“計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”(第7章) 2009

1、2022-5-181上海交通大學 網(wǎng)絡教育學院陳澤宇 博士 副教授網(wǎng)絡教育學院第1章 計算機系統(tǒng)概論第2章 運算方法和運算器第3章 存儲系統(tǒng)第4章 指令系統(tǒng)第5章 中央處理器（CPU）第6章 總線系統(tǒng)第7章 輸入輸出（I/O）系統(tǒng)第8章 并行計算機系統(tǒng)網(wǎng)絡教育學院第7章 輸入輸出（I/O）系統(tǒng)7.1 輸入輸出控制方式7.2 程序中斷方式7.3 DMA方式7.4 通道方式7.5 通用I/O接口網(wǎng)絡教育學院 輸入輸出設備從功能上可以分為兩類 完成輸入輸出操作的設備 作為外部存儲器的設備 外部存儲器的訪問需要通過輸入輸出接口進行，因此也可以看作是一種輸入輸出設備 輸入輸出系統(tǒng)的功能 各種外圍設備通過

2、輸入輸出接口與計算機主機相連，完成主機分配的任務并進行信息交換 輸入輸出接口需要連接各種不同類型、不同工作速度和數(shù)據(jù)傳輸速度的外圍設備，因此產(chǎn)生了各種不同的輸入輸出控制方式網(wǎng)絡教育學院7.1 輸入輸出控制方式1. 程序查詢方式2. 程序中斷方式3. DMA方式4. 通道方式5. 外圍處理機方式網(wǎng)絡教育學院 CPU管理外圍設備的輸入輸出控制方式 程序查詢方式 程序中斷方式 DMA方式 通道方式 外圍處理機方式 前兩種方式由軟件實現(xiàn) 后三種方式由硬件實現(xiàn)網(wǎng)絡教育學院1. 程序查詢方式 早期計算機中使用的一種方式 CPU與外圍設備的數(shù)據(jù)交換完全依賴于計算機的程序控制 在進行信息交換之前， CPU要設

3、置傳輸參數(shù)、傳輸長度等，然后啟動外設工作 與此同時，外設則進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蕚涔ぷ?相對于CPU來說，外設的速度是比較低的，因此外設準備數(shù)據(jù)的時間往往是一個漫長的過程 而在這段時間里，CPU除了循環(huán)檢測外設是否已準備好之外，不能處理其他業(yè)務，只能一直等待 直到外設完成數(shù)據(jù)準備工作，CPU才能開始進行信息交換網(wǎng)絡教育學院 優(yōu)點 CPU的操作和外圍設備的操作能夠完全同步 硬件結(jié)構(gòu)也比較簡單 缺點 外圍設備的動作通常很慢，程序進行循環(huán)查詢白白浪費了寶貴的CPU時間 數(shù)據(jù)傳輸效率低下 在當前的實際應用中，除了單片機之外，已經(jīng)很少使用程序查詢方式了網(wǎng)絡教育學院2. 程序中斷方式 中斷是外圍設備用來“主動”

4、通知CPU，準備發(fā)送或接收數(shù)據(jù)的一種方式 通常，當一個中斷發(fā)生時， CPU暫停其現(xiàn)行程序，轉(zhuǎn)而執(zhí)行中斷處理程序，完成數(shù)據(jù)I/O工作 當中斷處理完畢后，CPU又返回到原來的任務，并從暫停處繼續(xù)執(zhí)行程序 程序中斷這種方式節(jié)省了CPU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，并且一旦提出要求，應立即執(zhí)行 與程序查詢方式相比， 硬件結(jié)構(gòu)相對復雜一些，服務成本較大網(wǎng)絡教育學院3. DMA方式 DMA方式就是直接存儲器存?。―irect Memory Access）方式 是一種完全由硬件執(zhí)行I/O交換的工作方式 在該方式中， DMA控制器從CPU完全接管對總線的控制權(quán)

5、數(shù)據(jù)交換不經(jīng)過CPU而直接在主存和外圍設備之間進行，以便高速傳送數(shù)據(jù) 主要優(yōu)點 數(shù)據(jù)傳送速度很高 傳送速率僅受限于主存的訪問時間 與程序中斷方式相比， 需要更多的硬件 適用于主存和高速外圍設備之間大批量數(shù)據(jù)交換的場合網(wǎng)絡教育學院4. 通道方式 DMA方式的出現(xiàn)減輕了CPU對I/O操作的控制，使得CPU的效率顯著提高，而通道的出現(xiàn)則進一步提高了CPU的效率 通道是一個具有特殊功能的處理器，又稱為輸入輸出處理器（IOP） 分擔了CPU的一部分功能 可以實現(xiàn)對外圍設備的統(tǒng)一管理 完成外圍設備與主存之間的數(shù)據(jù)傳送 通道方式大大提高了CPU的工作效率 然而這種效率的提高是以增加更多的硬件為代價的網(wǎng)絡教育

