IO設(shè)備與CPU和存儲(chǔ)器的連接

1、1306.5 i/o設(shè)備與cpu和存儲(chǔ)器的連接 1. 通過(guò)接口將許多子系統(tǒng)連接起來(lái)2. 接口使用得最多的就是總線3. 輸入輸出方式 直接傳送直接傳送 程序查詢程序查詢 中斷中斷 dma dma 通道通道 第六章 輸入/輸出系統(tǒng)2306.5.1 總線優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：低成本、多樣性低成本、多樣性缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：必須獨(dú)占使用，造成了設(shè)備信息交換的瓶頸，必須獨(dú)占使用，造成了設(shè)備信息交換的瓶頸， 從而限制了系統(tǒng)中總的從而限制了系統(tǒng)中總的i/oi/o吞吐量。吞吐量。1. 總線的設(shè)計(jì)總線的設(shè)計(jì) 6.5 i/o設(shè)備與cpu和存儲(chǔ)器的連接 330選擇選擇高性能高性能低價(jià)格低價(jià)格總線寬度總線寬度獨(dú)立的地址和獨(dú)立的地址和數(shù)

2、據(jù)總線數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用數(shù)據(jù)和分時(shí)復(fù)用數(shù)據(jù)和地址總線地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線寬度寬度越寬越快越寬越快（例如：（例如：6464位）位）越窄越便宜越窄越便宜（例如：（例如：8 8位）位）傳輸塊大小傳輸塊大小塊越大總線開(kāi)銷越小塊越大總線開(kāi)銷越小每次傳送單字每次傳送單字總線主設(shè)備總線主設(shè)備多個(gè)（需要仲裁）多個(gè)（需要仲裁）單個(gè)（無(wú)需仲裁）單個(gè)（無(wú)需仲裁）分離事務(wù)分離事務(wù)采用采用不用不用定時(shí)方式定時(shí)方式同步同步異步異步6.5 i/o設(shè)備與cpu和存儲(chǔ)器的連接 430(1)(1) 分離事務(wù)總線分離事務(wù)總線 在有多個(gè)主設(shè)備時(shí)，總線通過(guò)數(shù)據(jù)打包在有多個(gè)主設(shè)備時(shí)，總線通過(guò)數(shù)據(jù)打包來(lái)提高總線帶寬，而不必在整個(gè)傳輸過(guò)程

3、中來(lái)提高總線帶寬，而不必在整個(gè)傳輸過(guò)程中都占有總線。都占有總線。 6.5 i/o設(shè)備與cpu和存儲(chǔ)器的連接 530(2) (2) 同步總線同步總線 同步總線上所有設(shè)備通過(guò)統(tǒng)一的總線系統(tǒng)同步總線上所有設(shè)備通過(guò)統(tǒng)一的總線系統(tǒng) 時(shí)鐘進(jìn)行同步。時(shí)鐘進(jìn)行同步。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：成本低，因?yàn)樗恍枰O(shè)備之間互相確成本低，因?yàn)樗恍枰O(shè)備之間互相確 定時(shí)序的邏輯。定時(shí)序的邏輯。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：總線操作必須以相同的速度運(yùn)行?？偩€操作必須以相同的速度運(yùn)行。(3) (3) 異步總線異步總線 異步總線上的設(shè)備之間沒(méi)有統(tǒng)一的系統(tǒng)時(shí)異步總線上的設(shè)備之間沒(méi)有統(tǒng)一的系統(tǒng)時(shí) 鐘，設(shè)備自己內(nèi)部定時(shí)。鐘，設(shè)備自己內(nèi)部定時(shí)。6.5 i/

4、o設(shè)備與cpu和/存儲(chǔ)器的連接 2. 總線標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)例總線標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)例 幾種常用并行幾種常用并行i/oi/o總線總線 ide /ide /ultra ataultra atascsiscsipcipcipci-xpci-x數(shù)據(jù)寬度數(shù)據(jù)寬度16bit16bit8 / 16bit8 / 16bit32 / 32 / 64bit64bit32 / 32 / 64bit64bit時(shí)鐘頻率時(shí)鐘頻率mhzmhz1001001010（fastfast）2020（ultraultra）4040（ultra2ultra2）8080（ultra3ultra3）160160（ultra4ultra4）33 / 6633

