输入输出系统(IO系统)

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６.２ 总线设计
一、总线主要类型 1 按具有总线数目分 1 ）单总线：仅一组总线，所有部件 都由它来完成信息交换，结构简单， 利用率高，未能照顾CPU访存需要
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总线
CPU
存储器
高速I/O
一般I/O
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2 ）双总线：在单总线的基础上增加 一组 CPU 与存贮器间的总线，要求 存贮器是多体结构。
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2 分级（根据中断的性质，紧迫性，重要 性等分） 1 ）第一级：级别最高，可将分类中的故 障中断作为第一级。 2 ）第二级：可将访管与程序性中断合为 第二级，它们通常不会同时出现。 3）第三级：可将外中断作为第三级。 4 ）第四级：优先级最低，可将分类中的 I/O中断作为第四级。
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二、中断响应
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2 数据总线线数 1）总线数据类型 ①一条线 ②字节线（8条） ③半字线（16条） ④单字线（32条） ⑤双字线（64条）
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2）总线线数选取原则 ①机内选用字长相等的数据线。 ②近距离选用多条线（采用并行传 送）。 ③远距离选用单条线（采用串行传 送，减少通信线路成本）。
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６.３ 中断系统 一、中断源的分类与分级 引起中断的各种事件称为中断源 1 分类 1 ）故障中断（指设备故障，如线路、 电源掉电等）。
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2）获取总线过程
①有部件请求时，各请求信号送集中控 制器； ② C 根据当前请求状况按事先安排的顺 序从多个请求中找出一个优先级别优先 的部件并从该条响应线上发出响应电平； ③由收到响应电平的部件建立忙电平表 示接管总线。
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3）特点： ①响应速度快（可用于高速部件）。 ②所需独立线数最多。 响应延时：t + t = 2t （发请求）（收响应） 独立线数：2n+1
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1）硬件和软件 ①硬件DMA控制器 ②软件，指CPU对DMAC的初始化程序以及 对DMA传送的结束处理程序。
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2） 特点 ①对于高速外设可在很大程度上解放 了CPU(数据传送时，无须CPU干预） ②接口电路复杂 ③仅属于初步解放CPU ④交换数据时灵活性差。
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4.
I/O处理机方式
1）通道（CH）方式 ①有自己的指令系统（CH指令）和程序（CH 程序）。 ② 执 行 通 道 程 序 时 可 与 CPU 的 运 行 同 时 进 行——并行性。
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2）非专用总线——即公共总线 总线数少，造价低，总线接口标准化、 模块性强，易于简化和统一接口设 计，会出现总线争用，降低效率。
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按传递的信息类型分 地址总线AB 数据总线DB 控制总线CB 8086/8088 的总线属于非信息专用 的单总线结构。
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二、总线控制方式 研究对非专用总线在多个部件同 时申请总线时的裁决控制机构。 目的：采用何种办法来获得对总 线的使用。
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3）特点： ①结构简单，控制方便，所需独立线 数最少。（不管设备多少，均只需三 条独立线） ②各部件使用总线的优先级的灵活性 差（不可改变）以排列位置作为优先 级。 ③所需响应延时可能很长。
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响应延时计算：设部件请求到发出响应 电平延时为t， 部件收到响应电平到建立忙电平或穿过 本部件的延时也为t。 产生最长响应延时为只有Un-1 提出请求： t+ （n-1) t+ t=(n+1) t 提请求 穿过 建立忙
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2 ）访管中断（计算机的运行有两种 状态，执行用户的目标程序状态称 目态。执行管理程序状态称为管 态）。 用户程序需要 OS介入时，通过执行 “访管”指令而发生。
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3）I/O中断（外设引起） 4）程序性中断：在运行程序过程中产 生了某种非法事件，如溢出，越界 等，这是用户不愿看到的，属强制 中断。 5 ）外中断：指来自本计算机之外的 中断源，如定时器，外部信号中断 等。
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源发数据 源发数据准备
t1
数据1
数据2
目接收数据
t2 t3 t1 t2 t3
源不知目什么时间结束数据接收
