計算機組成原理8

1、第八章 輸入輸出系統(tǒng)8.1 外圍設(shè)備的定時方式與信息交換方式8.2 程序中斷方式8.3 DMA方式8.4 通道方式 8.5 通用I/O標準接口8.1 外圍設(shè)備的定時方式與信息交換方式 8.1.1 外圍設(shè)備的定時方式外圍設(shè)備的定時方式 外圍設(shè)備的種類相當繁多，有機械式和電動式，也有電子式和其他形式。其輸入信號，可以是數(shù)字式的電壓，也可以是模擬式的電壓和電流。從信息傳輸速率來講，相差也很懸殊。如果把高速工作的主機同不同速度工作的外圍設(shè)備相連接，如何保證主機與外圍設(shè)備在時間上同步？這就是我們要討論的外圍設(shè)備的定時問題定時問題。 輸入輸入/輸出設(shè)備同輸出設(shè)備同CPU交換數(shù)據(jù)的過程：交換數(shù)據(jù)的過程：輸入

2、過程：輸入過程： (1) CPU把一個地址值放在地址總線上，這一步將選擇某一輸入設(shè)備； (2) CPU等候輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)成為有效； (3) CPU從數(shù)據(jù)總線讀入數(shù)據(jù)，并放在一個相應(yīng)的寄存器中。輸出過程：輸出過程： (1) CPU把一個地址值放在地址總線上，選擇輸出設(shè)備； (2) CPU把數(shù)據(jù)放在數(shù)據(jù)總線上； (3) 輸出設(shè)備認為數(shù)據(jù)有效，從而把數(shù)據(jù)取走。問題的關(guān)鍵在于：問題的關(guān)鍵在于：究竟什么時候數(shù)據(jù)才成為有效? 很顯然，由于輸入/輸出設(shè)備本身的速度差異很大，因此，對于不同速度的外圍設(shè)備，需要有不同的定時方式，總的說來，CPU與外圍設(shè)備之間的定時，有以下三種情況。 1. 速度極慢或簡單的外圍設(shè)

3、備速度極慢或簡單的外圍設(shè)備 這類設(shè)備CPU只要接收或發(fā)送數(shù)據(jù)即可。2. 慢速或中速的外圍設(shè)備慢速或中速的外圍設(shè)備 CPU與這類設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換通常采用異異步定時方式步定時方式，即為應(yīng)答式應(yīng)答式的數(shù)據(jù)交換 。3. 高速的外圍設(shè)備高速的外圍設(shè)備 通常采用同步定時方式同步定時方式，或采用直接內(nèi)存訪問(DMA)方式8.1.2信息交換方式信息交換方式 在計算機系統(tǒng)中，CPU管理外圍設(shè)備有以下幾種方式： 1. 程序查詢方式程序查詢方式 2. 程序中斷方式程序中斷方式 3. 直接內(nèi)存訪問直接內(nèi)存訪問(DMA)方式方式 4. 通道方式通道方式 5. 外圍處理機外圍處理機(PPU)方式方式 1. 程序查詢方式

4、程序查詢方式 程序查詢方式是早期計算機中使用的一種方式。數(shù)據(jù)在CPU和外圍設(shè)備之間的傳送完全靠計算機程序控制，查詢方式的優(yōu)點是CPU的操作和外圍設(shè)備的操作能夠同步，而且硬件結(jié)構(gòu)比較簡單。但問題是，外圍設(shè)備動作很慢，程序進入查詢循環(huán)時將白白浪費掉CPU很多時間，CPU此時只能等待，不能處理其他業(yè)務(wù)。即使CPU采用定期地由主程序轉(zhuǎn)向查詢設(shè)備狀態(tài)的子程序進行掃描輪詢的辦法，CPU寶貴資源的浪費也是可觀的。因此當前除單片機外，很少使用程序查詢方式。2. 程序中斷方式程序中斷方式 中斷中斷是外圍設(shè)備用來“主動”通知CPU準備送出輸入數(shù)據(jù)或接收輸出數(shù)據(jù)的一種方法。通常當一個中斷發(fā)生時，CPU暫停它的現(xiàn)行程

5、序而轉(zhuǎn)向中斷處理程序，從而可以輸入或輸出一個數(shù)據(jù)。當中斷處理完畢后，CPU又返回到它原來的任務(wù)，并從它停止的地方開始執(zhí)行程序?？梢钥闯觯?jié)省了CPU寶貴的時間，是管理I/O操作的一個比較有效的方法。中斷方式一般適用于隨機出現(xiàn)的服務(wù)，并且一旦提出要求，應(yīng)立即進行。同程序查詢方式相比，硬件結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜一些，服務(wù)開銷時間較大。3. 直接內(nèi)存訪問直接內(nèi)存訪問(DMA)方式方式用中斷方式交換數(shù)據(jù)時，每處理一次I/O交換約需幾十微秒到幾百微秒。對于一些高速的外圍設(shè)備以及成組交換數(shù)據(jù)時，仍然顯得速度太慢。DMA方式是一種完全由硬件執(zhí)行I/O交換的工作方式。這種方式既考慮到中斷響應(yīng)，同時又要節(jié)約中斷開銷。此

