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6.5 I/O 设备与 CPU 和存储器的连接

第六章 输入 / 输出系统. 6.5 I/O 设备与 CPU 和存储器的连接. 1. 通过接口将许多子系统连接起来 2. 接口使用得最多的就是总线 3. 输入输出方式 ◆ 直接传送 ◆ 程序查询 ◆ 中断 ◆ DMA ◆ 通道. 6.5 I/O 设备与 CPU 和存储器的连接. 6.5.1 总线 优点: 低成本、多样性 缺点: 必须独占使用,造成了设备信息交换的瓶颈, 从而限制了系统中总的 I/O 吞吐量。 1. 总线的设计. 6.5 I/O 设备与 CPU 和存储器的连接. 地址. 地址.

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6.5 I/O 设备与 CPU 和存储器的连接

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  1. 第六章 输入/输出系统 6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接 • 1. 通过接口将许多子系统连接起来 • 2. 接口使用得最多的就是总线 • 3. 输入输出方式 • ◆ 直接传送 • ◆ 程序查询 • ◆ 中断 • ◆DMA • ◆ 通道

  2. 6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接 6.5.1 总线 优点:低成本、多样性 缺点:必须独占使用,造成了设备信息交换的瓶颈, 从而限制了系统中总的I/O吞吐量。 1. 总线的设计

  3. 6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接

  4. 地址 地址 1 地址 2 地址 3 数据 数据 0 数据 1 等待 等待 1 完成 1 6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接 (1)分离事务总线 在有多个主设备时,总线通过数据打包 来提高总线带宽,而不必在整个传输过程中 都占有总线。

  5. 6.5 I/O设备与CPU和/存储器的连接 (2) 同步总线 同步总线上所有设备通过统一的总线系统 时钟进行同步。 优点:成本低,因为它不需要设备之间互相确 定时序的逻辑。 缺点:总线操作必须以相同的速度运行。 (3) 异步总线 异步总线上的设备之间没有统一的系统时 钟,设备自己内部定时。

  6. 2. 总线标准和实例 几种常用并行I/O总线

  7. 6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接 几种常用串行I/O总线

  8. 6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接 几种CPU-存储器互连系统

  9. -主存总线 CPU Cache 主存 总线适配器 CPU 总线 I/O I/O I/O I/O 控制器 控制器 控制器 网络 图形显示 6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接 6.5.2 设备的连接 1. 典型的总线连接

  10. 6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接 2. CPU寻址I/O设备的方式 ◆ 存储器映射I/O或统一编址 ◆I/O设备单独编址 无论选择哪一种编址方法,每个I/O设备 都提供状态寄存器和控制寄存器。 3. 设备的连接和工作方式 直接传送、程序查询、中断、DMA、I/O处理机

  11. 6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接 4. 程序控制、中断和DMA方式管理外围设备会引 起两个问题: ◆ 所有外围设备的I/O工作全部都要由CPU来 承担,CPU的I/O负担很重,不能专心于用 户程序的计算。 ◆ 大型计算机系统中的外围设备台数虽然很 多,但是一般并不同时工作。 • 解决上述问题的方法:采用通道处理机

  12. 6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接 6.5.3 通道 通道处理机能够负担外围设备的大部分I/O工作。 通道处理机:能够执行有限I/O指令,并且能够被多 台外围设备共享的小型DMA专用处理机。 1. 通道的功能

  13. 6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接 (1) 接受CPU发来的I/O指令,根据指令要求选 择一台指定的外围设备与通道相连接。 (2) 执行CPU为通道组织的通道程序,从主存中 取出通道指令,对通道指令进行译码,并根 据需要向被选中的设备控制器发出各种操作 命令。 (3) 给出外围设备的有关地址,即进行读/写操 作的数据所在的位置。 如 磁盘存储器的柱面号、磁头号、扇区号等。

  14. 6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接 (4) 给出主存缓冲区的首地址,这个缓冲区用来暂时 存放从外围设备上输入的数据,或者暂时存放将 要输出到外围设备中去的数据。 (5) 控制外围设备与主存缓冲区之间数据交换的个数, 对交换的数据个数进行计数,并判断数据传送工 作是否结束。 (6) 指定传送工作结束时要进行的操作。 (7) 检查外围设备的工作状态,是正常或故障。根据 需要将设备的状态信息送往主存指定单元保存。

