最新十章节输入输出系统幻灯片.ppt

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1、10.1 输入输出输入输出(I/O)系统概述系统概述1. 1.输入输出系统输入输出系统o外部设备外部设备 - - 输入输出设备和辅助存储器输入输出设备和辅助存储器o外设与主机之间的外设与主机之间的控制部件控制部件（设备控制器（设备控制器 设备适配器或接口）设备适配器或接口）2.2.系统总线系统总线 主机与外设传送数据的通道主机与外设传送数据的通道4. I/O设备数据传送控制方式设备数据传送控制方式o程序直接控制程序直接控制 (programed direct control)o程序中断传送程序中断传送 (program interrupt transfer)o直接存储器存取直接存储器存取 (d

2、irect memory access, DMA)o I/O通道控制通道控制 (I/O channel control)o 外围处理机外围处理机 (peripheral processor unit, PPU)1. 程序直接控制方式程序直接控制方式o完全通过程序来控制主机和外围设备之间的信息传送。完全通过程序来控制主机和外围设备之间的信息传送。o通常在用户的程序中安排一段由输入输出指令和其他指通常在用户的程序中安排一段由输入输出指令和其他指令所组成的程序段直接控制外围设备的工作。令所组成的程序段直接控制外围设备的工作。o程序查询方式程序查询方式-检测检测“完成完成”状态标志。状态标志。o 控制

3、和硬件实现方式简单控制和硬件实现方式简单 外设和主机及各外设之间不能同时工作，外设和主机及各外设之间不能同时工作， 系统效率很低系统效率很低,多用于单片机多用于单片机.2. 程序中断传送方式程序中断传送方式p中断是外围设备用来中断是外围设备用来“主动主动”通知通知CPUCPU，准备送出，准备送出 输入数据或接收输出数据的一种方法。输入数据或接收输出数据的一种方法。p一定程度上实现了一定程度上实现了CPUCPU和外围设备的并行工作和外围设备的并行工作 提高了计算机系统的工作效率提高了计算机系统的工作效率p实现了外围设备的并行工作实现了外围设备的并行工作 CPUCPU按优先级响应多个按优先级响应多

4、个I/OI/O设备的中断请求设备的中断请求p硬件结构相对复杂一些，服务开销时间较大硬件结构相对复杂一些，服务开销时间较大 一般适用于随机出现的服务一般适用于随机出现的服务3. 直接存储器存取方式直接存储器存取方式p在外围设备和主存之间开辟直接的数据传送通路在外围设备和主存之间开辟直接的数据传送通路p适用于内存和高速外围设备之间大批数据交换适用于内存和高速外围设备之间大批数据交换p CPUCPU只进行预处理和后处理只进行预处理和后处理 数据传送由数据传送由I/OI/O系统中增设的系统中增设的DMADMA控制器完成控制器完成 传送数据的主存地址和需要传送数据的计数值传送数据的主存地址和需要传送数据

5、的计数值p特点特点: 数据传送速度很高数据传送速度很高 传送速率仅受到内存访问时间的限制传送速率仅受到内存访问时间的限制 主存储器被并行工作的主存储器被并行工作的CPUCPU和和I/OI/O子系统所共享子系统所共享3. 直接存储器存取方式直接存储器存取方式DMADMA的不足：的不足：p对外围设备的管理和某些操作仍然需要对外围设备的管理和某些操作仍然需要cpucpu承担承担p大中型计算机系统中，系统所配的外设种类多，数大中型计算机系统中，系统所配的外设种类多，数量大，对外设的管理和控制任务重。量大，对外设的管理和控制任务重。p多个多个DMADMA同时使用时，容易引起共享主存冲突。同时使用时，容易

6、引起共享主存冲突。4. I/O通道控制方式通道控制方式p通道通道从属于从属于cpucpu的一个专用的一个专用I/OI/O处理器处理器 能独立地执行用通道命令编写的能独立地执行用通道命令编写的I/OI/O控制程序，控制程序， 产生相应的控制信号，继而完成产生相应的控制信号，继而完成I/OI/O过程。过程。 非独立处理器非独立处理器, ,需需CPUCPU协助完成任务。协助完成任务。p提高了提高了CPUCPU的工作效率的工作效率, ,硬件复杂。硬件复杂。p现代计算机组织向功能分布方向发展现代计算机组织向功能分布方向发展图图10.1 具有具有CH的系统结构的系统结构4. I/O通道控制方式通道控制方式