6、時DMA控制器從CPU完全接管對總線的控制，數(shù)據(jù)交換不經(jīng)過CPU而直接在內(nèi)存和外圍設(shè)備之間進行，以高速傳送數(shù)據(jù)。其主要優(yōu)點是數(shù)據(jù)傳送速度很高，傳送速率僅受到內(nèi)存訪問時間的限制。與中斷方式相比，需要更多的硬件。DMA方式適用于內(nèi)存和高速外圍設(shè)備之間大批數(shù)據(jù)交換的場合。4. 通道方式通道方式 DMA方式的出現(xiàn)已經(jīng)減輕了CPU對I/O操作的控制，使得CPU的效率有顯著的提高，而通道的出現(xiàn)則進一步提高了CPU的效率。這是因為，CPU將部分權(quán)力下放給通道。通道是一個具有特殊功能的處理器，某些應(yīng)用中稱為輸入輸出處理器輸入輸出處理器(IOP)，它可以實現(xiàn)對外圍設(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

7、大提高了CPU的工作效率。然而這種提高CPU效率的辦法是以花費更多硬件為代價的。5. 外圍處理機方式外圍處理機方式 外圍處理機(PPU)方式是通道方式的進一步發(fā)展。由于PPU基本上獨立于主機工作，它的結(jié)構(gòu)更接近一般處理機，甚至就是微小型計算機。在一些系統(tǒng)中，設(shè)置了多臺PPU，分別承擔I/O控制、通信、維護診斷等任務(wù)。從某種意義上說，這種系統(tǒng)已變成分布式的多機系統(tǒng)。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DMA方式、通道方式和PPU方式適用于數(shù)據(jù)傳輸率比較高的設(shè)備。目前單片機和微型機中多采用程序查詢方式、程序中斷方式和DMA方式。通道方式和PPU方式大都用在中、大型計算機中

8、。8.2 程序中斷方式8.2.1 中斷的基本概念中斷的基本概念 圖8.2 中斷處理示意圖問題說明：問題說明： (1) 盡管外界中斷請求是隨機的，但CPU只有在當前一條指令執(zhí)行完畢后，即轉(zhuǎn)入公操作時才受理設(shè)備的中斷請求，這樣才不致于使當前指令的執(zhí)行受到干擾。公操作是指一條指令執(zhí)行結(jié)束后CPU所進行的操作，如中斷處理、直接內(nèi)存?zhèn)魉?、取下條指令等 。外界中斷請求信號通常存放在接口中的中斷源鎖存器里，并通過中斷請求線連至CPU，每當一條指令執(zhí)行到末尾，CPU便檢查中斷請求信號。若中斷請求信號為“1”，則CPU轉(zhuǎn)入“ 中斷周期”，受理外界中斷。(2) 為了在中斷服務(wù)程序執(zhí)行完畢以后正確地返回到原來主程序

9、被中斷的斷點(PC內(nèi)容)而繼續(xù)執(zhí)行主程序，必須把程序計數(shù)器PC的內(nèi)容，以及當前指令執(zhí)行結(jié)束后CPU的狀態(tài)(包括寄存器的內(nèi)容和一些狀態(tài)標志位)都保存到堆棧中去。這些操作叫做保存現(xiàn)場保存現(xiàn)場。 (3) 當CPU響應(yīng)中斷后，正要去執(zhí)行中斷服務(wù)程序時，可能有另一個新的中斷源向它發(fā)出中斷請求。為了不致造成混亂，在CPU的中斷管理部件中必須有一個中斷屏蔽中斷屏蔽觸發(fā)器，它可以在程序的控制下置“1”(設(shè)置屏蔽)，或置“0”(取掉屏蔽)。(4) 中斷處理過程是由硬件和軟件結(jié)合來完成的。如上圖所示，中斷周期中斷周期由硬件實現(xiàn)，而中斷服務(wù)程序由機器指令序列實現(xiàn)。后者除執(zhí)行保存現(xiàn)場、恢復(fù)現(xiàn)場、開放中斷并返回主程序任

10、務(wù)外，還對要求中斷的設(shè)備進行服務(wù)，使其同CPU交換一個字的數(shù)據(jù)，或作其他服務(wù)。 8.2.2 程序中斷方式的基本接口程序中斷方式的基本接口 程序中斷方式的基本接口如下圖所示。程序中斷由外設(shè)接口的狀態(tài)和CPU兩方面來控制：在接口方面，有決定是否向CPU發(fā)出中斷請求的機構(gòu)，主要是接口中的“準備就緒”標志(RD)和“允許中斷”標志(EI)兩個觸發(fā)器；在CPU方面，有決定是否受理中斷請求的機構(gòu)，主要是“中斷請求”標志(IR)和“中斷屏蔽”標志(IM)兩個觸發(fā)器。上述四個標志觸發(fā)器的具體功能如下：準備就緒的標志準備就緒的標志(RD)：一旦設(shè)備做好一次數(shù)據(jù)的接收或發(fā)送，便發(fā)出一個設(shè)備動作完畢信號 ，使RD標

