《第9章-输入输出系统.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第9章-输入输出系统.pptx（88页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、18.1 8.1 输入输出（I IO O）系统概述输入输出系统包括外部设备（输入输出设备和辅助存储器）及其与主机（CPU和存储器）之间的控制部件。后者称之为设备控制器，诸如磁盘控制器、打印机控制器等，有时也称为设备适配器或接口，其作用是控制并实现主机与外部设备之间的数据传送。本章主要介绍设备控制器的工作原理及其与主机之间传送数据的协议，即系统总线。第1页/共88页2 8.1.1 8.1.1 功能 接口是计算机与I/O设备或其他系统之间所设置的逻辑控制部件，也称I/O控制器。接口的引入：外设类型不同：机械、电子、机电、电磁传送信息类型：数字量、模拟量传送速度传送方式：串行、并行编码方式：能实现数
2、据缓冲和数据锁存能完成信息格式和电平的转换能进行地址译码和设备选择能保证数据传送的定时与协调 功能：第2页/共88页3外围设备接口的结构外围设备接口的结构接口地址地址译码器数据寄存器命令寄存器RDWE地址有效总线数据线地址线外设接口外设控制信号外设数据外设状态状态寄存器I/O接口功能演示第3页/共88页41.输入输出接口的基本结构CPU和外设之间通常传递的信息：数据、状态、控制组成:寄存器组、控制逻辑电路、主机与接口和接口与I/O设备之间的信号联接线、数据地址线、控制状态信号线CPU控制电路DRSRCRI/O设备地址数据IO/MRDWR数据状态控制第4页/共88页52.I/O接口分类结构方式并
3、行和串行收发配合方式同步和异步数据传送配合方式程序传送、中断传送、DMA、通道、IO处理器电路规模简单接口、可编程接口、外设接口适配器第5页/共88页63.输入输出接口的编址方式在接口电路中通常都具有多个可由CPU进行读写操作的寄存器，每个寄存器也叫做“端口”。为了CPU便于对IO设备进行寻址和选择，必须给众多的IO设备的端口进行编址，也就是给每一台设备规定一些地址码称为设备号或设备代码。随着CPU对IO设备下达命令方式的不同而有以下两种寻址方法。(1)存储器、I/O接口统一编址将接口电路中的端口地址与存储单元统一编址优：访存指令可访问端口，这样寻址类型多，编程较方便。缺：占用存储器空间；速度
4、慢。(2)I/O端口独立编址给I/O接口中的各端口提供与存储器空间完全分开、完全独立的I/O地址空间。优：专门的I/O指令，与访存分开；指令执行快；不占内存地址空间。缺：需专用指令、寻址方式少。第6页/共88页7IBMPC等系列机设置有专门的IO指令（IN和OUT），设备的编址可达512个，部分设备的地址码如表10.1所示。从表中可见，每一台设备占用了若干个地址码分别表示相应的设备控制器中的寄存器地址。I/O设备设备占用地址数占用地址数 地址码（地址码（16进制）进制）硬盘控制器硬盘控制器软盘控制器软盘控制器彩色图形显示器彩色图形显示器异步通信控制器异步通信控制器 16 8 16 8 320-
5、32FH 3F0-3F7H 3D0-3DFH 3F8-3FFH第7页/共88页88.1.2 8.1.2 主机与外设间 数据传送控制方式 一、程序直接控制（programdirectcontrol）传递方式二、程序中断传送（programinterrupttransfer）方式三、直接存储器存取（directmemoryaccess）方式DMA四、I/O通道控制（I/Ochannelcontrol）方式五、外围处理机（peripheralprocessorunit）方式第8页/共88页9信号传输过程信号传输过程状态寄存器数据寄存器2控制器ALU数据寄存器1地址寄存器设备驱动电路数据寄存器地址译码
6、器设备接口CPU第9页/共88页101、程序直接控制传送方式该方法是主机与外设之间进行数据交换的最简单、最基本的控制方法。无条件传送只有在外设总处于准备好状态程序查询方式优点：较好协调主机与外设之间的时间差异所用硬件少。J缺点：主机与外设只能串行工作主机一个时间段只能与一个外设进行通讯CPU效率低。从I/O接口中读 一个字到CPU从CPU向主存 写入一个字CPU向I/O发 读指令CPU读I/O状态检查状态 完成否未准备就绪现行程序是出错已准备就绪否程序直接控制方式的输入接口工作过程演示第10页/共88页112、程序中断传送方式由于CPU与外设之间的速度至今仍是微秒和毫秒的数量级，速度差异悬殊，
