计算机组成原理第8章-输入输出系统.doc

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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date计算机组成原理第8章-输入输出系统8第八章 输入输出系统8.1输入输出设备的编址方式8.2 总线结构8.2.1 概述总线是传送信息的通路，在计算机系统中使用的总线可分成3类：(1)计算机系统中各部件内部传送信息的通路。例如：运算器内部寄存器与寄存器之间、寄存器与算术逻辑运算单元(ALU)之间的传送通路，通常称之为内部总线。(2)计算机系统中各部件之间传送信息的通路。例

2、如CPU与主存储器之间，CPU与外设端口之间传送信息的通路，通常称之为“系统总线”。(3)计算机多机系统内部各计算机之间传送信息的通路，通常称之为“机间总线”或“多机总线”。本节中讨论的主要是CPU与外设接口之间的系统总线，又可称作输入输出总线，简称IO总线。提到总线，人们马上会想到它由许多条传输线构成，这些传输线的总条数称作总线的宽度，连接在一条总线上常常有多个设备或部件，因此常被称作共享总线或分时总线。因为不管一条总线上连接了多少个设备，任何时候只能有两个设备利用总线进行通信，一是信息发送者，一是信息接收者。于是就应该有一个部件来确定当前总线由哪两个设备来使用。如果有多个部件申请使用总线时

3、，还应该由它根据申请者的优先级别来确定使用总线的优先次序，所有这些功能要由总线控制逻辑来完成。因此总线应该是由一定数量的传输线和总线控制器两部分构成。总线控制器可以是集中式的，集中在某个部件内部，也可以是分散式的，分散在共享总线的多个部件中。8.2.2总线的控制方式以集中式总线控制方式为例来说明常用的3种总线控制与仲裁方式。1串行链式查询方式采用串行链式查询方式来实现判优功能的连接图如图83所示。 从图8-3中可以看出，该总线上连接着多个部件，对各个部件来说，除了共享数据总线和地址总线外，还有3条控制线(构成控制总线)：总线请求信号线(BR)、总线忙信号线(BS)和总线认可信号线(BG)。由于

4、总线认可信号线对共享总线的多个部件来说形成了一条串行的链，故串行链式查询方式因此而得名。平时，BR、BS和BG线均无效，当某个或多个部件要求使用总线时，各部件通过BR线向总线控制器发出总线请求信号，总线控制器得到请求后置BG线有效，并首先进入“部件0”，若“部件0”有请求，则BG线将终止向后传送，由“部件0”发出总线忙(BR1)信号，表示当前总线由“部件0”占用；若“部件0”无请求，则BG线继续往后传送，一直传送到某个有总线请求的部件为止，这时总线控制器将总线使用权交给该部件。从上述查询过程中可以看出，离总线控制器最近的部件具有最高的优先权，最远的部件只有在它前面所有部件均不请求使用总线时，才

5、有可能得到总线的使用权，这种不公平的待遇将保持不变。这种查询方式控制简单，控制线数量少，总线上要增、删部件很容易，但是对串行查询链上的电路故障非常敏感，如果某个部件的查询链出了故障，那么该部件之后的所有部件都将无法得到总线的使用权。2.计数定时查询方式计数定时查询方式连接图如图8-4所示 从图8-4中可以看出，共享总线的多个部件除共享地址总线和数据总线之外，还需要两条控制线BR和BS。在总线不忙的情况下(BS0)，任何部件需要使用总线时，通过BR线向总线控制器发出总线请求，总线控制器收到该请求信号时立即启动计数器开始计数，计数值作为地址通过设备地址线传送到各部件去，各部件内部都设有地址符合线路

6、。当计数值与本部件地址符合时，立即停止计数，并产生总线忙信号(BS1)，表示当前本部件取得总线使用权。采用这种查询方式，若计数器每次从“0”开始计数，则像链式查询方式一样，使用总线的优先权由高到低，总是地址号最小的部件具有最高的优先权。但是如果每次计数从中止值开始，那么各个部件使用总线的优先权将基本上相等。这种方式对于共享总线的是同一类设备时非常合适。此外，计数器的初值还可以用软件来设定，这样便可以灵活地改变总线上各部件的优先级别。3.独立请求方式独立请求方式连接图如图8-5所示。 从图8-5中可以看出，独立请求方式是以增加控制线数为代价的，共享总线的各个部件均分别有两条控制线BRi和BGi。