11、志置“1”。在中斷方式中，該標志用作為中斷源觸發(fā)器，簡稱中斷觸發(fā)器。 允許中斷觸發(fā)器允許中斷觸發(fā)器(EI)：可以用程序指令來置位。EI為“1”時，某設(shè)備可以向CPU發(fā)出中斷請求；EI為“0”時，不能向CPU發(fā)出中斷請求，這意味著某中斷源的中斷請求被禁止。設(shè)置EI標志的目的，就是通過軟件來控制是否允許某設(shè)備發(fā)出中斷請求。中斷請求觸發(fā)器中斷請求觸發(fā)器(IR)：它暫存中斷請求線上由設(shè)備發(fā)出的中斷請求信號。當IR標志為“1”時，表示設(shè)備發(fā)出了中斷請求。 中斷屏蔽觸發(fā)器中斷屏蔽觸發(fā)器(IM)：是CPU是否受理中斷或批準中斷的標志。IM標志為“0”時，CPU可以受理外界的中斷請求，反之，IM標志為“1”時

12、，CPU不受理外界的中斷。 8.2.3 單級中斷單級中斷 1. 單級中斷的概念單級中斷的概念根據(jù)計算機系統(tǒng)對中斷處理的策略不同，可分為單級中斷系統(tǒng)和多級中斷系統(tǒng)。單級中斷系統(tǒng)是中斷結(jié)構(gòu)中最基本的形式。在單級中斷系統(tǒng)中，所有的中斷源都屬于同一級，所有中斷源觸發(fā)器排成一行，其優(yōu)先次序是離CPU近的優(yōu)先權(quán)高。當響應(yīng)某一中斷請求時，執(zhí)行該中斷源的中斷服務(wù)程序。在此過程中，不允許其他中斷源再打斷中斷服務(wù)程序，即使優(yōu)先權(quán)比它高的中斷源也不能再打斷。單級中斷示意圖和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下：圖8.5 單級中斷2. 單級中斷源的識別單級中斷源的識別如何確定中斷源，并轉(zhuǎn)入被響應(yīng)的中斷服務(wù)程序入口地址，是中斷處理首先要解決

13、的問題。 在單級中斷中，采用串行排隊鏈法串行排隊鏈法來實現(xiàn)具有公共請求線的中斷源判優(yōu)識別。其實現(xiàn)邏輯結(jié)構(gòu)如下圖示。3. 中斷向量的產(chǎn)生中斷向量的產(chǎn)生由于存儲器的地址碼是一串布爾量的序列，因此常把地址碼稱為向量地址向量地址。 當CPU響應(yīng)中斷時，由硬件直接產(chǎn)生一個固定的地址(即向量地址)，由向量地址指出每個中斷源設(shè)備的中斷服務(wù)程序入口，這種方法通常稱為向量中斷向量中斷。顯然，每個中斷源分別有一個中斷服務(wù)程序，而每個中斷服務(wù)程序又有自己的向量地址。當CPU識別出某中斷源時，由硬件直接產(chǎn)生一個與該中斷源對應(yīng)的向量地址，很快便引入中斷服務(wù)程序。向量中斷要求在硬件設(shè)計時考慮所有中斷源的向量地址，而實際中

14、斷時只能產(chǎn)生一個向量地址。8.2.4 多級中斷多級中斷 1. 多級中斷的概念多級中斷的概念多級中斷系統(tǒng)多級中斷系統(tǒng)是指計算機系統(tǒng)中有相當多的中斷源，根據(jù)各中斷事件的輕重緩急程度不同而分成若干級別，每一中斷級分配給一個優(yōu)先權(quán)。優(yōu)先權(quán)高的中斷級可以打斷優(yōu)先權(quán)低的中斷服務(wù)程序，從而可以進行程序嵌套方式工作。 根據(jù)系統(tǒng)的配置不同，多級中斷可分為一維多級中斷和二維多級中斷，一維多級中斷一維多級中斷是指每一級中斷里只有一個中斷源，而二維多級二維多級中斷中斷是指每一級中斷里又有多個中斷源。2. 多級中斷源的識別多級中斷源的識別 在多級中斷中，每一級均有一根中斷請求線送往CPU的中斷優(yōu)先級排隊電路，對每一級賦

15、予了不同的優(yōu)先級。顯然這種結(jié)構(gòu)就是獨立獨立請求方式請求方式的邏輯結(jié)構(gòu)。 獨立請求方式的中斷優(yōu)先級排隊與中斷向量產(chǎn)生的邏輯結(jié)構(gòu)如下圖。8.2.5 中斷控制器中斷控制器 8259中斷控制器中斷控制器是一個集成電路芯片，它將中斷接口與優(yōu)先級判斷等功能匯集于一身，常用于微型機系統(tǒng)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖：圖8.9 8259中斷控制器8259的中斷優(yōu)先級選擇方式有四種：的中斷優(yōu)先級選擇方式有四種：(1) 完全嵌套方式完全嵌套方式：是一種固定優(yōu)先級方式，連至IR0設(shè)備優(yōu)先級最高，IR7的優(yōu)先級最低。這種固定優(yōu)先級方式對級別低的中斷不利，在有些情況下最低級別的中斷請求可能一直不能被處理。(2) 輪換優(yōu)先級方式輪換

16、優(yōu)先級方式A：每個級別的中斷保證有機會被處理，將給定的中斷級別處理完后，立即把它放到最低級別的位置上去。(3) 輪換優(yōu)先級方式輪換優(yōu)先級方式B：要求CPU可在任何時間規(guī)定最優(yōu)優(yōu)先級，然后順序地規(guī)定其他IR線上的優(yōu)先級。(4) 查詢方式查詢方式：由CPU訪問8259的中斷狀態(tài)寄存器，一個狀態(tài)字能表示出正在請求中斷的最高優(yōu)先級IR線，并能表示出中斷請求是否有效。8259提供了兩種屏蔽方式：提供了兩種屏蔽方式：(1) 簡單屏蔽方式簡單屏蔽方式：提供8位屏蔽字，每位對應(yīng)著各自的IR線。被置位的任一位則禁止了對應(yīng)IR線上的中斷。(2) 特殊屏蔽方式特殊屏蔽方式：允許CPU讓來自低優(yōu)先級的外設(shè)中斷請求去中