7、会使CPU的工作效率下降。优点：避免频繁查询，适合随机出现的服务和中低速外设使用。缺点：成批数据交换时，中断影响传送效率，一次传送一个字符，中断处理时间大于传送数据时间。需要一定的硬件电路。中断方式的引入程序中断方式的输入接口工作过程演示第11页/共88页123、直接存储器访问方式1.DMA方式的引入前两种方式以CPU为中心，占用CPU时间。DMA方式以内存为中心。2.基本工作原理在外设通过专门的接口电路和存储器进行数据交换，而不用通过CPU的寄存器。控制过程由DMA控制器这样的硬件来完成，不需要保存断点。特点：适用于高速设备和大数据量的数据传输，需用更多的硬件电路支持。直接存储器存取方式软盘
8、控制接口工作演示第12页/共88页13三种方式的 CPU 工作效率比较存取周期结束CPU 执行现行程序CPU 执行现行程序DMA请求启动I/OI/O准备I/O准备一个存取周期实现I/O与主存之间的传送CPU 执行现行程序CPU查询等待并传输I/O数据CPU 执行现行程序启动I/OI/O 准备及传送指令执行周期结束CPU 执行现行程序CPU 执行现行程序启动I/O中断请求I/O准备I/O准备CPU 处理中断服务程序实现 I/O 与主机之间的传送间断启动I/O启动I/OI/O准备中断请求启动I/OI/O准备一个存取周期DMA请求程序查询方式程序中断方式DMA 方式I/O 准备及传送第13页/共88
9、页144、I/O通道控制方式IO通道具有少数专用的指令系统，能实现指令所控制的操作，管辖其相应的设备控制器，所以IO通道已具备简单处理机的功能。但它仅仅是面向外围设备的控制和数据的传送，其指令系统也仅仅是几条简单的与IO操作有关的命令。它要在CPU的IO指令指挥下启动、停止或改变工作状态。因此，lO通道不是一个完全独立的处理机，它只是从属于CPU的一个专用IO处理器。它的进一步发展是引入专用的输入输出处理机。通道方式的出现进一步提高了CPU的效率。但需更多的硬件电路。第14页/共88页155、输入输出处理机(IOP)方式有单独的存储器和独立的运算部件，可访问系统的内部存储器除数据传输外，还应有
10、以下功能：能处理传送过程中出错及异常情况，数据格式翻译，数据块校验。IOP方式是通道方式的进一步的发展。它们大多应用在中、大型计算机中。第15页/共88页168.2 DMA(Direct Memory Access)8.2 DMA(Direct Memory Access)输入输出方式高速大容量存储器和主存之间交换时，若采用程序直接传送或程序中断传送的方式，则会有如下问题发生。第16页/共88页171）采用程序直接传送，每传送一个字节要执行若干条指令，占用多个存储周期。在传送完一个字节后，还要经常判断一批数据是否传送完成。此外若外设工作速度低于主机周期时，主机工作效率受到限制。2）采用中断控制
11、数据传送可以提高主机效率，但用于高速外设和主机交换信息，会使主机处于频繁的中断与返回过程中，从而加重了与中断有关的额外负担（即保护旧现场，恢复新现场），这样降低了CPU的性能，还有丢失数据的可能。所以对高速I/O设备，用中断传送控制方式也是不合适的。应采用直接存储器访问方式传送，即DMA方式较为合适。CPU主存ACC 中断接口DMA 接口I/O 设 备中断方式数据传送通路输入指令输出指令DMA方式数据传送通路第17页/共88页18DMA是l/O设备与主存储器之间由硬件组成的直接数据通路，主要用于高速IO设备与主存之间的成组数据传送。在传送器件需要CPU的程序干预。数据传送时它是在DMA控制器控
12、制下进行的，由DMA控制器给出当前正在传送的数据字的主存地址，并统计传送数据的个数以确定一组数据的传送是否已结束。在主存中要开辟连续地址的专用缓冲器，用来提供或接收传送的数据。在数据传送之前和结束后要通过程序或中断方式对缓冲器和DMA控制器进行预处理和后处理。对磁盘的读写是以数据块为单位进行的，一旦找到数据块的起始位置就将连续地读写。而计算机通过通信设备与外部通信时，常以数据帧为单位进行批量传送。在大批量数据采集系统中，也可以采用DMA方式第18页/共88页191.CPU暂停方式主机响应DMA请求后让出存储总线，直到一组数据传送完毕后，DMA控制器才把总线控制权交还给CPU。采用这种工作方式的
