第6章 計算機輸入輸出系統(tǒng)

1、第六章 輸入輸出系統(tǒng)輸出設備輸出設備放電熒光體電極光線玻璃透明電極滾筒打印紙色帶打印針針管線圈鐵心銜鐵氣泡輸入設備輸入設備游標圖形板電纜紅外線屏幕接收頭發(fā)射頭外存儲設備n磁盤 磁道，扇區(qū)，柱面 軟盤、硬盤 訪問過程n磁帶n光盤只讀型WORM型可擦寫型 1 0 0 0 0 00 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0凹坑鋁泊密封基片記錄數字設備塊設備6.1 輸入輸出總線6.1.1 總線數據傳輸方式1. 1. 串行傳輸串行傳輸2. 2. 并行傳輸并行傳輸3. 3. 復合傳輸復合傳輸4. 4. 消息傳輸消息傳輸串行傳輸n波特率與比特率n同步與異步(a) 連接方式串行傳

2、輸T1 T2 T3 T4 T5 T6 0 1 0 1 0 0(b) 信號時序串/并轉換并/串轉換例例6-1 在一個串行傳輸系統(tǒng)中，每秒可傳輸10個數據幀，每個數據幀包含1個起始位、8個數據位和2個結束位，試求其波特率和比特率。解：解：在每個幀中有1個起始位、8個數據位和2個結束位，總共11位，那么波特率就是1110=110 bps因為每個幀中的數據位為8位，所以比特率為810=80 bps并行傳輸n每個數據位都需要單獨一條傳輸線n并串行的傳輸方式n猝發(fā)式數據傳輸模式復合傳輸n總線復用消息傳輸方式n消息 一種有固定格式的數據nRamLink, PCI, SCSI單端方式與差分方式(b) 差分方式

3、(a) 單端方式地線波公共地信號線波負信號負信號線波正信號線波正信號信號6.1.2 總線的通信同步方式1. 同步通信串行同步：信號編碼并行同步：專用時鐘信號線優(yōu)點：時序關系簡單，實現簡單。缺點：在設備速度不一致時按最壞情況確定，不能太長。實例：EIDE硬盤接口總 線 時 鐘地 址數 據 t0 t1 t2 t3圖 6-2 同 步 總 線 的 數 據 傳 輸 時 序2. 異步通信n串行異步通信：起始檢測n并行異步通信：握手信號n非互鎖：地址與模式就緒應答n全互鎖：（四邊沿協(xié)議）2. 異步通信(續(xù))n3. 半同步方式地址與模式CLK就緒應答t4t3t2t1t0例例 對于具有圖示的操作時序的總線，試計

4、算總線的數據傳輸速率，假設總線上傳輸的每個字為32位，總線時鐘頻率為50MHz。解：解：從圖中可見，該總線在5個時鐘周期內傳輸了一個數據字?？偩€的數據傳輸帶寬為:1/5=0.2 (字/時鐘周期)即0.2501064=40106 (字節(jié)/秒)地址與模式CLK就緒應答t4t3t2t1t0例例6-3在一個采用100MHz時鐘的總線中，采用了塊傳輸方式以支持塊長為4個字的cache，每字的長度為4個字節(jié)。(1) 對于讀操作，訪問順序是1個周期接受地址，2個周期延遲，4個周期用于傳輸4個字。問讀操作的總線數據傳輸速率是多少？(2) 對于寫操作，訪問順序是1個周期接受地址，1個周期延遲，4個周期用于傳輸4

5、個字。問寫操作的總線數據傳輸速率是多少？(3) 如果總線的數據傳輸中80%為讀操作，20%為寫操作，問總線的平均數據傳輸速率是多少？解(1) 讀操作時總線周期為1+2+4=7個時鐘周期，傳輸的數據為44=16字節(jié)，數據傳輸速率為16100M/7=228.57MB/s(2) 寫操作時總線周期為1+1+4=6個時鐘周期，傳輸的數據為44=16字節(jié)，數據傳輸速率為16100M/6=267.67MB/s(3) 總線的平均數據傳輸速率是0.8228.57 + 0.2266.67 = 182.856 + 53.334 = 236.19 MB/s例例6-4在一個32位總線中，時鐘頻率為33MHz，總線數據傳