17、斷高優(yōu)先級的服務(wù)程序。當8位屏蔽位的某位置“0”時，例如屏蔽字為11001111，說明IR4和IR5線上的中斷請求可中斷任何高級別的中斷服務(wù)程序。8259中斷控制器的不同工作方式是通過編程來實現(xiàn)的。CPU送出一系列的初始化控制字和操作控制字來執(zhí)行選定的操作。8.2.6 奔騰中斷機制奔騰中斷機制1. 中斷類型中斷類型中斷中斷 通常稱為外部中斷，它是由CPU的外部硬件信號引發(fā)的。有兩種情況 ：(1) 可屏蔽中斷可屏蔽中斷：CPU的INTR引腳收到中斷請求信號，如果CPU中標志寄存器IF=1時，可引發(fā)中斷；IF=0時，中斷請求信號在CPU內(nèi)部被禁止。 (2) 非屏蔽中斷：非屏蔽中斷：CPU的NMI引

18、腳收到的中斷請求信號而引發(fā)的中斷，這類中斷不能被禁止。異常異常 通常稱為異常中斷，它是由指令執(zhí)行引發(fā)的。有兩種情況：(1) 執(zhí)行異常：執(zhí)行異常： CPU執(zhí)行一條指令過程中出現(xiàn)錯誤、故障等不正常條件引發(fā)的中斷；(2) 執(zhí)行軟件中斷指令執(zhí)行軟件中斷指令： 如執(zhí)行INT 0，INT 3，INT n等指令，執(zhí)行時產(chǎn)生異常中斷。 pentium共有256種中斷和異常。每種中斷給予一個中斷向量號中斷向量號(0255)。 當有一個以上的異常或中斷發(fā)生時，CPU以預(yù)先確定的優(yōu)先順序進行先后服務(wù)。中斷優(yōu)先級分為5級。異常中斷的優(yōu)先級高于外部中斷級，這是因為異常中斷發(fā)生在取指令或譯碼指令或執(zhí)行指令時出現(xiàn)情況更為緊

19、急的故障。2. 中斷服務(wù)子程序進入過程中斷服務(wù)子程序進入過程中斷服務(wù)子程序的入口地址信息存于中斷向量號檢索表內(nèi)。實模式為中斷向量表IVT，保護模式為中斷描述符表IDT。 CPU識別中斷類型取得中斷向量號的途徑有三識別中斷類型取得中斷向量號的途徑有三種：種：(1) 指令給出，如軟件中斷指令I(lǐng)NT n 中的n即為中斷向量號。(2) 外部提供：可屏蔽中斷是在CPU接收到INTR信號時產(chǎn)生一個中斷識別周期，接收外部中斷控制器由數(shù)據(jù)總線送來的中斷向量號；非屏蔽中斷是在接收到NMI信號時中斷向量號固定為2。(3) CPU識別錯誤、故障現(xiàn)象，根據(jù)異常和中斷產(chǎn)生的條件自動指定向量號。 CPU依據(jù)中斷向量號獲取

20、中斷服務(wù)子程序入依據(jù)中斷向量號獲取中斷服務(wù)子程序入口地址，但在實模式下和保護模式下采用不同的口地址，但在實模式下和保護模式下采用不同的途徑途徑: 實模式下使用中斷向量表實模式下使用中斷向量表 保護模式下使用中斷描述符表保護模式下使用中斷描述符表 3. 中斷處理過程中斷處理過程(1) 當中斷處理的CPU控制權(quán)轉(zhuǎn)移涉及到特權(quán)級改變時，必須把當前的SS和ESP兩個寄存器的內(nèi)容壓入系統(tǒng)堆棧予以保存。 (2) 標志寄存器EFLAGS的內(nèi)容也壓入堆棧。 (3) 清除標志觸發(fā)器TF和IF。 (4) 當前代碼段寄存器CS和指令指針EIP也壓入堆棧。(5) 如果中斷發(fā)生伴隨有錯誤碼，則錯誤碼也壓入此堆棧。 (6

21、) 完成上述中斷現(xiàn)場保護后，從中斷向量號獲取的中斷服務(wù)子程序入口地址(段，偏移)分別裝入CS和EIP，開始執(zhí)行中斷服務(wù)子程序。 (7) 中斷服務(wù)子程序最后的IRET指令使中斷返回。保存在堆棧中的中斷現(xiàn)場信息被恢復(fù)，并由中斷點繼續(xù)執(zhí)行原程序。8.3 DMA方式8.3.1 DMA的基本概念的基本概念 直接內(nèi)存訪問直接內(nèi)存訪問(DMA)是一種完全由硬件執(zhí)行I/O交換的工作方式。在這種方式中，DMA控制器從CPU完全接管對總線的控制，數(shù)據(jù)交換不經(jīng)過CPU，而直接在內(nèi)存和I/O設(shè)備之間進行 。DMA方式一般用于高速傳送成組數(shù)據(jù)。DMA控制器將向內(nèi)存發(fā)出地址和控制信號，修改地址，對傳送的字的個數(shù)計數(shù)，并且

