳送一個二進制位。p 總線的特點總線的特點總線上有總線上有超過一個信息接收部件，且在任一個信息接收部件，且在任一時刻，只允許有一時刻，只允許有一個部件向總線發(fā)送信息。部件向總線發(fā)送信息。大連理工大學 軟件學院 賴曉晨總線的分類總線的分類p 片內(nèi)總線片內(nèi)總線 芯片內(nèi)部總線，例如運算器和cache之間的總線。p 系統(tǒng)總線（板級總線）系統(tǒng)總線（板級總線

13、） 處理器與主存、I/O等部件之間的信息傳輸線。 三總線結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線三總線結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線p 通信總線通信總線 計算機系統(tǒng)之間，或計算機與其他設(shè)備之間計算機系統(tǒng)之間，或計算機與其他設(shè)備之間的信息傳輸線。的信息傳輸線。大連理工大學 軟件學院 賴曉晨總線的分類總線的分類p 片內(nèi)總線片內(nèi)總線 芯片內(nèi)部總線，例如運算器和cache之間的總線。p 系統(tǒng)總線（板級總線）系統(tǒng)總線（板級總線） 處理器與主存、I/O等部件之間的信息傳輸線。 三總線結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線三總線結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線p 通信總線通信總線 計算機系統(tǒng)之間，或計算機與其他

14、設(shè)備之間計算機系統(tǒng)之間，或計算機與其他設(shè)備之間的信息傳輸線。的信息傳輸線。片內(nèi)總線片內(nèi)總線處理處理器核器核cacheCPU大連理工大學 軟件學院 賴曉晨總線的分類總線的分類p 片內(nèi)總線片內(nèi)總線 芯片內(nèi)部總線，例如運算器和cache之間的總線。p 系統(tǒng)總線（板級總線）系統(tǒng)總線（板級總線） 處理器與主存、I/O等部件之間的信息傳輸線。 三總線結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線三總線結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線p 通信總線通信總線 計算機系統(tǒng)之間，或計算機與其他設(shè)備之間計算機系統(tǒng)之間，或計算機與其他設(shè)備之間的信息傳輸線。的信息傳輸線。聲卡聲卡CPU顯卡顯卡網(wǎng)卡網(wǎng)卡系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線dbabcb大

15、連理工大學 軟件學院 賴曉晨總線的分類總線的分類p 片內(nèi)總線片內(nèi)總線 芯片內(nèi)部總線，例如運算器和cache之間的總線。p 系統(tǒng)總線（板級總線）系統(tǒng)總線（板級總線） 處理器與主存、I/O等部件之間的信息傳輸線。 三總線結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線三總線結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線p 通信總線通信總線 計算機系統(tǒng)之間，或計算機與其他設(shè)備之間計算機系統(tǒng)之間，或計算機與其他設(shè)備之間的信息傳輸線。的信息傳輸線。計算機計算機計算機計算機設(shè)備設(shè)備1設(shè)備設(shè)備2通信總線通信總線大連理工大學 軟件學院 賴曉晨一、系統(tǒng)總線一、系統(tǒng)總線1、數(shù)據(jù)總線 雙向傳輸總線。 數(shù)據(jù)總線的位數(shù)稱為數(shù)據(jù)總線寬度數(shù)據(jù)總線寬

16、度。 位數(shù)即為機器位數(shù)機器位數(shù)，與機器字長、存儲器字長有關(guān)。CPU存儲器存儲器data bus8大連理工大學 軟件學院 賴曉晨2、地址總線、地址總線p 用來標識主存或用來標識主存或I/O設(shè)備上存儲單元的位設(shè)備上存儲單元的位置。置。p 單向總線單向總線p 地址總線的位數(shù)如何確定？CPU存儲器存儲器address bus？大連理工大學 軟件學院 賴曉晨2、地址總線、地址總線p 用來標識主存或用來標識主存或I/O設(shè)備上存儲單元的位置。設(shè)備上存儲單元的位置。p 單向總線單向總線p 地址總線的位數(shù)如何確定？地址總線的位數(shù)與存儲單元的個數(shù)有關(guān)，與存儲地址總線的位數(shù)與存儲單元的個數(shù)有關(guān)，與存儲單元的二進制位

17、長度無關(guān)。如地址總線有單元的二進制位長度無關(guān)。如地址總線有n條，則條，則最多可以尋址到最多可以尋址到2n個存儲單元。個存儲單元。回答以下問題：回答以下問題：如有如有256B存儲單元，需要多少條地址線？存儲單元，需要多少條地址線？如有如有2KB存儲單元，需要多少條地址線？存儲單元，需要多少條地址線？如有如有16MB存儲單元，需要多少條地址線？存儲單元，需要多少條地址線？如有如有4GB存儲單元，需要多少條地址線？存儲單元，需要多少條地址線？大連理工大學 軟件學院 賴曉晨3、控制總線、控制總線p 用來發(fā)出各種控制信號的傳輸線。用來發(fā)出各種控制信號的傳輸線。p 單一控制線通常是單向的。單一控制線通常是

18、單向的。p 控制總線總體來說是雙向總線?？刂瓶偩€總體來說是雙向總線。p 典型控制線典型控制線 復(fù)位、時鐘、中斷相關(guān)、總線請求、存儲器復(fù)位、時鐘、中斷相關(guān)、總線請求、存儲器讀寫、讀寫、I/O讀寫、讀寫、I/O讀寫、忙閑檢測、傳輸響應(yīng)讀寫、忙閑檢測、傳輸響應(yīng)等。等。CPU存儲器存儲器/外設(shè)外設(shè)control bus大連理工大學 軟件學院 賴曉晨二、通信總線二、通信總線p 概念概念用于計算機系統(tǒng)之間、計算機系統(tǒng)和其他系用于計算機系統(tǒng)之間、計算機系統(tǒng)和其他系統(tǒng)之間的通信。統(tǒng)之間的通信。p 特點特點類別繁雜，連接規(guī)格、傳輸距離、速度、工類別繁雜，連接規(guī)格、傳輸距離、速度、工作模式各不相同。作模式各不相同