6、輸的周期是7個時鐘周期傳輸4個字的數據塊，(1) 問總線的數據傳輸率是多少？(2) 為了提高數據傳輸率，將總線的數據線改為8個字的塊，使得總線在11個時鐘周期傳輸8個字的數據塊，問這時總線的數據傳輸率是多少？(3) 如果不改變數據塊的大小，而是將時鐘頻率加倍，問這時總線的數據傳輸率是多少？解(1) 每個字為32位，總線在7個時鐘周期傳輸了16個字節(jié)，傳輸率為:R = 16B/733MHz = 75.43106B/S(2) 總線在11個時鐘周期傳輸了32個字節(jié)，傳輸率為: R = 32B/1133MHz = 96106B/S(3) 時鐘頻率變?yōu)?6MHz，傳輸率為:R = 16B/766MHz

7、= 150.86106B/S6.1.3 總線的控制n主模塊與從模塊n總線事務 請求 裁決 地址 數據 釋放總線請求和裁決總線請求和裁決1. 集中式裁決鏈式查詢BG: 總線允許BR: 總線請求BS: 總線忙總線控制器設備 n設備 2設備 1BGBR數據BS總線請求和裁決總線請求和裁決1. 集中式裁決 計數器定時BR: 總線請求BS: 總線忙Count: 計數總線控制器設備 n設備 2設備 1BRBS數據Count總線請求和裁決總線請求和裁決1. 集中式裁決 獨立請求BRx: 總線請求BGx: 總線允許總線控制器設備 n設備 2設備 1BR1BG1BR2BG2數據BRnBGn總線請求和裁決總線請求

8、和裁決n2. 分布式裁決設備 4設備 3設備 2設備 1數據線TR3TR2TR1TR0第三節(jié)第三節(jié) 總線接口總線接口n為什么要用總線接口？總線接口的基本功能:(1) 控制。 (2) 數據緩沖。 (3) 狀態(tài)設置。(4) 數據轉換。如并串轉換或串并轉換。(5) 整理。如在數據傳輸過程中更新字計數器。(6) 程序中斷。外圍設備接口的結構n接口地址地址譯碼器數據寄存器命令寄存器RDWE地址有效總線數據線地址線外設接口外設控制信號外設數據外設狀態(tài)狀態(tài)寄存器并行接口的例子內部總線WRRDRS1RS0控制電路數據總線狀態(tài)控制I/O 數據I/O 數據選寄存器選寄存器寫讀選片CS狀態(tài)寄存器控制寄存器B端寄存器

9、A端寄存器總線緩存標準并行端口(SPP)引腳信號名方向說明1STROBE#輸入選通信號2DATA1輸入數據最低位3DATA2輸入4DATA3輸入5DATA4輸入6DATA5輸入7DATA6輸入8DATA7輸入9DATA8輸入數據最高位10ACKNLG輸出打印機準備接收數據11BUSY輸出打印機忙12PE輸出無打印紙13SLCT輸出打印機能工作14AUTO_FEED_XT輸入打印一行后自動走紙15保留16邏輯地17機架地18保留19-30地31INIT#輸入復位打印機32ERROR#輸出出錯33地34保留35電源通過4.7K電阻接5V36SLCTIN#輸入接收數據6.2 輸入輸出控制n外設的尋址

10、外設的尋址 統(tǒng)一編址法統(tǒng)一編址法 存儲器映像的外設尋址存儲器映像的外設尋址 將接口中的控制寄存器、數據寄存器、狀態(tài)寄存器和內存將接口中的控制寄存器、數據寄存器、狀態(tài)寄存器和內存單元一樣看待單元一樣看待 接口與存儲器采用不同的地址接口與存儲器采用不同的地址 可以利用訪存指令進行輸入輸出操作可以利用訪存指令進行輸入輸出操作 單獨編址法單獨編址法 兩個地址空間兩個地址空間 訪問存儲器和訪問外圍設備采用不同的指令訪問存儲器和訪問外圍設備采用不同的指令地址CPUM/IO地址 內存選擇地址 外設選擇實現輸入輸出數據傳送的方式n程序控制方式程序控制方式 程序查詢程序查詢 中斷中斷n直接存儲器訪問直接存儲器訪

11、問(DMA)方式方式n通道方式通道方式6.2.1 程序控制方式程序控制方式n程序查詢 讀外設狀態(tài)讀外設狀態(tài) 完成完成? Y Y N N Ready? 傳送數據傳送數據 啟動外設啟動外設 信號傳輸過程狀態(tài)寄存器數據寄存器 2控制器ALU數據寄存器 1地址寄存器設備驅動電路數據寄存器地址譯碼器設備接口CPUMIPS匯編程序的例子addiu $7,$0,printer_addr; $7指向打印機設備地址指向打印機設備地址addiu $1,$0,data_addr; $1中包含字符串起始地址中包含字符串起始地址addiu $2,$0,count; $2中包含字符串長度中包含字符串長度addiu $3,