5、 / 6666 / 100 66 / 100 / 133/ 133主設(shè)備數(shù)量主設(shè)備數(shù)量一個(gè)一個(gè)多個(gè)多個(gè)多個(gè)多個(gè)多個(gè)多個(gè)峰值帶寬峰值帶寬200mb/s200mb/s320mb/s320mb/s533mb/s533mb/s1066mb/s1066mb/s同步方式同步方式異步異步異步異步同步同步同步同步標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)無(wú)無(wú)ansi x3.131ansi x3.131無(wú)無(wú)無(wú)無(wú)730幾種常用串行幾種常用串行i/oi/o總線總線i i2 2c c1-wire1-wirers-232rs-232spispi數(shù)據(jù)寬度（數(shù)據(jù)寬度（bitbit）1 11 12 21 1信號(hào)線數(shù)量信號(hào)線數(shù)量2 21 19 / 259 /

6、253 3時(shí)鐘頻率（時(shí)鐘頻率（mhzmhz）0.4 0.4 1010異步異步0.040.04或異步或異步異步異步總線主設(shè)備數(shù)量總線主設(shè)備數(shù)量多個(gè)多個(gè)多個(gè)多個(gè)多個(gè)多個(gè)多個(gè)多個(gè)峰值帶寬（峰值帶寬（mb/smb/s）0.4 0.4 3.43.40.0140.0140.1920.1921 1同步方式同步方式異步異步異步異步異步異步異步異步標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)無(wú)無(wú)無(wú)無(wú)eia, itu-t eia, itu-t v.21v.21無(wú)無(wú)6.5 i/o設(shè)備與cpu和存儲(chǔ)器的連接 830幾種幾種cpu-cpu-存儲(chǔ)器互連系統(tǒng)存儲(chǔ)器互連系統(tǒng) hp hyperplane hp hyperplane crossbarcrossba

7、ribm spibm spsun gigaplane-sun gigaplane-xbxb數(shù)據(jù)寬度數(shù)據(jù)寬度(bit)(bit)6464128128128128時(shí)鐘頻率時(shí)鐘頻率(mhz)(mhz)12012011111183.383.3總線的主設(shè)備數(shù)總線的主設(shè)備數(shù)多個(gè)多個(gè)多個(gè)多個(gè)多個(gè)多個(gè)每端口峰值帶寬每端口峰值帶寬(mb/s)(mb/s)9609601700170013001300總峰值帶寬總峰值帶寬(mb/s)(mb/s)7680768014200142001066710667同步方式同步方式同步同步同步同步同步同步標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)無(wú)無(wú)無(wú)無(wú)無(wú)無(wú)6.5 i/o設(shè)備與cpu和存儲(chǔ)器的連接 9306.5.2

8、 設(shè)備的連接1. 典型的總線連接 cpucache主存主存i/o控制器控制器圖形顯示圖形顯示i/o控制器控制器i/o控制器控制器總線適配器總線適配器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)6.5 i/o設(shè)備與cpu和存儲(chǔ)器的連接 10302. cpu尋址i/o設(shè)備的方式 存儲(chǔ)器映射存儲(chǔ)器映射i/oi/o或統(tǒng)一編址或統(tǒng)一編址 i/oi/o設(shè)備單獨(dú)編址設(shè)備單獨(dú)編址 無(wú)論選擇哪一種編址方法，每個(gè)無(wú)論選擇哪一種編址方法，每個(gè)i/oi/o設(shè)備設(shè)備都提供狀態(tài)寄存器和控制寄存器。都提供狀態(tài)寄存器和控制寄存器。3. 設(shè)備的連接和工作方式直接傳送、程序查詢、中斷、直接傳送、程序查詢、中斷、dmadma、i/oi/o處理機(jī)處理機(jī)6.5 i/o設(shè)