19、。傳輸速度和距離成反比。傳輸速度和距離成反比。p 類型：串行、并行類型：串行、并行大連理工大學 軟件學院 賴曉晨1、串行通信、串行通信p 數(shù)據(jù)在單條數(shù)據(jù)在單條1位寬的傳輸線上一位一位按順序依位寬的傳輸線上一位一位按順序依次傳送。次傳送。p 適宜遠距離數(shù)據(jù)傳送，可從幾米到幾千千米。適宜遠距離數(shù)據(jù)傳送，可從幾米到幾千千米。成本低。成本低。p 一個字節(jié)分一個字節(jié)分8次傳送完畢次傳送完畢 MSB LSB大連理工大學 軟件學院 賴曉晨串行通信舉例：串行通信舉例：IIC串行總線串行總線大連理工大學 軟件學院 賴曉晨2、并行通信、并行通信p 數(shù)據(jù)在多條數(shù)據(jù)在多條1位寬位寬的傳輸線上并行傳的傳輸線上并行傳送，

20、同時由源傳送送，同時由源傳送到目的地。到目的地。p 適宜近距離的數(shù)據(jù)適宜近距離的數(shù)據(jù)傳送，通常小于傳送，通常小于30米。米。p 短距離內(nèi)，傳輸速短距離內(nèi)，傳輸速度遠快于串行方式。度遠快于串行方式。 大連理工大學 軟件學院 賴曉晨并行通信舉例：并行通信舉例：8255并口控制器并口控制器大連理工大學 軟件學院 賴曉晨p 單總線單總線p 多總線多總線 雙總線 三總線 四總線總線結(jié)構(gòu)總線結(jié)構(gòu)大連理工大學 軟件學院 賴曉晨一、單總線結(jié)構(gòu)一、單總線結(jié)構(gòu) CPU 主存主存 I/O接口接口 I/O 設(shè)備設(shè)備1 I/O 設(shè)備設(shè)備2 I/O接口接口 I/O 設(shè)備設(shè)備n I/O接口接口大連理工大學 軟件學院 賴曉晨

21、一、單總線結(jié)構(gòu)一、單總線結(jié)構(gòu) CPU 主存主存 I/O接口接口 I/O 設(shè)備設(shè)備1 I/O 設(shè)備設(shè)備2 I/O接口接口 I/O 設(shè)備設(shè)備n I/O接口接口結(jié)構(gòu)簡單、便于擴充、傳輸速率低、容易形結(jié)構(gòu)簡單、便于擴充、傳輸速率低、容易形成瓶頸。成瓶頸。大連理工大學 軟件學院 賴曉晨二、多總線結(jié)構(gòu)二、多總線結(jié)構(gòu)通道通道 I/O接口接口 設(shè)備設(shè)備n I/O接口接口 設(shè)備設(shè)備0 CPU主存主存主存總線主存總線I/O總線總線1、雙總線結(jié)構(gòu)、雙總線結(jié)構(gòu)大連理工大學 軟件學院 賴曉晨大連理工大學軟件學院 賴曉晨1、雙總線結(jié)構(gòu)、雙總線結(jié)構(gòu)通道通道 I/O接口接口 設(shè)備設(shè)備n I/O接口接口 設(shè)備設(shè)備0 CPU主存

22、主存主存總線主存總線I/O總線總線將速度較低的設(shè)備從主存總線上分離出來，將速度較低的設(shè)備從主存總線上分離出來，形成主存總線與形成主存總線與I/O總線分開的結(jié)構(gòu)?？偩€分開的結(jié)構(gòu)。通道通道是一個具有特殊功能的處理器，負責對是一個具有特殊功能的處理器，負責對I/O統(tǒng)一管理。統(tǒng)一管理。大連理工大學 軟件學院 賴曉晨2、三總線結(jié)構(gòu)、三總線結(jié)構(gòu)1主存總線主存總線DMA總線總線I/O總線總線 CPU 主存主存設(shè)備設(shè)備1設(shè)備設(shè)備n高速外設(shè)高速外設(shè)I/O接口接口I/O接口接口I/O接口接口大連理工大學 軟件學院 賴曉晨2、三總線結(jié)構(gòu)、三總線結(jié)構(gòu)1主存總線主存總線DMA總線總線I/O總線總線 CPU 主存主存設(shè)備

23、設(shè)備1設(shè)備設(shè)備n高速外設(shè)高速外設(shè)I/O接口接口I/O接口接口I/O接口接口主存總線用于主存總線用于CPU和主存交換信息，和主存交換信息，I/O總總線用于線用于CPU和和I/O設(shè)備見傳送信息，設(shè)備見傳送信息，DMA總總線負責在主存和線負責在主存和I/O設(shè)備間直接傳遞信息。設(shè)備間直接傳遞信息。大連理工大學 軟件學院 賴曉晨局域網(wǎng)局域網(wǎng)系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線CPUCache局部總線局部總線擴展總線接口擴展總線接口擴展總線擴展總線Modem串行接口串行接口SCSI局部局部I/O控制器控制器主存主存3、三總線結(jié)構(gòu)、三總線結(jié)構(gòu)2大連理工大學 軟件學院 賴曉晨局域網(wǎng)局域網(wǎng)系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線CPUCache局部總線局

24、部總線擴展總線接口擴展總線接口擴展總線擴展總線Modem串行接口串行接口SCSI局部局部I/O控制器控制器主存主存3、三總線結(jié)構(gòu)、三總線結(jié)構(gòu)2處理器采用局部總線連到處理器采用局部總線連到cache，再利用系，再利用系統(tǒng)總線連接主存，通過擴展總線接口連接其統(tǒng)總線連接主存，通過擴展總線接口連接其他接口。他接口。大連理工大學 軟件學院 賴曉晨多媒體多媒體 Modem主存主存擴展總線接口擴展總線接口局域網(wǎng)局域網(wǎng)SCSICPU串行接口串行接口FAX系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線局部總線局部總線高速總線高速總線擴展總線擴展總線圖形圖形Cache/橋橋4、四總線結(jié)構(gòu)、四總線結(jié)構(gòu)大連理工大學 軟件學院 賴曉晨多媒體多媒體