12、$0,rdy_bit_mask; 狀態(tài)屏蔽位狀態(tài)屏蔽位addiu $6, printer_statwait: lw $4,0($6); 讀設備狀態(tài)字位測試讀設備狀態(tài)字位測試and $5,$3,$4; 設備狀態(tài)字屏蔽設備狀態(tài)字屏蔽beq $5,$0,wait; 設備狀態(tài)就緒位測試設備狀態(tài)就緒位測試lw$8,0($1); 將一個數據從內存讀入將一個數據從內存讀入sw $8,0($7); 將該數據送入打印機將該數據送入打印機addiu $1,$1,+1; 更新字符串地址更新字符串地址addi $2,$2,-1; 更新字符串計數器更新字符串計數器bne $2,$0,wait; 循環(huán)循環(huán)中斷方式中斷方式

13、 數據緩存數據緩存 中斷判中斷判優(yōu)電路優(yōu)電路 接口接口 控制控制 數據寄數據寄存器存器 地址寄地址寄存器存器 中斷中斷屏蔽屏蔽寄存寄存器器 中斷中斷請求請求寄存寄存器器 接口控制接口控制 電路電路 CPU 外設外設 接口接口 WE RD IG IR 地址地址 數據數據 數據數據 完成完成 啟動啟動 狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器 地址譯碼地址譯碼 命令寄存器命令寄存器 6.2.2 DMA控制方式控制方式一、基本概念一、基本概念n目的目的減少大批量數據傳輸時減少大批量數據傳輸時CPUCPU的開銷。的開銷。n方法方法 采用專用部件生成訪存地址并控制訪存過程。采用專用部件生成訪存地址并控制訪存過程。n傳輸過程

14、：傳輸過程： 預處理預處理 數據傳輸數據傳輸 后處理后處理二、二、DMA傳送方式傳送方式n問題：問題：訪存沖突訪存沖突n解決方法：解決方法： DMA乘存儲器空閑時乘存儲器空閑時訪問存儲器（周期挪訪問存儲器（周期挪用）。用）。 DMA請請求求 DMA響響應應 發(fā)發(fā)送送內內存存地地址址 內內存存地地址址加加 1 傳傳送送一一個個數數據據 N Y 結結束束？ DMA控制器結構控制器結構控制邏輯DS RS RD WR BR BG中斷機構標志寄存器字計數器數據寄存器地址計數器系統(tǒng)總線IGIRDMA與CPU的連接DSRSBRBGIR外設DMA響應DMA請求DMARAMCPURD WR Add dataRD

15、 WR Add dataRD WR Add dataBRBGIR地址選擇6.3 輸入輸出總線實例輸入輸出總線實例n6.3.1 EIA-232串行接口串行接口n6.3.2 IDE磁盤接口磁盤接口n6.3.3 SCSI總線總線n6.3.4 PCI總線總線6.3.1 EIA-232串行接口串行接口 1 0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1 結結束束位位 校校驗驗位位 起起始始位位 數據位數據位 空閑位空閑位 高高位位 低低位位 串行接收方式1. 起始位檢測：起始位檢測：m倍取樣倍取樣2. 2. 數據位取樣：隔數據位取樣：隔m個采樣周期后取樣一次，共個采樣周期

16、后取樣一次，共n次次3. 3. 停止位檢測：隔停止位檢測：隔m個采樣周期后取樣并檢測個采樣周期后取樣并檢測 位位時時間間 第第一一數數據據位位采采樣樣 起起始始位位確確定定 起起始始位位檢檢測測 采采樣樣時時刻刻 串串行行信信號號 接口結構 發(fā)送寄存器發(fā)送寄存器 發(fā)送緩存寄存器發(fā)送緩存寄存器 接收緩存寄存器接收緩存寄存器 控制控制邏輯邏輯 總線總線接口接口 接收寄存器接收寄存器 寄存器選寄存器選 片選片選 IO 寫寫 IO 讀讀 數據總線數據總線 串行輸出串行輸出 TxD 串行輸入串行輸入 RxD 例例6-5 用異步串行傳輸方式發(fā)送十六進制數用異步串行傳輸方式發(fā)送十六進制數8 A 16，數據位

