計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)-第5章

1、第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系統(tǒng) 5.1輸入輸出工作原理輸入輸出工作原理 5.2總線系統(tǒng)總線系統(tǒng) 5.3中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng) 5.4通道處理機(jī)通道處理機(jī) 5.5輸入輸出處理機(jī)輸入輸出處理機(jī) 第第 5 章章 輸輸 入入 輸輸 出出 系系 統(tǒng)統(tǒng) 第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系統(tǒng) 本章重點(diǎn)：本章重點(diǎn)： 五種基本輸入輸出方式的特點(diǎn)、總線的控制方五種基本輸入輸出方式的特點(diǎn)、總線的控制方 式、中斷的處理過程、中斷系統(tǒng)的軟硬件功能式、中斷的處理過程、中斷系統(tǒng)的軟硬件功能 分配、中斷屏蔽的設(shè)置、通道處理機(jī)的工作原分配、中斷屏蔽的設(shè)置、通道處理機(jī)的工作原 理及通道流量分析。理及通道流量分析。 本章難點(diǎn)：本章難點(diǎn)

2、： 總線的通信方式及通道的設(shè)計(jì)。總線的通信方式及通道的設(shè)計(jì)。 第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系統(tǒng) 5.1 輸入輸出原理輸入輸出原理 通常把處理機(jī)與主存儲(chǔ)器之外的部分統(tǒng)稱為通常把處理機(jī)與主存儲(chǔ)器之外的部分統(tǒng)稱為輸入輸出系統(tǒng)輸入輸出系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱（簡(jiǎn)稱 I/O系統(tǒng)）系統(tǒng)），是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，它的主要作用是連是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，它的主要作用是連 通計(jì)算機(jī)的各個(gè)功能部件和設(shè)備，在它們之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。通計(jì)算機(jī)的各個(gè)功能部件和設(shè)備，在它們之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。 包括包括輸入輸出設(shè)備、輸入輸出接口和輸入輸出軟件輸入輸出設(shè)備、輸入輸出接口和輸入輸出軟件等。等。 實(shí)際上，運(yùn)算器、控制器、主存儲(chǔ)器和總

3、線等也要通過輸入輸出實(shí)際上，運(yùn)算器、控制器、主存儲(chǔ)器和總線等也要通過輸入輸出 系統(tǒng)來管理。系統(tǒng)來管理。 第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系統(tǒng) 輸入輸出系統(tǒng)是處理機(jī)與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的通輸入輸出系統(tǒng)是處理機(jī)與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的通 道道, ,是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最具多樣性和復(fù)雜性的部分是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最具多樣性和復(fù)雜性的部分, ,涉及涉及 到機(jī)、光、電、磁、聲、自動(dòng)控制等多種學(xué)科。到機(jī)、光、電、磁、聲、自動(dòng)控制等多種學(xué)科。 輸入輸出系統(tǒng)最典型地反映著硬件與軟件的相互結(jié)輸入輸出系統(tǒng)最典型地反映著硬件與軟件的相互結(jié) 合。輸入輸出系統(tǒng)的復(fù)雜性隱藏在系統(tǒng)軟件中，用戶合。輸入輸出系統(tǒng)的復(fù)雜性隱藏在系統(tǒng)軟件中，用戶 無

4、需了解輸入輸出設(shè)備的具體細(xì)節(jié)。無需了解輸入輸出設(shè)備的具體細(xì)節(jié)。 5.1.1 5.1.1 輸入輸出系統(tǒng)的特點(diǎn)輸入輸出系統(tǒng)的特點(diǎn) 第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系統(tǒng) 1.1.實(shí)時(shí)性實(shí)時(shí)性 對(duì)于一般輸入輸出設(shè)備對(duì)于一般輸入輸出設(shè)備, ,如果處理機(jī)提供的服務(wù)不如果處理機(jī)提供的服務(wù)不 及時(shí)，及時(shí)，可能丟失數(shù)據(jù)可能丟失數(shù)據(jù)，或造成外圍設(shè)備工作的錯(cuò)誤。，或造成外圍設(shè)備工作的錯(cuò)誤。 對(duì)于實(shí)時(shí)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，如果處理機(jī)提供的服對(duì)于實(shí)時(shí)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，如果處理機(jī)提供的服 務(wù)不及時(shí)，務(wù)不及時(shí)，可能造成巨大的損失可能造成巨大的損失，甚至造成人身傷害。，甚至造成人身傷害。 對(duì)于對(duì)于處理機(jī)本身的硬件或軟件錯(cuò)誤處理機(jī)本身的

5、硬件或軟件錯(cuò)誤：如電源故障、：如電源故障、 數(shù)據(jù)校驗(yàn)錯(cuò)、頁(yè)面失效、非法指令、地址越界等，處數(shù)據(jù)校驗(yàn)錯(cuò)、頁(yè)面失效、非法指令、地址越界等，處 理機(jī)必須及時(shí)處理。理機(jī)必須及時(shí)處理。 對(duì)不同類型的設(shè)備，必須具有與設(shè)備相配合的對(duì)不同類型的設(shè)備，必須具有與設(shè)備相配合的多多 種工作方式種工作方式。 第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系統(tǒng) 2.2.與設(shè)備無關(guān)性與設(shè)備無關(guān)性 獨(dú)立于具體設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)接口獨(dú)立于具體設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)接口。例如，串行接口、并。例如，串行接口、并 行接口、行接口、SCSISCSI（Small Computer System InterfaceSmall Computer System Interfa

6、ce） 接口等接口等 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的使用者，在需要更換外圍設(shè)備時(shí)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的使用者，在需要更換外圍設(shè)備時(shí)， 各種不同型號(hào)，不同生產(chǎn)廠家的設(shè)備都可以直接各種不同型號(hào)，不同生產(chǎn)廠家的設(shè)備都可以直接通過通過 標(biāo)準(zhǔn)接口標(biāo)準(zhǔn)接口與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接。與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接。 處理機(jī)處理機(jī)采用統(tǒng)一的硬件和軟件對(duì)品種繁多的設(shè)備采用統(tǒng)一的硬件和軟件對(duì)品種繁多的設(shè)備 進(jìn)行管理。進(jìn)行管理。 某些計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了某些計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了即插即用技術(shù)即插即用技術(shù)。 第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系統(tǒng) 3.3.異步性異步性 輸入輸出設(shè)備通常不使用統(tǒng)一的中央時(shí)鐘，輸入輸出設(shè)備通常不使用統(tǒng)一的中央時(shí)鐘，各個(gè)各個(gè) 設(shè)備按照自己的時(shí)

7、鐘工作設(shè)備按照自己的時(shí)鐘工作，但又要在某些時(shí)刻接受處，但又要在某些時(shí)刻接受處 理機(jī)的控制。理機(jī)的控制。 處理機(jī)與外圍設(shè)備之間，處理機(jī)與外圍設(shè)備之間，外圍設(shè)備與外圍設(shè)備之外圍設(shè)備與外圍設(shè)備之 間能并行工作。間能并行工作。 針對(duì)實(shí)時(shí)性，采用針對(duì)實(shí)時(shí)性，采用層次結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu)的方法，的方法， 針對(duì)與設(shè)備無關(guān)性，采用針對(duì)與設(shè)備無關(guān)性，采用分類處理分類處理的方法，的方法， 針對(duì)異步性，采用針對(duì)異步性，采用自治控制自治控制的方法。的方法。 第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系統(tǒng) 5.1.2 輸入輸出系統(tǒng)的組織方式輸入輸出系統(tǒng)的組織方式 1. 1. 自治控制自治控制 輸入輸出系統(tǒng)是獨(dú)立于輸入輸出系統(tǒng)是獨(dú)立于CPU

8、之外的自治系統(tǒng)之外的自治系統(tǒng) 處理機(jī)與外圍設(shè)備之間要有恰當(dāng)?shù)姆止ぬ幚頇C(jī)與外圍設(shè)備之間要有恰當(dāng)?shù)姆止?2. 2. 層次結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu) 最內(nèi)層是最內(nèi)層是輸入輸出處理機(jī)輸入輸出處理機(jī)、輸入輸出通道輸入輸出通道等等 中間層是中間層是標(biāo)準(zhǔn)接口標(biāo)準(zhǔn)接口。 標(biāo)準(zhǔn)接口通過設(shè)備控制器與標(biāo)準(zhǔn)接口通過設(shè)備控制器與輸入輸出設(shè)備輸入輸出設(shè)備連接連接 3. 3. 分類組織分類組織 面向字符的設(shè)備面向字符的設(shè)備，如字符終端、打字機(jī)等，如字符終端、打字機(jī)等 面向數(shù)據(jù)塊的設(shè)備面向數(shù)據(jù)塊的設(shè)備，如磁盤、磁帶、光盤等。，如磁盤、磁帶、光盤等。 第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系統(tǒng) 圖圖5-1 輸入輸出系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)輸入輸出系統(tǒng)的層次結(jié)

