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第 ５ 章 输入输出系统

第 ５ 章 输入输出系统. 5.1 概述. 5.2 外部设备. 5.3 I/O 接口. 5.4 程序查询方式. 5.5 程序中断方式. 5.6 DMA 方式. 总线是连接各个部件的信息传输线，. 是 各个部件共享的传输介质. 1 总线的基本概念. 一、为什么要用总线. 二、什么是总线. 三、总线上信息的传送. 串行. 并行. I/O 总线. M 总 线. I/O 接口. I/O 接口. …. I/O 接口. 主存. I/O 设备1. I/O 设备2. I/O 设备 n. ….

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第 ５ 章 输入输出系统

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Presentation Transcript

  1. 第５章 输入输出系统 5.1 概述 5.2 外部设备 5.3 I/O接口 5.4 程序查询方式 5.5 程序中断方式 5.6 DMA方式

  2. 总线是连接各个部件的信息传输线， 是 各个部件共享的传输介质 1 总线的基本概念 一、为什么要用总线 二、什么是总线 三、总线上信息的传送 串行 并行

  3. I/O总线 M 总 线 I/O接口 I/O接口 … I/O接口 主存 I/O 设备1 I/O 设备2 I/O 设备n … 四、总线结构的计算机举例 1. 面向 CPU 的双总线结构框图 中央处理器 CPU

  4. 单总线（系统总线） CPU 主存 I/O接口 I/O接口 … I/O接口 I/O 设备1 I/O 设备2 I/O 设备n … 2. 单总线结构框图

  5. 存储总线 系统总线 I/O接口 … I/O接口 CPU I/O 设备1 I/O 设备n … 3. 以存储器为中心的双总线结构框图 主存

  6. 数据总线 地址总线 控制总线 3.2 总线的分类 1.片内总线 芯片内部 的总线 2.系统总线 计算机各部件之间 的信息传输线 双向 与机器字长、存储字长有关 单向 与存储地址、 I/O地址有关 有出 有入 存储器读、存储器写 总线允许、中断确认 中断请求、总线请求

  7. 用于 计算机系统之间 或 计算机系统 与其他系统（如控制仪表、移动通信等） 之间的通信 3.通信总线 串行通信总线 传输方式 并行通信总线

  8. I/O CPU 主存 BUS 主板 插板 插板 插板 3.3 总线特性及性能指标 一、总线物理实现

  9. 1. 机械特性 2. 电气特性 3. 功能特性 4. 时间特性 二、总线特性 尺寸、形状、管脚数及排列顺序 传输方向 和有效的 电平 范围 地址 数据 控制 每根传输线的 功能 信号的 时序 关系

  10. 1. 总线宽度 2. 标准传输率 3. 时钟同步/异步 4. 总线复用 5. 信号线数 6. 总线控制方式 7. 其他指标 三、总线的性能指标 数据线 的根数 每秒传输的最大字节数（MBps） 同步、不同步 地址线 与 数据线 复用 地址线、数据线和控制线的 总和 并发、自动、仲裁、逻辑、计数 负载能力

  11. 模块 系统 系统 模块 标 准 界 面 四、总线标准 ISA EISA VESA(LV-BUS) PCI AGP RS-232 USB 总 线 标 准

  12. 四、总线标准

  13. 单总线（系统总线） CPU 主存 I/O接口 I/O接口 … I/O接口 I/O 设备1 I/O 设备2 I/O 设备n … 3.4 总线结构 一、单总线结构

  14. 主存总线 … I/O接口 CPU 主存 I/O接口 通道 … 设备n 设备0 I/O总线 二、多总线结构 1. 双总线结构 具有特殊功能的处理器， 由通道对I/O统一管理

  15. I/O总线 主存总线 CPU DMA总线 … I/O接口 I/O接口 I/O接口 设备n 主存 … 高速外设 设备1 2. 三总线结构

  16. 局部总线 CPU Cache 主存 局部I/O控制器 系统总线 局域网 SCSI 扩展总线接口 Modem 串行接口 扩展总线 3. 三总线结构的又一形式

  17. 主存 Modem 多媒体 Cache/桥 CPU 局部总线 系统总线 图形 局域网 SCSI 高速总线 串行接口 扩展总线接口 FAX 扩展总线 4. 四总线结构

  18. 系统总线 Modem 33 MHz的32位数据通路 CPU 主存控制器 存储器 标准总线控制器 … ISA、EISA 8 MHz的16位数据通路 SCSI Ⅱ 控制器 … 多媒体 高速局域网 高性能图形 三、总线结构举例 1. 传统微型机总线结构