22、以中斷方式向CPU報告?zhèn)魉筒僮鞯慕Y(jié)束。 DMA方式的主要優(yōu)點是速度快。方式的主要優(yōu)點是速度快。所以DMA方式能滿足高速I/O設(shè)備的要求，也有利于CPU效率的發(fā)揮。多種多種DMA至少能執(zhí)行以下一些基本操作：至少能執(zhí)行以下一些基本操作： (1) 從外圍設(shè)備發(fā)出DMA請求； (2) CPU響應(yīng)請求，把CPU工作改成DMA操作方式，DMA控制器從CPU接管總線的控制； (3) 由DMA控制器對內(nèi)存尋址，即決定數(shù)據(jù)傳送的內(nèi)存單元地址及數(shù)據(jù)傳送個數(shù)的計數(shù)，并執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送的操作； (4) 向CPU報告DMA操作的結(jié)束。 注意：注意： 在DMA方式中，一批數(shù)據(jù)傳送前的準備工作，以及傳送結(jié)束后的處理工作，均由管

23、理程序承擔，而DMA控制器僅負責數(shù)據(jù)傳送的工作。 8.3.2DMA傳送方式傳送方式DMA技術(shù)的出現(xiàn)，使得外圍設(shè)備可以通過DMA控制器直接訪問內(nèi)存，與此同時，CPU可以繼續(xù)執(zhí)行程序。DMA控制器與CPU分時使用內(nèi)存通常采用以下三種方法： 1. 停止停止CPU訪問內(nèi)存訪問內(nèi)存 2. 周期挪用周期挪用 3. DMA與與CPU交替訪內(nèi)存交替訪內(nèi)存 8.3.3 基本的基本的DMA控制器控制器1. DMA控制器的基本組成控制器的基本組成一個DMA控制器，實際上是采用DMA方式的外圍設(shè)備與系統(tǒng)總線之間的接口電路。這個接口電路是在中斷接口的基礎(chǔ)上再加DMA機構(gòu)組成。其邏輯示意圖見文字教材圖8.12。最簡單的最

24、簡單的DMA控制器由以下邏輯部件組成：控制器由以下邏輯部件組成： (1) 內(nèi)存地址計數(shù)器內(nèi)存地址計數(shù)器 (2) 字計數(shù)器字計數(shù)器 (3) 數(shù)據(jù)緩沖寄存器數(shù)據(jù)緩沖寄存器 (4) “DMA請求請求”標志標志 (5) “控制控制/狀態(tài)狀態(tài)”邏輯邏輯 (6) 中斷機構(gòu)中斷機構(gòu) 2. DMA數(shù)據(jù)傳送過程數(shù)據(jù)傳送過程 DMA的數(shù)據(jù)塊傳送過程可分為三個階段： 傳送前預(yù)處理；傳送前預(yù)處理； 正式傳送；正式傳送； 傳送后處理傳送后處理。 基本基本DMA控制器與系統(tǒng)的連接方式：控制器與系統(tǒng)的連接方式： （1）公用的）公用的DMA請求方式請求方式 （2）獨立的）獨立的DMA請求方式，請求方式， 這與中斷方這與中斷方

25、 式類似。式類似。 8.3.4 選擇型和多路型選擇型和多路型DMA控制器控制器1. 選擇型選擇型DMA控制器控制器選擇型DMA控制器在物理上可以連接多個設(shè)備，而在邏輯上只允許連接一個設(shè)備。換句話說，在某一段時間內(nèi)只能為一個設(shè)備服務(wù)。 選擇型DMA控制器的邏輯框圖如下所示。2. 多路型多路型DMA控制器控制器選擇型DMA控制器不適用于慢速設(shè)備。但多路型DMA控制器適合于同時為多個慢速外圍設(shè)備服務(wù)。鏈式多路型鏈式多路型DMA控制器控制器和和獨立請求方式獨立請求方式多路型多路型DMA控制器控制器如下圖所示如下圖所示 多路型DMA不僅在物理上可以連接多個外圍設(shè)備，而且在邏輯上也允許這些外圍設(shè)備同時工作

26、，各設(shè)備以字節(jié)交叉方式通過DMA控制器進行數(shù)據(jù)傳送。 8.4 通道方式 8.4.1 通道的功能通道的功能 1. 通道的功能通道的功能通道的出現(xiàn)進一步提高了CPU的效率。因為通道是一個特殊功能的處理器，它有自己的指令和程序?qū)ｉT負責數(shù)據(jù)輸入輸出的傳輸控制，而CPU將“傳輸控制”的功能下放給通道后只負責“數(shù)據(jù)處理”功能。這樣，通道與CPU分時使用內(nèi)存，實現(xiàn)了CPU內(nèi)部運算與I/O設(shè) 備的平行工作。 典型的具有通道的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下所示。 該結(jié)構(gòu)具有兩種類型的總線，一種是存儲存儲總線總線承擔通道與內(nèi)存、CPU與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。另一種是通道總線通道總線，即I/O總線承擔外圍設(shè)備與通道之間的數(shù)