9、構(gòu) 第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系統(tǒng) 1程序查詢方式程序查詢方式 程序查詢方式是由程序查詢方式是由CPU通過程序通過程序不斷查詢不斷查詢I/O設(shè)備是設(shè)備是 否已做好難備，從而控制否已做好難備，從而控制I/O與主機(jī)交換信息。與主機(jī)交換信息。 程序查詢方式具體有狀態(tài)驅(qū)動(dòng)輸入輸出方式、應(yīng)答輸程序查詢方式具體有狀態(tài)驅(qū)動(dòng)輸入輸出方式、應(yīng)答輸 入輸出方式、查詢輸入輸出方式、條件驅(qū)動(dòng)輸入輸出方入輸出方式、查詢輸入輸出方式、條件驅(qū)動(dòng)輸入輸出方 式。式。 程序控制輸入輸出方式的程序控制輸入輸出方式的4個(gè)特點(diǎn)：個(gè)特點(diǎn)： (1)何時(shí)對(duì)何設(shè)備進(jìn)行輸入輸出操作受何時(shí)對(duì)何設(shè)備進(jìn)行輸入輸出操作受CPU控制。控制。 (2)

10、CPU要通過指令對(duì)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試才能知道設(shè)備的工作要通過指令對(duì)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試才能知道設(shè)備的工作 狀態(tài)。狀態(tài)?？臻e、準(zhǔn)備就緒、忙碌等?？臻e、準(zhǔn)備就緒、忙碌等。 (3)數(shù)據(jù)的輸入和輸出都要經(jīng)過數(shù)據(jù)的輸入和輸出都要經(jīng)過CPU。 (4)用于連接低速外圍設(shè)備，如終端、打印機(jī)等。用于連接低速外圍設(shè)備，如終端、打印機(jī)等。 5.1.3 基本輸入輸出方式基本輸入輸出方式 第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系統(tǒng) 程序查詢方式中只要程序查詢方式中只要CPU一啟動(dòng)一啟動(dòng)I/O設(shè)備，設(shè)備，CPU便便 不斷查詢不斷查詢I/O的準(zhǔn)備情況，從而終止了原程序的執(zhí)行。的準(zhǔn)備情況，從而終止了原程序的執(zhí)行。 CPU在反復(fù)查詢過程中，猶如就地

11、在反復(fù)查詢過程中，猶如就地“踏步踏步”。另一方。另一方 面，面，I/O準(zhǔn)備就緒后，準(zhǔn)備就緒后，CPU要一個(gè)字一個(gè)字地從要一個(gè)字一個(gè)字地從I/O設(shè)設(shè) 備取出，經(jīng)備取出，經(jīng)CPU送至主存，此刻送至主存，此刻CPU也不能執(zhí)行原程也不能執(zhí)行原程 序，可以看出這種方式使序，可以看出這種方式使CPU和和I/O處于串行工作狀態(tài)，處于串行工作狀態(tài)， CPU的工作效率不高。例如為的工作效率不高。例如為CPU從某一外設(shè)讀數(shù)據(jù)從某一外設(shè)讀數(shù)據(jù) 塊（例如從磁帶上讀一記錄塊）至主存的查詢方式，塊（例如從磁帶上讀一記錄塊）至主存的查詢方式， 見圖見圖5-2所示。所示。 第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系統(tǒng) I/O 出錯(cuò) 從

12、CPU向主存寫入一個(gè)字 CPU向I/O發(fā)讀指令 CPU讀I/O狀態(tài) 檢查狀態(tài) 從I/O接口中讀一個(gè)字到 CPU 完成否 CPU I/OCPU 主存 I/OCPU CPU 現(xiàn)行程序 現(xiàn)行程序是 否 未準(zhǔn)備就緒 已準(zhǔn)備就緒 第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系統(tǒng) 【例【例5.1】一個(gè)處理機(jī)在一段時(shí)間內(nèi)只能管理一臺(tái)打印機(jī)?！恳粋€(gè)處理機(jī)在一段時(shí)間內(nèi)只能管理一臺(tái)打印機(jī)。 處理機(jī)執(zhí)行指令的速度為處理機(jī)執(zhí)行指令的速度為1GIPS，字長(zhǎng)，字長(zhǎng)32位，打印機(jī)位，打印機(jī) 每秒鐘每秒鐘100個(gè)字符，求處理機(jī)的實(shí)際利用率。個(gè)字符，求處理機(jī)的實(shí)際利用率。 解：處理機(jī)用一條指令就能向打印機(jī)傳送解：處理機(jī)用一條指令就能向打印機(jī)

13、傳送4個(gè)字符。因此，個(gè)字符。因此， 處理機(jī)的實(shí)際利用率只有即處理機(jī)的實(shí)際利用率只有即4千萬(wàn)分之一：千萬(wàn)分之一：100/109 4 0.25 10-7 第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系統(tǒng) 2.2.中斷輸入輸出方式中斷輸入輸出方式 定義：定義：當(dāng)出現(xiàn)來自系統(tǒng)外部，機(jī)器內(nèi)部，甚至處理機(jī)本當(dāng)出現(xiàn)來自系統(tǒng)外部，機(jī)器內(nèi)部，甚至處理機(jī)本 身的任何例外的身的任何例外的，或者雖然是事先安排的，但出現(xiàn)在，或者雖然是事先安排的，但出現(xiàn)在 現(xiàn)行程序的什么地方是事先不知道的現(xiàn)行程序的什么地方是事先不知道的事件時(shí)，事件時(shí)，CPUCPU暫停暫停 執(zhí)行現(xiàn)行程序，轉(zhuǎn)去處理這些事件，等處理完成后再執(zhí)行現(xiàn)行程序，轉(zhuǎn)去處理這些事件，

14、等處理完成后再 返回來繼續(xù)執(zhí)行原先的程序。返回來繼續(xù)執(zhí)行原先的程序。 特點(diǎn)：特點(diǎn)： (1)CPU與外圍設(shè)備能夠并行工作。與外圍設(shè)備能夠并行工作。 (2)能夠處理例外事件。能夠處理例外事件。 (3)數(shù)據(jù)的輸入和輸出都要經(jīng)過數(shù)據(jù)的輸入和輸出都要經(jīng)過CPU。 (4)用于連接低速外圍設(shè)備。用于連接低速外圍設(shè)備。 第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系統(tǒng) 【例【例5.25.2】采用程序中斷方式從外設(shè)讀數(shù)據(jù)塊到主存的程序】采用程序中斷方式從外設(shè)讀數(shù)據(jù)塊到主存的程序 流程如圖流程如圖5-45-4所示。所示。 CPUCPU向向I/OI/O設(shè)備發(fā)出讀命令后，仍在處理其他一些事設(shè)備發(fā)出讀命令后，仍在處理其他一些事 情（

15、如繼續(xù)在算題）。當(dāng)設(shè)備向情（如繼續(xù)在算題）。當(dāng)設(shè)備向CPUCPU發(fā)出請(qǐng)求后，發(fā)出請(qǐng)求后，CPUCPU才才 從從I/OI/O接口讀一個(gè)字經(jīng)接口讀一個(gè)字經(jīng)CPUCPU送至主存（這是通過執(zhí)行中斷送至主存（這是通過執(zhí)行中斷 服務(wù)程序完成的）。如果服務(wù)程序完成的）。如果I/OI/O設(shè)備的一批數(shù)據(jù)（一個(gè)數(shù)據(jù)設(shè)備的一批數(shù)據(jù)（一個(gè)數(shù)據(jù) 塊的全部數(shù)據(jù)）尚未傳送結(jié)束時(shí)，塊的全部數(shù)據(jù)）尚未傳送結(jié)束時(shí)，CPUCPU再次啟動(dòng)再次啟動(dòng)I/OI/O設(shè)備，設(shè)備， 命令命令I(lǐng)/OI/O設(shè)備再作準(zhǔn)備，一旦又接收到設(shè)備再作準(zhǔn)備，一旦又接收到I/OI/O設(shè)備中斷請(qǐng)求設(shè)備中斷請(qǐng)求 時(shí)，時(shí)，CPUCPU又重復(fù)上述中斷服務(wù)過程，這樣周而復(fù)