  19. 系统总线 Modem 主存控制器 CPU 存储器 局部总线 控制器 VL BUS 33 MHz的32位数据通路 SCSIⅡ 控制器 标准总线 控制器 … ISA、EISA 多媒体 高速局域网 高性能图形 8 MHz的16位数据通路 … 图文传真 2. VL-BUS局部总线结构

  20. 系统总线 Modem CPU 存储器 PCI 桥 PCI 总线 33 MHz的32位数据通路 标准总线 控制器 SCSIⅡ 控制器 8 MHz的16位数据通路 多媒体 高速局域网 高性能图形 ISA、EISA 图文传真 3. PCI 总线结构

  21. 存储器总线 CPU 存储器 桥0 桥4 第一级桥 PCI总线4 PCI设备 桥5 PCI总线5 第二级桥 PCI总线0 总线桥 桥1 桥3 设备 PCI总线3 PCI总线1 第三级桥 桥2 标准总线 PCI总线2 4. 多层 PCI 总线结构

  22. 主设备(模块) • 从设备(模块) 对总线有 控制权 响应 从主设备发来的总线命令 3.5 总线控制 一、总线判优控制 1. 基本概念 链式查询 集中式 计数器定时查询 • 总线判优控制 独立请求方式 分布式

  23. BS－总线忙 BR－总线请求 BG－总线同意 总 线 控 制 部 件 数据线 地址线 BS BR I/O接口0 I/O接口1 I/O接口n … BG … 2. 链式查询方式 I/O接口1

  24. BS－总线忙 BR－总线请求 0 1 计数器 总 线 控 制 部 件 数据线 地址线 设备地址 BS BR I/O接口0 I/O接口1 I/O接口n … 3. 计数器定时查询方式 设备地址 I/O接口1

  25. BG－总线同意 BR－总线请求 排队器 排队器 数据线 总 线 控 制 部 件 地址线 BGn BRn BG1 BR1 BG0 BR0 I/O接口0 I/O接口1 … I/O接口n 4. 独立请求方式

  26. 申请分配阶段 寻址阶段 传数阶段 结束阶段 二、总线通信控制 1. 目的 解决通信双方 协调配合 问题 2. 总线传输周期 主模块申请，总线仲裁决定 主模块向从模块 给出地址 和 命令 主模块和从模块 交换数据 主模块 撤消有关信息

  27. 同步通信 异步通信 半同步通信 分离式通信 3. 总线通信的四种方式 由 统一时标 控制数据传送 采用 应答方式，没有公共时钟标准 同步、异步结合 充分 挖掘 系统 总线每个瞬间 的 潜力

  28. 读 命令 地址 数据 总线传输周期 时钟 T1 T2 T3 T4 (1) 同步式数据输入

  29. 数据 地址 写 命令 总线传输周期 时钟 T1 T2 T3 T4 (2) 同步式数据输出

  30. 主设备 请 求 回 答 从设备 (3) 异步通信 不互锁 半互锁 全互锁

  31. 同步 发送方 用系统 时钟前沿 发信号 异步 允许不同速度的模块和谐工作 接收方 用系统 时钟后沿 判断、识别 增加一条 “等待”响应信号 WAIT (4) 半同步通信 （同步、异步 结合）

  32. Tw当 为低电平时，等待一个 T WAIT Tw当 为低电平时，等待一个 T WAIT 以输入数据为例的半同步通信时序 T1 主模块发地址 T2 主模块发命令 … T3 从模块提供数据 T4 从模块撤销数据，主模块撤销命令

  33. 读 WAIT 地址 数据 (4) 半同步通信 （同步、异步 结合） 总线传输周期 T1 T2 命令 时钟 TW TW T3 T4

  34. 上述三种通信的共同点 一个总线传输周期（以输入数据为例） • 主模块发地址 、命令 占用总线 • 从模块准备数据 不占用总线 总线空闲 • 从模块向主模块发数据 占用总线

  35. 主模块 申请 占用总线，使用完后 从模块 申请 占用总线，将各种信 息送至总线上 即 放弃总线 的使用权 主模块 (5) 分离式通信 充分挖掘系统总线每个瞬间的潜力 一个总线传输周期 子周期1 子周期2

  36. 分离式通信特点 1. 各模块有权申请占用总线 2. 采用同步方式通信，不等对方回答 3. 各模块准备数据时，不占用总线 4. 总线被占用时，无空闲 充分提高了总线的有效占用

  37. 5.1 概 述 一、输入输出系统的发展概况 1. 早期 分散连接 CPU 和 I/O设备 串行 工作 程序查询方式 2. 接口模块和 DMA 阶段 总线连接 中断方式 CPU 和 I/O设备 并行 工作 DMA 方式 3. 具有通道结构的阶段 4. 具有 I/O 处理机的阶段