27、 據(jù)傳送任務(wù)。這兩類總線可以分別按照各自的時序同時進行工作。 由上圖看出，通道總線可以接若干個設(shè)備控制器，一個設(shè)備控制器可以接一個或多個設(shè)備。因此從邏輯結(jié)構(gòu)上講，I/O系統(tǒng)一般具有四級連接：CPU與內(nèi)存與內(nèi)存通道通道設(shè)備控制器設(shè)備控制器外圍設(shè)備外圍設(shè)備。為了便于通道對各設(shè)備的統(tǒng)一管理，對同一系列的機器，通道與設(shè)備控制器之間都有統(tǒng)一的標準接口，設(shè)備控制器與設(shè)備之間則根據(jù)設(shè)備要求不同而采用專用接口。2. CPU對通道的管理對通道的管理 CPU是通過執(zhí)行I/O指令以及處理來自通道的中斷，實現(xiàn)對通道的管理。來自通道的中斷有兩種，一種是數(shù)據(jù)傳送結(jié)束中斷數(shù)據(jù)傳送結(jié)束中斷，另一種是故障中斷故障中斷。 管態(tài)管

28、態(tài) CPU運行操作系統(tǒng)的管理程序的狀態(tài)。 目態(tài)目態(tài) CPU執(zhí)行目的程序時的狀態(tài)。 大中型計算機的I/O指令都是管態(tài)指令，只有當CPU處于管態(tài)時，才能運行I/O指令，目態(tài)時不能運行I/O指令。這是因為大中型計算機的軟、硬件資源為多個用戶所共享，而不是分給某個用戶專用。3. 通道對設(shè)備控制器的管理通道對設(shè)備控制器的管理 通道通過使用通道指令控制設(shè)備控制器進行數(shù)據(jù)傳送操作，并以通道狀態(tài)字接收設(shè)備控制器反映的外圍設(shè)備的狀態(tài)。因此，設(shè)備控制器是通道對I/O設(shè)備實現(xiàn)傳輸控制的執(zhí)行機構(gòu)。設(shè)備控制器的具體任務(wù)如下：設(shè)備控制器的具體任務(wù)如下： (1) 從通道接受通道指令，控制外圍設(shè)備完成 所要求的操作； (2)

29、 向通道反映外圍設(shè)備的狀態(tài)； (3) 將各種外圍設(shè)備的不同信號轉(zhuǎn)換成通道能 夠識別的標準信號。 8.4.2 通道的類型通道的類型1. 選擇通道選擇通道選擇通道選擇通道又稱高速通道，在物理上它可以連接多個設(shè)備，但是這些設(shè)備不能同時工作，在某一段時間內(nèi)通道只能選擇一個設(shè)備進行工作。選擇通道很像一個單道程序的處理器，在一段時間內(nèi)只允許執(zhí)行一個設(shè)備的通道程序，只有當這個設(shè)備的通道程序全部執(zhí)行完畢后，才能執(zhí)行其他設(shè)備的通道程序。2. 數(shù)組多路通道數(shù)組多路通道 基本思想：基本思想：當某設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳送時，通道只為該設(shè)備服務(wù)；當設(shè)備在執(zhí)行尋址等控制性動作時，通道暫時斷開與這個設(shè)備的連接，掛起該設(shè)備的通道程序

30、，去為其他設(shè)備服務(wù)，即執(zhí)行其他設(shè)備的通道程序。所以數(shù)組多路通道很像一個多道程序的處理器。 3. 字節(jié)多路通道字節(jié)多路通道字節(jié)多路通道主要用于連接大量的低速設(shè)備，如鍵盤、打印機等等。例如數(shù)據(jù)傳輸率是1000B/s，即傳送1個字節(jié)的間隔是1ms，而通道從設(shè)備接收或發(fā)送一個字節(jié)只需要幾百納秒，因此通道在傳送兩個字節(jié)之間有很多空閑時間，字節(jié)多路通道正是利用這個空閑時間為其他設(shè)備服務(wù)。字節(jié)多路通道和數(shù)組多路通道的共同之處字節(jié)多路通道和數(shù)組多路通道的共同之處：都是多路通道，在一段時間內(nèi)能交替執(zhí)行多個設(shè)備的通道程序，使這些設(shè)備同時工作。字節(jié)多路通道和數(shù)組多路通道的不同之處字節(jié)多路通道和數(shù)組多路通道的不同之處

31、：(1) 數(shù)組多路通道允許多個設(shè)備同時工作，但只允許一個設(shè)備進行傳輸型操作，其他設(shè)備進行控制型操作。而字節(jié)多路通道不僅允許多個設(shè)備同時操作，而且也允許它們同時進行傳輸型操作。(2) 數(shù)組多路通道與設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳送的基本單位是數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)塊，通道必須為一個設(shè)備傳送完一個數(shù)據(jù)塊后才能為別的設(shè)備傳送數(shù)據(jù)塊。而字節(jié)多路通道與設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳送的基本單位是字節(jié)字節(jié)，通道為一個設(shè)備傳送一個字節(jié)后又可以為另一個設(shè)備傳送一個字節(jié)，因此各設(shè)備與通道之間的數(shù)據(jù)傳送是以字節(jié)為單位交替進行。8.4.3 通道結(jié)構(gòu)的發(fā)展通道結(jié)構(gòu)的發(fā)展通道結(jié)構(gòu)的進一步發(fā)展，出現(xiàn)了兩種計算機I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)： 1. 輸入輸出處理器輸入輸出處理器(