7、通道的缺点通道的缺点p要在要在cpucpu的的I/OI/O指令控制下工作。指令控制下工作。p某些操作仍然必须由某些操作仍然必须由cpucpu来完成来完成码制转换、数据检错纠错码制转换、数据检错纠错5. 外围处理机方式外围处理机方式p基本独立于主机工作基本独立于主机工作, ,结构接近一般处理机结构接近一般处理机 甚至是一般小型通用计算机或微机。甚至是一般小型通用计算机或微机。p可完成可完成I/OI/O通道所要完成的通道所要完成的I/OI/O控制，控制， 还可完成码制变换、格式处理、数据块的检错、还可完成码制变换、格式处理、数据块的检错、 纠错等操作。纠错等操作。p使计算机系统结构质变使计算机系统

8、结构质变 功能集中式发展为功能分散的分布式系统功能集中式发展为功能分散的分布式系统程序直接控制程序直接控制中断控制中断控制DMA通道通道外围处理机外围处理机程序直接控制程序直接控制中断控制中断控制DMA通道通道外围处理机外围处理机10.2 程序中断输入输出方式程序中断输入输出方式一一. 中断的作用、产生和影响中断的作用、产生和影响1. 1. 程序中断程序中断：计算机执行现行程序的过程中，出现某些：计算机执行现行程序的过程中，出现某些急需处理的异常情况和特殊请求，急需处理的异常情况和特殊请求，CPUCPU暂时中止现行暂时中止现行程序，而转去对随机发生的更紧迫的事件进行处理，程序，而转去对随机发生

9、的更紧迫的事件进行处理，在处理完后，在处理完后，CPUCPU将返回原来的程序继续执行。将返回原来的程序继续执行。中断的处理过程实际上是程序的切换过程中断的处理过程实际上是程序的切换过程保护保护/ 恢复断点和保护现场等中断的辅助操作恢复断点和保护现场等中断的辅助操作中断系统是计算机实现中断功能的软、硬件总称。中断系统是计算机实现中断功能的软、硬件总称。程序中断与调用子程序的区别程序中断与调用子程序的区别图图10.2 CPU与打印机并行工作时间图与打印机并行工作时间图o主机与设备并行工作原理主机与设备并行工作原理2. 中断的作用中断的作用oCPU与多个与多个I/O设备并行工作设备并行工作o处理计算

10、机运行中机器故障处理计算机运行中机器故障o提供人机联系提供人机联系o实现多道程序和分时操作实现多道程序和分时操作o实现实时处理实现实时处理o实现应用程序和操作系统的联系实现应用程序和操作系统的联系(1)网络级多处理机系统各处理机间的联系网络级多处理机系统各处理机间的联系 3. 有关中断的产生和响应的概念有关中断的产生和响应的概念(1) 中断源中断源 引起中断的事件，即发出中断请求的来源，称为中断源。引起中断的事件，即发出中断请求的来源，称为中断源。p 中断源的种类中断源的种类 外中断外中断 I/O设备、定时钟等来自处理机外部设备的中断，设备、定时钟等来自处理机外部设备的中断， 内中断内中断 处

11、理器硬件故障或程序处理器硬件故障或程序“出错出错”引起的中断。引起的中断。p 中断触发器中断触发器 当中断触发器为当中断触发器为“1”时，向时，向CPU发出发出“中断请求中断请求”信号。信号。 多个中断触发器构成中断寄存器多个中断触发器构成中断寄存器,内容为中断字或中断码。内容为中断字或中断码。 (2) 允许中断和禁止中断允许中断和禁止中断p禁止中断禁止中断 产生中断源后，由于某种条件的存在，产生中断源后，由于某种条件的存在，CPU不能中止现行不能中止现行 程序的执行，称为禁止中断。程序的执行，称为禁止中断。 中断允许触发器中断允许触发器 “1” 状态状态, 允许响应中断；允许响应中断； “0