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4双向互锁异步通信
1）要求：在双向非互锁异步通信 中再增加t4，让源知道目结束数据 通信。
2）通信示意图
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源发数据 源发数据准备
t1
数据1
数据2
目接收数据
t2 t3 t4 t1 t2 t3 t4
1 任务 1 ）关中断：为了保证本次中断响应过程 中不受干扰，不再响应可屏蔽中断请求。 2 ）保存断点：将返回地址压入堆栈，使 执行完中断处理程序后能回到断点地址 处继续运行。 3 ）针对中断源：提供中断处理程序入口， 为执行中断处理程序作好最后准备。
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2 采用统一计数器的定时查询 1）结构示意图 ①一条独立请求线。 ②一条独立忙线。 ③L条定时查询代码线。 （一个L位计数器） L= log2n 向上取整
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2）获取总线过程 ①有部件请求时，请求信号送C； ②收到请求后，将当前计数器的计数 值，通过 L 条代码线同时送到各部件； ③若与此计数值编号相同的部件已提 出请求，则该部件建立忙电平， C 收 到忙电平后，停止向下计数，表示该 部件接管总线。
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由于与计算机连接部件的速度有高， 有低，采用异步通信比较普遍。 异步通信又分单向、双向，单向分 源控式和目控式，双向又分非互 锁和互锁。
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同步 总线通信 异步 双向 单向
单向源控式 单向目控式 双向非互锁 双向互锁
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同步： 主要特征是以时钟周期作为划分时 间段的基准。 异步： 主要特征是没有统一的时钟周期划 分，而采用应答方式实现总线的传 送操作。
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④若与此计数值相同编号的部件未 提出请求，等待一个计数脉冲周 期后，计数器将进行 +1 计数，此 时C又将下一个计数值又同时发往 各部件，余类推。
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3）特点： ①各部件使用总线的优先级可随计数器 的工作方式的改变而改变，灵活性强。 Ⅰ）计数器每次都从 0 开始计数，低编号 部件级别高； Ⅱ）计数器采用循环计数时，各部件机会 均等。 ②可靠性高，但所需独立线数较多： 2+log2n
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1
集中式串行链接控制
1）结构示意图(设有n个部件，编号U0…Un-1)。 请求线：单向； 向 忙线：单向； 响应线：单
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2）获取总线过程 ①当部件请求时，请求信号送集中控制器 C。
② C收到请求后，从响应线上发出响应 电平。（总线空闲时，即未建忙电平） ③若 Uo 已提出请求时，由 Uo 建立忙电平， 同时响应电平停止前进，Uo接管总线。 ④若Uo未提出请求时，响应电平穿过Uo 而送到U1，余类推。
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②条件传递（轮询方式） 有关操作时间不固定且未知，采用轮 询方式， CPU 的利用率大大降低，如打印 机的初始化。 2)硬件和软件 ① I/O接口电路 ②控制程序 3）特点 ①接口电路简单，控制方便 ②对CPU的利用率不充分
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2．中断方式
在需要 I/O 服务时才中断 CPU 的现行工作， 转去执行I/O服务。 需要有接口电路和中断逻辑。
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集中式串行链接与独立请求相结合的控 制方式 1）基本思想 ① 将n个部件分为若干组，其分配原则是分 组数与组内部件数相等或相近。即 分组数= n ②组内采用串行链接，组间采用独立 请求。 2） 结构示意图（设 n=64, 分组数=8）
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①每组一条请求线，一条响应线。 ② 每组共用一条忙线。
t1
（一条控制线） （n条数据线） （另一条控制线）
t2
目接收数据
（上述n条数据线）
t3
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2）特点 ①解决了源已知目此时需要数据。 ②源不知目是否收到数据。 ③增加了一条控制线。
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3 双向非互锁异步通信
1）通信示意图
源发数据 源发数据准备
t1
目接收数据
t2
t3
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2）在一般情况下，可完成可靠通信， 但目接收数据的速度较慢时，可能 会出现数据“重迭”错（将两个数 据当作一个数据接收）
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总线
CPU总线
CPU
存储器
高速I/O
一般I/O
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3）三总线：在双总线的基础上增 加一组存贮器到高速I/O的总线， 要求存贮器是多体结构。
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总线
CPU总线