13、IO设备，在其接口中一般设置有存取速度较快的小容量存储器。IO设备与小容量存储器先交换数据，然后小容量存储器再与主机交换数据，这样可减少DMA传送占用存储总线的时间，也即减少CPU暂停工作时间。这种方式也称为成组连续传送方式，它可减少系统总线控制权的交换次数，有利于提高输入输出速度。适用于高速外设或单用户状态下的个人计算机。2.CPU周期窃取方式DMA控制器与主存储器之间传送一个数据占用（窃取）一个CPU周期即CPU暂停工作一个周期，然后继续执行程序。这种方式也称为单字传送方式。8.3.1 DMA三种工作方式第19页/共88页203.直接访问存储器工作方式这是标准的DMA工作方式。如传送数据时
14、CPU正好不占用存储总线，则对CPU不产生任何影响。如同时需要访问存储总线，则DMA的优先级高于CPU。8.3.2 DMA8.3.2 DMA控制器组成DMA控制器基本组成如图10.8所示。它包括多个设备寄存器、中断控制和DMA控制逻辑等。DMA控制器中包含多个寄存器，主要的寄存器有：（1）主存地址寄存器（MAR）：该寄存器初始值为主在缓冲区的首地址，在传送前要由程序送入。主存缓冲区地址是连续的。在DMA传迭期间，每交换一个字由硬件逻辑将其自动加1而成为下一次数据传送的主存地址。（2）外围设备地址寄存器（ADR）：该寄存器存放IO设备的设备码或者表示设备信息存储区的寻址信息，如磁盘数据所在的区号
15、、盘面号和柱面号等。具体内容取决于I/O设备的数据格式和地址字编址方式。第20页/共88页21（3）字数计数器（WC）：该计数器对传送数据的总字数进行统计，在传送开始前，由程序将要传送的一组数据的字数送入WC，以后每传送一个字（或字节）计数器自动减1，当WC内容为零时表示数据已全部传送完毕。（4）控制与状态寄存器（CSR）：该寄存器用来存放控制率和状态字，有的接口中使用两个寄存器分别存放控制字和状态字。（5）数据缓冲寄存器（DBR）：该寄存器用来暂存IO设备与主存传送的数据。通常DMA与主存之间是按字传送的，而DMA与设备之间时能是按字节或块传送的。因此，DMA还可能要包括装配和拆卸字信息的硬
16、件。如数据移位缓冲寄存器、字节计数器等。各寄存器均有自己的总线地址，它们是主存的指定单元或IO设备号，CPU可对这些寄存器进行读写。第21页/共88页22DMA控制器结构控制器结构第22页/共88页23此外还有中断控制逻辑DMA中断控制逻辑负责申请CPU对DMA进行预处理和后处理。DMA控制逻辑一般包括设备码选择电路;DMA优先排队电路，产生DMA请求的线路等;在DMA取得总线控制权后控制主存和设备之间的数据传送;DMA接口与主机和IO设备两个方向的数据线、地址线和控制信号线以及有关收发与驱动线路。DMA传送是直接依靠硬件实现的，这是它不同于程序查询方式、中断传送访时之处。原理方框图如下：第2
17、3页/共88页24数据总线控制总线地址译码器地址总线总线请求总线允许控制寄存器状态寄存器地址寄存器字节计数器DMA请求DMA回答计数结束信号DMA控制器框图第24页/共88页258.3.3 DMA8.3.3 DMA的数据传送过程DMA的数据传送过程可分为三个阶段。DMA传送前预处理、数据传送及传送后处理。1.DMA预处理在进行DMA数据传送之前要用程序做一些必要的准备工作。先由CPU执行几条输入输出指令测试设备状态；向DMA控制器的设备地址寄存器中送入设备地址并启动设备；在主存地址寄存器中送入交换数据的主存起始地址；在数据字数寄存器中送入交换的数据个数。在这些工作完成之后，CPU继续执行原来的
18、程序等待设备发出DMA申请。第25页/共88页 N CPU预处理 内存起始地址 DMA 设备地址 DMA 传送数据个数 DMA 启动设备 继续执行主程序，同时完成一批数据传送 中断服务程序 进行DMA结束处理 数据传送 后处理 DMA请求 允许传送？主存地址送总线；数据送 I/O 设备（或主存）；主存地址加1；WC内容（传送个数）向 CPU申请程序中断 数据块传 送结束？图8.9 DMA数据传送过程 NYY第26页/共88页272.DMA控制I0设备与主存之间的数据交换IO设备启动后，若为输入数据，则要进行以下操作（1）从输入介质读入一个字到数据缓冲寄存器DBR中，如I0设备是面向字符的，也就