12、” 状态状态, 禁止响应中断禁止响应中断。 通过通过“开中断开中断”或或“关中断关中断”指令来置位、复位。指令来置位、复位。(3) 中断屏蔽与优先级中断屏蔽与优先级p中断级中断级 一般把所有中断按不同的类别分为若干级，一般把所有中断按不同的类别分为若干级， 在同一级中还可以有多个中断源。在同一级中还可以有多个中断源。p优先权优先权 指有多个中断同时发生时，要把全部中断源按中断性质和指有多个中断同时发生时，要把全部中断源按中断性质和 处理的轻重缓急进行排队，安排各个中断响应的优先次序。处理的轻重缓急进行排队，安排各个中断响应的优先次序。先按中断级确定优先次序，先按中断级确定优先次序， 后在同一级

13、内再确定各个中断源的优先权。后在同一级内再确定各个中断源的优先权。p中断屏蔽中断屏蔽 当产生中断请求后，用程序方式有选择地封锁部分中断，当产生中断请求后，用程序方式有选择地封锁部分中断， 而允许其余部分中断仍得到响应，称为中断屏蔽。而允许其余部分中断仍得到响应，称为中断屏蔽。 中断屏蔽触发器中断屏蔽触发器 每个中断源设置一个中断屏蔽触发器来屏蔽其中断请求每个中断源设置一个中断屏蔽触发器来屏蔽其中断请求. 触发器置触发器置1， 对应的设备中断被封锁对应的设备中断被封锁;置置“0”，允许响应。，允许响应。 中断屏蔽寄存器中断屏蔽寄存器 可改变原先的优先级可改变原先的优先级 可屏蔽中断和非屏蔽中断可

14、屏蔽中断和非屏蔽中断CPUCPU响应中断的条件响应中断的条件 中断源请求中断中断源请求中断 CPU允许中断允许中断3. 申请中断的中断源申请中断的中断源 未被屏蔽未被屏蔽4. 必须完成当前机器指令必须完成当前机器指令5. 申请中断的中断源申请中断的中断源 是当时最高级别是当时最高级别二二. 中断处理中断处理1. 中断处理过程中断处理过程(1) 关中断关中断 进入不可再次响应中断的状态，由硬件实现。进入不可再次响应中断的状态，由硬件实现。 (2) 保存断点和现场保存断点和现场 断点断点: 程序计数器程序计数器PC中的内容中的内容 现场信息现场信息: 程序状态字，某些寄存器的内容。程序状态字，某些

15、寄存器的内容。(3) 判别中断源，转向中断服务程序。判别中断源，转向中断服务程序。 (4) 开中断。开中断。 将允许更高级中断请求得到响应，实现中断嵌套。将允许更高级中断请求得到响应，实现中断嵌套。(5) 执行中断服务程序执行中断服务程序(6) 退出中断。退出中断。 在退出时，又应进入不可中断状态，即关中断，在退出时，又应进入不可中断状态，即关中断， 恢复现场、恢复断点，然后开中断，返回原程序执行。恢复现场、恢复断点，然后开中断，返回原程序执行。“中断隐指令中断隐指令” 进入中断时执行的关中断、保存断点等操作一般是由硬件进入中断时执行的关中断、保存断点等操作一般是由硬件 实现的，它类似于一条指

16、令，但不能被编写在程序中。实现的，它类似于一条指令，但不能被编写在程序中。一次中断处理一次中断处理 两关两关 两开两开2. 判别中断源判别中断源 软件和硬件确定中断源软件和硬件确定中断源(1) 查询法查询法 由测试程序按一定优先排队次序检查各个设备的中断触由测试程序按一定优先排队次序检查各个设备的中断触 发器或中断标志发器或中断标志(2) 串行排队链法串行排队链法 由硬件确定中断源由硬件确定中断源,串行排队判优先线路串行排队判优先线路 。10102. 判别中断源判别中断源向量中断向量中断当当CPU响应中断响应中断时，由硬件直接时，由硬件直接产生一个固定的产生一个固定的地址地址(即向量地即向量地

17、址址)，由向量地，由向量地址指出每个中断址指出每个中断源设备的中断服源设备的中断服务程序入口。务程序入口。 1000CPU用户程序中断服务程序2中断服务程序3外设1外设3外设24567中断服务程序1230010002300 4567000000040008p多重中断多重中断 指在处理某一个中断过程又发生了新的中断请求，指在处理某一个中断过程又发生了新的中断请求，从而中断该服务程序的执行，又转去进行新的中从而中断该服务程序的执行，又转去进行新的中断处理。这种重叠处理中断的现象又称为断处理。这种重叠处理中断的现象又称为中断嵌中断嵌套套。抢先式、非抢先式抢先式、非抢先式3. 多级中断处理多级中断处理