高速I/O总线
CPU
存储器
高速I/O
一般I/O
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2 按是否专用来分 1）专用总线：随部件数（n）的增 加，专用总线急剧增加： l=n*(n-1)/2 n=4时， l =6 ； n=5时 l =10
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类型：集中控制：总线控制逻辑 基本上集中放在一起的裁决控制 机构。 分布控制：总线控制逻辑分 散于连到总线的各个部件中时， 称分布控制。
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以集中控制为主，要求对各种 控制方式（串行链接、定时 查询、独立请求） , 能画出结 构示意图，叙述获取总线过 程，计算所需独立线数及最 长响应的时间。
１）硬件和软件 ①接口电路和中断逻辑 ②中断处理程序
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２）特点 ①对于中低速外设，可极大地提高对 ＣＰＵ的利用率． ②接口电路较复杂 ③ 对高速外设有可能降低对CPU的利 用率。
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3．DMA（Direct Memory Access）方式 直接依靠硬件在主存与 I/O 设备间进 行直接的数据传递，在传递期不需CPU干 预。 DMA 方式本身只能处理简单的数据传 递，不切换程序。
第六章
输入输出系统（I/O系统） ６.１ 概述
一、I/O系统组成：包括I/O设备，设备控 制器及与I/O操作有关的软硬件。 二、 I/O 系统的主要功能：对指定外设进 行I/O操作，同时完成许多其他的控制。 包括：外设编址，数据通路的建立， 向主机提供外设的状态信息等。
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三、I/O系统的发展 1 程序控制I/O 1）两种类型 ①无条件传递（定时交换） 有关操作时间固定且已知，应用 面窄，如读写某设备接口的缓冲区 数据。
③通道指令功能简单，使用面窄，与 CPU 共 用一个主存，还不是独立的I/O处理机。
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2）外围处理机方式（PPU）
用一个功能较弱的计算机管理 I/O ，彻 底解放CPU，硬件结构最复杂。 能称为I/O系统的必要条件：
①要有软件和硬件；
②软件要由硬件装置本身执行。因此只 有通道，外围处理机才能称I/O系统。
用增加控制复杂度与时间来提高 可靠性
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四、数据宽度 1 数据宽度 1）含义：接管一次总线后，交换的数据 量（常以字节为单位）。 2）数据宽度的主要类型 ①字节（使用一次总线交换一个字节， 可用于中低速部件）。
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②数据块（使用一次总线交换一个数据块， 可用于高速部件）。 Ⅰ）固定长数据块（每次交换的字节数相 同）。 Ⅱ）可变长数据块（每次交换的字节数不 同）。
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1 .单向源控式异步通信Βιβλιοθήκη Baidu
1）通信示意图
源发数据 源发数据准备 （选通信号） 目接收数据
t1 t2 t3
通过n 条数据线 一条控制线 n条数据线
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2)特点 ①结构简单，控制方便。 ②源不知目此时是否需要数据 ③源更不知目是否可靠受到数据。
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2 单向目控式异步通信
1）通信示意图
目发数据请求 源发数据 源发数据准备
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最长响应延时计算 部件请求到发出代码的延时为一个时钟周 期，收到代码到建立忙电平的延时也为 一个时钟周期。设初始计数值为0，且只 有Un-1提出请求，时钟频率为100MHZ。 最长延时： （1+n）时钟周期=（1+n）*10ns
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3 集中独立请求控制方式 1）结构示意图 ①每个部件一条独立请 求线。 ②每个部件一条响应线。 ③各部件共用一条忙线。
3）获取总线过程 ①当有部件请求时，各请求信号送C； ②C收到请求后，从一条优先的响应线上 发出响应电平； ③收到响应电平的那组部件，按串行链 接方式寻找目标部件，并由该部件建立 忙电平。
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3）获取总线过程 ①当有部件请求时，各请求信号送C； ② C 收到请求后，从一条优先的响应线上发 出响应电平； ③收到响应电平的那组部件，按串行链接方 式寻找目标部件，并由该部件建立忙电平。 4 ）特点：既有串行链接独立线数少，又有独 立请求响应速度快的优点，特别适合要求使用 总线的部件数多的情况。
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4种控制方式比较：设n=64
控制方式
比较内容 串行链 接 定时 查询 独立 请求 串行链接与 独立请求结合 2× +1=17
独立线数
最长响应 时间
3
(1+n) t =65t
log2n+2 2×n+1 =8 =129 (1+n) t =65t 2t
t + × t=9t
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三、总线通信技术 获得了总线使用权后，才开始考虑 数据信息的传递。 有两大类通信： 同步通信（以块为单位），异步通 信（以字符为单位）。