6、學院5. 外圍處理機方式 外圍處理機（Peripheral Processor Unit，PPU）方式是通道方式的進一步發(fā)展 PPU基本上獨立于主機工作 結(jié)構(gòu)更接近于一般的處理機，甚至就是微小型計算機 在一些系統(tǒng)中， 設置了多臺PPU，分別承擔I/O控制、通信、維護診斷等任務 從某種意義上說，這種系統(tǒng)已經(jīng)變成了分布式多機系統(tǒng)網(wǎng)絡教育學院 計算機外圍設備的輸入/輸出方式 CAI演示 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備 DMA方式、通道方式和外圍處理機方式適用于數(shù)據(jù)傳輸率比較高的外圍設備網(wǎng)絡教育學院7.2 程序中斷方式7.2.1 中斷的基本概念7.2.2 單級中斷與多級中斷

7、7.2.3 中斷控制器網(wǎng)絡教育學院7.2.1 中斷的基本概念 程序查詢方式要求CPU不斷地用指令檢測方法來獲取外設工作狀態(tài)，造成CPU的運行效率極低 20世紀50年代中后期中斷概念的出現(xiàn)，是計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計中的一項重大變革 在程序中斷方式中， 某一外設的數(shù)據(jù)準備就緒后，它“主動”向CPU發(fā)出中斷請求信號，請求CPU暫時中斷目前正在執(zhí)行的程序轉(zhuǎn)而進行數(shù)據(jù)交換； 當CPU響應這個中斷時，便暫停運行主程序，自動轉(zhuǎn)去執(zhí)行該設備的中斷服務程序； 當中斷服務程序執(zhí)行完畢（數(shù)據(jù)交換結(jié)束）后，CPU又回到原來的主程序繼續(xù)執(zhí)行網(wǎng)絡教育學院 中斷處理示意圖 CPU只是在外圍設備A、B、C的數(shù)據(jù)準備就緒后，才去執(zhí)

8、行對應的中斷服務程序，進行數(shù)據(jù)交換； 而當?shù)退俚耐鈬O備準備自己的數(shù)據(jù)時，CPU則照常執(zhí)行自己的主程序 從這個意義上說，CPU和外設的一些操作是異步并行進行的 因而與串行進行的程序查詢方式相比，計算機系統(tǒng)的效率的確是大大提高了網(wǎng)絡教育學院 CPU只有在當前一條指令執(zhí)行完畢后，即轉(zhuǎn)入公操作時，才會受理外圍設備的中斷請求 保存現(xiàn)場操作 為了在中斷服務程序執(zhí)行完畢以后，能夠正確地返回到原來主程序被中斷的地方（斷點）繼續(xù)執(zhí)行 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 恢復現(xiàn)場操作 在中斷服務程序執(zhí)行完畢后，從堆棧中恢復PC內(nèi)容和CP

9、U狀態(tài)，以便從斷點處繼續(xù)執(zhí)行主程序網(wǎng)絡教育學院 中斷處理過程是由硬件和軟件結(jié)合來完成的 中斷周期由硬件實現(xiàn) 中斷服務程序由機器指令序列實現(xiàn) 計算機的中斷過程類似于子程序調(diào)用，但在本質(zhì)上又有所區(qū)別 子程序的調(diào)用是事先安排好的，而中斷則是隨機產(chǎn)生的 子程序的執(zhí)行往往與主程序有關(guān)，而中斷服務程序則可能與主程序毫無關(guān)系 比如發(fā)生電源掉電等異常情況網(wǎng)絡教育學院7.2.2 單級中斷與多級中斷 根據(jù)計算機系統(tǒng)對中斷處理策略的不同，中斷系統(tǒng)可以分為單級中斷系統(tǒng)和多級中斷系統(tǒng) 單級中斷系統(tǒng)是中斷結(jié)構(gòu)中最基本的形式網(wǎng)絡教育學院單級中斷系統(tǒng) 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越