7、任何部件要求使用总线时，通过自己的BRi线独立发出总线请求信号，总线控制器内部设有排队线路，根据既定的优先权策略决定允许哪一个部件当前使用总线，则给该部件发出总线认可信号(BGi1)。这种查询方式速度快、效率高，但是增加了控制线的数量，内部还需另设排队器。8.2.3总线通信方式共享总线的部件获得总线使用权后，相互通信的方式通常有同步方式和异步方式两种。1同步方式同步通信方式指通信双方由定宽、定距的时标控制总线上数据的传送。同步通信适用于总线较短、通信双方速率相等或比较接近的场合，这种情况下一般都具有较高的数据传送速率。2异步方式异步通信方式是指通信的双方按照各自的时钟频率工作，在进行数据通信之

8、前，双方必须通过联络信号(或称“握手”信息)取得联系后方可进行正常通信。根据联络信号的相互关联可分成非互锁、半互锁和全互锁三种方式。8.2.4总线上信息传送方式主要由串行传送方式和并行传送两种。串行传输：并行传输：8.2.5总线接口总线接口又可称作输入输出接口，这是因为主机通过总线与各种类型的输入输出设备相连，并且相互交换信息，但是由于它们之间存在着很大的差异，它们的工作方式不同，传输速率不同，结构方式不同，使用器件不同，因此各种输入输出设备必须要通过相应的接口，通过输入输出总线方能与主机交换信息。 早期为各种输入输出设备配置各不相同的接口，这给操作带来很大的不便，现代计算机系统中都将其接口标

9、准化。 接口与主机和外部设备之间的连接如图88所示。 1接口的分类 根据接口的不同特点可有多种分类方法。 (1)根据数据传送的方式可分成并行接口和串行接口。 并行接口是指接口和外设之间并行传送数据，其传送宽度可以是一个字节或者是一个字，所以传送速率比较高，但需要的传送线比较多。 串行接口是指接口与外设之间一位一位地串行传送数据，传送速率较低，但只需要一条传送线。 (2)根据主机对IO设备的访问方式可分成查询式接口，中断接口和DMA接口等。 查询式接口是指通过硬件或软件方式根据外设的优先级别由高到低顺序查询哪个设备当前要进行输入输出操作。 中断接口是指哪个外设需要向主机输入输出信息时，立即向主机

10、发出中断请求，由中断接口来处理有关的事件。DMA接口是由它代替CPU完成高速外设与主机之间成块交换信息。 (3)根据功能选择的灵活性可分为可编程接口和不可编程接口。 可编程接口是指接口的功能可由初始化程序来定义。这种接口，一般功能比较强。不可编程接口，一般只具有单一功能。 (4)根据输入输出信号的性质可分成数模转换接口和模数转换接口。 数模转换接口(D/A)是能将计算机输出的数字信号变换成模拟信号。 模数转换接口(A/D)是能将模拟信号转换成数字信号输入到计算机中。 除此之外，还可有其他的分类方式，不再一一列举。 2接口的功能 接口种类繁多，功能各异，主要的功能可概括为以下几个方面： (1)数

11、据缓冲功能。在计算机主机与外部设备之间信息传送过程中，被传送数据可在接口中缓冲，以匹配两者之间的速度差别。 (2)数据转换功能。 在串行通信中，从CPU并行输出的数据应能转换成串行数据逐位输出到外部设备中去，反之，串行接收到的数据应能转换成并行数据输入到CPU中去。 (3)数据的装配与拆卸功能。许多外部设备的数据端口只有8位，对于字长比较长的主机，例如字长32位，接口应能将从主机获得的32位数据拆卸为4个字节，逐个字节传送到外部设备中去。反之，由外部设备逐字节接收到的数据应能装配成32位数据再向主机输入。 (4)接口中如果设置有地址寄存器和字节计数器，应能完成其修改功能。 (5)启停控制功能。

12、接口应能根据CPU的要求，对所选定的外部设备实现启动和停止功能。 (6)命令、状态信息的传送功能。 接口应能将CPU发出的命令传送到外部设备中。外部设备在工作过程中的状态信息应能反馈到主机中去。 (7)与CPU之间取得联系。 如果CPU与外部设备之间以中断方式交换信息，那么应能及时向CPU发出中断请求，如果以DMA方式传送信息，那么应能及时向CPU发出请求。3接口芯片举例 输入输出接口构成方式多种多样，下面以几种常用的可编程接口为例作简要说明。 (1)可编程并行接口芯片8255A。 (2)可编程串行接口芯片8251A。8251A内部结构。8251A内部结构框图如图8-13所示。1)数据总线缓冲

13、器 数据总线缓冲器是8251A与CPU之间的8位数据接口，就是说CPU向8251A写入的信息或从8251A读取的信息都是经过这个接口并行传输的。 2)读写控制电路 读写控制电路用来接收从CPU输入的一序列控制信号，也可以说是8251A与CPU之间的控制接口。由于8251A内部有两个端口：控制端口和数据端口。引线CD就是用来选择内部端口的(C/Dl选择控制端口，C/D0选择数据端口)。它实质上是与最低位端口地址A0相连。高位端口地址(A0A1)经译码后作为选片信号与舀相连，与读写控制信号一起可定义8251A的操作方式。 3)发送器 发送器由发送缓冲器和发送控制电路构成。CPU需要输出的数据并行进

