计算机体系结构 兰州大学 chapt6

1、第第6章章 计算机输入计算机输入/输出系统输出系统 1. 引言引言 2. 输入输入/输出设备类型输出设备类型 3. I/O子系统的控制方式子系统的控制方式 4. 总线 总线 5. I/O子系统性能测量子系统性能测量 6. 总结 总结 本章要点：本章要点：介绍输入介绍输入/ /输出设备类型、输入输出设备类型、输入/ /输出子系统输出子系统 的控制方法、总线、输入的控制方法、总线、输入/ /输出子系统性能测量冗余磁盘输出子系统性能测量冗余磁盘 阵列阵列( (RAID) )技术。技术。 1. 引言引言 计算机输入计算机输入/ /输出系统（通称输出系统（通称I/O系统系统），担负着计算），担负着计算

2、机与外界交换信息的任务机与外界交换信息的任务。早在冯。早在冯诺依曼时代就被作为诺依曼时代就被作为 计算机体系结构的一个重要组成部分。然而许多年以来，计算机体系结构的一个重要组成部分。然而许多年以来， I/O系统没有得到足够的重视，它只是被作为系统没有得到足够的重视，它只是被作为“外围外围”设设 备看待。计算机体系结构设计者们重视的是用户程序运行备看待。计算机体系结构设计者们重视的是用户程序运行 的的CPU时间，而时间，而I/O系统在程序执行所化的时间无论是多系统在程序执行所化的时间无论是多 是少，都作为一种额外的开销而被忽略了。是少，都作为一种额外的开销而被忽略了。 实际上，实际上，I/O系统

3、的速度也是重要的系统的速度也是重要的。对用户而言，。对用户而言， 他们感受的不是单纯的他们感受的不是单纯的CPU时间，而是程序的执行时间时间，而是程序的执行时间 （execution time)。I/O系统的速度对整个程序的执行时系统的速度对整个程序的执行时 间有重要影响。间有重要影响。 假设某计算机假设某计算机CPU处理的时间占总处理时间的处理的时间占总处理时间的90%， 而而I/O处理时间仅占总处理时间的处理时间仅占总处理时间的10%，根据，根据Amdahl定定 理，即使理，即使CPU的处理速度提高的处理速度提高10倍，而倍，而I/O系统的速度系统的速度 没有提高，则程序总的处理速度（执行

4、时间的倒数）只没有提高，则程序总的处理速度（执行时间的倒数）只 能提高：能提高： 1/(0.1+0.9/10)=1/(0.1+0.09) =1/0.195倍倍 也就是说，此时有一半的也就是说，此时有一半的CPU速度提高被浪费了。即使速度提高被浪费了。即使 CPU处理速度提高了处理速度提高了100倍，在同样的情况下，总的性倍，在同样的情况下，总的性 能也仅能提高：能也仅能提高： 1/（0.1+0.1/100）=1/（0.1+0.009）10倍倍 可见，可见，I/O系统的速度的重要性。系统的速度的重要性。 1. 引言引言 在单进程操作系统中是这样，同样在多进程的操作系统中，在单进程操作系统中是这样

5、，同样在多进程的操作系统中，I/O也也 同样重要。在多进程的操作系统中，虽然可以通过合适的进程调度可同样重要。在多进程的操作系统中，虽然可以通过合适的进程调度可 使使CPU不是空下来等待不是空下来等待I/O系统工作的结束，而是继续执行其它进程，系统工作的结束，而是继续执行其它进程， 这样这样I/O速度的快慢就无关轻重了。然而事实并非如此。速度的快慢就无关轻重了。然而事实并非如此。 首先首先，这种方法虽能维持整个操作系统中吞吐量不变，提高，这种方法虽能维持整个操作系统中吞吐量不变，提高CPU 的利用率，但对于用户来说，仍然存在没有解决执行时间延长的问题，的利用率，但对于用户来说，仍然存在没有解决

