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1、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(jì)6.5I/O設(shè)備與CPU和存儲器的連接選擇高性能低價(jià)格總線寬度獨(dú)立的地址和數(shù)據(jù)總線分時(shí)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(gè)(需要仲裁)單個(gè)(無需仲裁)分離事務(wù)采用不用定時(shí)方式
2、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(gè)主設(shè)備時(shí),總線通過數(shù)據(jù)打包來提高總線帶寬,而不必在整個(gè)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16.5I/O設(shè)備與CPU和存儲器的連接(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(shí)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(shí)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(shí)鐘,設(shè)備自己內(nèi)部定時(shí)。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/UltraATAS
3、CSIPCIPCI-X數(shù)據(jù)寬度16bit8/16bit32/64bit32/64bit時(shí)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(gè)多個(gè)多個(gè)多個(gè)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(shí)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(gè)多個(gè)多個(gè)多個(gè)峰值
4、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(shí)鐘頻率(MHz)12011183.3總線的主設(shè)備數(shù)多個(gè)多個(gè)多個(gè)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CPUCach
5、e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(gè)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(gè)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(jì)算?!舸笮陀?jì)算機(jī)系統(tǒng)中的外圍設(shè)備臺數(shù)
6、雖然很多,但是一般并不同時(shí)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
7、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(gè)緩沖區(qū)用來暫時(shí)存放從外圍設(shè)備上輸入的數(shù)據(jù),或者暫時(shí)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(gè)數(shù),對交換的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)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(shí)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?。根據(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