10、近優(yōu)先級越高 當響應某一中斷請求時，CPU執(zhí)行該中斷源的中斷服務程序 在此過程中，中斷服務程序不允許被其他中斷源所打斷，即使優(yōu)先級比它高的中斷源也不例外 只有當該中斷服務程序執(zhí)行完畢之后，才能響應其他中斷網(wǎng)絡教育學院多級中斷系統(tǒng) 計算機系統(tǒng)中的多個中斷源，根據(jù)中斷事件的輕重緩急程度不同而分成若干個級別，每一個中斷級分配一個優(yōu)先級 優(yōu)先級高的中斷級可以打斷優(yōu)先級低的中斷服務程序，以程序嵌套方式進行工作 中斷嵌套 當一個中斷服務程序正在執(zhí)行時，一個優(yōu)先級比它更高的中斷源發(fā)出中斷請求 CPU暫停當前中斷服務程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)而執(zhí)行優(yōu)先級更高的中斷服務程序 圖中，CPU嵌套響應了系統(tǒng)中的兩個中斷服務程序。

11、 多級中斷的出現(xiàn)，擴大了系統(tǒng)中斷功能，進一步加強了系統(tǒng)處理緊急事件的能力網(wǎng)絡教育學院 為了能夠及時處理最為緊迫的中斷，必須判斷多級中斷中哪個中斷的優(yōu)先級更高 通?？刹捎靡韵聝煞N處理方法：1. 軟件查詢法 采用程序查詢技術(shù)來確定發(fā)出中斷請求的中斷源及其中斷優(yōu)先級 最先查詢的中斷具有最高優(yōu)先級，最后查詢的中斷則為最低優(yōu)先級 因此，查詢的先后順序決定了中斷優(yōu)先級的高低 如果中斷請求正好來源于最后查詢的那個中斷，那么就浪費了此前的大量查詢時間 因此，軟件查詢的效率很低2. 硬件處理法 為了提高處理效率，通常采用硬件處理方法 采用優(yōu)先級排隊電路或?qū)Ｓ弥袛嗫刂破鞯扔布娐穪砉芾碇袛嗑W(wǎng)絡教育學院7.2.3

12、中斷控制器 中斷控制器是一塊專用的集成電路芯片 將中斷接口與優(yōu)先級判斷等功能集于一身 中斷控制器 在80 x86的早期系統(tǒng)中，采用一片8259A芯片作為中斷控制器 到了80386系統(tǒng)中，則采用可編程中斷控制器PIC（Programmable Interrupt Controller）， 也就是兩塊8259A芯片的級聯(lián) 在Pentium以及后來的CPU中，集成了高級可編程中斷控制器APIC（Advanced Programmable Interrupt Controller） 可用于多處理器網(wǎng)絡教育學院7.3 DMA方式7.3.1 DMA基本概念7.3.2 基本的DMA控制器7.3.3 選擇型和

13、多路型DMA控制器網(wǎng)絡教育學院7.3.1 DMA基本概念 DMA方式是一種完全由硬件執(zhí)行I/O交換的工作方式 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，而直接在主存和I/O設備之間進行 DMA控制器向主存發(fā)出地址和控制信號 修改主存地址，對傳送的字的個數(shù)進行計數(shù)，并且以中斷方式向CPU報告?zhèn)魉筒僮鞯慕Y(jié)束 DMA方式控制簡單，適用于高數(shù)據(jù)傳輸率設備進行成組傳送網(wǎng)絡教育學院 DMA方式的優(yōu)點 速度快 由于CPU不參加傳送操作，因此省去了CPU取指令、取數(shù)、送數(shù)等操作，也沒有保存現(xiàn)場、恢復現(xiàn)場之類的工作 主存地址的修改、傳送字個數(shù)的計數(shù)等不由軟件實現(xiàn)，而是用硬件線路直接實現(xiàn) 所

14、以，DMA方式能夠滿足高速I/O設備的要求，也有利于CPU效率的發(fā)揮 一般用于高速傳送成組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡教育學院 DMA方式的工作過程 首先，當要求通過DMA方式傳輸數(shù)據(jù)時，DMA控制器向CPU發(fā)出請求，CPU釋放總線控制權(quán)，交由DMA控制器管理 然后，DMA控制器向外設返回一個應答信號，外設與主存開始進行數(shù)據(jù)交換 最后，當數(shù)據(jù)傳輸完畢后，DMA控制器把總線控制權(quán)交還給CPU網(wǎng)絡教育學院 在這種方式下，DMA控制器與CPU分時使用總線 時間圖 在DMA方式中， 批量數(shù)據(jù)傳送前的準備工作，以及傳送結(jié)束后的處理工作，仍由CPU通過執(zhí)行管理程序來承擔 DMA控制器只負責具體的數(shù)據(jù)傳送工作網(wǎng)絡教育學院7.3