19、是一次读入的数据为一个字节,则组成一个字需经装配。（2）向CPU发DMA请求，在取得总线控制权后将DBR中的数据送入主存的数据寄存器。（3）将DMA中的MAR内容送主存的地址寄存器，启动写操作将数据写入主存。（4）将WC内容减1；将MAR的内容加1，给出下一个字的地址。（5）判断WC是否为“0”，若不是，说明还有数据需要传送，检查无错后准备下一字的输入。若WC为“0”，表明一组数据已传送完毕，此时应置结束标志向CPU发中断请求。第27页/共88页28若为输出数据应进行以下操作（1）将MAR的内容送主存的地址寄存器。（2）启动主存读操作，将对应单元的内容读入主存的数据寄存器（3）将主存数据寄存器
20、的内容送到DMA的DBR中。（4）将DBR的内容送到输出设备，若为字符设备则需将DBR内容拆成字符输出。（5）将WC内容减1，MAR内容加1，为下一个字的输出做好准备。（6）判断WC的内容是否为0。如不为0，说明还需继续传送。输出设备处理完数据后，发DMA请求。如WC为0或检验有错则停止传送，向CPU发结束中断请求或出错中断请求。3.CPU中断原程序进行后处理若需继续交换数据，则又要对DMA控制器进行初始化。若不需交换数据，则停止外设；若为出错，则转错误诊断及处理程序。第28页/共88页29数据传送过程（输入）BR设备DMA 控 制 逻 辑 中 断 逻 辑ARWCDARDMA接口主存CPU+1
21、+1DREQHRQHLDA地址线DACK数据线溢出信号中断请求ARWC+1+1BRBRBRBRBR第29页/共88页30BRBR设备DMA 控 制 逻 辑 中 断 逻 辑ARWCDARDMA接口主存CPU+1+1DREQHRQHLDA地址线DACK数据线溢出信号中断请求ARWC+1+1数据传送过程（输出）BRBRBRBR第30页/共88页318.48.4 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，如仍采用DMA方式存在下述问题：（1）如果为数众多的外设都配置专用的DMA控制器，将大幅度增加硬件因而提高成本，而且要为解决众多DMA同时访问主存的冲突使控制复杂化。（
22、2）采用DMA传送方式的众多外设均直接由DMA管理控制，由CPU进行初始化势必会占用更多的CPU时间，而且频繁的周期挪用会降CPU执行程序的效率。为避免上述弊病，在大、中型计算机系统中采用通道方式或外围处理机方式进行数据交换。第31页/共88页328.4.1 I8.4.1 I0 0通道的种类IO通道是计算机系统中代替CPU管理控制外设的独立部件，它是一种能执行有限IO指令集合即通道命令的IO处理机。也就是说通道是一种通过执行通道程序管理I/O操作的控制器，它使主机与I/O操作之间达到更高的并行程度。由于它的任务是管理实现输入/输出操作，提供一种传送通道，所以将这种控制部件称作通道。第32页/共
23、88页33在通道控制方式下一个主机可以连接几个通道，每个通道又可连接多台IO设备。这些设备可具有不同速度，可以是不同种类。这种输入输出系统增强了主机与通道操作的并行能力以及各通道之间、同一通道的各设备之间的并行操作能力。同时也为用户提供了增减外围设备的灵活性。采用通道方式组织输入输出系统多使用主机、通道、设备控制器和IO设备四级连接方式。通道通过执行通道程序实施对I/O系统的统一管理和控制。因此，它是完成输入输出操作的主要部件。在CPU启动通道后通道自动地去内存取出通道指令并执行指令，直到数据交换过程结束向CPU发出中断请求，进行通道结束处理工作。第33页/共88页34一般来说，通道应有以下具
24、体功能：1）根据CPU要求选择某一指定外设与系统相连，向该外设发出操作命令，并进行初始化。2）指出外设读写信息的位置以及与外设交换信息的主存缓冲区地址。3）控制外设与主存之间的数据交换并完成数据字的分拆与装配。4）指定数据传送结束时的操作内容，并检查外设的状态（良好或有故障）。通道除了承担DMA的全部功能外，还承担了设备控制器的初始化工作，并包括了低速外设单个字符传送的程序中断功能，因此它分担了计算机系统中全部或大部分IO功能，提高了计算机系统功能分散化程度。第34页/共88页35DMA与通道的重要区别是:DMA完全借助于硬件完成数据传送，而通道则是通过一组通道命令与硬件一起完成数据传送。根据