18、三三. 程序中断设备接口的组成程序中断设备接口的组成p程序中断设备接口组成程序中断设备接口组成设备选择器设备选择器中断控制和工作状态逻辑中断控制和工作状态逻辑 四个四个D触发器触发器-Done, BUSY, INTR,MASK中断排队控制逻辑中断排队控制逻辑设备码回送逻辑设备码回送逻辑数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器10.3 DMA输入输出方式输入输出方式一。一。DMA的基本概念的基本概念q DMA方式的必要性方式的必要性q DMA方式方式 在外设和主存之间开辟一条在外设和主存之间开辟一条“直接数据通道直接数据通道”，在不需要，在不需要 CPU干预，也不需要软件介入的情况下在两者之间进行的干预，也

19、不需要软件介入的情况下在两者之间进行的 高速数据传送方式。高速数据传送方式。q DMA控制器控制器 在在DMA传送方式中，对数据传送过程进行控制的硬件。传送方式中，对数据传送过程进行控制的硬件。专用专用DMA方式方式通用通用DMA方式方式q两种两种DMA方式方式外设与外设与CPU共享主存和总线；共享主存和总线； DMA控制器直接管理数据块传送控制器直接管理数据块传送 主存地址的确定、传送数据的计数等都由硬件电路主存地址的确定、传送数据的计数等都由硬件电路直接实现；直接实现； 主存中要开辟专用缓冲区，及时供给和接收外设的主存中要开辟专用缓冲区，及时供给和接收外设的数据；数据；DMA传送速度快，传

20、送速度快，CPU和外设并行工作，提高了和外设并行工作，提高了系统的效率。系统的效率。 DMA在传送开始前要通过程序进行预处理，结束在传送开始前要通过程序进行预处理，结束后要通过中断方式进行后处理。后要通过中断方式进行后处理。qDMA方式的特点方式的特点qDMA三种工作方式三种工作方式1. 1.CPUCPU暂停方式暂停方式 主机响应主机响应DMADMA请求后，让出总线，直到一组数据传送请求后，让出总线，直到一组数据传送 完毕后，完毕后，DMADMA控制器才把总线控制权交还给控制器才把总线控制权交还给CPU.CPU.2. 2. CPUCPU周期窃取方式周期窃取方式 DMADMA控制器与主存之间传送

21、一个数据占用一个控制器与主存之间传送一个数据占用一个CPUCPU周期周期3. 3. 直接访问存储器工作方式直接访问存储器工作方式 如传送数据时如传送数据时CPUCPU正好不占用存储总线，对正好不占用存储总线，对CPUCPU无影响。无影响。如如DMADMA和和CPUCPU同时需要访问存储总线，则同时需要访问存储总线，则DMADMA优先优先。二、二、 DMA控制器的基本组成控制器的基本组成o采用采用DMA控制方式的外围设备与系统总线之间的控制方式的外围设备与系统总线之间的接口电路接口电路o包括多个设备寄存器、中断控制和包括多个设备寄存器、中断控制和DMA控制逻辑控制逻辑等。等。设备寄存器设备寄存器

22、DMA控制器中主要的寄存器有：控制器中主要的寄存器有：(1) 主存地址寄存器主存地址寄存器(MAR) 其初始值为主存缓冲区的首地址，在传送前由程序送入。其初始值为主存缓冲区的首地址，在传送前由程序送入。(2) 外围设备地址寄存器外围设备地址寄存器(ADR) 存放存放I/O设备的设备码或表示设备信息存储区的寻址信息。设备的设备码或表示设备信息存储区的寻址信息。(3) 字数计数器字数计数器(WC) 对传送数据的总字数进行统计。对传送数据的总字数进行统计。(4)数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器(DBR) 暂存暂存I/O设备与主存传送的数据。设备与主存传送的数据。 (5)控制与状态寄存器控制与状态寄存器(