25、Modem主存主存擴展總線接口擴展總線接口局域網(wǎng)局域網(wǎng)SCSICPU串行接口串行接口FAX系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線局部總線局部總線高速總線高速總線擴展總線擴展總線圖形圖形Cache/橋橋4、四總線結(jié)構(gòu)、四總線結(jié)構(gòu)系統(tǒng)把設(shè)備總線分為兩個層次，高速設(shè)備連系統(tǒng)把設(shè)備總線分為兩個層次，高速設(shè)備連接高速總線，低速設(shè)備連接擴展總線，各總接高速總線，低速設(shè)備連接擴展總線，各總線直接由橋連接。線直接由橋連接。大連理工大學 軟件學院 賴曉晨總線控制總線控制p 總線上連接有多個部件時，何時由哪個部總線上連接有多個部件時，何時由哪個部件發(fā)送信息，如何給信息傳送定時，如何件發(fā)送信息，如何給信息傳送定時，如何防止信息丟失，如何

26、避免多個部件同時發(fā)防止信息丟失，如何避免多個部件同時發(fā)送信息，如何規(guī)定信息發(fā)送的部件等問題，送信息，如何規(guī)定信息發(fā)送的部件等問題，由總線控制器統(tǒng)一管理。由總線控制器統(tǒng)一管理。p 總線判優(yōu)控制（仲裁邏輯）總線判優(yōu)控制（仲裁邏輯）p 通信控制通信控制大連理工大學 軟件學院 賴曉晨一、總線判優(yōu)一、總線判優(yōu)p 主設(shè)備：對總線有控制權(quán)，可以發(fā)起信：對總線有控制權(quán)，可以發(fā)起信息傳送。息傳送。p 從設(shè)備：只能響應(yīng)總線上的命令：只能響應(yīng)總線上的命令p 判優(yōu)邏輯：當多個主設(shè)備同時申請使用：當多個主設(shè)備同時申請使用總線時，總線判優(yōu)邏輯電路按照一定的總線時，總線判優(yōu)邏輯電路按照一定的優(yōu)先級順序來確定哪個主設(shè)備可以使

27、用優(yōu)先級順序來確定哪個主設(shè)備可以使用總線。總線。p 判優(yōu)邏輯分類：分布式、集中式（鏈式查詢、計算器定分布式、集中式（鏈式查詢、計算器定時查詢、獨立請求方式）時查詢、獨立請求方式）大連理工大學 軟件學院 賴曉晨總總線線控控制制部部件件I/O接口接口0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口nBG數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線地址線地址線BS 總線忙總線忙BR總線請求總線請求BG總線同意總線同意I/O接口接口11、鏈式查詢方式、鏈式查詢方式大連理工大學 軟件學院 賴曉晨總總線線控控制制部部件件I/O接口接口0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口nBG數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線地址線地址線BS 總線忙總線忙BR總線請求總線請求BG

28、總線同意總線同意I/O接口接口11、鏈式查詢方式、鏈式查詢方式自動支持優(yōu)先級自動支持優(yōu)先級連接簡單，易于擴充設(shè)備，但是對電路故障連接簡單，易于擴充設(shè)備，但是對電路故障敏感，而且優(yōu)先級低的設(shè)備獲得請求很難。敏感，而且優(yōu)先級低的設(shè)備獲得請求很難。大連理工大學 軟件學院 賴曉晨 0BS 總線忙總線忙BR總線請求總線請求總總線線控控制制部部件件數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線地址線地址線I/O接口接口0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口n設(shè)備地址設(shè)備地址I/O接口接口1 計數(shù)器計數(shù)器設(shè)備地址設(shè)備地址 12、計數(shù)器定時查詢方式、計數(shù)器定時查詢方式大連理工大學 軟件學院 賴曉晨 0BS 總線忙總線忙BR總線請求總線請求總

29、總線線控控制制部部件件數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線地址線地址線I/O接口接口0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口n設(shè)備地址設(shè)備地址I/O接口接口1 計數(shù)器計數(shù)器設(shè)備地址設(shè)備地址 12、計數(shù)器定時查詢方式、計數(shù)器定時查詢方式對故障不敏感，但是增加了設(shè)備地址線，控對故障不敏感，但是增加了設(shè)備地址線，控制復(fù)雜。制復(fù)雜。大連理工大學 軟件學院 賴曉晨排隊器排隊器排隊器排隊器總總線線控控制制部部件件數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線地址線地址線I/O接口接口0I/O接口接口1I/O接口接口nBR0 BG0BR1BG1BRnBGnBG總線同意總線同意BR總線請求總線請求3、獨立請求方式、獨立請求方式大連理工大學 軟件學院 賴曉晨排隊器排隊

30、器排隊器排隊器總總線線控控制制部部件件數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線地址線地址線I/O接口接口0I/O接口接口1I/O接口接口nBR0 BG0BR1BG1BRnBGnBG總線同意總線同意BR總線請求總線請求3、獨立請求方式、獨立請求方式響應(yīng)速度快，優(yōu)先次序控制靈活，但是控制響應(yīng)速度快，優(yōu)先次序控制靈活，但是控制線數(shù)目多，總線控制邏輯更加復(fù)雜。線數(shù)目多，總線控制邏輯更加復(fù)雜。大連理工大學 軟件學院 賴曉晨二、總線通信控制二、總線通信控制p 目的：解決通信方法協(xié)調(diào)配合的問題目的：解決通信方法協(xié)調(diào)配合的問題p 總線周期分為四個階段：總線周期分為四個階段： 申請分配階段：各主模塊提出申請申請，總線仲裁器選中合適的模塊。

31、 尋址階段：主模塊發(fā)出地址和命令地址和命令 傳數(shù)階段：主模塊和從模塊交換數(shù)據(jù)交換數(shù)據(jù) 結(jié)束階段：主模塊撤銷撤銷有關(guān)信息大連理工大學 軟件學院 賴曉晨三、總線通信的四種方式三、總線通信的四種方式p 同步通信：發(fā)送同步通信：發(fā)送時鐘信號來同步數(shù)據(jù)傳送來同步數(shù)據(jù)傳送p 異步通信：沒有時鐘，采用異步通信：沒有時鐘，采用握手信號同步同步p 半同步通信：同步、異步半同步通信：同步、異步結(jié)合，插入插入等待周期。p 分離式通信：傳輸周期分離式通信：傳輸周期劃分為功能獨立的為功能獨立的子周期子周期大連理工大學 軟件學院 賴曉晨 讀讀命令命令T1總線傳輸周期總線傳輸周期T2T3T4 時鐘時鐘 地址地址 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)1