25、多台设备共享通道的不同情况，可将通道分为三类:即字节多路通道、选择通道和数组多路通道。1.字节多路通道字节多路通道（multiplexorchannel）是一种简单的共享通道。它在时间分割的基础上，服务于多台低速和中速面向字符的外围设备。字节多路通道要求每种设备分时占用一个很短的时间片，不同的设备在各自分得的时间片内与通道建立传输连接，实现数据的传送。第35页/共88页362.选择通道选择通道每次只能从所连接的设备中选择一台I/O设备的通道程序。此刻该通道程序独占了整个通道。当它与主存交换完数据后，才能转去执行另一个设备的通道程序，为另一台设备服务。因此，连接在选择通道上的若干设备，只能依次使
26、用通道与主存传送数据。数据传送是以成组（数据块）方式进行，每次传送一个数据块因此，传送速率很高。3.数组多路通道数组多路通道把字节多路通道和选择通道的特点结合起来。它有多个子通道，既可以执行多路通道程序，像字节多路通道那样，所有子通道分时共享总通道；又可以用选择通道那样的方式传送数据。数组多路通道具有多路并行操作能力，又具有很高的数据传送速率，赢得了吞吐率的较大提高。它的缺点是增加了控制的复杂性。第36页/共88页378.4.2 8.4.2 通道型I IO O处理机和外围处理机通道技术的进一步发展，出现了独立性与功能更强的输入输出处理机IOP。其具有比较丰富的指令系统，结构接近于一般的处理机，
27、由自己的局部存储器。IOP不是一台独立的计算机，而是计算机系统中的一个部件。IOP可以和CPU并行工作，提供高速的DMA处理能力，实现数据的高速传送。此外有些IOP还提供数据的变换、搜索和字装配分拆等能力，有较多的IO指令集。外围处理机结构更接近于一般处理机，或者就是选用已有的通用机。外围机基本上是独立于主处理机工作的，应用于大型高效率的计算机系统中。在巨型机中，常采用多台外微处理机。第37页/共88页388.5 8.5 总线结构8.5.1 8.5.1 概述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，如一根传输线仅用于连接一个源部件（输出）和一个或多个目的部件（输入），则
28、不称为总线。1.总线作用：多个部件之间公用的传送信息的一组连线，负责计算机各部件进行数据交换、控制信号、地址信号的发送和接收。2.总线组成：信号线、总线控制器、收发电路、转换器等3.总线分类：传递信息物理结构:并行总线、串行总线、总线位置:器件总线、内部总线、外部总线第38页/共88页394.总线功能：传递信息(1)并行总线:多条线同时传递所有的二进制数位多位同时传递信息,速度快;结构复杂.计算机部件之间大量采用(2)串行总线:多位二进制信息公用一位信号线传递速度慢,但结构简单.部件之间距离较远时,采用串行总线可降低成本5.总线位置器件总线:大规模集成电路中采用的通信总线内部总线:计算机机箱内
29、各个部件之间的总线外部总线:主机与外部设备以及计算机与计算机之间使用的总线。从其组织方法上分有单总线和多总线：第39页/共88页 CPU I/O1 I/On 系统总线(a)单总线 处理器 Cache 主存储器 扩展总线接口 I/O网络 SCSI Modem 打印机 系统总线(b)双总线 处理器 Cache 主存储器 高速总线 SCSI P1394 扩展总线接口 视频 系统总线(c)三总线 网络 扩展总线 FAX Medom 串口 主存第40页/共88页41单总线结构演示第41页/共88页42双总线结构演示第42页/共88页43三总线结构演示第43页/共88页44早期总线结构演示第44页/共88
30、页45当代总线结构演示第45页/共88页468.5.2 8.5.2 总线标准1.物理特性:指总线的物理连接方式总线条数、连线插头、插座形状、引脚排列方式和次序2.功能特性:总线中每一条线的功能3.电气特性:每条线上的信号传送方向、有效电平范围。4.时间特性:每条线上的信号在什么时间上有效。无论多复杂的总线和接口都需从以上4个方面分析才能正确使用。第46页/共88页47CPU 插件板M.M 插件板I/O插件板总线物理实现BUS第47页/共88页48链式查询方式总线控制部件I/O接口0BSBRI/O接口1I/O接口nBG数据线地址线BS -总线忙BR-总线请求BG-总线同意I/O接口1总线判优控制