23、CSR) 存放控制字和状态字。存放控制字和状态字。 接受外设发出的接受外设发出的DMA请求，向请求，向CPU发出总线请求；发出总线请求；CPU响应此总线请求，发出总线响应信号后，响应此总线请求，发出总线响应信号后， DMA接管对总线的控制，进入接管对总线的控制，进入DMA操作周期；操作周期； 确定传送数据的主存单元地址及传送长度，并能自动确定传送数据的主存单元地址及传送长度，并能自动修改主存地址计数值和传送长度计数值；修改主存地址计数值和传送长度计数值；规定数据在主存与外设之间的传送方向，发出读写或规定数据在主存与外设之间的传送方向，发出读写或其他控制信号，并执行数据传送的操作。其他控制信号，

24、并执行数据传送的操作。 向向CPU报告报告DMA操作的结束。操作的结束。DMA控制器的功能控制器的功能三三. DMA的数据传送过程的数据传送过程1. DMA 预处理预处理 CPU通过程序对通过程序对DMA的的MAR及及WC进行初始化进行初始化2. DMA 控制控制 IO 设备与主存之间的数据交换设备与主存之间的数据交换 1。从外设读一个字到数据缓冲寄存器。从外设读一个字到数据缓冲寄存器DBR中中 2。向。向CPU发出发出DMA请求，把请求，把DBR中的内容送主存数据寄中的内容送主存数据寄存器存器 3。将。将DMA中的中的MAR内容送主存地址寄存器，启动写操作内容送主存地址寄存器，启动写操作 4

25、。DMA的的WC计数器内容减计数器内容减1，MAR内容加内容加1 5。如。如(WC)=0，置结束标志，向，置结束标志，向CPU发中断，否则转发中断，否则转1 3. CPU 中断原程序进行后处理中断原程序进行后处理 判断续传判断续传,停止外设停止外设,数传校验，出错处理。数传校验，出错处理。 中断方式是程序切换，需要保护和恢复现场；中断方式是程序切换，需要保护和恢复现场；而而DMA方式除了开始和结尾时，不占用方式除了开始和结尾时，不占用CPU的任的任何资源。何资源。 对中断请求的响应时间只能发生在每条指令执对中断请求的响应时间只能发生在每条指令执行完毕时；而对行完毕时；而对DMA请求的响应时间可

26、以发生在请求的响应时间可以发生在每个机器周期结束时。每个机器周期结束时。 图图8-19 两种请求的响应时刻比较两种请求的响应时刻比较思考：思考：DMA和中断的区别和中断的区别取指令取源操作数取目的操作数执行DMA断点中断断点 中断传送过程需要中断传送过程需要CPU的干预；而的干预；而DMA传送传送过程不需要过程不需要CPU的干预，故数据传输速率非常的干预，故数据传输速率非常高，适合于高速外设的成组数据传送。高，适合于高速外设的成组数据传送。 DMA请求的优先级高于中断请求。请求的优先级高于中断请求。 中断方式具有对异常事件的处理能力，而中断方式具有对异常事件的处理能力，而DMA方式仅局限于完成

27、传送数据块的方式仅局限于完成传送数据块的I/O操作。操作。查询、中断、DMA方式比较性能 方式程序查询程序中断DMA 数据传送依靠软件还是硬件依赖软件依赖软件依赖硬件 传送数据的基本单位字字块 并行性CPU与I/O串行CPU与I/O并行传输与主程序串行CPU与I/O并行传输与主程序并行 主动性CPU设备设备 传输速度慢慢快 经济性费用低中等高 应用对象 低速较低高速成批传输 10.4 通道控制方式和外围处理机方式通道控制方式和外围处理机方式 在大、中型计算机中，外设配置多，数据传送频繁，如仍在大、中型计算机中，外设配置多，数据传送频繁，如仍采用采用 DMA 方式存在下述问题：方式存在下述问题：

28、为外设都配置专用的为外设都配置专用的 DMA 控制器，将增加硬件，因而提控制器，将增加硬件，因而提高成本。高成本。要解决要解决 DMA 同时访问主存的冲突，使控制复杂化。同时访问主存的冲突，使控制复杂化。采用采用 DMA 传送方式的众多外设均直接由传送方式的众多外设均直接由 CPU 管理控制，管理控制，由由 CPU 进行初始化，会占用更多的进行初始化，会占用更多的 CPU 时间，而且频时间，而且频繁的周期挪用会降低繁的周期挪用会降低 CPU 执行程序的效率。执行程序的效率。1. I/O通道的基本概念通道的基本概念I/O channelo计算机系统中代替计算机系统中代替 CPU管理控制外设的独管