14、入发送缓冲器后经发送移位寄存器逐位由TXD线串行输出，完成“并串”的变换功能。 由TXC输入发送时钟，确定8251A的串行发送速率。 TXRDY是发送器准备好信号，表示当前8251A已作好发送数据的准备工作，CPU可向8251A发出待发送数据，因此TXRDY可作为向CPU发送的中断请求信号。4)接收器 接收器由接收缓冲器和接收控制电路构成。通过RXD线串行接收的数据经移位寄存器逐位输入后，由数据总线缓冲器并行向CPU输入，完成“串并”的变换功能。8251A控制字方式选择字：操作命令控制字：状态控制字：(3)可编程计数/定时接口芯片8253A。83 输入输出控制方式8.3.1程序查询方式8.3.

15、2程序中断方式8.3.1直接存储器访问方式（DMA）注意：DMA方式与中断控制方式的比较DMA是程序中断传送技术的发展。它在硬件逻辑机构的支持下，以更快的速度、更简便的形式传送数据。两者之间的明显区别有：(1)中断方式通过程序实现数据传送，而DMA方式不使用程序，直接靠硬件来实现。(2)CPU对中断的响应是在执行完一条指令之后，而对DMA的响应则可以在指令执行过程中的任何两个存储周期之间。(3)中断方式不仅具有数据传送能力，而且还能处理异常事件；DMA只能进行数据传送。(4)中断方式必须切换程序，要进行CPU现场的保护和恢复操作；DMA仅挪用了一个存储周期，不改变CPU现场。(5)DMA请求的

16、优先权比中断请求高。CPU优先响应DMA请求，是为了避免DMA所连接的高速外设丢失数据。8.3.4通道方式和IOP方式1通道的基本功能(1)接受CPU的IO指令，按要求启动外设。(2)执行通道指令。(3)组织外设与主存间的数据传送。(4)向CPU报告外设的状态信息和中断信息。2通道的类型(1)字节多路通道字节多路通道主要用于连接大量的低速设备，这些设备的数据传输速率很低，而通道从设备接收或发送一个字节只需要几百纳秒，因此通道在传送两个字节之间有很多空闲时间，字节多路通道正是利用这个空闲时间为其他设备服务的。(2)选择通道 选择通道又称高速通道，在物理上它可以连接多个设备，但是这些设备不能同时工

17、作，在某一段时间内通道只能选择一个设备进行工作，当这个设备的通道程序全部执行完毕后，才能执行其他设备的通道程序。选择通道主要用于连接高速外围设备，如磁盘、磁带等，信息以成组方式高速传输。由于数据传输速率很高，通道在传送两个字节之间已很少空闲，所以在数据传送期间只为一台设备服务。(3)数组多路通道数组多路通道是对选择通道的一种改进，它的基本思想是当某设备进行数据传送时，通道只为该设备服务；当设备在执行寻址等辅助性动作时，通道暂时断开与这个设备的连接，挂起该设备的通道程序，去为其他设备服务，即执行其他设备的通道程序。由于数组多路通道既保留了选择通道高速传送数据的优点，又充分利用了辅助性操作的时间间

18、隔为其他设备服务，使通道效率充分得到发挥，因此数组多路通道在实际系统中得到较多的应用。3通道的工作过程通道的工作过程如图所示。可以分为3个步骤：用户程序中调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。通道处理机执行CPU为其组织的通道程序，完成指定的数据输入输出工作。当通道启动后，CPU可以退出操作系统的管理程序，返回用户程序中继续执行。通道程序结束后向CPU发中断请求。CPU响应此中断请求后，第二次进入操作系统，调用管理程序对输入输出中断进行处理。4通道方式与DMA方式的比较DMA和通道控制方式最基本的相同点是把外设与主机交换数据过程控制权从CPU中接管，使外设

19、能与主机并行工作。它们之间主要的不同在于如下几个方面。(1)DMA与通道的工作原理不同DMA完全采用硬件控制数据交换的过程，速度较快：而通道则采用软硬件结合的方法，通过执行通道程序控制数据交换的过程。(2)DMA与通道的功能不同通道是在DMA的基础上发展来的，因此，通道功能要比DMA的功能更强。在DMA中，CPU必须进行设备的选择、切换、启动、终止，并进行数据校验。CPU在输入输出过程中的开销较大，通道控制则把这些工作都接管，以减轻CPU的负担。(3)DMA与通道所控制的外设类型不同DMA只能控制速度较快、类型单一的外设，而通道则可支持多种类型的外设。注：几种IO方式的比较 在计算机系统中，C