15、.2 基本的DMA控制器1. DMA控制器的基本組成2. DMA數(shù)據(jù)傳送過程網(wǎng)絡教育學院1. DMA控制器的基本組成 一個DMA控制器，實際上是采用DMA方式的外圍設備與系統(tǒng)總線之間的接口電路 在中斷接口的基礎上加上DMA機構(gòu)而組成的 包括以下邏輯部件：1）主存地址計數(shù)器 2）字計數(shù)器3）數(shù)據(jù)緩沖寄存器4）“DMA請求”標志5）“控制/狀態(tài)”邏輯6）中斷機構(gòu)網(wǎng)絡教育學院2. DMA數(shù)據(jù)傳送過程 一次DMA數(shù)據(jù)塊傳送過程可分為三個階段 CAI演示 傳送前預處理 正式傳送 傳送后處理網(wǎng)絡教育學院1）預處理階段 CPU執(zhí)行幾條輸入輸出指令 測試設備狀態(tài) 向DMA控制器的設備地址寄存器中送入設備號并啟

16、動設備 向主存地址計數(shù)器中送入起始地址 向字計數(shù)器中送入交換數(shù)據(jù)字個數(shù) 在這些工作完成后，CPU繼續(xù)執(zhí)行原來的主程序 當外設準備好發(fā)送數(shù)據(jù)（輸入）或接收數(shù)據(jù)（輸出）時， 它發(fā)出DMA請求，由DMA控制器向CPU發(fā)出總線使用權(quán)請求網(wǎng)絡教育學院2）正式傳送階段 當外圍設備發(fā)出DMA請求時， CPU在本機器周期執(zhí)行結(jié)束后響應該請求，并使CPU的總線驅(qū)動器處于第三態(tài)（高阻狀態(tài)） 之后， CPU與系統(tǒng)總線相脫離，而DMA控制器則接管數(shù)據(jù)總線與地址總線的控制，并向主存提供地址 于是在主存與外圍設備之間進行數(shù)據(jù)交換 每交換一個字，地址計數(shù)器和字計數(shù)器加“1” 當字計數(shù)器溢出時，DMA操作結(jié)束，DMA控制器向

17、CPU發(fā)出中斷報告網(wǎng)絡教育學院 DMA數(shù)據(jù)傳送是以數(shù)據(jù)塊為基本單位進行的 每次DMA控制器占用總線后，無論是數(shù)據(jù)輸入操作，還是輸出操作，都是通過循環(huán)來實現(xiàn)的 當進行輸入操作時，外圍設備的數(shù)據(jù)（一次一個字或一個字節(jié)）傳向主存 當進行輸出操作時，主存的數(shù)據(jù)傳向外圍設備網(wǎng)絡教育學院3）后處理階段 一旦DMA的中斷請求得到響應，CPU停止主程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務程序，完成DMA結(jié)束處理工作 包括校驗送入主存的數(shù)據(jù)是否正確，決定繼續(xù)DMA傳送還是結(jié)束，測試傳送過程中是否發(fā)生錯誤等等 基本DMA控制器與系統(tǒng)的連接方式有兩種 一種是公用的DMA請求方式 另一種是獨立的DMA請求方式網(wǎng)絡教育學院7.3.

18、3 選擇型和多路型DMA控制器 簡單的DMA控制器，一個控制器只控制一個I/O設備 在實際應用中情況要復雜得多 因此通常采用選擇型DMA控制器和多路型DMA控制器1. 選擇型DMA控制器2. 多路型DMA控制器網(wǎng)絡教育學院1. 選擇型DMA控制器 選擇型DMA控制器在物理上可以連接多個設備，而在邏輯上只允許連接一個設備 換句話說，在某一個時間段內(nèi)只能為一個設備提供服務 選擇型DMA控制器工作原理 數(shù)據(jù)傳送以數(shù)據(jù)塊為單位進行 在每個數(shù)據(jù)塊傳送之前的預置階段，除了用程序中的I/O指令給出數(shù)據(jù)塊的傳送個數(shù)、起始地址、操作命令外，還要給出所選擇的設備號 從預置開始，一直到這個數(shù)據(jù)塊傳送結(jié)束，DMA控制