16、始，直至又重復(fù)上述中斷服務(wù)過程，這樣周而復(fù)始，直至 一批數(shù)據(jù)傳送完畢。一批數(shù)據(jù)傳送完畢。 第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系統(tǒng) I/OCPU I/O 到CPU的中 斷請(qǐng)求 I/O設(shè)備工作 準(zhǔn)備就緒 從CPU向主存寫入一個(gè) 字 CPU向I/O發(fā)讀指令 CPU做其它事情 CPU讀I/O狀態(tài) 檢查狀態(tài) 從I/O接口中讀一個(gè)字到 CPU 完成否 I/O CPU CPU主存 否 是 目 接 收 數(shù)據(jù) 圖5-4程序中斷方式程序流程示意圖 第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系統(tǒng) 3直接存儲(chǔ)器訪問方式（直接存儲(chǔ)器訪問方式（DMA：Direct Memory Access） 在在DMA方式中，主存與方式中，主存與I/

17、O設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送過程如圖設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送過程如圖 所示，主存與所示，主存與I/O之間有一條數(shù)據(jù)通路，主存與之間有一條數(shù)據(jù)通路，主存與I/O設(shè)備設(shè)備 交換信息時(shí)，無需處理中斷服務(wù)程序。交換信息時(shí)，無需處理中斷服務(wù)程序。 輸入設(shè)備ID 存儲(chǔ)器MM處理機(jī)CPU 輸出設(shè)備OD 第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系統(tǒng) DMA方式具有如下特點(diǎn)：方式具有如下特點(diǎn)： (1)外圍設(shè)備的訪問請(qǐng)求直接發(fā)往主存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)的傳外圍設(shè)備的訪問請(qǐng)求直接發(fā)往主存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)的傳 送過程不需要送過程不需要CPUCPU的干預(yù)的干預(yù)。 (2)全部用硬件實(shí)現(xiàn)，不需要做保存現(xiàn)場(chǎng)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)等全部用硬件實(shí)現(xiàn)，不需要做保存現(xiàn)場(chǎng)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)等 工作。工

18、作。 (3)DMA控制器復(fù)雜，需要設(shè)置數(shù)據(jù)寄存器、設(shè)備狀態(tài)控制器復(fù)雜，需要設(shè)置數(shù)據(jù)寄存器、設(shè)備狀態(tài) 控制寄存器、主存地址寄存器、設(shè)備地址寄存器和數(shù)控制寄存器、主存地址寄存器、設(shè)備地址寄存器和數(shù) 據(jù)交換個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)器及控制邏輯等。據(jù)交換個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)器及控制邏輯等。 (4)在在DMA方式開始和結(jié)束時(shí)，需要處理機(jī)進(jìn)行管理。方式開始和結(jié)束時(shí)，需要處理機(jī)進(jìn)行管理。 第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系統(tǒng) 4通道（通道（Channel）方式）方式 通道是一個(gè)具有特殊功能的處理器，把對(duì)外圍設(shè)備的通道是一個(gè)具有特殊功能的處理器，把對(duì)外圍設(shè)備的 管理工作從管理工作從CPU中分離出來，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍設(shè)備的統(tǒng)一中分離出來，可以

19、實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍設(shè)備的統(tǒng)一 管理和外圍設(shè)備與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳送，大大提高了管理和外圍設(shè)備與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳送，大大提高了CPU 的工作效率。然而這種提高的工作效率。然而這種提高CPU效率的辦法是以花費(fèi)更多效率的辦法是以花費(fèi)更多 硬件為代價(jià)，通道處理機(jī)能夠負(fù)擔(dān)外圍設(shè)備的大部分硬件為代價(jià)，通道處理機(jī)能夠負(fù)擔(dān)外圍設(shè)備的大部分I/O工工 作。作。 5I/O處理機(jī)方式處理機(jī)方式 I/O處理機(jī)方式是通道方式的進(jìn)一步發(fā)展，它基本上獨(dú)處理機(jī)方式是通道方式的進(jìn)一步發(fā)展，它基本上獨(dú) 立于主機(jī)工作，結(jié)構(gòu)更接近一般處理機(jī)，甚至就可以是微立于主機(jī)工作，結(jié)構(gòu)更接近一般處理機(jī)，甚至就可以是微 小型計(jì)算機(jī)。小型計(jì)算機(jī)。 在大型、巨

20、型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，常采用輸入輸出處理機(jī)在大型、巨型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，常采用輸入輸出處理機(jī) 來分擔(dān)中央處理機(jī)的輸入輸出任務(wù)，它有一定的運(yùn)算功能，來分擔(dān)中央處理機(jī)的輸入輸出任務(wù)，它有一定的運(yùn)算功能， 有自己的存儲(chǔ)器，不必通過主存儲(chǔ)器就能完成與外圍設(shè)備有自己的存儲(chǔ)器，不必通過主存儲(chǔ)器就能完成與外圍設(shè)備 的數(shù)據(jù)交換，大大提高了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能。的數(shù)據(jù)交換，大大提高了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能。 第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系統(tǒng) 五種方式中，程序查詢方式和程序中斷方式適用于數(shù)五種方式中，程序查詢方式和程序中斷方式適用于數(shù) 據(jù)傳輸率比較低的外圍設(shè)備，而據(jù)傳輸率比較低的外圍設(shè)備，而DMA方式、通道方式方式、通道方式 和和I/

21、O處理機(jī)方式適用于數(shù)據(jù)傳輸率比較高的設(shè)備。目處理機(jī)方式適用于數(shù)據(jù)傳輸率比較高的設(shè)備。目 前，單片機(jī)和微型機(jī)中多采用程序查詢方式、程序中前，單片機(jī)和微型機(jī)中多采用程序查詢方式、程序中 斷方式和斷方式和DMA方式。通道方式和方式。通道方式和I/O處理機(jī)方式大都處理機(jī)方式大都 用在大中型計(jì)算機(jī)中。用在大中型計(jì)算機(jī)中。 第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系統(tǒng) 5.2 總線系統(tǒng)總線系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)中的各個(gè)部件，包括計(jì)算機(jī)中的各個(gè)部件，包括CPU、內(nèi)存儲(chǔ)器、外、內(nèi)存儲(chǔ)器、外 存儲(chǔ)器和輸入輸出設(shè)備的接口之間是通過一條公共信存儲(chǔ)器和輸入輸出設(shè)備的接口之間是通過一條公共信 息通路連接起來的，這條信息通路稱為總線，包括傳

22、息通路連接起來的，這條信息通路稱為總線，包括傳 輸數(shù)據(jù)（信息）信號(hào)的邏輯電路、管理信息傳輸協(xié)議輸數(shù)據(jù)（信息）信號(hào)的邏輯電路、管理信息傳輸協(xié)議 的邏輯線路和物理連線?？偩€與其相配合的附屬控制的邏輯線路和物理連線?？偩€與其相配合的附屬控制 電路統(tǒng)稱為總線系統(tǒng)。電路統(tǒng)稱為總線系統(tǒng)。 第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系統(tǒng) 5.2.1 總線的分類總線的分類 1總線在計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)中所處的位置總線在計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)中所處的位置 四類：片內(nèi)總線、片總線、內(nèi)總線和外總線。片內(nèi)四類：片內(nèi)總線、片總線、內(nèi)總線和外總線。片內(nèi) 總線是總線是CPU芯片中的內(nèi)部總線，是連接運(yùn)算器、寄存芯片中的內(nèi)部總線，是連接運(yùn)算器、寄存 器和控制器

23、的信息通路。片總線（器和控制器的信息通路。片總線（chip Bus）是芯片）是芯片 級(jí)互聯(lián)總線如級(jí)互聯(lián)總線如CPU與內(nèi)存、與內(nèi)存、I/O接口之間的連接總線。接口之間的連接總線。 內(nèi)總線（內(nèi)總線（System Bus）又稱系統(tǒng)總線，是模板級(jí)互聯(lián)）又稱系統(tǒng)總線，是模板級(jí)互聯(lián) 總線，用來連接構(gòu)成微機(jī)的各種接口卡（如聲卡、顯總線，用來連接構(gòu)成微機(jī)的各種接口卡（如聲卡、顯 卡、網(wǎng)卡等）。外總線（卡、網(wǎng)卡等）。外總線（External Bus）又稱通信總線，）又稱通信總線， 用于微機(jī)之間，微機(jī)與外設(shè)（如磁盤、打印機(jī)）、儀用于微機(jī)之間，微機(jī)與外設(shè)（如磁盤、打印機(jī)）、儀 器、儀表、遠(yuǎn)程終端之間的通信。器、儀表