32、、同步通信（讀）、同步通信（讀）大連理工大學 軟件學院 賴曉晨 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)T1總線傳輸周期總線傳輸周期T2T3T4 時鐘時鐘 地址地址 寫寫命令命令1 1、同步通信（寫）、同步通信（寫）大連理工大學 軟件學院 賴曉晨不互鎖不互鎖半互鎖半互鎖全互鎖全互鎖主設(shè)備主設(shè)備從設(shè)備從設(shè)備請請求求回回答答2、異步通信、異步通信大連理工大學 軟件學院 賴曉晨3、半同步通信、半同步通信p 發(fā)送方仍然發(fā)送時鐘。發(fā)送方仍然發(fā)送時鐘。p 接收方根據(jù)自身情況反饋信息給發(fā)送方，接收方根據(jù)自身情況反饋信息給發(fā)送方，使發(fā)送方進行相應(yīng)調(diào)整。增加一條使發(fā)送方進行相應(yīng)調(diào)整。增加一條等待響響應(yīng)信號線（應(yīng)信號線（wait）p “主體同步

33、，細節(jié)異步主體同步，細節(jié)異步”p 允許不同速率的設(shè)備和諧工作允許不同速率的設(shè)備和諧工作大連理工大學 軟件學院 賴曉晨 讀讀 命令命令WAIT 地址地址 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 時鐘時鐘總線傳輸周期總線傳輸周期T1T2TWTWT3T4半同步通信時序圖半同步通信時序圖大連理工大學 軟件學院 賴曉晨上述三種通信方式的共同點上述三種通信方式的共同點p 對于一個總線周期，以讀為例對于一個總線周期，以讀為例占用總線從模塊發(fā)出數(shù)據(jù)不占用總線從模塊準備數(shù)據(jù)占用總線主模塊發(fā)出地址、命令大連理工大學 軟件學院 賴曉晨4、分離式通信、分離式通信p 每個總線傳輸周期分為兩個子周期每個總線傳輸周期分為兩個子周期 子周期1：主模塊申請

34、占用總線，使用完后即放棄總線的使用權(quán)。 子周期2：從模塊申請占用總線，將各種信息送到總線上。充分挖掘系統(tǒng)總線每個瞬間的潛力充分挖掘系統(tǒng)總線每個瞬間的潛力大連理工大學 軟件學院 賴曉晨分離式通信的特點分離式通信的特點p 各模塊有權(quán)申請占用總線。各模塊有權(quán)申請占用總線。p 采用同步方式通信，省去握手開銷。采用同步方式通信，省去握手開銷。p 各模塊準備數(shù)據(jù)時，不占用總線資源。各模塊準備數(shù)據(jù)時，不占用總線資源。p 總線無空閑等待時間，提高了利用率?？偩€無空閑等待時間，提高了利用率。大連理工大學 軟件學院 賴曉晨一、總線物理實現(xiàn)一、總線物理實現(xiàn)總線特性及性能指標總線特性及性能指標CPU 插板插板主存主存

35、 插板插板I/O 插板插板BUS主板主板大連理工大學 軟件學院 賴曉晨二、總線特性二、總線特性p 機械特性機械特性p 電氣特性電氣特性p 功能特性功能特性p 時間特性時間特性大連理工大學 軟件學院 賴曉晨二、總線特性二、總線特性p 機械特性：機械特性：物理尺寸、插頭形狀、管腳數(shù)、排列順序。物理尺寸、插頭形狀、管腳數(shù)、排列順序。p 電氣特性：電氣特性：信號線的電平范圍。邏輯信號線的電平范圍。邏輯“1”，邏輯，邏輯“0”。TTL電平、電平、CMOS電平。電平。 大連理工大學 軟件學院 賴曉晨二、總線特性二、總線特性p 機械特性：機械特性：物理尺寸、插頭形狀、管腳數(shù)、排列順序。物理尺寸、插頭形狀、管

36、腳數(shù)、排列順序。p 電氣特性：電氣特性：信號線的電平范圍。邏輯信號線的電平范圍。邏輯“1”，邏輯，邏輯“0”。TTL電平、電平、CMOS電平、電平、RS-232C。 10大連理工大學 軟件學院 賴曉晨二、總線特性二、總線特性p 功能特性：功能特性：每根傳輸線的功能：數(shù)據(jù)、地址、控制。每根傳輸線的功能：數(shù)據(jù)、地址、控制。p 時間特性：時間特性：信號的前后時序關(guān)系。信號的前后時序關(guān)系。大連理工大學 軟件學院 賴曉晨二、總線特性二、總線特性p 功能特性：功能特性：每根傳輸線的功能：數(shù)據(jù)、地址、控制。每根傳輸線的功能：數(shù)據(jù)、地址、控制。p 時間特性：時間特性：信號的前后時序關(guān)系。信號的前后時序關(guān)系。

37、大連理工大學 軟件學院 賴曉晨三、總線性能指標三、總線性能指標p 總線寬度：總線寬度：數(shù)據(jù)線位數(shù)位數(shù)p 總線帶寬：數(shù)據(jù)傳輸速率總線帶寬：數(shù)據(jù)傳輸速率p 時鐘同步方式：同步、異步時鐘同步方式：同步、異步p 總線復(fù)用：地址、數(shù)據(jù)、控制線復(fù)用總線復(fù)用：地址、數(shù)據(jù)、控制線復(fù)用p 信號線數(shù)：三總線所有信號線總數(shù)信號線數(shù)：三總線所有信號線總數(shù)p 總線控制方式：突發(fā)工作、仲裁方式等總線控制方式：突發(fā)工作、仲裁方式等p 其他指標：帶載能力、電源電壓等其他指標：帶載能力、電源電壓等大連理工大學 軟件學院 賴曉晨大連理工大學 軟件學院 賴曉晨總線標準總線標準1、概念： 系統(tǒng)與模塊、模塊與模塊之間第一個互連的系統(tǒng)與

