O設(shè)備與CPU-存儲器的連接

6.5I/O設(shè)備與CPU和存儲器的連接

1.通過接口將許多子系統(tǒng)連接起來2.接口使用得最多的就是總線3.輸入輸出方式◆直接傳送◆程序查詢◆中斷◆DMA◆通道第六章輸入/輸出系統(tǒng)6.5.1總線優(yōu)點(diǎn)：低成本、多樣性缺點(diǎn)：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I/O吞吐量。1.總線的設(shè)計6.5I/O設(shè)備與CPU和存儲器的連接

選擇高性能低價格總線寬度獨(dú)立的地址和數(shù)據(jù)總線分時復(fù)用數(shù)據(jù)和地址總線數(shù)據(jù)總線寬度越寬越快（例如：64位）越窄越便宜（例如：8位）傳輸塊大小塊越大總線開銷越小每次傳送單字總線主設(shè)備多個（需要仲裁）單個（無需仲裁）分離事務(wù)采用不用定時方式同步異步6.5I/O設(shè)備與CPU和存儲器的連接

(1)

分離事務(wù)總線在有多個主設(shè)備時，總線通過數(shù)據(jù)打包來提高總線帶寬，而不必在整個傳輸過程中都占有總線。地址地址1地址2地址3數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)1等待等待1完成1

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(2)同步總線同步總線上所有設(shè)備通過統(tǒng)一的總線系統(tǒng)時鐘進(jìn)行同步。

優(yōu)點(diǎn)：成本低，因?yàn)樗恍枰O(shè)備之間互相確定時序的邏輯。

缺點(diǎn)：總線操作必須以相同的速度運(yùn)行。(3)異步總線異步總線上的設(shè)備之間沒有統(tǒng)一的系統(tǒng)時鐘，設(shè)備自己內(nèi)部定時。6.5I/O設(shè)備與CPU和/存儲器的連接

2.總線標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)例幾種常用并行I/O總線IDE/UltraATASCSIPCIPCI-X數(shù)據(jù)寬度16bit8/16bit32/64bit32/64bit時鐘頻率MHz10010（Fast）20（Ultra）40（Ultra2）80（Ultra3）160（Ultra4）33/6666/100/133主設(shè)備數(shù)量一個多個多個多個峰值帶寬200MB/s320MB/s533MB/s1066MB/s同步方式異步異步同步同步標(biāo)準(zhǔn)無ANSIX3.131無無幾種常用串行I/O總線I2C1-wireRS-232SPI數(shù)據(jù)寬度（bit）1121信號線數(shù)量219/253時鐘頻率（MHz）0.4～10異步0.04或異步異步總線主設(shè)備數(shù)量多個多個多個多個峰值帶寬（Mb/s）0.4～3.40.0140.1921同步方式異步異步異步異步標(biāo)準(zhǔn)無無EIA,ITU-TV.21無6.5I/O設(shè)備與CPU和存儲器的連接

幾種CPU-存儲器互連系統(tǒng)HPHyperPlaneCrossbarIBMSPSUNGigaplane-XB數(shù)據(jù)寬度(bit)64128128時鐘頻率(MHz)12011183.3總線的主設(shè)備數(shù)多個多個多個每端口峰值帶寬(MB/s)96017001300總峰值帶寬(MB/s)76801420010667同步方式同步同步同步標(biāo)準(zhǔn)無無無6.5I/O設(shè)備與CPU和存儲器的連接

6.5.2設(shè)備的連接1.典型的總線連接CPUCache主存I/O控制器圖形顯示I/O控制器I/O控制器總線適配器網(wǎng)絡(luò)CPU－主存總線I/O總線6.5I/O設(shè)備與CPU和存儲器的連接

2.CPU尋址I/O設(shè)備的方式◆存儲器映射I/O或統(tǒng)一編址◆

I/O設(shè)備單獨(dú)編址無論選擇哪一種編址方法，每個I/O設(shè)備都提供狀態(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、DMA、I/O處理機(jī)6.5I/O設(shè)備與CPU和存儲器的連接

4.程序控制、中斷和DMA方式管理外圍設(shè)備會引起兩個問題：◆所有外圍設(shè)備的I/O工作全部都要由CPU來 承擔(dān)，CPU的I/O負(fù)擔(dān)很重，不能專心于用 戶程序的計算。◆大型計算機(jī)系統(tǒng)中的外圍設(shè)備臺數(shù)雖然很 多，但是一般并不同時工作。

解決上述問題的方法：采用通道處理機(jī)6.5I/O設(shè)備與CPU和存儲器的連接

6.5.3通道通道處理機(jī)能夠負(fù)擔(dān)外圍設(shè)備的大部分I/O工作。通道處理機(jī)：能夠執(zhí)行有限I/O指令，并且能夠被多臺外圍設(shè)備共享的小型DMA專用處理機(jī)。1.通道的功能6.5I/O設(shè)備與CPU和存儲器的連接

(1)接受CPU發(fā)來的I/O指令，根據(jù)指令要求選擇一臺指定的外圍設(shè)備與通道相連接。(2)執(zhí)行CPU為通道組織的通道程序，從主存中取出通道指令，對通道指令進(jìn)行譯碼，并根據(jù)需要向被選中的設(shè)備控制器發(fā)出各種操作命令。(3)給出外圍設(shè)備的有關(guān)地址，即進(jìn)行讀／寫操作的數(shù)據(jù)所在的位置。