9、備與cpu和存儲(chǔ)器的連接 11304. 程序控制、中斷和dma方式管理外圍設(shè)備會(huì)引 起兩個(gè)問(wèn)題： 所有外圍設(shè)備的所有外圍設(shè)備的i/oi/o工作全部都要由工作全部都要由cpucpu來(lái)來(lái) 承擔(dān)，承擔(dān)，cpucpu的的i/oi/o負(fù)擔(dān)很重，不能專心于用負(fù)擔(dān)很重，不能專心于用 戶程序的計(jì)算。戶程序的計(jì)算。 大型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的外圍設(shè)備臺(tái)數(shù)雖然很大型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的外圍設(shè)備臺(tái)數(shù)雖然很 多，但是一般并不同時(shí)工作。多，但是一般并不同時(shí)工作。 解決上述問(wèn)題的方法：解決上述問(wèn)題的方法：采用通道處理機(jī)采用通道處理機(jī)6.5 i/o設(shè)備與cpu和存儲(chǔ)器的連接 12306.5.3 通道通道處理機(jī)能夠負(fù)擔(dān)外圍設(shè)備的大部分通道

10、處理機(jī)能夠負(fù)擔(dān)外圍設(shè)備的大部分i/oi/o工作。工作。通道處理機(jī)：通道處理機(jī)：能夠執(zhí)行有限能夠執(zhí)行有限i/oi/o指令，并且能夠被多指令，并且能夠被多 臺(tái)外圍設(shè)備共享的小型臺(tái)外圍設(shè)備共享的小型dmadma專用處理機(jī)。專用處理機(jī)。1. 通道的功能6.5 i/o設(shè)備與cpu和存儲(chǔ)器的連接 1330 (1) (1) 接受接受cpucpu發(fā)來(lái)的發(fā)來(lái)的i/oi/o指令，根據(jù)指令要求選指令，根據(jù)指令要求選 擇一臺(tái)指定的外圍設(shè)備與通道相連接。擇一臺(tái)指定的外圍設(shè)備與通道相連接。 (2) (2) 執(zhí)行執(zhí)行cpucpu為通道組織的通道程序，從主存中為通道組織的通道程序，從主存中 取出通道指令，對(duì)通道指令進(jìn)行譯碼，

11、并根取出通道指令，對(duì)通道指令進(jìn)行譯碼，并根 據(jù)需要向被選中的設(shè)備控制器發(fā)出各種操作據(jù)需要向被選中的設(shè)備控制器發(fā)出各種操作 命令。命令。 (3) (3) 給出外圍設(shè)備的有關(guān)地址，即進(jìn)行讀寫(xiě)操給出外圍設(shè)備的有關(guān)地址，即進(jìn)行讀寫(xiě)操 作的數(shù)據(jù)所在的位置。作的數(shù)據(jù)所在的位置。 如如 磁盤(pán)存儲(chǔ)器的柱面號(hào)、磁頭號(hào)、扇區(qū)號(hào)等。磁盤(pán)存儲(chǔ)器的柱面號(hào)、磁頭號(hào)、扇區(qū)號(hào)等。6.5 i/o設(shè)備與cpu和存儲(chǔ)器的連接 1430(4) (4) 給出主存緩沖區(qū)的首地址，這個(gè)緩沖區(qū)用來(lái)暫時(shí)給出主存緩沖區(qū)的首地址，這個(gè)緩沖區(qū)用來(lái)暫時(shí) 存放從外圍設(shè)備上輸入的數(shù)據(jù)，或者暫時(shí)存放將存放從外圍設(shè)備上輸入的數(shù)據(jù)，或者暫時(shí)存放將 要輸出到外圍