19、器只為所選的設備提供服務 下一次預置時再根據(jù)I/O指令指出的設備號，為所選擇的另一設備提供服務網(wǎng)絡教育學院 選擇型DMA控制器相當于一個邏輯開關(guān) 根據(jù)I/O指令來控制此開關(guān)與某個設備連接 選擇型DMA控制器只增加了少量的硬件就達到為多個外圍設備提供服務的目的 特別適合于數(shù)據(jù)傳輸率很高甚至接近于主存存取速度的設備 在高速傳送完一個數(shù)據(jù)塊后，控制器又可為其他設備提供服務網(wǎng)絡教育學院2. 多路型DMA控制器 多路型DMA不僅在物理上可以連接多個外圍設備，而且在邏輯上也允許這些外圍設備同時工作 各個設備以字節(jié)交叉方式通過DMA控制器進行數(shù)據(jù)傳送 多路型DMA控制器適合于同時為多個慢速外圍設備提供服務網(wǎng)

20、絡教育學院 多路型DMA控制器可以對多個獨立的DMA通路進行控制 當某個外圍設備請求DMA服務時，操作過程如下： DMA控制器接到設備發(fā)出的DMA請求，將請求轉(zhuǎn)送到CPUCPU在適當?shù)臅r刻響應DMA請求 若CPU不需要占用總線則繼續(xù)執(zhí)行指令； 若CPU需要占用總線則進入等待狀態(tài)DMA控制器接到CPU的響應信號后，進行以下工作：對現(xiàn)有DMA請求中優(yōu)先權(quán)最高的請求予以響應；選擇相應的地址寄存器的內(nèi)容來驅(qū)動地址總線；根據(jù)所選設備操作寄存器的內(nèi)容，向總線發(fā)出讀、寫信號外圍設備向數(shù)據(jù)總線傳送數(shù)據(jù)，或從數(shù)據(jù)總線接收數(shù)據(jù)；每個字節(jié)傳送完畢后，DMA控制器使相應的地址寄存器和長度寄存器加“1”或減“1” 在一

21、批數(shù)據(jù)傳送過程中，要多次重復上述過程，直到外圍設備表示一個數(shù)據(jù)塊已傳送完畢，或該設備的長度控制器判定傳送長度已滿網(wǎng)絡教育學院7.4 通道方式7.4.1 通道的功能7.4.2 通道的工作過程7.4.3 通道的類型網(wǎng)絡教育學院7.4.1 通道的功能 DMA方式解決了快速外設和主機成批交換信息的難題，簡化了CPU對數(shù)據(jù)傳送的控制，提高了主機與外設并行工作的程度，提高了系統(tǒng)的效率 但是，在DMA方式下，CPU仍然擺脫不了管理和控制外設的沉重負擔，難以充分發(fā)揮高速運算的能力 通道方式將控制I/O操作和信息傳送的功能從CPU中獨立出來，代替CPU管理和調(diào)度外設與主機的信息交換，從而進一步提高了CPU的效率

22、網(wǎng)絡教育學院 通道是一個特殊功能的處理器，是計算機系統(tǒng)中代替CPU管理控制外設的獨立部件 它有自己的指令和程序，專門負責數(shù)據(jù)輸入輸出的傳輸控制，而CPU在將“傳輸控制”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分時使用主存，實現(xiàn)了CPU內(nèi)部運算與I/O設備的并行工作網(wǎng)絡教育學院 通道方式具有以下特點：具有兩種類型的總線 一種是存儲總線，承擔通道與主存、CPU與主存之間的數(shù)據(jù)傳輸任務； 另一種是通道總線，即I/O總線，承擔外圍設備與通道之間的數(shù)據(jù)傳送任務 這兩類總線可以分別按照各自的時序同時工作一條通道總線可以連接多個設備控制器，一個設備控制器可以連接多個設備系統(tǒng)設有存儲管理部件