6、执行时间延长的问题， 他仍然必须等待他仍然必须等待I/O操作结束；由于进程切换带来的开销，他的进程运操作结束；由于进程切换带来的开销，他的进程运 行时间甚至会更长。行时间甚至会更长。 其次其次，在大多数桌面操作系统的，在大多数桌面操作系统的PC机和工作站上，并没有很多的机和工作站上，并没有很多的 进程可以进行这种共享，从而使进程可以进行这种共享，从而使CPU的空闲成为不可避免。的空闲成为不可避免。 另外另外，多进程操作系统中，一般都使用盘交换区和虚拟内存技术，多进程操作系统中，一般都使用盘交换区和虚拟内存技术 已容纳好几个进程，而这两项技术的性能都依赖于已容纳好几个进程，而这两项技术的性能都依

7、赖于I/O系统，依赖于外系统，依赖于外 部存储系统的速度。部存储系统的速度。 由此可知，由此可知，I/O系统在计算机体系结构中的重要性。系统在计算机体系结构中的重要性。 1. 引言引言 2. 输入输出设备类型输入输出设备类型 数据表示设备数据表示设备 网络通讯设备网络通讯设备 存储设备存储设备 廉价磁盘冗余阵列廉价磁盘冗余阵列 输入输入/ /输出（简称输出（简称I/O）设备可分为三大类：）设备可分为三大类： 数据表示设备、网络通讯设备、存储设备。数据表示设备、网络通讯设备、存储设备。 这类这类I/O设备的主要功能是在计算机处理器和用户之设备的主要功能是在计算机处理器和用户之 间传递信息。主要包

8、括间传递信息。主要包括显示器显示器、键盘键盘等等人人- -机交互设备机交互设备， 也包括一些用于也包括一些用于控制其它电子设备的信号输出输入设备控制其它电子设备的信号输出输入设备。 这些设备通常为计算机提供其运行时所需的大部分输入这些设备通常为计算机提供其运行时所需的大部分输入 信息，同时输出计算机运行的最后结果，并反馈给用户。信息，同时输出计算机运行的最后结果，并反馈给用户。 2.1 数据表示设备数据表示设备 表表6-1 常见数据表常见数据表I/O设备及其数据库设备及其数据库 设备设备传感器传感器键盘键盘通讯线通讯线CRT显示器显示器行式打印机行式打印机磁带机磁带机 数据速率数据速率11KB

9、/s10B/s30200KB/s2000B/s1800B/s0.52MB/s 随着计算机多媒体技术的发展，出现了许多新的数据随着计算机多媒体技术的发展，出现了许多新的数据 表示方法，这些新的表示技术包括表示方法，这些新的表示技术包括高速图形显示高速图形显示、视频显视频显 示示，声音输入声音输入/ /输出输出。为了减轻对设备的压力，通常采用。为了减轻对设备的压力，通常采用 数据压缩的方法，使数据量下降，但也产生了解压缩的问数据压缩的方法，使数据量下降，但也产生了解压缩的问 题。这些新的数据表示方法不仅对题。这些新的数据表示方法不仅对I/O系统提出了很高的要系统提出了很高的要 求，对处理器的速度也

10、提出了新的要求。同时，这些新的求，对处理器的速度也提出了新的要求。同时，这些新的 技术也扩展了计算机输入技术也扩展了计算机输入/ /输出设备的范畴，促进了输出设备的范畴，促进了I/O系系 统技术的发展。统技术的发展。 表表6-2 多媒体数据表示设备的参数一览表多媒体数据表示设备的参数一览表 多媒体数据表示设备多媒体数据表示设备图形图形时频时频声音声音 数据速率数据速率1MB/s100MB/s64KB/s 最大允许时延最大允许时延0.00115s约约20ms50300ms 2.1 数据表示设备数据表示设备 网络通讯网络通讯设备的功能是在处理器间传递数据。设备的功能是在处理器间传递数据。 网络通讯

11、设备的种类繁多。网络通讯设备的种类繁多。 按按连接处理器的距离连接处理器的距离分，有：分，有： MPP网、局域网、广域网等；网、局域网、广域网等； 按按采用的通讯介质采用的通讯介质分，有：分，有： 铜线电信号设备和光纤设备；铜线电信号设备和光纤设备； 按按所采用的控制技术所采用的控制技术分，有：分，有： 以太网、以太网、ATM网、令牌环网等。网、令牌环网等。 随着计算机向网络化发展和网络并行计算技术随着计算机向网络化发展和网络并行计算技术 的产生，这类设备的地位正在变得日益重要。的产生，这类设备的地位正在变得日益重要。 2.2 网络通讯设备网络通讯设备 存储设备是指存储设备是指外存储器外存储器