12、設(shè)備中去的數(shù)據(jù)。要輸出到外圍設(shè)備中去的數(shù)據(jù)。(5) (5) 控制外圍設(shè)備與主存緩沖區(qū)之間數(shù)據(jù)交換的個(gè)數(shù)，控制外圍設(shè)備與主存緩沖區(qū)之間數(shù)據(jù)交換的個(gè)數(shù)， 對(duì)交換的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并判斷數(shù)據(jù)傳送工對(duì)交換的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并判斷數(shù)據(jù)傳送工 作是否結(jié)束。作是否結(jié)束。(6) (6) 指定傳送工作結(jié)束時(shí)要進(jìn)行的操作。指定傳送工作結(jié)束時(shí)要進(jìn)行的操作。(7) (7) 檢查外圍設(shè)備的工作狀態(tài)，是正?；蚬收?。根據(jù)檢查外圍設(shè)備的工作狀態(tài)，是正常或故障。根據(jù) 需要將設(shè)備的狀態(tài)信息送往主存指定單元保存。需要將設(shè)備的狀態(tài)信息送往主存指定單元保存。6.5 i/o設(shè)備與cpu和存儲(chǔ)器的連接 1530 (8) (8) 在數(shù)據(jù)

13、傳輸過(guò)程中完成必要的格式變換在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中完成必要的格式變換。 例如例如 把字拆卸為字節(jié)，或者把字節(jié)裝配成字把字拆卸為字節(jié)，或者把字節(jié)裝配成字2. 通道的主要硬件 (1) (1) 寄存器部分寄存器部分l 數(shù)據(jù)緩沖寄存器數(shù)據(jù)緩沖寄存器l 主存地址計(jì)數(shù)器主存地址計(jì)數(shù)器l 傳輸字節(jié)數(shù)計(jì)數(shù)器傳輸字節(jié)數(shù)計(jì)數(shù)器l 通道命令字寄存器通道命令字寄存器l 通道狀態(tài)字寄存器通道狀態(tài)字寄存器 6.5 i/o設(shè)備與cpu和存儲(chǔ)器的連接 1630(2) (2) 控制部分控制部分 l 分時(shí)控制分時(shí)控制l 地址分配地址分配l 數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)傳送l 數(shù)據(jù)裝配數(shù)據(jù)裝配l 拆卸拆卸3. 通道對(duì)外圍設(shè)備的控制通過(guò)i/o接口和設(shè)備控

14、制 器進(jìn)行 通道與設(shè)備控制器之間一般采用標(biāo)準(zhǔn)的通道與設(shè)備控制器之間一般采用標(biāo)準(zhǔn)的i/oi/o 接口來(lái)連接。接口來(lái)連接。 6.5 i/o設(shè)備與cpu和存儲(chǔ)器的連接 17304. 工作過(guò)程 (1) (1) 在用戶程序中使用訪管指令進(jìn)入管理程序，在用戶程序中使用訪管指令進(jìn)入管理程序， 由由cpucpu通過(guò)管理程序組織一個(gè)通道程序，并通過(guò)管理程序組織一個(gè)通道程序，并 啟動(dòng)通道。啟動(dòng)通道。 (2) (2) 通道處理機(jī)執(zhí)行通道處理機(jī)執(zhí)行cpucpu為它組織的通道程序，為它組織的通道程序， 完成指定的數(shù)據(jù)完成指定的數(shù)據(jù)i/oi/o工作。通道處理機(jī)執(zhí)行工作。通道處理機(jī)執(zhí)行 通道程序是與通道程序是與cpucpu

15、執(zhí)行用戶程序并行的。執(zhí)行用戶程序并行的。 (3) (3) 通道程序結(jié)束后向通道程序結(jié)束后向cpucpu發(fā)中斷請(qǐng)求。發(fā)中斷請(qǐng)求。cpucpu響應(yīng)響應(yīng) 這個(gè)中斷請(qǐng)求后，第二次進(jìn)入操作系統(tǒng)，調(diào)這個(gè)中斷請(qǐng)求后，第二次進(jìn)入操作系統(tǒng)，調(diào) 用管理程序?qū)τ霉芾沓绦驅(qū)/oi/o中斷請(qǐng)求進(jìn)行處理。中斷請(qǐng)求進(jìn)行處理。6.5 i/o設(shè)備與cpu和存儲(chǔ)器的連接 訪管 入口 oc 設(shè)備號(hào) oc 交換長(zhǎng)度 oc 主存起始地址 用戶程序 廣義指令和 參數(shù) 通道程序 置通道地址字 啟動(dòng) i/o 管理程序 通道程序 斷開(kāi)通道指令 通道程序 中斷處理程序 i/o 中斷響應(yīng) i/o 中斷返回 19305. 通道程序、管理程序和用戶