29、理控制外设的独立部件立部件;o一种能执行有限一种能执行有限 I/O 指令的指令的 I/O 处理机处理机.o通道通过执行通道程通道通过执行通道程序实施对序实施对 I/O 系统的统系统的统一管理和控制一管理和控制.四级连接方式四级连接方式: 主机主机通道通道设备控制器设备控制器IO 设备设备2.Channel方式与方式与DMA方式的区别方式的区别 DMADMA控制器通过硬件控制控制器通过硬件控制逻辑来实现对数据传送的控逻辑来实现对数据传送的控制；制； DMADMA控制器只能控制一台控制器只能控制一台或少数几台同类设备；或少数几台同类设备；通道则是一个具有专用功能通道则是一个具有专用功能的处理器，它

30、具有自己的指的处理器，它具有自己的指令和程序，通过执行通道程令和程序，通过执行通道程序来实现对数据传送的控制，序来实现对数据传送的控制，故通道具有更强的独立处理故通道具有更强的独立处理数据输入输出的功能。数据输入输出的功能。一个通道则可以同时控制许一个通道则可以同时控制许多台同类或不同类的设备。多台同类或不同类的设备。3.通道的功能通道的功能通道除了承担通道除了承担 DMA 的全部功能外，还承担了设的全部功能外，还承担了设备控制器的初始化工作及备控制器的初始化工作及程序中断功能程序中断功能. 通过使用通道指令控制设备控制器进行数据传送通过使用通道指令控制设备控制器进行数据传送操作，操作，CPU

31、是通过执行是通过执行I/O指令以及处理来自通道的中断，指令以及处理来自通道的中断，实现对通道的管理。实现对通道的管理。来自通道的中断有两种，数据传送结束中断和故来自通道的中断有两种，数据传送结束中断和故障中断。障中断。 4.4.通道的类型通道的类型1.字节多路通道字节多路通道 (multiplexor channel) 一种简单的共享通道，各个设备分时轮巡输出一个字节一种简单的共享通道，各个设备分时轮巡输出一个字节. 可服务于多台低速和中速面向字符的外围设备。可服务于多台低速和中速面向字符的外围设备。2. 选择通道选择通道 又称高速通道，在物理上它可以连接多个设备，但设备不又称高速通道，在物理

32、上它可以连接多个设备，但设备不 能同时工作，在某一段时间内通道只能选择一个设备。能同时工作，在某一段时间内通道只能选择一个设备。 主要用于连接高速外围设备，信息以成组方式高速传输。主要用于连接高速外围设备，信息以成组方式高速传输。字节多路通道传送方式示意图字节多路通道传送方式示意图 字节多路通道传送方式字节多路通道传送方式A1A1A2A2B2B2B1B1C1C1C2C2通道选择通道传送方式示意图选择通道传送方式示意图 选择通道传送方式选择通道传送方式A1A1A2A2B2B2B1B1C1C1C2C2通道3. 数组多路通道数组多路通道传输方式传输方式成组地传送数据成组地传送数据通道传输效率通道传输

33、效率数据传输速率高但是控制电路复杂数据传输速率高但是控制电路复杂数组多路通道传送方式示意图数组多路通道传送方式示意图 数组多路通道传送方式数组多路通道传送方式Ai、Bi为块A1A1A2A2B2B2B1B1C1C1C2C2通道图图10.11 IBM4300系统的系统的IO结构结构5. I/O处理机和外围处理机处理机和外围处理机IOP- input output processor IOP 可以和可以和CPU并行工作，共享主存进行通信并行工作，共享主存进行通信; 提供高速的提供高速的 DMA 处理能力，实现数据的高速传送。处理能力，实现数据的高速传送。 还提供数据的变换、搜索和字装配分拆能力。还提

34、供数据的变换、搜索和字装配分拆能力。 不是一台独立的计算机。不是一台独立的计算机。PPU-peripheral processor unit 外围处理机结构更接近于一般处理机外围处理机结构更接近于一般处理机 基本上是独立于主处理机工作基本上是独立于主处理机工作 应用于大型高效率的计算机系统中。应用于大型高效率的计算机系统中。分布式系统分布式系统10.5 总线结构总线结构p 总线的概念总线的概念 各模块之间传送信息的通路称为总线。各模块之间传送信息的通路称为总线。 一组为多个部件一组为多个部件分时分时, ,共享共享的公共信息传送线路。的公共信息传送线路。共享共享: :指总线上可以挂接多个部件，各