24、、遠(yuǎn)程終端之間的通信。 第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系統(tǒng) 2傳遞的信息類型傳遞的信息類型 可分為數(shù)據(jù)總線（可分為數(shù)據(jù)總線（data bus，DB ）、地址總線）、地址總線 （address bus，AB）和控制總線（）和控制總線（control bus，CB） 3個(gè)部分。個(gè)部分。 數(shù)據(jù)總線在計(jì)算機(jī)部件之間傳輸數(shù)據(jù)信息（數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)總線在計(jì)算機(jī)部件之間傳輸數(shù)據(jù)信息（數(shù)據(jù) 和指令），數(shù)據(jù)的傳送是雙向的，因而數(shù)據(jù)總線為雙和指令），數(shù)據(jù)的傳送是雙向的，因而數(shù)據(jù)總線為雙 向總線。地址總線指示欲傳數(shù)據(jù)的來源地址或目的地向總線。地址總線指示欲傳數(shù)據(jù)的來源地址或目的地 址，一般是單向的?？刂瓶偩€用于在各部件之間

25、傳遞址，一般是單向的?？刂瓶偩€用于在各部件之間傳遞 各種控制信息，一般是單向的。如微處理器到存儲(chǔ)器各種控制信息，一般是單向的。如微處理器到存儲(chǔ)器 或外設(shè)接口的控制信號(hào)（復(fù)位、存儲(chǔ)器請(qǐng)求、輸入或外設(shè)接口的控制信號(hào)（復(fù)位、存儲(chǔ)器請(qǐng)求、輸入 輸出請(qǐng)求、讀信號(hào)、寫信號(hào)等）。輸出請(qǐng)求、讀信號(hào)、寫信號(hào)等）。 第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系統(tǒng) 3信息傳送的方向信息傳送的方向 總線就允許信息傳送的方向來說可以有單向傳輸總線就允許信息傳送的方向來說可以有單向傳輸 和雙向傳輸兩類。其中雙向傳輸又有半雙向和全雙向和雙向傳輸兩類。其中雙向傳輸又有半雙向和全雙向 兩種。半雙向可沿相反方向傳送，但同時(shí)只能向一個(gè)兩種。半

26、雙向可沿相反方向傳送，但同時(shí)只能向一個(gè) 方向傳送。全雙向允許同時(shí)向兩個(gè)方向傳送，但其造方向傳送。全雙向允許同時(shí)向兩個(gè)方向傳送，但其造 價(jià)高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，速度快。價(jià)高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，速度快。 4信息在總線上的傳送方式信息在總線上的傳送方式 按信息在總線上的傳送方式可分為同步和異步按信息在總線上的傳送方式可分為同步和異步 通信總線。同步通信總線上所有設(shè)備通過統(tǒng)一的系通信總線。同步通信總線上所有設(shè)備通過統(tǒng)一的系 統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行同步。異步通信總線上的設(shè)備之間沒有統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行同步。異步通信總線上的設(shè)備之間沒有 統(tǒng)一的系統(tǒng)時(shí)鐘，設(shè)備自己內(nèi)部定時(shí)。統(tǒng)一的系統(tǒng)時(shí)鐘，設(shè)備自己內(nèi)部定時(shí)。 第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系統(tǒng)

27、5總線的用途總線的用途 總線按用途可分有專用和非專用兩類。專用總線總線按用途可分有專用和非專用兩類。專用總線 只連接一對(duì)物理部件，優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)的流量高，可靠性只連接一對(duì)物理部件，優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)的流量高，可靠性 好，控制簡(jiǎn)單，不用指明源部件和目的部件。非專用好，控制簡(jiǎn)單，不用指明源部件和目的部件。非專用 總線，即公共總線，能被多種功能或多個(gè)部件分時(shí)共總線，即公共總線，能被多種功能或多個(gè)部件分時(shí)共 享，同一時(shí)刻只有一對(duì)部件可使用總線進(jìn)行通信。享，同一時(shí)刻只有一對(duì)部件可使用總線進(jìn)行通信。 I/O系統(tǒng)中，總線既要能傳送數(shù)據(jù)信息、地址信息、系統(tǒng)中，總線既要能傳送數(shù)據(jù)信息、地址信息、 控制信息，還要能傳送狀態(tài)信

28、息，并使多臺(tái)外設(shè)與控制信息，還要能傳送狀態(tài)信息，并使多臺(tái)外設(shè)與 CPU或主存交叉地經(jīng)這些總線傳送信息，一般使用非或主存交叉地經(jīng)這些總線傳送信息，一般使用非 專用總線。專用總線。 第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系統(tǒng) 5.2.2 總線結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)總線結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) 總線是構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的骨架，是多個(gè)系統(tǒng)部件總線是構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的骨架，是多個(gè)系統(tǒng)部件 之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的公共通路?？偩€有四個(gè)特性：物之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的公共通路?？偩€有四個(gè)特性：物 理、功能、電氣、時(shí)間特性。在任何時(shí)刻，只能有一理、功能、電氣、時(shí)間特性。在任何時(shí)刻，只能有一 個(gè)部件向總線上發(fā)送信息，可以有多個(gè)部件同時(shí)接收個(gè)部件向總線上發(fā)送信息，

29、可以有多個(gè)部件同時(shí)接收 信息。根據(jù)總線與設(shè)備的連接方式不同，單機(jī)系統(tǒng)中信息。根據(jù)總線與設(shè)備的連接方式不同，單機(jī)系統(tǒng)中 采用的總線結(jié)構(gòu)有三種基本類型：?jiǎn)慰偩€結(jié)構(gòu)、雙總采用的總線結(jié)構(gòu)有三種基本類型：?jiǎn)慰偩€結(jié)構(gòu)、雙總 線結(jié)構(gòu)和三總線結(jié)構(gòu)。線結(jié)構(gòu)和三總線結(jié)構(gòu)。 第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系統(tǒng) 1單總線結(jié)構(gòu)單總線結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)只使用唯一的一組總線，如圖計(jì)算機(jī)系統(tǒng)只使用唯一的一組總線，如圖5-7所示，所示， 系統(tǒng)中所有的部件、設(shè)備都連接到這組總線上，各部系統(tǒng)中所有的部件、設(shè)備都連接到這組總線上，各部 件只能分時(shí)使用總線，使信息傳送的吞吐量受到限制。件只能分時(shí)使用總線，使信息傳送的吞吐量受到限制。 該

30、方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，易于接入新的設(shè)該方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，易于接入新的設(shè) 備，缺點(diǎn)是不利于提高總線上的數(shù)據(jù)傳輸率。備，缺點(diǎn)是不利于提高總線上的數(shù)據(jù)傳輸率。 CPU主存 總線 輸入 設(shè)備 輸出 設(shè)備 圖5-7 單總線結(jié)構(gòu)圖 第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系統(tǒng) 2雙總線結(jié)構(gòu)雙總線結(jié)構(gòu) 在計(jì)算機(jī)中配置兩組總線，如圖在計(jì)算機(jī)中配置兩組總線，如圖5-8所示，即在處所示，即在處 理機(jī)總線上通過一塊擴(kuò)展總線的控制線路提供另外一理機(jī)總線上通過一塊擴(kuò)展總線的控制線路提供另外一 組總線，主要用于連接一般的輸入輸出設(shè)備，處理機(jī)組總線，主要用于連接一般的輸入輸出設(shè)備，處理機(jī) 總線的性能較高，可以實(shí)現(xiàn)

31、總線的性能較高，可以實(shí)現(xiàn)CPU和主存儲(chǔ)器之間的高和主存儲(chǔ)器之間的高 速數(shù)據(jù)傳輸。這兩組總線可以并發(fā)執(zhí)行速數(shù)據(jù)傳輸。這兩組總線可以并發(fā)執(zhí)行I/O操作，使總操作，使總 線的輸入輸出能力和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的總體性能得到很大線的輸入輸出能力和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的總體性能得到很大 的提高。的提高。 CPU主存 擴(kuò)展總線 控制線路 I/O設(shè)備 ISA/EISA 處理機(jī)總線 圖5-8 雙總線結(jié)構(gòu)圖 I/O設(shè)備 第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系統(tǒng) 3三總線結(jié)構(gòu)三總線結(jié)構(gòu) 在計(jì)算機(jī)中配置三組總線，如圖在計(jì)算機(jī)中配置三組總線，如圖5-9所示，在處理所示，在處理 機(jī)總線上通過一塊被稱為機(jī)總線上通過一塊被稱為PCI橋的控制線路，提