38、模塊、模塊與模塊之間第一個互連的標準界面，能夠隱藏符合標準的部件內(nèi)部的操標準界面，能夠隱藏符合標準的部件內(nèi)部的操作細節(jié)。作細節(jié)。標準界面模塊1模塊2模塊3模塊4系統(tǒng)1系統(tǒng)2模塊、系統(tǒng)之間模塊、系統(tǒng)之間不需知道對方的不需知道對方的實現(xiàn)細節(jié)。實現(xiàn)細節(jié)。什么樣的總線什么樣的總線大連理工大學 軟件學院 賴曉晨2、總線標準舉例、總線標準舉例p ISA/AT總線總線 p EISA總線總線 p VESA（VL-BUS）總線）總線 p PCI總線總線p AGP總線總線p RS-232C總線總線p USB總線總線自學：自學：p48-p52大連理工大學 軟件學院 賴曉晨總線標準數(shù)據(jù)線總線時鐘帶寬ISA168 MH

39、z（獨立）33 MBpsEISA328 MHz（獨立）33 MBpsVESA(VL-BUS)3232 MHz（CPU）133 MBpsPCI326433 MHz（獨立）64 MHz（獨立）132 MBps528 MBpsAGP3266.7 MHz（獨立）133 MHz（獨立）266 MBps533 MBpsRS-232串行通信總線標準數(shù)據(jù)終端設(shè)備（計算機）和數(shù)據(jù)通信設(shè)備（調(diào)制解調(diào)器）之間的標準接口USB串行接口總線標準普通無屏蔽雙絞線帶屏蔽雙絞線最高1.5 Mbps (USB1.0)12 Mbps (USB1.0)480 Mbps (USB2.0)大連理工大學 軟件學院 賴曉晨二、輸入輸出系統(tǒng)

40、的組成二、輸入輸出系統(tǒng)的組成p I/O軟件軟件 輸入輸出系統(tǒng)軟件的主要任務(wù)是：輸入輸出系統(tǒng)軟件的主要任務(wù)是： 如何將用戶編制的程序如何將用戶編制的程序(或數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù))輸入至主機內(nèi)；輸入至主機內(nèi)； 如何將運算結(jié)果輸送給用戶；如何將運算結(jié)果輸送給用戶； 如何實現(xiàn)如何實現(xiàn)I/O系統(tǒng)與主機工作的協(xié)調(diào)等。系統(tǒng)與主機工作的協(xié)調(diào)等。 不同結(jié)構(gòu)的不同結(jié)構(gòu)的I/O系統(tǒng)所采用的軟件技術(shù)差異很大。系統(tǒng)所采用的軟件技術(shù)差異很大。 當采用接口模塊方式時，應(yīng)用機器指令系統(tǒng)中的當采用接口模塊方式時，應(yīng)用機器指令系統(tǒng)中的I/O指令指令及及系統(tǒng)軟件中的系統(tǒng)軟件中的管理程序管理程序，便可使，便可使I/O與主機與主機協(xié)調(diào)工作。協(xié)調(diào)

41、工作。 當采用通道管理方式時，除當采用通道管理方式時，除I/O指令外，還必須有指令外，還必須有通道指令通道指令及相應(yīng)的及相應(yīng)的操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) 即使都采用操作系統(tǒng)，不同的機器其操作系統(tǒng)的復(fù)雜程度差即使都采用操作系統(tǒng)，不同的機器其操作系統(tǒng)的復(fù)雜程度差異也是很大的。異也是很大的。 大連理工大學 軟件學院 賴曉晨二、輸入輸出系統(tǒng)的組成二、輸入輸出系統(tǒng)的組成p I/O軟件軟件 I/O指令：CPU指令 操作碼： I/O指令標志 命令碼：指令功能，讀、寫、檢測、控制命令 設(shè)備碼：地址碼 通道指令： 通道自身的指令，用于執(zhí)行I/O操作，存放于主存，由通道執(zhí)行，完成輸入輸出功能 在具有通道的計算機中， I/O

42、指令不完成數(shù)據(jù)輸入輸出，而主要完成啟停設(shè)備、通道控制，實際數(shù)據(jù)傳輸由通道完成。操作碼操作碼 命令碼命令碼 設(shè)備碼設(shè)備碼操作碼操作碼 地址碼地址碼大連理工大學 軟件學院 賴曉晨二、輸入輸出系統(tǒng)的組成二、輸入輸出系統(tǒng)的組成p I/O硬件：硬件： 輸入輸出系統(tǒng)的硬件組成是多種多樣的，在帶有接口的I/O系統(tǒng)中，一般包括接口模塊接口模塊及設(shè)設(shè)備備兩大部分。 在帶有通道的I/O系統(tǒng)中一般包括通道通道-設(shè)備設(shè)備控制器控制器-設(shè)備設(shè)備大連理工大學 軟件學院 賴曉晨三、三、I/O設(shè)備與主機的聯(lián)系方式設(shè)備與主機的聯(lián)系方式p I/O與主機聯(lián)系方式包括與主機聯(lián)系方式包括 CPU如何對I/O編址； 如何尋找I/O設(shè)備號

43、； 信息傳送是逐位串行還是多位并行： I/O與主機以什么方式進行聯(lián)絡(luò)，使它們之間彼此都知道雙方處于何種狀態(tài)； I/O與主機是怎么連接的等等。大連理工大學 軟件學院 賴曉晨三、三、I/O設(shè)備與主機的聯(lián)系方式設(shè)備與主機的聯(lián)系方式p I/O設(shè)備編址方式設(shè)備編址方式 統(tǒng)一編址： I/O占用存儲器地址空間，無須專門的I/O指令。減少了存儲器最大容量。 獨立編址： I/O地址與存儲器地址分開，采用專門指令來訪問I/O。不占用主存容量。p 設(shè)備尋址設(shè)備尋址 每臺設(shè)備都有設(shè)備號，啟動設(shè)備時，由I/O指令的設(shè)備碼字段直接指出設(shè)備號，經(jīng)接口中的設(shè)備選擇電路選中設(shè)備。操作碼操作碼 命令碼命令碼 設(shè)備碼設(shè)備碼大連理工