31、第48页/共88页49 0BS -总线忙BR-总线请求总线控制部件数据线地址线I/O接口0BSBRI/O接口1I/O接口n设备地址计数器定时查询方式I/O接口1 计数器设备地址 1第49页/共88页50排队器排队器独立请求方式总线控制部件数据线地址线I/O接口0I/O接口1I/O接口nBR0BG0BR1BG1BRnBGnBG-总线同意BR-总线请求第50页/共88页51总线通信信息在总线上的传送方式可分为同步和异步两种方式（l）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送，时钟通常是由CPU发出的，并送到总线上的所有部件。经过一段固定时间，本次总线传送周期结束，开始下一个新的总线
32、传送周期。（2）异步通信。利用数据发送部件和接收部件之间的相互握手信号来实现总线数据传送的方式称作异步通信方式。在异步通信方式下，发送部件将数据放到总线上后经过一定的时间延迟后，在控制线上发出“数据准备好信号、而接收部件则应发数据接收信号来响应，送此信号到发送部件，并接收数据。发送部件收到这个响应信号后，去除原数据至此结束本次传送。异步通信方式便于实现不同速度部件之间的数据传送。第51页/共88页52(1)同步式数据输入T1总线传输周期T2T3T4 时钟 地址 读命令 数据第52页/共88页53(2)同步式数据输出T1总线传输周期T2T3T4 时钟 地址 写命令 数据第53页/共88页54不互
33、锁半互锁全互锁(3)异步通信主设备从设备请求回答第54页/共88页55读数据的同步时序和异步时序演示第55页/共88页56总线驱动总线上可连接多个部件，具有扩充灵活的优点但总线的驱动能力总是有限制的，因此在扩充时要加以注意。通常一个模块或一个部件限制在l2个负载以内。在总线的传输线上至少连接两个源部件，而对集成电路来讲，不是任意两个集成电路的输出端可以短接在一起的，使用不当会损坏器件。在计算机系统中通常采用三态输出电路或集极开路输出电路来驱动总线。后者速度较低，通常使用在IO总线上。此外还有总线判优和出错处理等操作。第56页/共88页57 另外，总线性能的重要指标是总线带宽，它定义总线本身所能
34、达到的最高传输速率，单位是兆字节每秒（MB/S)。例：1）某总线在一个总线周期中并行传送4个字节的数据。假设一个总线周期等于一个总线时钟周期，总线时钟频率为33MHZ,求总线带宽是多少？2）如果一个总线周期中并行传送64位数据，总线时钟频率升至66MHZ，求总线带宽是多少？解：1）设总线带宽为Dr表示，总线时钟用T=1/f表示，一个总线周期传送的数据量用D表示，根据定义的Dr=D/T=DXf=4BX33X106/S=132MB/S2)64位=8BDr=DXf=8BX66X106/S=528MB/S第57页/共88页58例题2 ：利用串行方式传送字符，每秒传送的数据位常称为波特。假设数据传送速率
35、是120个字符/秒，每一个字符格式规定包含10个数据位（起始位、8个数据位、停止位），问传送的波特数是多少？每个数据位占用的时间是多少？解：波特数为：10位X120/秒=1200波特每个数据位占用的时间Td是波特数的倒数：Td=1/1200=0.833X10-3s=0.833ms起始位8个数据位停止位0XXXXXXXX1第58页/共88页598.5.3 Pentium8.5.3 Pentium机总线结构介绍大多数计算机采用了分层次的多总线结构。在这种结构中，速度差异大的设备使用不同速度的总线。Pentium计算机主板是一个三层次的多总线结构，即有CPU总线、PCI总线和ISA总线。CPU总线也
36、称CPU-存储器总线，它是一个64位数据线和36位地址线的同步总线。总线时钟频率为66MHZ、100MHZ等，CPU内部时钟是此时钟频率的倍频（超频）。可以把CPU总线看成是CPU引脚信号的延伸。第59页/共88页60Pentium机总线结构演示第60页/共88页611、ISA总线数据宽度16位/8位，工作频率8MHz，传输速率58MB/s，24位地址线，共98脚。适合速度要求不太高的板卡和外设分两组，长的一组单独可用与插8位的ISA兼容的板卡该总线共支持7个DMA通道和15级可屏蔽硬件中断。另外还与主板上的实时钟/日历、键盘控制器等相接。98线黑色插槽。ISA总线信号定义详见P349表10.