32、供一橋的控制線路，提供一 組高性能的局部總線，稱為組高性能的局部總線，稱為PCI總線，主要用于連接總線，主要用于連接 各種快速設(shè)備。三組總線可以并發(fā)執(zhí)行各種快速設(shè)備。三組總線可以并發(fā)執(zhí)行I/O操作，速度操作，速度 差異較大的設(shè)備模塊使用不同速度的總線，而速度相差異較大的設(shè)備模塊使用不同速度的總線，而速度相 近的設(shè)備模塊使用同一類總線，使總線的輸入輸出能近的設(shè)備模塊使用同一類總線，使總線的輸入輸出能 力和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的總體性能再次得到更大提高。目前，力和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的總體性能再次得到更大提高。目前， 大多數(shù)計(jì)算機(jī)采用了分層次的多總線結(jié)構(gòu)。大多數(shù)計(jì)算機(jī)采用了分層次的多總線結(jié)構(gòu)。 CPU主存 擴(kuò)展總線

33、控制線路 I/O設(shè)備 ISA/EISA 處理機(jī)總線 圖5-9 三總線結(jié)構(gòu)圖 I/O設(shè)備 PCI橋 I/O設(shè)備 I/O設(shè)備 PCI BUS 接快速設(shè)備 接慢速設(shè)備 第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系統(tǒng) 5.2.3 總線仲裁總線仲裁 總線仲裁，解決的是多個(gè)設(shè)備競(jìng)爭(zhēng)使用總線的管總線仲裁，解決的是多個(gè)設(shè)備競(jìng)爭(zhēng)使用總線的管 理問題，由總線仲裁邏輯線路完成。理問題，由總線仲裁邏輯線路完成。 數(shù)據(jù)傳輸總要在計(jì)算機(jī)的兩個(gè)部件之間進(jìn)行，必?cái)?shù)據(jù)傳輸總要在計(jì)算機(jī)的兩個(gè)部件之間進(jìn)行，必 須有一方首先啟動(dòng)這次傳輸過程，即申請(qǐng)總線使用權(quán)須有一方首先啟動(dòng)這次傳輸過程，即申請(qǐng)總線使用權(quán) 并發(fā)出命令控制總線運(yùn)行，這一方被稱為總線

34、主設(shè)備，并發(fā)出命令控制總線運(yùn)行，這一方被稱為總線主設(shè)備， 而另一方則只能響應(yīng)由主設(shè)備發(fā)出的命令并執(zhí)行讀寫而另一方則只能響應(yīng)由主設(shè)備發(fā)出的命令并執(zhí)行讀寫 操作，它被稱為總線從設(shè)備操作，它被稱為總線從設(shè)備 第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系統(tǒng) 當(dāng)有多個(gè)總線主設(shè)備都發(fā)出申請(qǐng)總線的請(qǐng)求時(shí)，當(dāng)有多個(gè)總線主設(shè)備都發(fā)出申請(qǐng)總線的請(qǐng)求時(shí)， 為了能決定哪一個(gè)申請(qǐng)者能取得總線的使用權(quán)，需要為了能決定哪一個(gè)申請(qǐng)者能取得總線的使用權(quán)，需要 設(shè)置一個(gè)專用的部件來執(zhí)行仲裁功能，這就是總線仲設(shè)置一個(gè)專用的部件來執(zhí)行仲裁功能，這就是總線仲 裁器，也可以叫總線控制器，它是通過判別主設(shè)備使裁器，也可以叫總線控制器，它是通過判別主設(shè)

35、備使 用總線的優(yōu)先級(jí)來完成的，即首先把總線分配給優(yōu)先用總線的優(yōu)先級(jí)來完成的，即首先把總線分配給優(yōu)先 級(jí)最高的主設(shè)備使用，以確保在任何時(shí)刻只會(huì)有一個(gè)級(jí)最高的主設(shè)備使用，以確保在任何時(shí)刻只會(huì)有一個(gè) 總線主設(shè)備使用總線傳輸數(shù)據(jù)。總線主設(shè)備使用總線傳輸數(shù)據(jù)。 對(duì)于多個(gè)設(shè)備提出的占用總線請(qǐng)求，一般采用優(yōu)對(duì)于多個(gè)設(shè)備提出的占用總線請(qǐng)求，一般采用優(yōu) 先級(jí)或公平策略進(jìn)行仲裁，例如在多處理機(jī)系統(tǒng)中先級(jí)或公平策略進(jìn)行仲裁，例如在多處理機(jī)系統(tǒng)中 個(gè)個(gè)CPU模塊的總線請(qǐng)求采用公平的原則來處理，而模塊的總線請(qǐng)求采用公平的原則來處理，而 對(duì)于對(duì)于I/O模塊的總線請(qǐng)求采用優(yōu)先級(jí)策略。目前比較模塊的總線請(qǐng)求采用優(yōu)先級(jí)策略。目

36、前比較 常用的仲裁辦法是查詢方式、計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式常用的仲裁辦法是查詢方式、計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式 和獨(dú)立申請(qǐng)方式。和獨(dú)立申請(qǐng)方式。 第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系統(tǒng) 5.2.4 總線的控制方式總線的控制方式 非專用總線（即公共總線）所掛多個(gè)設(shè)備或部件非專用總線（即公共總線）所掛多個(gè)設(shè)備或部件 如果同時(shí)申請(qǐng)使用總線，則需要總線控制機(jī)構(gòu)按照某如果同時(shí)申請(qǐng)使用總線，則需要總線控制機(jī)構(gòu)按照某 種優(yōu)先次序裁決，保證在同一時(shí)間內(nèi)只能有一個(gè)優(yōu)先種優(yōu)先次序裁決，保證在同一時(shí)間內(nèi)只能有一個(gè)優(yōu)先 級(jí)高的申請(qǐng)者取得對(duì)總線的使用權(quán)。按照總線控制電級(jí)高的申請(qǐng)者取得對(duì)總線的使用權(quán)。按照總線控制電 路的位置不同可分為集中

37、式和分散式控制。路的位置不同可分為集中式和分散式控制。 集中控制中，總線控制邏輯基本上集中放在一起集中控制中，總線控制邏輯基本上集中放在一起 的裁決控制機(jī)構(gòu)，每個(gè)功能模塊有兩條線連到總線控的裁決控制機(jī)構(gòu)，每個(gè)功能模塊有兩條線連到總線控 制器，一條是往總線送請(qǐng)求信號(hào)，一條是往總線送總制器，一條是往總線送請(qǐng)求信號(hào)，一條是往總線送總 線可用信號(hào)。線可用信號(hào)。 分布式控制方式中，總線控制邏輯分散于連到總線分布式控制方式中，總線控制邏輯分散于連到總線 的各個(gè)部件中。的各個(gè)部件中。 在計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)中最常用的總線控制方式是三種集中在計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)中最常用的總線控制方式是三種集中 式總線控制：串行鏈接、定時(shí)查詢和獨(dú)

38、立請(qǐng)求。式總線控制：串行鏈接、定時(shí)查詢和獨(dú)立請(qǐng)求。 第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系統(tǒng) 1. 集中式串行鏈接控制集中式串行鏈接控制 圖為集中式串行鏈接控制方式示意圖，總線可用信圖為集中式串行鏈接控制方式示意圖，總線可用信 號(hào)串行地從一個(gè)號(hào)串行地從一個(gè)I/O接口傳送到下一個(gè)接口傳送到下一個(gè)I/O接口。假如接口。假如 總線可用信號(hào)到達(dá)的接口無總線請(qǐng)求，則繼續(xù)往下查總線可用信號(hào)到達(dá)的接口無總線請(qǐng)求，則繼續(xù)往下查 詢，如果總線可用信號(hào)到達(dá)的接口有總線請(qǐng)求，總線詢，如果總線可用信號(hào)到達(dá)的接口有總線請(qǐng)求，總線 可用信號(hào)便不再往下查詢，此可用信號(hào)便不再往下查詢，此I/O接口獲得總線控制權(quán)，接口獲得總線控制權(quán)