16、程序的執(zhí)行時(shí)間關(guān)系 cpu 運(yùn)行用戶程序 時(shí)間 請(qǐng)求 i/o 訪管指令 響應(yīng) i/o 中斷請(qǐng)求 cpu 運(yùn)行 i/o 管理程序 通道運(yùn)行存放在主存中的通道程序 編制通道程序 啟動(dòng) i/o 操作 組織 i/o 操作 向 cpu 發(fā)中斷請(qǐng)求 登記或處理 6.5 i/o設(shè)備與cpu和存儲(chǔ)器的連接 20306. 通道種類 通道分為三種類型通道分為三種類型 三種類型的通道三種類型的通道與與cpucpu、設(shè)備控制器和外圍設(shè)備設(shè)備控制器和外圍設(shè)備 的連接關(guān)系的連接關(guān)系 l 字節(jié)多路通道字節(jié)多路通道l 選擇通道選擇通道l 數(shù)組多路通道數(shù)組多路通道 6.5 i/o設(shè)備與cpu和存儲(chǔ)器的連接 cpu 主存 字節(jié)多

17、路通道 磁盤(pán) 控制器 磁盤(pán) 控制器 磁盤(pán) 磁盤(pán) 磁盤(pán) 選擇 通道 設(shè)備 控制器 設(shè)備 控制器 設(shè)備 設(shè)備 設(shè)備 數(shù)組多路通道 設(shè)備 控制器 設(shè)備 控制器 設(shè)備 設(shè)備 設(shè)備 通道總線 通道總線 通道總線 2230(1) (1) 字節(jié)多路通道字節(jié)多路通道 為多臺(tái)低速或中速的外圍設(shè)備服務(wù)；為多臺(tái)低速或中速的外圍設(shè)備服務(wù)； 采用分時(shí)方式工作，依靠它與采用分時(shí)方式工作，依靠它與cpucpu之間的高之間的高 速數(shù)據(jù)通路分時(shí)為多臺(tái)設(shè)備服務(wù)。速數(shù)據(jù)通路分時(shí)為多臺(tái)設(shè)備服務(wù)。(2) (2) 選擇通道選擇通道 為多臺(tái)高速外圍設(shè)備服務(wù)；為多臺(tái)高速外圍設(shè)備服務(wù)； 傳送數(shù)據(jù)期間，通道只能為一臺(tái)高速外圍設(shè)傳送數(shù)據(jù)期間，通道

18、只能為一臺(tái)高速外圍設(shè) 備服務(wù)，在不同時(shí)間內(nèi)可以選擇不同設(shè)備。備服務(wù)，在不同時(shí)間內(nèi)可以選擇不同設(shè)備。6.5 i/o設(shè)備與cpu和存儲(chǔ)器的連接 2330(3) (3) 數(shù)組多路通道數(shù)組多路通道 數(shù)組多路通道適于為高速設(shè)備服務(wù)；數(shù)組多路通道適于為高速設(shè)備服務(wù)； 每次選擇一個(gè)高速設(shè)備后傳送一個(gè)數(shù)據(jù)塊，每次選擇一個(gè)高速設(shè)備后傳送一個(gè)數(shù)據(jù)塊， 并輪流為多臺(tái)外圍設(shè)備服務(wù)；并輪流為多臺(tái)外圍設(shè)備服務(wù)； 數(shù)組多路通道之所以能夠并行地為多個(gè)高數(shù)組多路通道之所以能夠并行地為多個(gè)高 速外圍設(shè)備服務(wù)，是因?yàn)檫@些高速外圍設(shè)速外圍設(shè)備服務(wù)，是因?yàn)檫@些高速外圍設(shè) 備并不能在整個(gè)數(shù)據(jù)輸入輸出時(shí)間內(nèi)單獨(dú)備并不能在整個(gè)數(shù)據(jù)輸入輸出時(shí)