20、PU管理外围设备的方式有程序查询方式、程序中断方式、DMA方式、通道方式和外围处理机方式。其中前3种技术在现在的微型计算机系统中是非常常见的，后两种主要用于比较复杂的高档计算系统中，外围处理机方式可以看成是通道处理机的进一步扩展。图920所示是一个分类示意图。习题及参考答案1计算机系统中，CPU与10设备交换信息的方式有哪几种?分别说明它们的主要特点。解：一般有程序控制输入输出、中断输入输出、直接存储器访问(DMA)、IO通道和外围处理机5种方式。(1)程序控制输入输出方式CPU控制何时对何设备进行输入输出操作；外围设备和CPU处于异步工作关系；数据的输入输出要经过CPU；用于连接低速外围设备

21、，如终端和打印机。其特点在于：灵活性好：一般说来不能实现处理机与外围设备的并行工作。(2)中断输入输出方式主要是为克服程序控制输入输出方式中处理机与外围设备不能并行工作的缺点而设置的。它的定义是：当出现来自处理机以外的任何现行程序不知道的事件时，CPU暂停现行程序，转去处理这些事件，然后再返回原来执行程序的方式。它有4个特点：CPU与外围设备可以并行工作；能够处理异常事件；数据的输入输出要经过CPU,一般用来连接低速设备。(3)直接存储器访问(DMA)方式主要用来连接高速外设； 由外部设备直接访问系统存储器空间，无须CPU的参与。它有以下特点：主存储器既可以被CPU访问也可以被外设访问；在外围

22、设备与主存储器之间不需要执行程序，所以不需要作现场保存与恢复，使其工作速度加快；DMA控制器中需要设置数据缓冲寄存器、设备状态寄存器和控制寄存器之外，还需要设置主存储器地址寄存器、设置各地址寄存器和数据交换计数器；在DMA开始之前需要对DMA控制器进行初始化； 在此方式下，CPU不仅可以和外围设备并行工作，并且整个数据的传送过程不需CPU的干预。(4)通道方式通道是一个特殊功能的处理机，它有自己的指令和程序，专门负责数据输入输出的传输控制，而CPU将传输控制功能交给通道后只负责数据处理功能。这样CPU和通道同时使用内存，实现了CPU运算与I0设备的并行工作。它有以下特点：根据CPU要求选择某一

23、指定的外设与系统相连，向该外设发出操作命令，并进行初始化；指出外设读写信息的位置以及与外设交换信息的主存缓冲区的地址：控制外设与主存之间的数据交换，并完成数据字分析与装配；指定数据传送结束时的操作内容，并检验外设的状态。(5)外围处理机方式外围处理机结构更接近于一般处理机，或者就是选用已有的通用机，外围机基本上是独立于主处理机工作的，应用于大型高效率的计算机系统中。2向量中断和非向量中断有何区别?答：向量中断和非向量中断的区别在于向量中断是指在提出中断请求的同时， 能通过硬件向CPU提供中断服务程序入口地址；而非向量中断，中断源不提供中断服务程序入口地址，而由CPU自行预先确定，并用程序查询中

24、断源。3什么叫中断嵌套?CPU中断处理周期完成哪些工作?解：中断嵌套：当已经有中断发生并转入中断服务程序，而且并不禁止其他中断发生时，此时又有别的高级中断源发生请求，因而被迫停止当前的中断服务程序，转去响应更高优先权的中断请求，这就形成中断的嵌套。CPU中断处理周期要完成的工作：关中断，防止保存现场不完整。保存断点和现场，保证今后能正确返回中断点。判断中断源，转向中断服务程序。多个中断源同时请求，选择最高优先权的中断源，并转入相应的服务程序入口。开中断，允许更高级中断响应。执行中断服务程序。关中断，防止恢复现场不完整。恢复现场。开中断，此次中断响应结束后，允许各种中断响应。恢复断点，返回中断点。4由外部设备引起的中断称为外中断。试问：(1)CPU响应外中断应具备哪些条件?在条件满足时，CPU何时响应外中断?(2)在中断响应周期CPU要做哪些工作?这些操作由谁完成?解：(1)CPU响应外中断的条件：接口中的中断允许触发器为中断允许状态；CPU中的中断屏蔽触发器为非屏蔽状态，即中断是开放的；中断源发出中断请求。当满足以上所述的中断响应条件时，CPU在执行完当前指令后即响应外中断请求。(2)CPU响应中断请求，进入中断响应周期。在中断响应周期，CPU要做的工作有：关中断、保护断点、识别中断源、转到中断服务程序，这些操作是由硬件完成的。-