39、， 并置總線忙。設(shè)有并置總線忙。設(shè)有n個(gè)部件，編號(hào)個(gè)部件，編號(hào)U0Un-1。 U0U1Un-1 總 線 控 制 器 C 總線可用 總線請(qǐng)求 總線忙 第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系統(tǒng) 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 優(yōu)先級(jí)的選擇算法簡(jiǎn)單各部件的優(yōu)先級(jí)是連接在總線上的優(yōu)先級(jí)的選擇算法簡(jiǎn)單各部件的優(yōu)先級(jí)是連接在總線上的 先后順序先后順序 用于分配總線所增加的輔助控制總線線數(shù)少，只需要用于分配總線所增加的輔助控制總線線數(shù)少，只需要3根，根， 價(jià)格便宜價(jià)格便宜 控制線數(shù)的多少與部件的數(shù)量無關(guān)，可擴(kuò)充性好控制線數(shù)的多少與部件的數(shù)量無關(guān)，可擴(kuò)充性好 易于通過多重設(shè)置易于通過多重設(shè)置“總線可用總線可用”線來提高其系統(tǒng)有可靠性。

40、線來提高其系統(tǒng)有可靠性。 缺點(diǎn)缺點(diǎn): “總線可用總線可用”線的失效，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓，從而使系統(tǒng)的線的失效，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓，從而使系統(tǒng)的 可靠性差可靠性差 優(yōu)先級(jí)是靠?jī)?yōu)先級(jí)是靠“總線可用總線可用”線所連各部件的先后順序而線連線所連各部件的先后順序而線連 固定，無法用程序改變，使之靈活性差固定，無法用程序改變，使之靈活性差 總線使用的分配速度低總線使用的分配速度低 第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系統(tǒng) 2集中式定時(shí)查詢控制集中式定時(shí)查詢控制 圖集中式定時(shí)查詢控制示意圖，總線上任意設(shè)備圖集中式定時(shí)查詢控制示意圖，總線上任意設(shè)備 要求使用總線時(shí)，通過總線請(qǐng)求信號(hào)請(qǐng)求，總線控制要求使用總線時(shí)，通過總線請(qǐng)求

41、信號(hào)請(qǐng)求，總線控制 器接到請(qǐng)求信號(hào)后，在總線可用信號(hào)不忙時(shí)，計(jì)數(shù)器器接到請(qǐng)求信號(hào)后，在總線可用信號(hào)不忙時(shí)，計(jì)數(shù)器 開始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值通過一組地址線發(fā)向各設(shè)備。每個(gè)開始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值通過一組地址線發(fā)向各設(shè)備。每個(gè) 設(shè)備接口都有一個(gè)設(shè)備地址判別電路，當(dāng)?shù)刂肪€上的設(shè)備接口都有一個(gè)設(shè)備地址判別電路，當(dāng)?shù)刂肪€上的 計(jì)數(shù)值與請(qǐng)求總線的設(shè)備地址相一致時(shí)，該設(shè)備獲得計(jì)數(shù)值與請(qǐng)求總線的設(shè)備地址相一致時(shí)，該設(shè)備獲得 總線控制權(quán)，并置總線可用信號(hào)忙。總線控制權(quán)，并置總線可用信號(hào)忙。 U0U1Un-1 總 線 控 制 器 C 總線請(qǐng)求 總線忙 定時(shí)查詢計(jì)數(shù) 第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系統(tǒng) 獲得總線的優(yōu)先級(jí)獲得總線的優(yōu)

42、先級(jí):如果每次分配總線前，如果每次分配總線前， 將計(jì)數(shù)器清將計(jì)數(shù)器清0， 各部件的優(yōu)先級(jí)是連接在總線上的先后順序；計(jì)數(shù)器不清各部件的優(yōu)先級(jí)是連接在總線上的先后順序；計(jì)數(shù)器不清0， 則是一種循環(huán)優(yōu)先級(jí)；則是一種循環(huán)優(yōu)先級(jí)； 將計(jì)數(shù)器置成某個(gè)初值，則具有此部將計(jì)數(shù)器置成某個(gè)初值，則具有此部 件號(hào)（即設(shè)備地址）的部件具有最高優(yōu)先級(jí)；將部件號(hào)重新件號(hào)（即設(shè)備地址）的部件具有最高優(yōu)先級(jí)；將部件號(hào)重新 設(shè)置，則可以為各個(gè)部件指定任意所希望的優(yōu)先級(jí)。設(shè)置，則可以為各個(gè)部件指定任意所希望的優(yōu)先級(jí)。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 優(yōu)先級(jí)可以由程序控制，靈活性好優(yōu)先級(jí)可以由程序控制，靈活性好 某個(gè)部件失效不會(huì)使系統(tǒng)癱瘓，可靠性高某

43、個(gè)部件失效不會(huì)使系統(tǒng)癱瘓，可靠性高 缺點(diǎn)缺點(diǎn): 所增加的控制總線較多所增加的控制總線較多 可擴(kuò)展性較差，受限于查詢計(jì)數(shù)線的根數(shù)；總線控制器比較可擴(kuò)展性較差，受限于查詢計(jì)數(shù)線的根數(shù)；總線控制器比較 復(fù)雜，價(jià)格較貴復(fù)雜，價(jià)格較貴 總線的分配速度取決于計(jì)數(shù)信號(hào)的頻率和部件數(shù)，仍不能很總線的分配速度取決于計(jì)數(shù)信號(hào)的頻率和部件數(shù)，仍不能很 高高 第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系統(tǒng) 3集中式獨(dú)立請(qǐng)求控制集中式獨(dú)立請(qǐng)求控制 圖為集中式獨(dú)立請(qǐng)求控制示意圖，每一個(gè)共享總線圖為集中式獨(dú)立請(qǐng)求控制示意圖，每一個(gè)共享總線 的設(shè)備都有一對(duì)總線請(qǐng)求線和總線準(zhǔn)許線。當(dāng)設(shè)備要的設(shè)備都有一對(duì)總線請(qǐng)求線和總線準(zhǔn)許線。當(dāng)設(shè)備要 求

44、使用總線時(shí)，便發(fā)出該設(shè)備的請(qǐng)求信號(hào)?？偩€控制求使用總線時(shí)，便發(fā)出該設(shè)備的請(qǐng)求信號(hào)。總線控制 器有一個(gè)排隊(duì)電路，它根據(jù)一定的優(yōu)先次序決定首先器有一個(gè)排隊(duì)電路，它根據(jù)一定的優(yōu)先次序決定首先 響應(yīng)哪一個(gè)設(shè)備的請(qǐng)求，給設(shè)備以總線準(zhǔn)許信號(hào)。響應(yīng)哪一個(gè)設(shè)備的請(qǐng)求，給設(shè)備以總線準(zhǔn)許信號(hào)。 U0Un-1 總 線 控 制 器 C 總線請(qǐng)求0 總線準(zhǔn)許0 總線請(qǐng)求n-1 總線準(zhǔn)許n-1 總線已被分配 第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系統(tǒng) 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 總線的分配速度高，不需要檢測(cè)是哪個(gè)設(shè)備要求使用總線的分配速度高，不需要檢測(cè)是哪個(gè)設(shè)備要求使用 總線總線 總線使用的優(yōu)先級(jí)可以由程序控制改變，靈活性好總線使用的優(yōu)先級(jí)可

45、以由程序控制改變，靈活性好 不會(huì)因部件故障而使系統(tǒng)癱瘓，可靠性高不會(huì)因部件故障而使系統(tǒng)癱瘓，可靠性高 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 所需增加的輔助控制總線線數(shù)多，需要所需增加的輔助控制總線線數(shù)多，需要2N1根根 可擴(kuò)充性差可擴(kuò)充性差 控制器復(fù)雜，價(jià)格高控制器復(fù)雜，價(jià)格高 上述上述3種總線控制方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)中適種總線控制方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)中適 用的場(chǎng)合不同。一般在微、小型機(jī)上宜使用串行鏈接用的場(chǎng)合不同。一般在微、小型機(jī)上宜使用串行鏈接 方式，而在中型機(jī)上宜采用定時(shí)查詢方式，在大、巨方式，而在中型機(jī)上宜采用定時(shí)查詢方式，在大、巨 型機(jī)上宜采用獨(dú)立請(qǐng)求方式。型機(jī)上宜采用獨(dú)立請(qǐng)求方式。 第 5 章 輸