12、。它的功能是。它的功能是作为作为 计算机存储器层次结构的一部分，存储计算机计算机存储器层次结构的一部分，存储计算机 处理时所需信息处理时所需信息。这类设备由于经常与处理器。这类设备由于经常与处理器 协同工作而显得地位格外重要，作为海量的非协同工作而显得地位格外重要，作为海量的非 易失外存设备，这类易失外存设备，这类I/O设备一方面担负存储计设备一方面担负存储计 算机后备数据的任务，一方面还往往作为虚存算机后备数据的任务，一方面还往往作为虚存 或操作系统交换区的一部分，直接参与计算机或操作系统交换区的一部分，直接参与计算机 的处理。的处理。 计算机外存储器一般有计算机外存储器一般有磁盘磁盘、光盘

13、光盘、磁带磁带。 2.3 存储设备存储设备 磁盘磁盘分为分为软盘软盘和和硬盘硬盘。 磁道磁道( (track)track)：磁盘的表面沿直线方向划分为不同的同心圆。磁盘的表面沿直线方向划分为不同的同心圆。 柱面柱面( (cylinder)cylinder)：在硬盘机中，磁盘片连在一起，把各面的同一在硬盘机中，磁盘片连在一起，把各面的同一 磁道连起来。磁道连起来。 每条磁道按切线方向划分为几十个扇区，每条磁道按切线方向划分为几十个扇区，扇区扇区是磁盘存储信息的最是磁盘存储信息的最 小单位，一般有扇区号、分隔用的空白区、扇区数据信息组成。通常，小单位，一般有扇区号、分隔用的空白区、扇区数据信息组成

14、。通常， 所有的磁道扇区数是一样的，外圈的磁道扇区密度小，数据存放可靠，所有的磁道扇区数是一样的，外圈的磁道扇区密度小，数据存放可靠， 而内圈磁道短，故数据容易出差错。所以，可采用而内圈磁道短，故数据容易出差错。所以，可采用“常位密度常位密度”的存储的存储 方式方式：在外圈长磁道上放更多的扇区，这样就使整个磁盘上扇区的密度：在外圈长磁道上放更多的扇区，这样就使整个磁盘上扇区的密度 也就是数据的密度一致，增加了可靠性。也就是数据的密度一致，增加了可靠性。 在对磁道进行数据读写是，首先磁头臂要移到指定的位置，这个操在对磁道进行数据读写是，首先磁头臂要移到指定的位置，这个操 作称为作称为寻道寻道，该

15、操作所需时间称为，该操作所需时间称为寻道时间寻道时间，寻道时间与磁头时间有关。，寻道时间与磁头时间有关。 在磁头移动到指定磁道后，读写数据还需等待磁盘旋转到指定的扇区，在磁头移动到指定磁道后，读写数据还需等待磁盘旋转到指定的扇区， 这个操作所需时间称为这个操作所需时间称为旋转时间旋转时间，大多数的磁盘旋转时间为，大多数的磁盘旋转时间为3600r/s, ,平平 均旋转延迟均旋转延迟是指磁盘旋转半圈的时间是指磁盘旋转半圈的时间, ,为为0.5*60/(3600)=8.3(ms)。 2.3 存储设备存储设备 数据传输所需时间称为数据传输所需时间称为传输时间传输时间。磁盘从收到读盘命令到启动磁。磁盘从

16、收到读盘命令到启动磁 盘臂移动之间的时间称为盘臂移动之间的时间称为控制时间控制时间，它包括了等待上一次读写磁盘结，它包括了等待上一次读写磁盘结 束的时间，称做束的时间，称做排队时间排队时间(queuing delay)。将控制时间、寻道时间、将控制时间、寻道时间、 转旋延迟和传输时间加起来，才是一次读写磁盘所需的总时间转旋延迟和传输时间加起来，才是一次读写磁盘所需的总时间存存 取时间取时间(access time)。 在磁盘和计算机之间，有一个叫磁盘控制器在磁盘和计算机之间，有一个叫磁盘控制器( (disk controller) )的的 部件负责控制磁盘的数据传输。部件负责控制磁盘的数据传输