35、个部件之间相互交指总线上可以挂接多个部件，各个部件之间相互交 换的信息都可以通过这组公共线路传送；换的信息都可以通过这组公共线路传送；分时分时: :指同一时刻总线上只能传送一个部件发送的信息，指同一时刻总线上只能传送一个部件发送的信息， 如果系统中有多个部件，不能同时使用总线的。如果系统中有多个部件，不能同时使用总线的。总线是从两个或两个以上源部件传送信息到一个或多个部总线是从两个或两个以上源部件传送信息到一个或多个部 件的一组传输线。件的一组传输线。p总线标准总线标准 为便于不同厂家生产的模块能灵活构成系统为便于不同厂家生产的模块能灵活构成系统正式标准正式标准 IEEE IEEE 或或 CC

36、ITTCCITT等国际组织正式确定和承认等国际组织正式确定和承认工业标准工业标准 由某一厂家提出又得到其他厂家广泛使用的制造标准由某一厂家提出又得到其他厂家广泛使用的制造标准标准的内容：对插件引线的几何尺寸、引线数、各引线标准的内容：对插件引线的几何尺寸、引线数、各引线的定义、时序及电气参数等都作出明确规定，这对子系的定义、时序及电气参数等都作出明确规定，这对子系统的设计和功能的扩充都带来了方便。统的设计和功能的扩充都带来了方便。p总线的分类总线的分类总线连接的部件总线连接的部件CPU内部总线内部总线 系统总线系统总线 计算机系统内各功能部件之间相互连接的总线。计算机系统内各功能部件之间相互连

37、接的总线。 ISA 总线、总线、EISA总线和总线和 PCI 总线等。总线等。外部总线外部总线 计算机系统之间或系统与外设互连的通信总线。计算机系统之间或系统与外设互连的通信总线。 EIA-RS232C 串行总线和串行总线和 IEEE-488 并行总线等。并行总线等。p总线类型总线类型1. 单总线单总线 所有模块都连接到单一总线上。所有模块都连接到单一总线上。 总线类型有地址线、数据线、控制线和电源总线类型有地址线、数据线、控制线和电源/地线地线. 结构简单便于扩充结构简单便于扩充,但不利提高系统效率和并行性但不利提高系统效率和并行性 .2. 多总线多总线 将速度较低的将速度较低的 I/O 设

38、备从总线上分出去，设备从总线上分出去， 形成系统总线与形成系统总线与 I/O 总线分开的双总线结构总线分开的双总线结构 三总线结构三总线结构. 单总线结构计算机单总线结构计算机双总线结构计算机双总线结构计算机总线组成总线组成p 总线判优总线判优 或或 仲裁逻辑仲裁逻辑p 总线通信：同步、异步总线通信：同步、异步 p 出错处理部分：纠错或请求中断出错处理部分：纠错或请求中断p 总线驱动器：三态门总线驱动器：三态门p总线通信方式总线通信方式 同步通信同步通信 在同步方式下，通信双方由统一的时钟控制数据的传在同步方式下，通信双方由统一的时钟控制数据的传送，时钟通常由送，时钟通常由 CPU 发出并送到

39、总线上的所有部件。发出并送到总线上的所有部件。 特点特点:实现简单实现简单, , 可靠性和灵活性差可靠性和灵活性差. . 异步通信异步通信 利用数据发送部件和接收部件之间的相互利用数据发送部件和接收部件之间的相互“握手握手”信号信号来实现总线数据传送的方式称作异步通信方式。来实现总线数据传送的方式称作异步通信方式。 特点特点:灵活可靠灵活可靠, , 过程复杂过程复杂. .p常用微机总线常用微机总线1.ISA 总线总线 工业标准总线工业标准总线(Industrial Standard Architecture) IBM的的PC系列微机制定的总线标准。系列微机制定的总线标准。 ISA-8/ XT

40、总线适用于总线适用于 8088的的 IBM PCXT 微机系统微机系统 ISA-16/ AT 总线适用于总线适用于 80286的的IBM PCAT系统系统 ISA总线的最大传输率为总线的最大传输率为5MB/sp常用微机总线常用微机总线2. EISA 总线总线 扩充工业标准扩充工业标准 (Extended Industrial Standard Architecture) 32位总线标准位总线标准EISA 与与ISA 兼容兼容 和公开性和公开性 DMA采用成组传送采用成组传送(burst)传输率可达传输率可达33MBs3. VESA总线总线p VESA (Video Electronics St