17、為數據位為8位，奇校驗位一位，停位，奇校驗位一位，停止位一位，請畫出波形圖。止位一位，請畫出波形圖。n答：答： D2 D3 D7 D6 D5 D4 D0 D1 結結束束位位 校校驗驗位位 起起始始位位 通用異步接收器通用異步接收器/ /發(fā)送器發(fā)送器( (UART)UART)出錯標志n1. 奇偶錯誤奇偶錯誤n2. 2. 幀錯誤幀錯誤n3. 3. 溢出溢出( (丟失丟失) )錯誤錯誤( (overrun error)overrun error)串行接口實例：串行接口實例：EIA-232EIA-232n25條信號線條信號線 請求發(fā)送請求發(fā)送RTS(Request to Send) 允許發(fā)送允許發(fā)送C

18、TS(Clear to Send) 數據終端就緒數據終端就緒DTR(Data Terminal Ready) 數據集就緒數據集就緒DSR(Data Set Ready) 載波檢測載波檢測CD(Carry Detect)EIA-232-D信號定義第一排引腳第二排引腳編號功能編號功能1保護接地2傳輸的數據(TxD)3接收的數據(RxD)4請求發(fā)送(RTS)5清除發(fā)送(CTS)6數據集就緒(DSR)7信號地8接收線信號檢測(CD)9正電壓10負電壓11保留12第二接收線信號檢測13第二清除發(fā)送14第二傳輸數據15傳輸方信號元素定時(DCE)16第二接收數據17接收方信號元素定時(DCE)18保留19

19、第二請求發(fā)送20數據終端就緒(DTR)21信號質量檢測22響鈴指示23數據信號速率選擇(DTE到DCE)24傳輸方信號元素定時(DTE)25保留6.3.2 IDE磁盤接口磁盤接口SCSI 接口 ESDI 接口 ST506接口圖 7-3 磁盤控制器接口格式控制寫放大器讀放大器時鐘產生數據譯碼數據編碼串并轉換并串轉換數據緩存DMA控制IDE接口定義引腳功能引腳功能2地1復位4DD83DD76DD95DD68DD107DD510DD119DD412DD1211DD314DD1313DD216DD1415DD118DD1517DD020插頭鍵19地22地21DMARQ24地23DIOW*26地25DI

20、OR*28保留27IORDY30地29DMACK*32IOCS16*31INRQ34PDIAG*33DA136DA235DA038CS3FX*37CS1FX*40地39DASP*IDE接口定義DA0DA2尋址，與CS1FX*和CS3FX*一起使用DIOR*啟動讀周期DIOW*啟動寫周期 DD0DD15傳輸磁盤數據IORDY指示磁盤驅動器需要進行數據傳輸。IOCS1616位輸入輸出的控制信號，已準備送出或接受數據。DMARQ啟動向磁盤驅動器或從驅動器往外傳輸數據DMACK*數據傳輸結束INTQ 驅動器中斷請求DASP*驅動器有效PDIAG*診斷命令或復位的結果RESET*使驅動器在加電或重新啟動

21、時回到初始狀態(tài)磁盤訪問時間平均訪問時間 = 控制延遲 + 尋道時間 + 旋轉延遲 + 傳輸延遲例例6-6設一個磁盤的平均尋道時間為設一個磁盤的平均尋道時間為10ms，數據數據讀取的速率高于數據傳輸速率，數據傳輸速率是讀取的速率高于數據傳輸速率，數據傳輸速率是2MB/s，控制器延遲是控制器延遲是2ms，盤片轉速為每分鐘盤片轉速為每分鐘5400轉。求讀寫一個轉。求讀寫一個512字節(jié)的扇區(qū)的平均時間。字節(jié)的扇區(qū)的平均時間。解：平均旋轉延時解：平均旋轉延時0.5/5400轉轉/分分 = 0.0056秒秒 = 5.6ms數據傳輸時間數據傳輸時間0.5KB/2.0MB/s = 0.25ms平均磁盤訪問時間

22、平均磁盤訪問時間 10 + 5.6 + 0.25 + 2ms = 18.85ms6.3.3 SCSI總線1. 特點特點n從通道發(fā)展而來從通道發(fā)展而來n傳輸速度快傳輸速度快n靈活性好（適用于各種外設）靈活性好（適用于各種外設）n設備獨立性設備獨立性n采用高級命令系統(tǒng)采用高級命令系統(tǒng)2. 信號定義線號信號名線號信號名 1GND 2DB(0) 3GND 4DB(1) 5GND 6DB(2) 7GND 8DB(3) 9GND10DB(4)11GND12DB(5)13GND14DB(6)15GND16DB(7)17GND18DB(P)19GND20GND21GND22GND23保留24保留25開路26T