  38. 操作码 (1)I/O 指令 命令码 设备码 (2) 通道指令 二、输入输出系统的组成 1. I/O 软件 CPU 指令的一部分 通道自身的指令 指出数组的首地址、传送字数、操作命令 如 IBM/370 通道指令为 64 位 2. I/O 硬件 设备 I/O 接口 设备 设备控制器 通道

  39. 三、I/O 设备与主机的联系方式 1. I/O 设备编址方式 (1) 统一编址 用取数、存数指令 (2) 不统一编址 有专门的 I/O 指令 2. 设备选址 用设备选择电路识别是否被选中 3. 传送方式 (1) 串行 (2) 并行

  40. “Ready” 0 1 1 0 1 0 0 0 命令字 数据字 命令字 “Strobe” I/O 接 口 I/O 设 备 CPU 终止位 起始位 2×9.09 ms 9.09 ms 起始位 终止位 2×9.09 ms 9.09 ms 4. 联络方式 (1) 立即响应 (2) 异步工作采用应答信号 并行 串行 (3) 同步工作采用同步时标

  41. 每台设备都配有一套 外设 Ⅰ 主 控制线路和一组信号线 外设 Ⅱ 机 外设 Ⅲ 5. I/O 设备与主机的连接方式 (1) 辐射式连接 不便于增删设备 (2) 总线连接 便于增删设备

  42. 现行程序 CPU向I/O发 读指令 CPU读I/O状态 CPU读I/O状态 检查状态 未准备就绪 出错 出错 未准备就绪 检查状态 已准备就绪 从I/O接口中读 一个字到CPU 从CPU向主存 写入一个字 否 完成否 是 四、I/O设备与主机信息传送的控制方式 1. 程序查询方式 CPU 和 I/O 串行工作 踏步等待

  43. 没有踏步等待现象 自身准备 现行程序 … 与主机交换信息 中断现行程序 启动 I/O设备 中断服务程序 … K K+1 … 2. 程序中断方式 CPU 不查询 I/O 工作 CPU 暂停现行程序 CPU 和 I/O 并行工作

  44. 出错 CPU 主存 是 未错 中断请求 CPU I/O I/O CPU I/O 设备工作 从 I/O 接口中读一个字到CPU 从 CPU 向主存写入一个字 CPU 做其他事情 I/O CPU 否 程序中断方式流程 CPU 向 I/O 发读指令 准备就绪 CPU 读 I/O 状态 检查状态 完成否？

  45. 一个存取周期 CPU 执行现行程序 CPU 执行现行程序 存取周期结束 启动I/O DMA请求 I/O准备 I/O准备 实现I/O与主存之间的传送 3. DMA 方式 主存和 I/O 之间有一条直接数据通道 不中断现行程序 周期挪用（周期窃取） CPU 和 I/O 并行工作

  46. 启动I/O 启动I/O 中断请求 DMA请求 一个存取周期 间 断 I/O准备 I/O 准备及传送 I/O 准备及传送 一个存取周期 间 断 CPU 执行 现行程序 启动I/O I/O准备 I/O准备 CPU执行 现行程序 CPU查询等待并传输I/O数据 I/O准备 CPU 执行现行程序 CPU 执行现行程序 CPU 执行现行程序 CPU 执行现行程序 指令执行周期结束 启动I/O 存取周期结束 中断请求 启动I/O 启动I/O DMA请求 I/O准备 实现I/O与主存 之间的传送 I/O准备 I/O准备 I/O准备 CPU 处理中断服务程序 实现 I/O 与主机之间的传送 三种方式的 CPU 工作效率比较 程序 查询 方式 程序 中断 方式 DMA 方式

  47. 3. 机 机通信设备 I/O 接 口 机、电 磁、光 部分 设备 控制器 主机 外部设备 5.2 I/O设备 一、概述 外部设备大致分三类 1. 人机交互设备 键盘、鼠标、打印机、显示器 2. 计算机信息存储设备 磁盘、光盘、磁带 调制解调器等

  48. 二、输入设备 1. 键盘 按键 判断哪个键按下 将此键翻译成 ASCII 码 （编码键盘法） 2. 鼠标 机械式 金属球 电位器 光电式 光电转换器 3. 触摸屏

  49. (1) 字符显示 (1) 击打式 (2) 图形显示 (2) 非击打式 (3) 图像显示 三、输出设备 1. 显示器 字符发生器 主观图像 客观图像 2. 打印机 点阵式（逐字、逐行） 激光（逐页） 喷墨（逐字）

  50. 四、其他 1. A/D、D/A 模拟/数字（数字/模拟）转换器 2. 终端 由键盘和显示器组成 完成显示控制与存储、键盘管理及通信控制 3. 汉字处理 汉字输入、汉字存储、汉字输出 五、多媒体技术 1. 什么是多媒体 2. 多媒体计算机的关键技术

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