37、2。80286处理器主存储器显示器外存储器外通信号8MB/S第61页/共88页62ISA为工业标准总线是IBM公司为其生产的PC系列微机制定的总线标准。早期ISA总线为62针插座。它具体分成A、B两排，每排31针。其中包含有数据线8根(D0D7)，地址线2O根(A0A19)；可接收6路中断请求(IRQ3IRQ7,IRQ9);3路DMA请求(DRQ1DRQ3)；此外还包括时钟、电源线和地线。专为8位慢速外设的扩展服务。8O年代中期将ISA总线扩充到16位（即AT总线）。总线信号连接到2个插座，一个是与XT总线兼容的原62针插座，引线仍标以A1A31，B1B31。另一个为扩充的36针短插座，引线标
38、以C1C18，D1D18。总线信号包括数据线16根、地址线24根，支持12级中断（再加IRQ10IRQ15）和7个DMA通道（再加DRQ0,DRQ5DRQ7）。8位数据线的IO接口卡可以在ISA16的62针插座上运行。在此期间，由于CPU速度的提高，让CPU与存储器直接交换数据而不再通过ISA总线。表10.2为ISA总线信号定义。第62页/共88页63ISA总线构成第63页/共88页642、PC机局部总线（分VESA和PCI)CPU、CACHE主存储器32位CPU总线局部总线控制器32位IS A总线控制器高速外存图形适配器网络适配器33MB，32位局部总线调制解调器磁带机外存储器打印机第64页
39、/共88页651）VESA总线在CPU和外设之间开辟一条高速通路，与原有的ISA总线并排在主板上。简单方便。数据宽度32位，工作频率33MHz，最大传输速率132MB/s缺点：总线直接挂在CPU上无数据缓冲器，对CPU依赖性较大规范化不好，兼容性差只能带三个负载第65页/共88页662）PCI总线外部设备互连局部总线Intel于1992年开始研制一种将外围部件互连在一起的局部总线标准。这新的局部总线标准，被称为PCI（PeripheralConnectionInterface）总线。PCI总线控制器在CPU和外设之间插入一个复杂的管理层协调数据传输。用于连接高速的I/O设备模块，如显卡、网卡、
40、硬盘控制器等。通过“北桥”上与CPU-存储器总线连接，通过“南桥”下与ISA总线相接。PCI总线是一个同步总线，32位（或64位）数据/地址线是同一组线，分时复用。PCI总线采用集中式仲裁方式，有专用的PCI控制器。特点如下:不依赖CPU；提供数据缓冲；能支持10种外设；数据宽度32位；工作频率33MHz；最大传输速率132MB/s。120线白色插槽。总线协调性好，提供即插即用（PnP)功能第66页/共88页67 PCI总线使用一个专门的局部总线到PCI的桥芯片（连接控制器），用来与微处理器局部总线相接。这样，每当微处理器及其局部总线改变时,只需跟着改变桥芯片，全部原有外围设备则可自动继续工作
41、。这个策略的本质是，隔离微处理器及其局部总线的变动，使之不影响众多的外围芯片系统。PCI总线有着极其完好的功能和电气定义，已成为Pentium微处理器系统的首选总线。PCIV1.0支持33MHZ工作频率，最大传输率位133MB/S;而工作在V2.1支持的66MHZ频率时，其传输率为264MB,或528MB/S。考虑到其他的性能增强，大约是ISA总线速度的42倍。第67页/共88页68nPCI有120根引出线，其中有一些是必备的，另一些是可选的。必备信号线分成以下5组：系统信号线、地址与数据复用线、接口控制线、仲裁线、出错报告线。nPCI标准规定了可以使用32位和64位数据、5V或3.3V电源，
42、不过目前PC系列机中采用的还是32位、5V插槽的设计，它最大支持33MHz的时钟速率和最大132MBps的猝发式数据传输率。下图是使用PCI和ISA总线的PC系列微机的总线结构。从该结构中可以看出,PCI桥芯片将PC系统分隔成了两大部分,一部分由CPU和存储器及存储器控制系统构成,该系统直接使用CPU的32位或64位局部总线,支持较高速的CPU运行,只要CPU与L2Cache的速度配合好,就能全速运行,而不必考虑系统其他部件的速度。另一部分主要是各种外围设备,它们可以运行在PCI的速度下,或通过桥芯片连到PCI,而本身以更低的速度运行。第68页/共88页69图4。5第69页/共88页70PCI
43、总线结构演示第70页/共88页718.6 8.6 外设接口计算机的外部设备，如磁盘驱动器、CDROM、鼠标器、键盘、显示器等，都是独立的物理设备。这些设备与主机相连时，必须按照规定的物理互连特性、电气特性等进行连接，这些特性的技术规范，称为接口。从物理结构来看，例如硬盘驱动器，它一方面通过主板的引线与CPU相连，符合主机的系统总线规范；另一方面与硬盘驱动器相连要符合外设接口规范，即与相连的磁盘驱动器具有相同的技术规范。IDE接口和SCSI接口是当前在微机、工作站和服务器中广泛应用的接口。一般来讲，在微机中用IDE接口，在工作站服务器或小型机中使用SCSI接口。第71页/共88页728.6.1