32、IOP) 是通道結(jié)構(gòu)的I/O處理器。IOP可以和CPU并行工作，提供高速的DMA處理能力實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳送。但是它不是獨立于CPU工作的，而是主機的一個部件。有些IOP例如Intel 8089 IOP，還提供數(shù)據(jù)的變換、搜索以及字裝配/拆卸能力。這類IOP廣泛應(yīng)用于中小型及微型計算機中。2. 外圍處理機外圍處理機(PPU) PPU基本上是獨立于主機工作的，它有自己的指令系統(tǒng)，完成算術(shù)/邏輯運算，讀/寫主存儲器，與外設(shè)交換信息等。有的外圍處理機干脆就選用已有的通用機。外圍處理機I/O方式一般應(yīng)用于大型高效率的計算機系統(tǒng)中。8.5 通用I/O標準接口8.5.1 并行并行I/O標準接口標準接口SCS

33、ISCSI是小型計算機系統(tǒng)接口的簡稱，其設(shè)計思想來源于IBM大型機系統(tǒng)的I/O通道結(jié)構(gòu)，目的是使CPU擺脫對各種設(shè)備的繁雜控制。它是一個高速智能接口，可以混接各種磁盤、光盤、磁 帶機、打印機、掃描儀、條碼閱讀器以及通信設(shè)備。它首先應(yīng)用于Macintosh和Sun平臺上，后來發(fā)展到工作站、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和pentium系統(tǒng)中，并成為ANSI(美國國家標準局)標準。SCSI有如下性能特點：有如下性能特點： (1) SCSI接口總線由8條數(shù)據(jù)線、一條奇偶校驗線、9條控制線組成。使用50芯電纜，規(guī)定了兩種電氣條件：單端驅(qū)動，電纜長6m；差分驅(qū)動，電纜最長25m。 (2) 總線時鐘頻率為5MHz，異步方式數(shù)

34、據(jù)傳輸率是2.5MB/s，同步方式數(shù)據(jù)傳輸率是5MB/s。 (3) SCSI接口總線以菊花鏈形式最多可連接8臺設(shè)備。在pentium中通常是：由一個主適配器HBA與最多7臺外圍設(shè)備相接，HBA也算作一個SCSI設(shè)備，由HBA經(jīng)系統(tǒng)總線(如PCI)與CPU相連，如下圖所示。(4) 每個SCSI設(shè)備有自己的唯一設(shè)備號ID07。ID=7的設(shè)備具有最高優(yōu)先權(quán)，ID=0的設(shè)備優(yōu)先權(quán)最低。SCSI采用分布式總線仲裁分布式總線仲裁策略。(5) 所謂SCSI設(shè)備設(shè)備是指連接在SCSI總線上的智能設(shè)備，即除主適配器HBA外，其他SCSI設(shè)備實際是外圍設(shè)備的適配器或控制器。(6) 由于SCSI設(shè)備是智能設(shè)備，對S

35、CSI總線以至主機屏蔽了實際外設(shè)的固有物理屬性(如磁盤柱面數(shù)、磁頭數(shù)等參數(shù))，各SCSI設(shè)備之間就可用一套標準的命令進行數(shù)據(jù)傳送，也為設(shè)備的升級或系統(tǒng)的系列化提供了靈活的處理手段。 (7) SCSI設(shè)備之間是一種對等關(guān)系，而不是主從關(guān)系。SCSI設(shè)備分為啟動設(shè)備(發(fā)命令的設(shè)備 )和目標設(shè)備(接受并響應(yīng)命令的設(shè)備) 8.5.2串型串型I/O標準接口標準接口IEEE13941. 1394性能特點性能特點 IEEE1394串行接口與SCSI等并行接口相比，有如下三個顯著特點： (1) 數(shù)據(jù)傳送的高速性 1394的數(shù)據(jù)傳輸率分為100Mb/s、200Mb/s、400Mb/s三檔。而SCSI-2也只有4

36、0MB/s(相當于320Mb/s)。這樣的高速特性特別適合于新型高速硬盤及多媒體數(shù)據(jù)傳送。1394之所以達到高速，一是串行傳送比并行傳送容易提高數(shù)據(jù)傳送時鐘速率；二是采用了DS-Link編碼技術(shù)，把時鐘信號的變化轉(zhuǎn)變?yōu)檫x通信號的變化，即使在高的時鐘速率下也不易引起信號失真。(2) 數(shù)據(jù)傳送的實時性 實時性可保證圖像和聲音不會出現(xiàn)時斷時續(xù)的現(xiàn)象，因此對多媒體數(shù)據(jù)傳送特別重要。1394之所以做到實時性，原因有二：一是它除了異步傳送外，還提供了一種等步傳送方式，數(shù)據(jù)以一系列的固定長度的包規(guī)整間隔地連續(xù)發(fā)送，端到端既有最大延時限制而又有最小延時限制；二是總線仲裁除優(yōu)先權(quán)仲裁之外，還有均等仲栽和緊急仲栽