23、ERMPWR27保留28保留29GND30GND31GND32ATN33GND34GND35GND36BSY37GND38ACK39GND40RST41GND42MSG43GND44SEL45GND46C/D47GND48REQ49GND50I/O信號電平信號電平：單端方式單端方式差分方式差分方式3. 總線控制n地址構成：設備地址(8個)邏輯單元號（邏輯設備號）邏輯分區(qū)地址（16到32位塊地址）n通信協(xié)議：消息傳遞n八個階段（操作狀態(tài)）： 空閑，仲裁，選擇，再選擇， 命令，數據，狀態(tài)，消息n兩個異步條件： 注意（有消息發(fā)出），復位操作狀態(tài)消息階段狀態(tài)階段數據階段命令階段消息階段再選階段仲裁階段

24、選擇階段空閑階段4. 消息系統(tǒng)n消息的作用： 傳遞操作信息（如設備執(zhí)行情況以及操作控制）n消息類型： 單字消息 雙字消息 多字消息01 (擴展消息)n (消息長度)x (消息碼)消息參數SCSI消息（一）代代碼碼消消息息名名說說明明00Command Complete目標設備完成一個I/O 操作02Save Data Pointer保存當前活動指針03Restore Pointers恢復命令指針、數據指針和狀態(tài)指針04Disconnect斷開連接05Initiator Detected error始發(fā)設備發(fā)現錯誤06Abort撤銷操作，使總線進入空閑階段07Message Reject不支持剛

25、才發(fā)出的消息08No operation空操作09Message Parity error上一個消息字奇偶錯誤0aLinked Command Complete鏈接命令完成0bLinked Command Complete(With Flag)鏈接命令完成（產生中斷）SCSI消息（二）0dAbort tag撤銷操作（支持排隊標號）0cBus Device Reset清除目標設備的所有 I/O 進程0eClear queue清除隊列0fInitiator Recovery將進入擴展意外通信條件10Release recovery終止擴展偶然通信條件11Terminate I/O Process終

26、止當前 I/O 進程20Simple queue tag21Head of queue tag22Ordered queue tag23Ignore wide residue指明將在數據階段最后一次傳輸中可忽略的字節(jié)數80Identify建立通路，或恢復一個 I/O 進程5. 命令格式操作碼邏輯單元號邏輯塊地址長度控制字節(jié)DMA 控制器RAMROM協(xié)議控制器微處理器SCSI主機總線數據緩存SCSI適配器結構SCSI外設控制器結構設備級接口DMA 控制器RAMROM協(xié)議控制器微處理器數據緩存設備級總線SCSISCSI的發(fā)展標標準準傳傳輸輸速速率率(MB/s)數數據據寬寬度度單單端端線線路路長長度

27、度LVDHVD設設備備數數SCSI-1586-258Fast SCSI1083-258Fast Wide SCSI20163-2516Ultra SCSI2081.5-258Wide Ultra SCSI4016-2516Ultra2 SCSI408-12258Wide Ultra2 SCSI8016-122516Ultra3 SCSI16016-12-16Ultra32032016-12-16連接器和電纜類型連接器和電纜類型68 針 16 位 50 針 8 位1.9 英寸47 毫米2.7 英寸67 毫米高密度 68 針低密度 50 針1.7 英寸43 毫米2.5 英寸63 毫米68 針 16 位1.9 英寸47 毫米高密度 68 針1.7 英寸43 毫米50 歐姆歐姆90 歐姆歐姆SCSI-2 +Fast SCSI-2Fast & WideSCSI-2/SCSIUltra Wide SCSI6.3.4 PCI總線1. 主要特點主要特點n采用猝發(fā)傳輸方式采用猝發(fā)傳輸方式n速度較高速度較高n6464位可擴展位可擴展n隱含式裁決隱含式裁決n可靠性高（地址、命令和數據校驗）可靠性高（地址、命令和數據校驗）n三個地址空間（內存、三個地址空間（內存、I/OI/O和配置）和配置）n自動配置自動配置2. 信號定義PCI 設備INTD#INTC#INTB#INTA#TRST#TMS