19、間內(nèi)單獨(dú) 利用通道的全部傳輸能力。利用通道的全部傳輸能力。6.5 i/o設(shè)備與cpu和存儲(chǔ)器的連接 24307. 通道中的數(shù)據(jù)傳送過(guò)程 (1)(1) 字節(jié)多路通道的數(shù)據(jù)傳送過(guò)程字節(jié)多路通道的數(shù)據(jù)傳送過(guò)程 通道每連接一個(gè)外圍設(shè)備，只傳送一個(gè)通道每連接一個(gè)外圍設(shè)備，只傳送一個(gè) 字節(jié)，然后又與另一臺(tái)設(shè)備連接，并傳送一字節(jié)，然后又與另一臺(tái)設(shè)備連接，并傳送一 個(gè)字節(jié)。個(gè)字節(jié)。 (2) (2) 數(shù)組多路通道的數(shù)據(jù)傳送過(guò)程數(shù)組多路通道的數(shù)據(jù)傳送過(guò)程 每連接一臺(tái)高速設(shè)備，傳送一個(gè)數(shù)據(jù)塊，每連接一臺(tái)高速設(shè)備，傳送一個(gè)數(shù)據(jù)塊， 傳送完成后，又與另一臺(tái)高速設(shè)備連接，再傳送完成后，又與另一臺(tái)高速設(shè)備連接，再 傳送一個(gè)

20、數(shù)據(jù)塊。傳送一個(gè)數(shù)據(jù)塊。6.5 i/o設(shè)備與cpu和存儲(chǔ)器的連接 2530 (3) (3) 選擇通道的工作過(guò)程選擇通道的工作過(guò)程 每連接一個(gè)外圍設(shè)備，就把這個(gè)設(shè)備的每連接一個(gè)外圍設(shè)備，就把這個(gè)設(shè)備的 n n個(gè)字節(jié)全部傳送完成，然后再與另一臺(tái)設(shè)個(gè)字節(jié)全部傳送完成，然后再與另一臺(tái)設(shè) 備相備相連接。連接。8. 通道中數(shù)據(jù)的傳送過(guò)程與流量分析 動(dòng)畫(huà)演示動(dòng)畫(huà)演示 6.5 i/o設(shè)備與cpu和存儲(chǔ)器的連接 2630(1) (1) 通道流量通道流量 一個(gè)通道在數(shù)據(jù)傳送期間，單位時(shí)間內(nèi)一個(gè)通道在數(shù)據(jù)傳送期間，單位時(shí)間內(nèi) 能夠傳送的最大數(shù)據(jù)量，一般用字節(jié)個(gè)數(shù)來(lái)能夠傳送的最大數(shù)據(jù)量，一般用字節(jié)個(gè)數(shù)來(lái) 表示。表示。 又稱為又稱為通道吞吐率，通道數(shù)據(jù)傳輸率通道吞吐率，通道數(shù)據(jù)傳輸率等。等。(2) (2) 通道最大流量通道最大流量 一個(gè)通道在滿負(fù)荷工作狀態(tài)下的流量。一個(gè)通道在滿負(fù)荷工作狀態(tài)下的流量。(3) (3) 流量計(jì)算公式流量計(jì)算公式 6.5 i/o設(shè)備與cpu和存儲(chǔ)器的連接 2730 t ts s：設(shè)備選擇時(shí)間。設(shè)備選擇時(shí)間。 t td d：傳送一個(gè)字節(jié)所用的時(shí)間。傳送一個(gè)字節(jié)所用的時(shí)間。 p p：