37、方式。 (3) 體積小易安裝，連接方便 1394使用6芯電纜，直徑約為6mm，插座也小。而SCSI使用50芯或68芯電纜，插座體積也大。 在當前個人機要連接的設(shè)備越來越多、主機箱的體積越顯窄小情況下，電纜細、插座小的1394是很有吸引力的，尤其對筆記本電腦一類機器。1394的電纜不需要與電纜阻抗匹配的終端，而且電纜上的設(shè)備隨時可從插座重拔出或插入，即具有熱插入能力。這對用戶安裝和使用1394設(shè)備很有利。2. 1394配置結(jié)構(gòu)配置結(jié)構(gòu)1394采用菊花鏈式菊花鏈式配置，也允許樹形結(jié)樹形結(jié)構(gòu)構(gòu)配置。事實上，菊花鏈結(jié)構(gòu)是樹型結(jié)構(gòu)的一種特殊情況。 1394接口也需要一個主適配器和系統(tǒng)總線相連。這個主適配

38、器的功能邏輯在高檔的pentium機中集成在主板的核心芯片組的PCI總線到ISA總線的橋芯片中。機箱的背面只看到主適配器的外接端口插座。我們將主適配器及其端口稱為主端口主端口。主端口是1394接口樹形配置結(jié)構(gòu)的根節(jié)點。一個主端口最多可連接63臺設(shè)備，這些設(shè)備稱為節(jié)點節(jié)點，它們構(gòu)成親子關(guān)系。兩個相鄰節(jié)點之間 的電纜最長為4.5m，但兩個節(jié)點之間進行通信時中間最多可經(jīng)過15個節(jié)點的轉(zhuǎn)接再驅(qū)動，因此通信的最大距離是72m。電纜不需要終端器。IEEE1394配置的實例如下圖所示。其中右側(cè)是線性鏈接方式，左側(cè)是親子層次鏈接方式。整體是一個樹形結(jié)構(gòu)。 1394采用集中式總線仲裁集中式總線仲裁方式。中央仲裁

39、邏輯在主端口內(nèi)，并以先到先服務(wù)方法來處理節(jié)點提出的總線訪問請求。在n個節(jié)點同時提出使用總線請求時，按照優(yōu)先權(quán)進行仲裁。最靠根節(jié)點的競爭節(jié)點有高的優(yōu)先權(quán)；同樣靠近根節(jié)點的競爭節(jié)點，其設(shè)備標識號ID大的有更高優(yōu)先權(quán)。1394具有PnP功能，設(shè)備標識號是系統(tǒng)自動指定的，而不是用戶設(shè)定的。為了保證總線設(shè)備的對等性和數(shù)據(jù)傳送的實時性，1394的總線仲裁增加了均等仲裁和緊急仲裁功能。均等仲裁均等仲裁 是將總線時間分成均等的間隔，當間隔期間開始時，競爭的每個節(jié)點置位自己的仲 裁允許標志，在間隔期內(nèi)各節(jié)點可競爭總線的使用權(quán)。一旦某節(jié)點獲得總線訪問權(quán)，則它的仲裁允許標志被復(fù)位，在此期間它不能再去競爭總線，以此來

40、防止具有高優(yōu)先權(quán)的忙設(shè)備獨占總線。緊急仲裁緊急仲裁 指對某些高優(yōu)先權(quán)的節(jié)點可為其指派緊急優(yōu)先權(quán)。具有緊急優(yōu)先權(quán)的節(jié)點可在一個間隔期內(nèi)多次獲得總線控制權(quán)，允許它控制75%的總線可用時間。3. 1394協(xié)議集協(xié)議集1394的一個重要特色是的一個重要特色是：它規(guī)范了一個三層協(xié)議集，將串行總線與各外圍設(shè)備的交互動作標準化。下圖為IEEE1394協(xié)議集：圖8.22 IEEE 1394協(xié)議集 (1) 業(yè)務(wù)層業(yè)務(wù)層 定義了一個完整的請求-響應(yīng)協(xié)議實現(xiàn)總線傳輸，包括讀操作、寫操作和鎖定操作。(2) 鏈路層鏈路層 可為應(yīng)用程序直接提供等步數(shù)據(jù)傳送服務(wù)。它支持異步和等步的包發(fā)送和接收。異步包傳送：異步包傳送：是一

41、個可變總量的數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)層的幾個信息字節(jié)作為一個包傳送到顯式地址的目標方，并要求返回一個認可包。等步包傳送：等步包傳送：是一個可變總量的數(shù)據(jù)以一串固定大小的包按照規(guī)整間隔來發(fā)送，使用簡化尋址方式，不要求目標方認可。子動作：子動作：是1394完成一個包的遞交過程。 (3) 物理層物理層 將鏈路層的邏輯信號根據(jù)不同的串行總線介質(zhì)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，也為串行總線的接口定義了電氣和機械特性。實際上，1394串行接口的物理拓撲結(jié)構(gòu)分成“底板環(huán)境”和“電氣環(huán)境”兩部分。總線規(guī)范并未要求特別的環(huán)境設(shè)定。所有節(jié)點可嚴格限定在單一底板上，也可直接連在電纜上。 (4) 串行總線管理串行總線管理 它提供總線節(jié)點所需的標準控制、狀態(tài)寄存器服務(wù)和基本控制功能。 總之，IEEE 1394是一種高速串行I/O標準接口。英特爾、微軟等公司聯(lián)手制定的PC98系統(tǒng)設(shè)計指南中已明確將1394列為1998年以后的新一代個人機新標準。另一個重大特點是另一個重大特點是：各被連接裝置的關(guān)系是平等的，不用PC介入也能自成系統(tǒng)。這意味著1394在家電等消費類設(shè)備的連接