如磁盤存儲器的柱面號、磁頭號、扇區(qū)號等。6.5I/O設(shè)備與CPU和存儲器的連接

(4)給出主存緩沖區(qū)的首地址，這個緩沖區(qū)用來暫時存放從外圍設(shè)備上輸入的數(shù)據(jù)，或者暫時存放將要輸出到外圍設(shè)備中去的數(shù)據(jù)。(5)控制外圍設(shè)備與主存緩沖區(qū)之間數(shù)據(jù)交換的個數(shù)，對交換的數(shù)據(jù)個數(shù)進(jìn)行計數(shù)，并判斷數(shù)據(jù)傳送工作是否結(jié)束。(6)指定傳送工作結(jié)束時要進(jìn)行的操作。(7)檢查外圍設(shè)備的工作狀態(tài)，是正?；蚬收稀８鶕?jù)需要將設(shè)備的狀態(tài)信息送往主存指定單元保存。6.5I/O設(shè)備與CPU和存儲器的連接

(8)在數(shù)據(jù)傳輸過程中完成必要的格式變換。

例如把字拆卸為字節(jié)，或者把字節(jié)裝配成字2.通道的主要硬件

(1)寄存器部分?jǐn)?shù)據(jù)緩沖寄存器主存地址計數(shù)器傳輸字節(jié)數(shù)計數(shù)器通道命令字寄存器通道狀態(tài)字寄存器6.5I/O設(shè)備與CPU和存儲器的連接

(2)控制部分

分時控制地址分配數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)裝配拆卸3.通道對外圍設(shè)備的控制通過I/O接口和設(shè)備控制器進(jìn)行

通道與設(shè)備控制器之間一般采用標(biāo)準(zhǔn)的I/O接口來連接。6.5I/O設(shè)備與CPU和存儲器的連接

4.工作過程

(1)在用戶程序中使用訪管指令進(jìn)入管理程序，由CPU通過管理程序組織一個通道程序，并啟動通道。(2)通道處理機(jī)執(zhí)行CPU為它組織的通道程序，完成指定的數(shù)據(jù)I/O工作。通道處理機(jī)執(zhí)行通道程序是與CPU執(zhí)行用戶程序并行的。(3)通道程序結(jié)束后向CPU發(fā)中斷請求。CPU響應(yīng)這個中斷請求后，第二次進(jìn)入操作系統(tǒng)，調(diào)用管理程序?qū)/O中斷請求進(jìn)行處理。6.5I/O設(shè)備與CPU和存儲器的連接

5.通道程序、管理程序和用戶程序的執(zhí)行時間關(guān)系6.5I/O設(shè)備與CPU和存儲器的連接

6.通道種類

◆

通道分為三種類型

◆

三種類型的通道與CPU、設(shè)備控制器和外圍設(shè)備的連接關(guān)系

字節(jié)多路通道選擇通道數(shù)組多路通道

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(1)字節(jié)多路通道

◆為多臺低速或中速的外圍設(shè)備服務(wù)；

◆采用分時方式工作，依靠它與CPU之間的高 速數(shù)據(jù)通路分時為多臺設(shè)備服務(wù)。(2)選擇通道◆為多臺高速外圍設(shè)備服務(wù)；◆傳送數(shù)據(jù)期間，通道只能為一臺高速外圍設(shè) 備服務(wù)，在不同時間內(nèi)可以選擇不同設(shè)備。6.5I/O設(shè)備與CPU和存儲器的連接

(3)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)； ◆每次選擇一個高速設(shè)備后傳送一個數(shù)據(jù)塊， 并輪流為多臺外圍設(shè)備服務(wù)；◆數(shù)組多路通道之所以能夠并行地為多個高 速外圍設(shè)備服務(wù)，是因?yàn)檫@些高速外圍設(shè) 備并不能在整個數(shù)據(jù)輸入輸出時間內(nèi)單獨(dú)利用通道的全部傳輸能力。6.5I/O設(shè)備與CPU和存儲器的連接

7.通道中的數(shù)據(jù)傳送過程

(1)字節(jié)多路通道的數(shù)據(jù)傳送過程

通道每連接一個外圍設(shè)備，只傳送一個字節(jié)，然后又與另一臺設(shè)備連接，并傳送一個字節(jié)。(2)數(shù)組多路通道的數(shù)據(jù)傳送過程每連接一臺高速設(shè)備，傳送一個數(shù)據(jù)塊，傳送完成后，又與另一臺高速設(shè)備連接，再傳送一個數(shù)據(jù)塊。6.5I/O設(shè)備與CPU和存儲器的連接

(3)選擇通道的工作過程每連接一個外圍設(shè)備，就把這個設(shè)備的n個字節(jié)全部傳送完成，然后再與另一臺設(shè)備相連接。8.通道中數(shù)據(jù)的傳送過程與流量分析動畫演示

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(1)通道流量一個通道在數(shù)據(jù)傳送期間，單位時間內(nèi)能夠傳送的最大數(shù)據(jù)量，一般用字節(jié)個數(shù)來表示。又稱為通道吞吐率，通道數(shù)據(jù)傳輸率等。(2)通道最大流量一個通道在滿負(fù)荷工作狀態(tài)下的流量。(3)流量計算公式6.5I/O設(shè)備與CPU和存儲器的連接

TS：設(shè)備選擇時間。TD：傳送一個字節(jié)所用的時間。p： 在一個通道上連接的設(shè)備臺數(shù)，且這些設(shè)備同時都在工作。n:每臺設(shè)備傳送的字節(jié)數(shù)，這里假設(shè)每臺設(shè)備傳送的字節(jié)數(shù)都相同。k：數(shù)組多路通道傳輸?shù)囊粋€數(shù)據(jù)塊中的包含的字節(jié)數(shù)。在一般情況下，k<n。對于磁盤、磁帶等磁表面存儲器，通常k=512。T：通道完成全部數(shù)據(jù)傳送工作所需時間。6.5