46、輸 入輸出入輸出系統(tǒng) 5.2.5 總線的通信方式總線的通信方式 信息在總線上的通信方式有同步和異步通信。同信息在總線上的通信方式有同步和異步通信。同 步通信用統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)來協(xié)調(diào)發(fā)送方和接收方的傳步通信用統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)來協(xié)調(diào)發(fā)送方和接收方的傳 送定時(shí)關(guān)系。異步也稱為應(yīng)答方式，允許總線上的各送定時(shí)關(guān)系。異步也稱為應(yīng)答方式，允許總線上的各 部件有各自的時(shí)鐘，在部件之間進(jìn)行通信時(shí)沒有公共部件有各自的時(shí)鐘，在部件之間進(jìn)行通信時(shí)沒有公共 的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，而是靠發(fā)送信息時(shí)同時(shí)發(fā)出本設(shè)備的時(shí)的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，而是靠發(fā)送信息時(shí)同時(shí)發(fā)出本設(shè)備的時(shí) 間標(biāo)志信號(hào)，用間標(biāo)志信號(hào)，用“應(yīng)答方式應(yīng)答方式”來進(jìn)行。來進(jìn)行。 同步同步

47、 單向源控式單向源控式 總線通信總線通信 單向單向 單向目控式單向目控式 異步異步 雙向互鎖雙向互鎖 雙向雙向 雙向非互鎖雙向非互鎖 第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系統(tǒng) 1 .單向源控式異步通信單向源控式異步通信 圖為單向源控式異步通信示意圖，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制圖為單向源控式異步通信示意圖，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制 方便，但源不知目此時(shí)是否需要當(dāng)前的數(shù)據(jù)，且源更方便，但源不知目此時(shí)是否需要當(dāng)前的數(shù)據(jù)，且源更 不知目是否可以接收到準(zhǔn)確的當(dāng)前數(shù)據(jù)，只能是每延不知目是否可以接收到準(zhǔn)確的當(dāng)前數(shù)據(jù)，只能是每延 遲時(shí)間段遲時(shí)間段t1、t2來發(fā)下一個(gè)數(shù)據(jù)。來發(fā)下一個(gè)數(shù)據(jù)。 源發(fā)數(shù)據(jù) 源發(fā)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備 （選通信號(hào)） 目接收數(shù)據(jù)

48、 n條數(shù)據(jù)線 t1 t2t3 n 條數(shù)據(jù)線 一條控制線 第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系統(tǒng) 2單向目控式異步通信單向目控式異步通信 圖為單向目控式異步通信示意圖，針對(duì)單向源控圖為單向目控式異步通信示意圖，針對(duì)單向源控 式異步通信中源不知目是否需要當(dāng)前的數(shù)據(jù)，由目建式異步通信中源不知目是否需要當(dāng)前的數(shù)據(jù)，由目建 立數(shù)據(jù)請(qǐng)求，使源把數(shù)據(jù)放在數(shù)據(jù)線上（經(jīng)過立數(shù)據(jù)請(qǐng)求，使源把數(shù)據(jù)放在數(shù)據(jù)線上（經(jīng)過t1時(shí)間時(shí)間 做好準(zhǔn)備），高電平觸發(fā)事件，這樣解決了源已知目做好準(zhǔn)備），高電平觸發(fā)事件，這樣解決了源已知目 需要數(shù)據(jù)的問題，但源不知目是否收到數(shù)據(jù)，就增加需要數(shù)據(jù)的問題，但源不知目是否收到數(shù)據(jù)，就增加 了一條

49、控制線，這樣會(huì)使總線傳送的速率下降。了一條控制線，這樣會(huì)使總線傳送的速率下降。 t1 t3 n條數(shù)據(jù)線 t2 目發(fā)數(shù)據(jù)請(qǐng)求 源發(fā)數(shù)據(jù) 源發(fā)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備 目接收數(shù)據(jù) 一條控制線 另一條控制線 n條數(shù)據(jù)線 圖5-14 單向目控式異步通信示意圖 第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系統(tǒng) 單向控制不能保證下一數(shù)據(jù)傳送之前讓所有數(shù)據(jù)線單向控制不能保證下一數(shù)據(jù)傳送之前讓所有數(shù)據(jù)線 和控制線的電平信號(hào)恢復(fù)到初始狀態(tài)，從而可能造成和控制線的電平信號(hào)恢復(fù)到初始狀態(tài)，從而可能造成 錯(cuò)誤，為此可采用異步雙向通信方式，主要有異步雙錯(cuò)誤，為此可采用異步雙向通信方式，主要有異步雙 向非互鎖和互鎖兩種通信方式。雙向控制也有主從關(guān)向非

50、互鎖和互鎖兩種通信方式。雙向控制也有主從關(guān) 系，下面以源為主設(shè)備來介紹。系，下面以源為主設(shè)備來介紹。 第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系統(tǒng) 3異步雙向非互鎖通信異步雙向非互鎖通信 圖為異步雙向非互鎖通信示意圖，源發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)圖為異步雙向非互鎖通信示意圖，源發(fā)出請(qǐng)求信號(hào) 后，不等待收到目的回答信號(hào)，而是經(jīng)過一段時(shí)間后，不等待收到目的回答信號(hào)，而是經(jīng)過一段時(shí)間t2， 確認(rèn)目已收到請(qǐng)求信號(hào)后，便撤消其請(qǐng)求信號(hào)；目接確認(rèn)目已收到請(qǐng)求信號(hào)后，便撤消其請(qǐng)求信號(hào)；目接 到請(qǐng)求信號(hào)后，在條件允許時(shí)發(fā)出回答信號(hào)，并且經(jīng)到請(qǐng)求信號(hào)后，在條件允許時(shí)發(fā)出回答信號(hào)，并且經(jīng) 過一段時(shí)間過一段時(shí)間t3，確認(rèn)目已收到回答信號(hào)后

51、，自動(dòng)撤消，確認(rèn)目已收到回答信號(hào)后，自動(dòng)撤消 回答信號(hào)?？梢钥闯鐾ㄐ烹p方并無互鎖關(guān)系?；卮鹦盘?hào)。可以看出通信雙方并無互鎖關(guān)系。 第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系統(tǒng) 一般情況下，異步雙向非互鎖通信可完成可靠通一般情況下，異步雙向非互鎖通信可完成可靠通 信，但目接收數(shù)據(jù)的速度較慢時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)信，但目接收數(shù)據(jù)的速度較慢時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù) “重迭重迭”錯(cuò)（將兩個(gè)數(shù)據(jù)當(dāng)作一個(gè)數(shù)據(jù)接收），源不錯(cuò)（將兩個(gè)數(shù)據(jù)當(dāng)作一個(gè)數(shù)據(jù)接收），源不 知道目何時(shí)結(jié)束數(shù)據(jù)接收。知道目何時(shí)結(jié)束數(shù)據(jù)接收。 4. 異步雙向互鎖通信異步雙向互鎖通信 在異步雙向互鎖通信方式中，源發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)，在異步雙向互鎖通信方式中，源發(fā)出請(qǐng)求信

52、號(hào)， 待目回答后（高電平觸發(fā)）再撤其請(qǐng)求信號(hào)；目發(fā)出待目回答后（高電平觸發(fā)）再撤其請(qǐng)求信號(hào)；目發(fā)出 回答信號(hào)，待源獲知后，再撤消其回答信號(hào)，也就是回答信號(hào)，待源獲知后，再撤消其回答信號(hào)，也就是 說，在雙向非互鎖異步通信中增加時(shí)間段說，在雙向非互鎖異步通信中增加時(shí)間段t4，讓源知，讓源知 道目結(jié)束數(shù)據(jù)通信，可以接著傳送下一個(gè)數(shù)據(jù)。異步道目結(jié)束數(shù)據(jù)通信，可以接著傳送下一個(gè)數(shù)據(jù)。異步 雙向互鎖通信方式是用增加控制復(fù)雜度與時(shí)間來提高雙向互鎖通信方式是用增加控制復(fù)雜度與時(shí)間來提高 可靠性。異步雙向互鎖通信的傳輸過程如下圖所示可靠性。異步雙向互鎖通信的傳輸過程如下圖所示。 第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系

53、統(tǒng) 異步雙向互鎖通信方式雖增加了信號(hào)沿總線來回傳異步雙向互鎖通信方式雖增加了信號(hào)沿總線來回傳 送的次數(shù)，使控制硬件變得復(fù)雜，但它能適應(yīng)各種不同送的次數(shù)，使控制硬件變得復(fù)雜，但它能適應(yīng)各種不同 速度的速度的I/O設(shè)備，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，且有較高的數(shù)據(jù)傳設(shè)備，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，且有較高的數(shù)據(jù)傳 送速率。綜合以上四種通信方式的特點(diǎn)，目前，送速率。綜合以上四種通信方式的特點(diǎn)，目前，I/O總線總線 中最廣泛使用的是異步雙向互鎖通信方式。中最廣泛使用的是異步雙向互鎖通信方式。 t1 t2t4 源發(fā)數(shù)據(jù) 源發(fā)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備 目接收數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2 t2 t3t3 t4 第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系統(tǒng) 【例【