23、，是主存的控制部件 主要任務是根據(jù)事先確定的優(yōu)先次序，決定下一周期由哪個部件使用存儲總線來訪問主存網(wǎng)絡教育學院 通道的基本功能 執(zhí)行通道指令 組織外圍設備和主存進行數(shù)據(jù)傳輸 按I/O指令要求啟動外圍設備 向CPU報告中斷等 CPU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，另一種是故障中斷 通道使用通道指令控制設備控制器進行數(shù)據(jù)傳送操作，并以通道狀態(tài)字接收設備控制器反映的外圍設備的狀態(tài) 因此，設備控制器是通道對I/O設備實現(xiàn)傳輸控制的執(zhí)行機構(gòu)網(wǎng)絡教育學院7.4.2 通道的工作過程 系統(tǒng)在進行一次通道操作之前，CPU要完成準備通道程序

24、、安排數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、給通道和外設發(fā)起命令等工作 在通道接到啟動命令后，便到指定點取通道地址 指定點是系統(tǒng)設計好的，由通道硬件實現(xiàn) 通道根據(jù)指定點提供的主存地址，從主存中取出CPU為它準備的通道程序 在執(zhí)行第一條通道程序之前，通道首先要選擇外設，啟動外設的設備號，看其是否有響應 總線上的外設都有自己的地址譯碼器，用于判斷總線上的呼叫地址是否是本設備地址網(wǎng)絡教育學院 選擇設備后，通道向外設接口發(fā)出命令，外設接口接到命令后返回狀態(tài)碼，通道便以條件碼形式回答CPU，表示這次啟動成功 于是CPU便可以轉(zhuǎn)去執(zhí)行其他程序，而通道程序則由通道獨立完成 當通道與外設之間的信息交換完成后，通道向CPU發(fā)出中斷信號，

25、CPU根據(jù)通道狀態(tài)字分析這次通道操作的執(zhí)行情況網(wǎng)絡教育學院7.4.3 通道的類型 根據(jù)通道的工作方式，通道分為字節(jié)多路通道、選擇通道、數(shù)組多路通道三種類型 一個系統(tǒng)可以兼有多種類型的通道，也可以只有其中一、二種1. 字節(jié)多路通道2. 選擇通道3. 數(shù)組多路通道網(wǎng)絡教育學院1. 字節(jié)多路通道 字節(jié)多路通道是一種簡單的共享通道，主要用于連接控制多臺低速外設，以字節(jié)交叉方式傳送數(shù)據(jù) 例如，某個外設的數(shù)據(jù)傳輸率只有1000B/s，即傳送1個字節(jié)的時間間隔是1ms，而通道從設備接收或發(fā)送一個字節(jié)只需要幾百ns 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備提供服務

26、 每個設備分時占用一個很短的時間片，不同的設備在各自分得的時間片內(nèi)與通道建立連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸網(wǎng)絡教育學院2. 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備，但是這些設備不能同時工作，在某一個時間段內(nèi)通道只能選擇一個設備進行工作 選擇通道在一段時間內(nèi)只允許執(zhí)行一個設備的通道程序，只有當這個設備的通道程序全部執(zhí)行完畢后，才能執(zhí)行其他設備的通道程序網(wǎng)絡教育學院 選擇通道主要用于連接高速外圍設備，如磁盤、磁帶等，信息以成組方式高速傳輸 由于數(shù)據(jù)傳輸率很高，如達到1.5MB/s，通道在傳送兩個字節(jié)之間只有很少的空閑時間 所以，在數(shù)據(jù)傳送期間只為一臺設備服務是合理的 但是，這類設備的尋址

27、等輔助操作的時間往往很長，在這樣長的時間里通道一直處于等待狀態(tài)，因此，整個通道的利用率還不是很高網(wǎng)絡教育學院3. 數(shù)組多路通道 連接控制多個高速外設并以成組交叉方式傳送數(shù)據(jù)的通道稱為數(shù)組多路通道 數(shù)組多路通道是對選擇通道的一種改進 當某個設備進行數(shù)據(jù)傳送時，通道只為該設備提供服務； 當設備在執(zhí)行尋址等控制性動作時，通道暫時斷開與該設備的連接，掛起該設備的通道程序，而轉(zhuǎn)去為其他設備提供服務，即執(zhí)行其他設備的通道程序網(wǎng)絡教育學院 對于磁盤一類的高速外設，采用數(shù)組多路通道，可在其中一個外設占用通道進行數(shù)據(jù)傳送時，讓其他外設進行尋址等輔助操作 使一個設備的數(shù)據(jù)傳送操作與其他設備的尋址操作彼此重疊，實現(xiàn)