44、大學 軟件學院 賴曉晨三、三、I/O設(shè)備與主機的聯(lián)系方式設(shè)備與主機的聯(lián)系方式p 傳送方式傳送方式 并行：多位同時傳送，需要多條數(shù)據(jù)線，速度快。 串行：一條數(shù)據(jù)線和一條地線，逐位傳送，速度慢，適用于遠距離傳送。p 聯(lián)絡(luò)方式聯(lián)絡(luò)方式 不論是串行傳送還是并行傳送， I/O設(shè)備與主機之間必須互相了解彼此當時所處的狀態(tài)，如相互是否可以傳送，傳送是否已結(jié)束等等。這就是I/O設(shè)備與主機之間的聯(lián)絡(luò)問題。 立即響應(yīng)式：對于一些工作速度十分緩慢的簡單的外設(shè)，例如指示燈、繼電器等設(shè)備，隨時處在待命狀態(tài)，只要收到CPU的信號，立刻做出響應(yīng)。大連理工大學 軟件學院 賴曉晨三、三、I/O設(shè)備與主機的聯(lián)系方式設(shè)備與主機的聯(lián)

45、系方式p 聯(lián)絡(luò)方式聯(lián)絡(luò)方式 異步工作采用應(yīng)答信號聯(lián)絡(luò) 當I/O設(shè)備與主機工作速度不匹配時，通常采用異步工作方式。 這種方式在交換信息前， I/O與CPU各自完成自身的任務(wù)，一旦出現(xiàn)聯(lián)絡(luò)信號時，彼此才準備交換信息“Ready”“Strobe”I/O 接接 口口I/O 設(shè)設(shè) 備備CPU大連理工大學 軟件學院 賴曉晨三、三、I/O設(shè)備與主機的聯(lián)系方式設(shè)備與主機的聯(lián)系方式p 聯(lián)絡(luò)方式聯(lián)絡(luò)方式 同步工作采用同步時標聯(lián)絡(luò) 要求外設(shè)與CPU的工作速度完全一致例如在數(shù)據(jù)采集過程中，若外部數(shù)據(jù)以2400位/秒速率傳送至接口，則CPU也必須以1/2400秒的速率接收每一位數(shù)。 這種聯(lián)絡(luò)互相之間還得配有專用電路，用

46、以產(chǎn)生同步時標來控制同步工作。大連理工大學 軟件學院 賴曉晨三、三、I/O設(shè)備與主機的聯(lián)系方式設(shè)備與主機的聯(lián)系方式p I/O設(shè)備與主機的連接方式設(shè)備與主機的連接方式 輻射式：每臺設(shè)備都配有一套控制線路和一組信號線 總線式：便于增刪設(shè)備 外設(shè)外設(shè) 外設(shè)外設(shè) 外設(shè)外設(shè) 主主機機大連理工大學 軟件學院 賴曉晨四、四、I/O設(shè)備與主機信息傳送控制方式設(shè)備與主機信息傳送控制方式p I/O設(shè)備與主機信息傳送的控制方式如下：設(shè)備與主機信息傳送的控制方式如下： 程序查詢方式 中斷方式 DMA方式 通道方式 外圍處理機方式大連理工大學 軟件學院 賴曉晨1、程序查詢方式、程序查詢方式p 由由CPU通過程序不斷通過

47、程序不斷查詢查詢I/O設(shè)備是否己做設(shè)備是否己做好準備，從而控制好準備，從而控制I/O與主機交換信息。與主機交換信息。 I/O接口內(nèi)設(shè)置一個能接口內(nèi)設(shè)置一個能反映設(shè)備是否準備就反映設(shè)備是否準備就緒的狀態(tài)標記，緒的狀態(tài)標記， CPU通過對此標記的檢測，通過對此標記的檢測，可得知設(shè)備的準備情可得知設(shè)備的準備情況。況。 CPU和和I/O串行工作，串行工作， I/O工作時工作時CPU原地踏原地踏步。步。從從I/O接口中讀接口中讀 一個字到一個字到CPU從從CPU向主存向主存 寫入一個字寫入一個字CPU讀讀I/O狀態(tài)狀態(tài)檢查狀態(tài)檢查狀態(tài) 完成否完成否未準備就緒未準備就緒是是出錯出錯已準備就緒已準備就緒否否

48、現(xiàn)行程序現(xiàn)行程序現(xiàn)行程序現(xiàn)行程序大連理工大學 軟件學院 賴曉晨2、中斷方式、中斷方式p CPU在啟動I/O設(shè)備后，對設(shè)備是否已準備就緒不加過問，繼續(xù)執(zhí)行自身程序，只是當I/O設(shè)備準備就緒并向CPU發(fā)出中斷請求中斷請求后才予理睬， CPU和I/O部分并行工作，在中斷服務(wù)子程序中完成數(shù)據(jù)的傳送。大連理工大學 軟件學院 賴曉晨CPU 向向 I/O 發(fā)讀指令發(fā)讀指令CPU 讀讀 I/O 狀態(tài)狀態(tài)檢查狀態(tài)檢查狀態(tài)完成否？完成否？CPU 做其他事情做其他事情I/O 設(shè)備工作設(shè)備工作準備就緒準備就緒CPU I/O從從 CPU 向主存寫入一個字向主存寫入一個字CPU 主存主存從從 I/O 接口中讀一個字到接口

49、中讀一個字到CPUI/O CPU中斷請求中斷請求I/O CPU出錯出錯是是否否未錯未錯大連理工大學 軟件學院 賴曉晨CPU 向向 I/O 發(fā)讀指令發(fā)讀指令CPU 讀讀 I/O 狀態(tài)狀態(tài)檢查狀態(tài)檢查狀態(tài)完成否？完成否？CPU 做其他事情做其他事情I/O 設(shè)備工作設(shè)備工作準備就緒準備就緒CPU I/O從從 CPU 向主存寫入一個字向主存寫入一個字CPU 主存主存從從 I/O 接口中讀一個字到接口中讀一個字到CPUI/O CPU中斷請求中斷請求I/O CPU出錯出錯是是否否未錯未錯中斷程序消除了中斷程序消除了CPU原地踏步的情況，但是，原地踏步的情況，但是，CPU在響應(yīng)中斷請求后，必須暫停現(xiàn)程序，在