54、例5.3】對(duì)于具有圖示的操作時(shí)序的總線，試計(jì)算總】對(duì)于具有圖示的操作時(shí)序的總線，試計(jì)算總 線的數(shù)據(jù)傳輸速率，假設(shè)總線上傳輸?shù)拿總€(gè)字為線的數(shù)據(jù)傳輸速率，假設(shè)總線上傳輸?shù)拿總€(gè)字為32位，位， 總線時(shí)鐘頻率為總線時(shí)鐘頻率為50MHz。 解：從圖中可以看出，該總線在解：從圖中可以看出，該總線在5個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)傳輸個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)傳輸 了一個(gè)數(shù)據(jù)字。了一個(gè)數(shù)據(jù)字。 總線的數(shù)據(jù)傳輸帶寬為：總線的數(shù)據(jù)傳輸帶寬為：1/5=0.2 （字（字/時(shí)鐘周期）時(shí)鐘周期） 或者或者 5010640.2=40106 （字節(jié)（字節(jié)/秒）秒） 地址與模式 CLK 就緒 應(yīng)答 t5 t4 t3 t2 t1 t0 第 5 章 輸輸 入輸

55、出入輸出系統(tǒng) 5.2.6 總線標(biāo)準(zhǔn)及發(fā)展總線標(biāo)準(zhǔn)及發(fā)展 由于各廠商生產(chǎn)的各種類型模塊遵從一個(gè)總線標(biāo)由于各廠商生產(chǎn)的各種類型模塊遵從一個(gè)總線標(biāo) 準(zhǔn)，就必然要求總線進(jìn)行周密的考慮與嚴(yán)格的規(guī)定，準(zhǔn)，就必然要求總線進(jìn)行周密的考慮與嚴(yán)格的規(guī)定， 以便不同供應(yīng)商提供的產(chǎn)品都能互換與組合。而形成以便不同供應(yīng)商提供的產(chǎn)品都能互換與組合。而形成 總線標(biāo)準(zhǔn)，需要投入大量人力、物力及財(cái)力，往往要總線標(biāo)準(zhǔn)，需要投入大量人力、物力及財(cái)力，往往要 在幾年的實(shí)踐過程中不斷完善。在幾年的實(shí)踐過程中不斷完善。 n 每個(gè)總線標(biāo)準(zhǔn)都有詳細(xì)的規(guī)范說明，它們通常有上百每個(gè)總線標(biāo)準(zhǔn)都有詳細(xì)的規(guī)范說明，它們通常有上百 頁(yè)、幾十萬(wàn)字（含大量

56、圖標(biāo)）的文檔。主要包括以下頁(yè)、幾十萬(wàn)字（含大量圖標(biāo)）的文檔。主要包括以下 幾部分：幾部分： n 機(jī)械結(jié)構(gòu)規(guī)范，確定模塊尺寸、總線插頭、邊沿連接機(jī)械結(jié)構(gòu)規(guī)范，確定模塊尺寸、總線插頭、邊沿連接 器插座等規(guī)格及位置。器插座等規(guī)格及位置。 n 功能規(guī)范，確定總線每根線（引腳）信號(hào)名稱與功能，功能規(guī)范，確定總線每根線（引腳）信號(hào)名稱與功能， 對(duì)它們相互作用的協(xié)議（例如定時(shí)關(guān)系）進(jìn)行說明。對(duì)它們相互作用的協(xié)議（例如定時(shí)關(guān)系）進(jìn)行說明。 n 電器規(guī)范，規(guī)定總線每根線其信號(hào)工作時(shí)的有效高低電器規(guī)范，規(guī)定總線每根線其信號(hào)工作時(shí)的有效高低 電平、動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間、負(fù)載能力、各電器性能的額定電平、動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間、負(fù)載能力

57、、各電器性能的額定 值及最大值。值及最大值。 第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系統(tǒng) 1ISA總線總線 IBM公司為其生產(chǎn)的公司為其生產(chǎn)的PC系列制定的總線標(biāo)準(zhǔn)。先系列制定的總線標(biāo)準(zhǔn)。先 后推出了后推出了PC、PC/XT和和PC/AT機(jī)。機(jī)。PC、PC/XT機(jī)是以機(jī)是以 8088、8086為為CPU，采用，采用8位的外部總線，二者使用相位的外部總線，二者使用相 同的總線標(biāo)準(zhǔn)（同的總線標(biāo)準(zhǔn)（ISA-8）。）。PC/AT機(jī)以機(jī)以80286為為CPU， 采用采用16位的外部總線，總線標(biāo)準(zhǔn)為位的外部總線，總線標(biāo)準(zhǔn)為ISA-16。ISA-8一共一共 有有62根信號(hào)線，其中有根信號(hào)線，其中有8位數(shù)據(jù)線，位數(shù)據(jù)

58、線，20位地址線，位地址線，6路路 中斷請(qǐng)求信號(hào)，中斷請(qǐng)求信號(hào)，3個(gè)個(gè)DMA通道信號(hào)。通道信號(hào)。ISA總線是一種總線是一種16 位總線結(jié)構(gòu)，適用范圍廣，早期位總線結(jié)構(gòu)，適用范圍廣，早期PC機(jī)的很多接口卡都機(jī)的很多接口卡都 是根據(jù)是根據(jù)ISA標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的。標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的。 2PCI總線總線 是一種是一種32位總線標(biāo)準(zhǔn)，可擴(kuò)展到位總線標(biāo)準(zhǔn)，可擴(kuò)展到64位，與位，與ISA總線總線 兼容。目前，高性能的微型機(jī)主板上都設(shè)有該總線。兼容。目前，高性能的微型機(jī)主板上都設(shè)有該總線。 該總線標(biāo)準(zhǔn)性能先進(jìn)，成本較低，可擴(kuò)充性好，特別該總線標(biāo)準(zhǔn)性能先進(jìn)，成本較低，可擴(kuò)充性好，特別 是對(duì)微型機(jī)的是對(duì)微型機(jī)的“即插即用即插即

59、用”方案都有很好的支持，現(xiàn)方案都有很好的支持，現(xiàn) 已成為計(jì)算機(jī)普遍采用的外設(shè)接口總線。已成為計(jì)算機(jī)普遍采用的外設(shè)接口總線。 第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系統(tǒng) 3EISA總線總線 EISA總線是對(duì)總線是對(duì)ISA總線的擴(kuò)展，總線的擴(kuò)展，1989年由年由Compaq、HP、 AST、Epson、NEC等等9家公司聯(lián)合推出的一種總線結(jié)構(gòu)。家公司聯(lián)合推出的一種總線結(jié)構(gòu)。 特點(diǎn)是能同特點(diǎn)是能同ISA標(biāo)準(zhǔn)兼容，有開放式體系結(jié)構(gòu)，是標(biāo)準(zhǔn)兼容，有開放式體系結(jié)構(gòu)，是32位總線。位總線。 4AGP（Accelerated Graphics Port，圖形加速接口）總線，圖形加速接口）總線 AGP總線是由總線是由I

60、ntel創(chuàng)建的新總線，是隨著三維圖形的應(yīng)創(chuàng)建的新總線，是隨著三維圖形的應(yīng) 用而發(fā)展起來的一種總線標(biāo)準(zhǔn)。三維圖形對(duì)計(jì)算機(jī)速度提用而發(fā)展起來的一種總線標(biāo)準(zhǔn)。三維圖形對(duì)計(jì)算機(jī)速度提 出了很高的要求，使得出了很高的要求，使得PCI總線傳送速度變得很緊張，總線傳送速度變得很緊張， AGP在圖形與內(nèi)存之間提供了一條直接訪問通道。在圖形與內(nèi)存之間提供了一條直接訪問通道。 第 5 章 輸輸 入輸出入輸出系統(tǒng) 5.2.7 總線的指標(biāo)總線的指標(biāo) 總線達(dá)到什么樣的性能，是由總線的指標(biāo)體現(xiàn)的。隨總線達(dá)到什么樣的性能，是由總線的指標(biāo)體現(xiàn)的。隨 著計(jì)算機(jī)性能的提高，各功能模塊要求總線必須達(dá)到更高著計(jì)算機(jī)性能的提高，各功能