41、andards Association)总线总线p “视频电子标准协会视频电子标准协会”于于1991年推出的年推出的32位局部总线，位局部总线，p 把显卡网卡等通过局部总线控制器与把显卡网卡等通过局部总线控制器与CPU总线相连，总线相连，p 数据传输率最大为数据传输率最大为132MB/s,最高工作频率最高工作频率33MHz .p 低速的低速的I/O设备，仍通过设备，仍通过ISA总线控制器总线控制器,构成的系统是构成的系统是VESA和和ISA两种总线的结合。两种总线的结合。p 兼容性较差兼容性较差, ,适合使用于适合使用于80486系统中。系统中。4. PCI总线总线o外围部件互连总线外围部件互

42、连总线oPCI (peripheral component interconnect) Intel公司推出用于公司推出用于Pentium芯片的芯片的PCI V1.0和和V2.1规范，规范，一种同步且独立于处理器的一种同步且独立于处理器的32位位/64位局部总线位局部总线. PCI V1.0支持支持33MHz工作频率，最大传输率为工作频率，最大传输率为132MB/s； V2.1支持的支持的66MHz, 频率传输率为频率传输率为264MB/s528MB/s。 P&P即插即用即插即用Pentium三级总线原理图三级总线原理图存储存储/系统总线系统总线高速高速I/O设备总线设备总线低速低速/扩展总线扩

43、展总线PCI ExpressoPCI ExpressPCI Express是新一代的总线接口是新一代的总线接口oPCI ExpressPCI Express采用了目前业内流行的点对点串行连采用了目前业内流行的点对点串行连接，每个设备都有自己的专用连接，不需要向整个接，每个设备都有自己的专用连接，不需要向整个总线请求带宽，而且可以把数据传输率提高到一个总线请求带宽，而且可以把数据传输率提高到一个很高的频率。很高的频率。oPCI ExpressPCI Express的接口根据总线位宽不同而有所差异，的接口根据总线位宽不同而有所差异，包括包括1X1X、4X4X、8X8X以及以及16X16X。oPCI

44、-E 16XPCI-E 16X，能够提供上行、下行，能够提供上行、下行2 X 4GB/s2 X 4GB/s的带宽，的带宽，远远超过远远超过AGP 8XAGP 8X的的2.1GB/s2.1GB/s的带宽。的带宽。10.6 外设接口外设接口1.IDE ( integrated drive electronics) IDE接口是在微机中广泛应用的接口接口是在微机中广泛应用的接口 IBM PC/AT上使用的上使用的ATA接口接口 增强型增强型IDE(EIDE)标准标准2. SCSI (small computer system interface) 小型计算机系统接口小型计算机系统接口 当前最流行的小

45、型机和微型机的外部设备接口标准当前最流行的小型机和微型机的外部设备接口标准速度匹配速度匹配电平和格式转换电平和格式转换控制与状态控制与状态3. USB接口接口oUSB (Universal Serial Bus) o Intel 公司开发公司开发的通用串行总线架构是一种通用万能插口的通用串行总线架构是一种通用万能插口.o可以将一些可以将一些USB外设进行外设进行HUB方式的方式的串接串接4. 1394串行接口标准串行接口标准o数字音频、视频设备基于数字音频、视频设备基于IEEE 1394的家庭网络标准。的家庭网络标准。oIEEE 1394-1995的基础上发展传输速率最高可达的基础上发展传输速

46、率最高可达3.2Gb/s的的IEEE 1394b产品。产品。5.AGP接口接口 AGP (accelerated graphics port)接口标准接口标准。 可把主存和显存直接连接起来，其总线宽度为可把主存和显存直接连接起来，其总线宽度为32位，位， 时钟频率为时钟频率为66MHz，最高传输率为，最高传输率为528Mb/s。6. PCMCIA接口接口 personal computer memory card international association 广泛应用于笔记本中的一种接口标准，广泛应用于笔记本中的一种接口标准， 一一个小型的用于扩展功能的插槽个小型的用于扩展功能的插槽 常用来插上存储器常用来插上存储器(Flash Memory)卡或卡或Fax/Modem卡。卡。 主板主板