50、響應(yīng)中斷請求后，必須暫?，F(xiàn)程序，轉(zhuǎn)而去執(zhí)行中斷服務(wù)子程序，消耗了轉(zhuǎn)而去執(zhí)行中斷服務(wù)子程序，消耗了CPU資資源，并且，中斷處理過程是有開銷的。源，并且，中斷處理過程是有開銷的。大連理工大學 軟件學院 賴曉晨3、DMA方式方式p 在主存和在主存和I/O之間建立數(shù)據(jù)傳送的直接通道，之間建立數(shù)據(jù)傳送的直接通道，由由DMA控制器來完成信息傳送，不需要中控制器來完成信息傳送，不需要中斷斷CPU的運行。進一步提高了的運行。進一步提高了CPU和和I/O的的并行程度。并行程度。 CPU周期竊取若出現(xiàn)若出現(xiàn)DMADMA和和CPUCPU同時訪問主存，同時訪問主存， CPUCPU總是將總線占有權(quán)讓給總是將總線占有權(quán)讓

51、給DMADMA，通，通常把常把DMADMA的這種占有叫做的這種占有叫做“竊取竊取”或或“挪用挪用”。竊取的時間一般為一。竊取的時間一般為一個存儲周期，故又把個存儲周期，故又把DMADMA占用的存占用的存取周期叫做取周期叫做“竊取周期竊取周期”或或“挪用挪用周期周期”。而且，在。而且，在DMADMA竊取存取周竊取存取周期時，期時， CPUCPU尚能繼續(xù)作內(nèi)部操作尚能繼續(xù)作內(nèi)部操作( (如乘法運算如乘法運算) )。大連理工大學 軟件學院 賴曉晨存取周期結(jié)束存取周期結(jié)束CPU 執(zhí)行現(xiàn)行程序執(zhí)行現(xiàn)行程序CPU 執(zhí)行現(xiàn)行程序執(zhí)行現(xiàn)行程序DMA請求請求啟動啟動I/OI/O準備準備I/O準備準備一個存取周期

52、一個存取周期實現(xiàn)實現(xiàn)I/O與主存與主存之間的傳送之間的傳送CPU 執(zhí)行執(zhí)行現(xiàn)行程序現(xiàn)行程序CPU查詢等待并傳輸查詢等待并傳輸I/O數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)CPU 執(zhí)行執(zhí)行現(xiàn)行程序現(xiàn)行程序啟動啟動I/OI/O 準備及傳送準備及傳送指令執(zhí)行周期結(jié)束指令執(zhí)行周期結(jié)束CPU 執(zhí)行現(xiàn)行程序執(zhí)行現(xiàn)行程序CPU 執(zhí)行現(xiàn)行程序執(zhí)行現(xiàn)行程序啟動啟動I/O中斷請求中斷請求I/O準備準備I/O準備準備CPU 處理中斷服務(wù)程序處理中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)實現(xiàn) I/O 與主機之間的傳送與主機之間的傳送間間斷斷啟動啟動I/O啟動啟動I/OI/O準備準備中斷請求中斷請求啟動啟動I/OI/O準備準備一個存取周期一個存取周期DMA請求請求程序程序查詢

53、查詢方式方式程序程序中斷中斷方式方式DMA 方式方式I/O 準備及傳送準備及傳送間間斷斷I/O準備準備I/O準備準備大連理工大學 軟件學院 賴曉晨I/O設(shè)備設(shè)備p 計算機中除主機外的其余部分，稱為外部計算機中除主機外的其余部分，稱為外部設(shè)備（設(shè)備（ I/O 設(shè)備、外設(shè)）設(shè)備、外設(shè)）主機主機 設(shè)備設(shè)備控制器控制器機、電機、電磁、光磁、光部分部分I/O接接口口外部設(shè)備外部設(shè)備大連理工大學 軟件學院 賴曉晨外設(shè)分類外設(shè)分類p 分為三類分為三類 人機交互設(shè)備：鍵盤、鼠標、打印機、顯示人機交互設(shè)備：鍵盤、鼠標、打印機、顯示器。器。 信息存儲設(shè)備：磁盤、光盤、磁帶。信息存儲設(shè)備：磁盤、光盤、磁帶。 機機-

54、機通信設(shè)備：調(diào)制解調(diào)器、機通信設(shè)備：調(diào)制解調(diào)器、A/D、D/A。大連理工大學 軟件學院 賴曉晨二、輸入設(shè)備1. 鍵盤2. 鼠標3. 觸摸屏按鍵判斷哪個鍵按下將此鍵翻譯成 ASCII 碼 （編碼鍵盤法）機械式 金屬球 電位器光電式 光電轉(zhuǎn)換器大連理工大學 軟件學院 賴曉晨三、輸出設(shè)備1. 顯示器(1) 字符顯示(2) 圖形顯示(3) 圖像顯示字符發(fā)生器主觀圖像客觀圖像2. 打印機(1) 擊打式(2) 非擊打式點陣式（逐字、逐行）噴墨（逐字）激光（逐頁）大連理工大學 軟件學院 賴曉晨四、其他1. A/D、D/A2. 終端3. 漢字處理五、多媒體技術(shù)完成顯示控制與存儲、鍵盤管理及通信控制模擬/數(shù)字（