44、IDE8.6.1 IDE和EIDEEIDE接口IDE是早期IBMPCAT上使用的硬盘接口，IDE标准有以下三点限制：（1）读写磁盘的数据传输率一般不超过15MBS。（2）最多可连接两个IDE设备（磁盘机或其他）。（3）如果连接磁盘驱动器，每个磁盘驱动器容量不超过528MB。目前使用的增强型IDE(EIDE)标准改进如下：（1）读写磁盘的数据传输率可达12MB/S18MB/S。（2）最多可连接4个IDE设备。（3）每个磁盘驱动器的容量可超过525MB。EIDE的数据传送带宽扩展到32位。第72页/共88页738.6.2 SCSI8.6.2 SCSI接口小型计算机系统接口（smallcompute
45、rsystemInterface，简称SCSI）是当前最流行的用于小型机和微型机的外部设备接口标准。1986年美国国家标准局（ANSI）制定出的标准，后来又被国际标准化组织（ISO）确认为国际标准。1986年之后，SCSI标准又经过多次修订、扩充，到1991年定稿，称为EnhancedSCSI，即SCSI2。与原有的SCSI标准兼容。SCSI总线的数据线由8位扩展到16位32位（由于各种原因，实用的总线只有16位）。并提高了数据传输率，扩充了功能和设备命令集。SCSI接口是以主机系统对智能外设的统一IO接口,总线的形式出现的，它处在主机适配器（SCSI接口板）与智能外设控制器之间的界面上，它不
46、仅可以控制磁盘驱动器，而且可以控制磁带机、光盘、打印机、扫描仪等外设。由于设备中包括了控制器，设备的功能更复杂，因而称为智能外设。第73页/共88页74SCSI标准规定了两种输出方式：单端输出方式和差分输出方式。8位单端输出SCSI接口信号是一根SO芯扁平电缆，其中大部分是地线，保证信号屏蔽良好。信号线共18根，包括9条数据线（8位数据加1位奇偶校验位）和9条控制线。目前绝大多数SCSI设备使用单端输出方式，SCSI总线的总长度限制为6米。差分输出方式把单端输出方式中的一部分地线改成了数据线和控制信号线的对称差分信号线，提高了数据抗干扰能力，允许总线的总长度可延伸到25米。目前大部分SCSI外
47、设为8位数据总线，但也有少数高速磁盘机及适配器采用16位，称之为宽带（wide），信号线从60根扩充到68根。第74页/共88页75联接到SCSI总线上的设备（包括外设和主机）都有一个标识号ID，从0，1，7共8个，允许多台外设并行工作，也允许多台主机共享外设。SCSI总线上的设备分成发出命令的“主设备”和接收并执行命令的从设备两大类，通常主机充当主设备，外设充当从设备。ID号高的“主设备”在占有总线的仲裁中享有高的优先级。目前有的小型机的基本设置中已有SCSI接口，如果没有，需要一块SCSI主机适配器板才能跨接到SCSI总线上。这块适配器板完成主机总线到SCSI总线的接口，因此不同的主机总线
48、有不同的适配器。例如有适合于AT总线或PCI总线的适配器。用户根据不同的主机选择相应的主机适配器，就可以联接具有SCSI接口的设备。第75页/共88页76第76页/共88页77SCSI总线接口实例演示第77页/共88页7810.6.3 10.6.3 其他外设接口1.串行数据通信接口标准有些外设，由于速度较慢或者离主机较远往往采用串行数据传送方式，它只需要一对线来传送信号。目前几乎在所有计算机中都采用的串行接口标准是EIARS232C标准。该标准包括了按位串行传输的电气和机械方面的规定，适用于数据终端设备DTE和数据通信设备DCE之间的接口。完整的RS232C接口有25根线，采用一个25芯插头座
49、。但大多数计算机终端一般安装的是9芯的插件，实际常使用其中的3至5根线即可工作，其中最主要的是发送数据和接收数据线。它们用来在两个系统之间传送串行信息，其传输率可从50、75至19200b/s（位秒）。第78页/共88页79RS232C数据线的电气特性是；低于3伏表示l，高于十4伏表示“0”，通常额定的信号电平为10伏和十10伏左右。因此RS232C的电平与标准的TTL的逻辑电平不同，需要使用1488和1489集成电路发送器和接收器来进行电平转换。串行接口用于连接慢速外围设备到计算机总线上，其设备一端按位串行传送，计算机一端并行（通常是字节）传送。第79页/共88页802.通用串行总线USBU
50、SB是一种通用万能插口，可以将下列的任一部件插入USB端口显示器、键盘、鼠标、调制解调器、游戏杆、打印机、扫描仪、视频相机等。还可以将一些USB外设进行串接即一大串设备共用PC机上一个端口。方形4芯插座，连接时需有连接器进行级连。第80页/共88页81USB总线可提供电源，但如将多个耗电量大的外设串接起来有可能使总线过载，此时可使用一个自供电的集线器来补充功耗。另外USB外设可以热插拔。但一些USB外设不能在windows95下使用，而需要等待软件升级到Windows98。理论上讲，一自配备USB端口的PC机可以处理多达127个USB设备。但是这种总线的带宽为12Mb/S，这对许多外设（例如键