  15. 6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接 (8) 在数据传输过程中完成必要的格式变换。 例如 把字拆卸为字节,或者把字节装配成字 2. 通道的主要硬件 (1) 寄存器部分 • 数据缓冲寄存器 • 主存地址计数器 • 传输字节数计数器 • 通道命令字寄存器 • 通道状态字寄存器

  16. 6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接 (2) 控制部分 • 分时控制 • 地址分配 • 数据传送 • 数据装配 • 拆卸 3. 通道对外围设备的控制通过I/O接口和设备控制 器进行 通道与设备控制器之间一般采用标准的I/O 接口来连接。

  17. 6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接 4. 工作过程 (1) 在用户程序中使用访管指令进入管理程序, 由CPU通过管理程序组织一个通道程序,并 启动通道。 (2) 通道处理机执行CPU为它组织的通道程序, 完成指定的数据I/O工作。通道处理机执行 通道程序是与CPU执行用户程序并行的。 (3) 通道程序结束后向CPU发中断请求。CPU响应 这个中断请求后,第二次进入操作系统,调 用管理程序对I/O中断请求进行处理。

  18. 6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接 5. 通道程序、管理程序和用户程序的执行时间关系

  19. 6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接 6. 通道种类 ◆通道分为三种类型 ◆三种类型的通道与CPU、设备控制器和外围设备 的连接关系 • 字节多路通道 • 选择通道 • 数组多路通道

  20. 6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接 • (1) 字节多路通道 • ◆ 为多台低速或中速的外围设备服务; • ◆ 采用分时方式工作,依靠它与CPU之间的高 • 速数据通路分时为多台设备服务。 • (2) 选择通道 ◆ 为多台高速外围设备服务; ◆ 传送数据期间,通道只能为一台高速外围设 备服务,在不同时间内可以选择不同设备。

  21. 6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接 (3) 数组多路通道 ◆ 数组多路通道适于为高速设备服务; ◆ 每次选择一个高速设备后传送一个数据块, 并轮流为多台外围设备服务; ◆ 数组多路通道之所以能够并行地为多个高 速外围设备服务,是因为这些高速外围设 备并不能在整个数据输入输出时间内单独 利用通道的全部传输能力。

  22. 6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接 7. 通道中的数据传送过程 (1)字节多路通道的数据传送过程 通道每连接一个外围设备,只传送一个 字节,然后又与另一台设备连接,并传送一 个字节。 (2) 数组多路通道的数据传送过程 每连接一台高速设备,传送一个数据块, 传送完成后,又与另一台高速设备连接,再 传送一个数据块。

  23. 6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接 (3) 选择通道的工作过程 每连接一个外围设备,就把这个设备的 n个字节全部传送完成,然后再与另一台设 备相连接。 8. 通道中数据的传送过程与流量分析 动画演示

  24. 6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接 (1) 通道流量 一个通道在数据传送期间,单位时间内 能够传送的最大数据量,一般用字节个数来 表示。 又称为通道吞吐率,通道数据传输率等。 (2) 通道最大流量 一个通道在满负荷工作状态下的流量。 (3) 流量计算公式

  25. 6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接 TS:设备选择时间。 TD:传送一个字节所用的时间。 p: 在一个通道上连接的设备台数,且这些设备 同时都在工作。 n: 每台设备传送的字节数,这里假设每台设备 传送的字节数都相同。 k: 数组多路通道传输的一个数据块中的包含的 字节数。在一般情况下,k<n。对于磁盘、 磁带等磁表面存储器,通常k=512。 T: 通道完成全部数据传送工作所需时间。

  26. 6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接 ◆ 流量计算公式 字节多路通道 选择通道 数组多路通道

  27. 6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接 ◆最大流量 字节多路通道 选择通道 数组多路通道

  28. 6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接 ◆ 实际流量小于最大流量 字节多路通道 选择通道 数组多路通道

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