55、數(shù)字/模擬）轉(zhuǎn)換器漢字輸入、漢字存儲、漢字輸出1. 什么是多媒體2. 多媒體計算機的關(guān)鍵技術(shù)由鍵盤和顯示器組成大連理工大學 軟件學院 賴曉晨I/O接口接口p 接口接口 可以看做兩個系統(tǒng)或部件之間的交接部分，它既是兩種硬可以看做兩個系統(tǒng)或部件之間的交接部分，它既是兩種硬件設(shè)備之間的連接電路，也可以看做兩個軟件之間的共同件設(shè)備之間的連接電路，也可以看做兩個軟件之間的共同邏輯邊界。邏輯邊界。p I/O接口接口 通常是指主機與外部設(shè)備之間設(shè)置的一個硬件電路及其相通常是指主機與外部設(shè)備之間設(shè)置的一個硬件電路及其相應(yīng)的軟件控制。應(yīng)的軟件控制。 不同的設(shè)備都有其相應(yīng)的設(shè)備控制器，而它們往往都是通不同的設(shè)備都

56、有其相應(yīng)的設(shè)備控制器，而它們往往都是通過過I/O接口與主機取得聯(lián)系的。接口與主機取得聯(lián)系的。主機主機 設(shè)備設(shè)備控制器控制器機、電機、電磁、光磁、光部分部分I/O接接口口外部設(shè)備外部設(shè)備大連理工大學 軟件學院 賴曉晨一、為什么要采用一、為什么要采用I/O接口接口p 實現(xiàn)設(shè)備的選擇實現(xiàn)設(shè)備的選擇p 實現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖達到速度匹配實現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖達到速度匹配p 實現(xiàn)數(shù)據(jù)串實現(xiàn)數(shù)據(jù)串-并格式轉(zhuǎn)換并格式轉(zhuǎn)換p 實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換p 傳送控制命令傳送控制命令p 反映設(shè)備的狀態(tài)（反映設(shè)備的狀態(tài)（“忙忙”、“就緒就緒”、“中斷請求中斷請求”）大連理工大學 軟件學院 賴曉晨p 接口與端口的概念接口與端口的概念 端口

57、是指接口電路中的一些寄存器，這些寄存器分別用來存放數(shù)據(jù)信息，控制信息和狀態(tài)信息，相應(yīng)的就是數(shù)據(jù)端口、控制端口和狀態(tài)端口。 若干個端口加上相應(yīng)的控制邏輯才能組成接口。CPU通過輸入指令，從端口讀入信息，通過輸出指令，可將信息寫入到端口中。大連理工大學 軟件學院 賴曉晨二、接口的功能與組成二、接口的功能與組成p 總線連接方式的總線連接方式的I/O接口電路接口電路 設(shè)備選擇線 數(shù)據(jù)線 命令線 狀態(tài)線I/O 接口接口設(shè)備設(shè)備I/O 接口接口設(shè)備設(shè)備數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線命令線命令線狀態(tài)線狀態(tài)線I/O總線總線設(shè)備選擇線設(shè)備選擇線大連理工大學 軟件學院 賴曉晨 數(shù)據(jù)線：是數(shù)據(jù)線：是I/O與主機之間數(shù)據(jù)代碼的傳送線，

58、其根數(shù)一般等于與主機之間數(shù)據(jù)代碼的傳送線，其根數(shù)一般等于存儲字長的位數(shù)或字符的位數(shù)，它通常是雙向的，也可以是單存儲字長的位數(shù)或字符的位數(shù)，它通常是雙向的，也可以是單向的。若采用單向數(shù)據(jù)總線，則必須用兩組才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸向的。若采用單向數(shù)據(jù)總線，則必須用兩組才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入和輸出兩種功能，而雙向數(shù)據(jù)總線只需一組即可。入和輸出兩種功能，而雙向數(shù)據(jù)總線只需一組即可。 設(shè)備選擇線：是用來傳送設(shè)備碼的，它的根數(shù)取決于設(shè)備選擇線：是用來傳送設(shè)備碼的，它的根數(shù)取決于I/O指令中指令中設(shè)備碼的位數(shù)。如果把設(shè)備碼看作是地址號，那么設(shè)備選擇線設(shè)備碼的位數(shù)。如果把設(shè)備碼看作是地址號，那么設(shè)備選擇線又可稱為地址線。

59、又可稱為地址線。 命令線：主要用以傳輸命令線：主要用以傳輸CPU向設(shè)備發(fā)出的各種命令信號，如啟向設(shè)備發(fā)出的各種命令信號，如啟動、屏蔽、讀、寫等等。它是一組單向總線，其根數(shù)與命令信動、屏蔽、讀、寫等等。它是一組單向總線，其根數(shù)與命令信號多少有關(guān)。號多少有關(guān)。 狀態(tài)線：是將狀態(tài)線：是將I/O設(shè)備的狀態(tài)向主機報告的信號線，如設(shè)備是否設(shè)備的狀態(tài)向主機報告的信號線，如設(shè)備是否準備就緒，是否向準備就緒，是否向CPU發(fā)出中斷請求等等。它也是一組單向總發(fā)出中斷請求等等。它也是一組單向總線線大連理工大學 軟件學院 賴曉晨p接口的功能和組成接口的功能和組成功能功能組成組成選址功能選址功能傳送命令的功能傳送命令的功

60、能傳送數(shù)據(jù)的功能傳送數(shù)據(jù)的功能反映設(shè)備狀態(tài)的功能反映設(shè)備狀態(tài)的功能設(shè)備選擇電路設(shè)備選擇電路命令寄存器、命令譯碼器命令寄存器、命令譯碼器數(shù)據(jù)緩沖寄存器數(shù)據(jù)緩沖寄存器設(shè)備狀態(tài)標記設(shè)備狀態(tài)標記完成觸發(fā)器完成觸發(fā)器 D工作觸發(fā)器工作觸發(fā)器 B中斷請求觸發(fā)器中斷請求觸發(fā)器 INTR屏蔽觸發(fā)器屏蔽觸發(fā)器 MASK大連理工大學 軟件學院 賴曉晨I/O接口的基本組成接口的基本組成 命令寄存器命令寄存器和命令譯碼器和命令譯碼器 設(shè)備選擇設(shè)備選擇 電路電路 設(shè)備狀態(tài)設(shè)備狀態(tài) 標記標記 數(shù)據(jù)緩沖數(shù)據(jù)緩沖 寄存器寄存器DBR 控制邏輯電路控制邏輯電路I/O接口接口外外 部部 設(shè)設(shè) 備備數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線命令命令狀態(tài)狀態(tài)數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線