28、成組交叉方式的數(shù)據(jù)傳送 從而使通道具備多路并行工作的能力，充分發(fā)揮通道高速信息交換的效能 數(shù)組多路通道既保留了選擇通道高速傳送數(shù)據(jù)的優(yōu)點，又充分利用控制性操作的時間間隔為其他設備提供服務 通道的效率得到充分的發(fā)揮 因此，數(shù)組多路通道在實際系統(tǒng)中得到較多的應用網(wǎng)絡教育學院 字節(jié)多路通道和數(shù)組多路通道 相同之處 都是多路通道 在一段時間內(nèi)均能交替執(zhí)行多個設備的通道程序，使這些設備同時工作 不同之處 數(shù)組多路通道允許多個設備同時工作，但只允許一個設備進行傳輸型操作，其他設備進行控制型操作； 而字節(jié)多路通道不僅允許多個設備同時操作，而且也允許它們同時進行傳輸型操作 數(shù)組多路通道與設備之間進行數(shù)據(jù)傳送的

29、基本單位是數(shù)據(jù)塊 而字節(jié)多路通道與設備之間進行數(shù)據(jù)傳送的基本單位則是字節(jié)網(wǎng)絡教育學院7.5 通用I/O接口7.5.1 RS-232接口7.5.2 IDE接口7.5.3 SATA接口7.5.4 USB接口7.5.5 SCSI接口7.5.6 IEEE-1394接口網(wǎng)絡教育學院7.5.1 RS-232接口 RS-232接口是一種常用的串行通信接口 是在1970 年由美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）制定的串行通信標準 全名是“數(shù)據(jù)終端設備（DTE）和數(shù)據(jù)通信設備（DCE）之間串行二進制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標準” RS-232接口用于在計算機與其外圍設備或終端之間建立近距離的連接 由于這個接口在諸如信號功能、電器

30、特性和機械特性上都進行了明確細致的規(guī)定，加上通信接口與設備制造廠商生產(chǎn)的通信設備均與RS-232兼容 因此，RS-232接口在計算機系統(tǒng)中成為一種用來實現(xiàn)與打印機、CRT終端、鍵盤、調(diào)制解調(diào)器等外圍設備進行異步串行數(shù)據(jù)通信的標準硬件接口網(wǎng)絡教育學院7.5.2 IDE接口 IDE接口是一種用于在PC機中連接硬盤驅(qū)動器的接口 其英文全稱為“Integrated Drive Electronics”，即“電子集成驅(qū)動器” 其本意是指把“硬盤控制器”與“盤體”集成在一起的硬盤驅(qū)動器，代表著硬盤的一種類型1. IDE的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2. IDE模式的發(fā)展網(wǎng)絡教育學院1. IDE的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) IDE接口硬盤的控制

31、電路集成在硬盤上，與IDE驅(qū)動器通信所需的軟件程序則存儲在PC機主板的BIOS芯片中 IDE接口用一個40針電纜連接硬盤與主板 電源由另外的電纜提供網(wǎng)絡教育學院2. IDE模式的發(fā)展 IDE硬盤接口的數(shù)據(jù)傳輸模式經(jīng)歷了三次技術(shù)變化 由最初的PIO模式，到DMA模式，直到Ultra DMA模式1）PIO模式2）DMA模式3）Ultra DMA模式網(wǎng)絡教育學院1）PIO模式 PIO（Programming Input/Output Model）模式是一種通過CPU執(zhí)行I/O端口指令來進行數(shù)據(jù)讀寫的交換模式 數(shù)據(jù)傳輸速率低下，CPU占用率很高 大量傳輸數(shù)據(jù)時會因為占用過多的CPU資源而導致系統(tǒng)停頓

32、受限于傳輸速率低下和極高的CPU占用率，這種數(shù)據(jù)傳輸模式很快就被淘汰了網(wǎng)絡教育學院2）DMA模式 DMA是一種不經(jīng)過CPU而直接從主存存取數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)交換模式 CPU只須向DMA控制器下達指令，讓DMA控制器來處理數(shù)據(jù)的傳送，數(shù)據(jù)傳送完畢再把信息反饋給CPU 在很大程度上降低了CPU資源占用率網(wǎng)絡教育學院3）Ultra DMA模式 Ultra DMA（Ultra DMA，一般簡寫為UDMA）的含義是高級直接主存訪問 在包含DMA模式優(yōu)點的基礎上，增加了CRC（Cyclic Redundancy Check，循環(huán)冗余碼校驗）技術(shù)，以提高數(shù)據(jù)傳輸過程的準確性、安全性 在以往的硬盤數(shù)據(jù)傳輸模式下，一個

33、時鐘周期只傳輸一次數(shù)據(jù) 而在UDMA模式中逐漸應用了Double Data Rate（雙倍數(shù)據(jù)傳輸）技術(shù)，因此數(shù)據(jù)傳輸速度有了很大的提高 此技術(shù)就是在時鐘的上升期和下降期各進行一次數(shù)據(jù)傳輸，可以使數(shù)據(jù)傳輸速度成倍增長 IDE接口最終被新一代的SATA接口所取代網(wǎng)絡教育學院7.5.3 SATA接口1. SATA的物理結(jié)構(gòu)2. SATA的特點網(wǎng)絡教育學院 SATA（Serial ATA，串行ATA）是一種連接存儲設備（大多為硬盤）的串行接口，用于取代傳統(tǒng)的并行ATA接口 SATA接口使用嵌入式時鐘信號，具備了更強的糾錯能力 最大的改進在于能對傳輸指令（不僅僅是數(shù)據(jù)）進行檢查，并且在發(fā)現(xiàn)錯誤后可以自

34、動矯正 這在很大程度上提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?SATA接口還具有結(jié)構(gòu)簡單、支持熱插拔等優(yōu)點網(wǎng)絡教育學院1. SATA的物理結(jié)構(gòu) SATA的物理設計以Fibre Channel（光纖通道）作為藍本 采用四芯電纜 所需電壓從傳統(tǒng)ATA接口的5V大幅減低至250mV（最高500mV） 由此可以給SATA硬盤附加上熱插拔（Hot Swapping）等高級功能 在連接形式上，除了傳統(tǒng)的點對點（Point-to-Point）形式之外，SATA還支持星型連接 為RAID等高級應用提供了設計上的便利網(wǎng)絡教育學院 在實際使用中，SATA的主機總線適配器（Host Bus Adapter，HBA）可以以通道形式與

35、每個硬盤單獨通信 即每個SATA硬盤都可獨占一個傳輸通道 所以不存在像ATA那樣的主/從控制問題 SATA以連續(xù)串行的方式傳送數(shù)據(jù)，一次只傳送1位數(shù)據(jù) 能夠減少SATA接口的針腳數(shù)目，使連接電纜數(shù)目變少，效率更高 SATA僅用四個針腳就能完成所有工作 分別用于連接電纜、連接地線、發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù) 這樣的架構(gòu)還能降低系統(tǒng)的復雜性和能耗網(wǎng)絡教育學院2. SATA的特點 在硬件方面，SATA標準允許使用轉(zhuǎn)換器提供與ATA設備的兼容性 在軟件方面，SATA和ATA保持了軟件兼容性 這意味著廠商不必為了使用SATA而重寫任何驅(qū)動程序和系統(tǒng)代碼 SATA接線較傳統(tǒng)的ATA接線簡單得多，而且容易收放，能夠

36、明顯改善機箱內(nèi)的氣流及散熱 SATA硬盤的擴充性很強，可以置于機箱之外 外置式機柜不但可以提供更好的散熱及插拔功能，也可以用多重連接來防止單點故障網(wǎng)絡教育學院 由于SATA與光纖通道的設計如出一轍，所以其傳輸速度可以用獨立通道的形式得到保證 這在服務器和網(wǎng)絡存儲上具有重要的意義 SATA 1.0定義的數(shù)據(jù)傳輸率可達150MB/s，而SATA 2.0的數(shù)據(jù)傳輸率則達到300MB/s，最終SATA將實現(xiàn)600MB/s的最高數(shù)據(jù)傳輸率網(wǎng)絡教育學院7.5.4 USB接口 USB（Universal Serial Bus，通用串行總線）接口是由Compaq、DEC、IBM、Intel、Microsoft、NEC等公司為簡化PC與外設之間的互連而共同研究開發(fā)的一種標準化接口 支持各種PC與外設之間的連接 還可實現(xiàn)數(shù)字多媒體集成 USB接口的主要特點是即插即用，允許熱插拔 USB連接器將各種各樣的外設I/O端口合而為一，使之可以熱插拔，并具有自動配置能力 用戶只要簡單地將外設插入到USB連接器上，PC機就能自動識別和配置USB設備網(wǎng)絡教育學院 近年來，USB總線標準由1.1版升級到了2.0版，傳輸率由12Mbps增加