17、。 磁盘发展追求提高存储密度，降低成本和提高速度。存储密度的磁盘发展追求提高存储密度，降低成本和提高速度。存储密度的 度量指标是度量指标是盘片的面密度盘片的面密度(area density)，单位为每平方英寸的位数，单位为每平方英寸的位数， 于是有于是有面密度面密度= =每英寸磁道数每英寸磁道数* *每英寸道数每英寸道数，其中，每英寸半径上磁道，其中，每英寸半径上磁道 数又称数又称道密度道密度，单位为，单位为TPI(track per inch)；每英寸磁道上存储的位每英寸磁道上存储的位 数又称数又称位密度位密度，单位为，单位为BPI(bit per inch)。 磁盘的存取时间比磁盘的存取时

18、间比DRAM慢慢100000倍，从而在现今计算机的主存倍，从而在现今计算机的主存 和次级存储器间造成了巨大的存取时间缺口。和次级存储器间造成了巨大的存取时间缺口。 2.3 存储设备存储设备 光盘光盘 光盘存储容量大，成本低，存放期限长，存储密度高。光盘存储容量大，成本低，存放期限长，存储密度高。 光盘分为光盘分为只读型只读型( (CD-ROM) )、WORM(一次写一次写 多次读多次读) )型型和和 可擦写型可擦写型。只读型用于软件开发，可擦写型只能用于数据备。只读型用于软件开发，可擦写型只能用于数据备 份，不能作为次级存储器。份，不能作为次级存储器。 磁带磁带 磁带与磁盘很相似，不同之处是磁

19、盘在一个有限大小的磁带与磁盘很相似，不同之处是磁盘在一个有限大小的 面积上进行读写，存取速度快；而磁带存储面积是个面积上进行读写，存取速度快；而磁带存储面积是个“无限无限” 的带，只能的带，只能串行存取串行存取，速度慢速度慢，容量大容量大，常作为磁盘的后备，常作为磁盘的后备 介质使用。介质使用。 磁带容易缠断和断裂，可采用螺旋扫描带磁带容易缠断和断裂，可采用螺旋扫描带( (helical scan tapes) )技术解决：让磁带以一固定速度旋转，而沿着磁道的技术解决：让磁带以一固定速度旋转，而沿着磁道的 对斜线，用一个转的比磁带快的多的读写头记录数据。对斜线，用一个转的比磁带快的多的读写头记

20、录数据。 2.3 存储设备存储设备 廉价磁盘冗余阵列（廉价磁盘冗余阵列（Redundant Array of Inexpensive Disk）的的 基本思想是使用多个磁盘存储数据，并行的读写，提高数据传输带基本思想是使用多个磁盘存储数据，并行的读写，提高数据传输带 宽。为了提高数据的可靠性，数据是冗余存储的。具有容量大，数宽。为了提高数据的可靠性，数据是冗余存储的。具有容量大，数 据传输快，功耗低，体积小，成本低。据传输快，功耗低，体积小，成本低。 RAID中的数据并行存储造作对中的数据并行存储造作对CPU是透明的。多个磁盘驱动是透明的。多个磁盘驱动 器在逻辑上构成一个磁盘，系统的数据分布在

21、各磁盘上的操作有磁器在逻辑上构成一个磁盘，系统的数据分布在各磁盘上的操作有磁 盘控制器完成。见图盘控制器完成。见图6-2。 在图在图6-2中，中，控制处理器控制处理器是是RAID的控制中心的控制中心，接收和分析主机，接收和分析主机 操作命令，调度和管理磁盘阵列数据通道，组织和执行设备命令等。操作命令，调度和管理磁盘阵列数据通道，组织和执行设备命令等。 控制处理器运行一个控制软件控制处理器运行一个控制软件，执行初始化、接口规范处理、命令，执行初始化、接口规范处理、命令 序列优化处理、地址转换、数据通道管理等功能。序列优化处理、地址转换、数据通道管理等功能。数据通道数据通道在控制在控制 处理器控制

22、下，实现数据的分配与集中、缓冲、奇偶校验等。处理器控制下，实现数据的分配与集中、缓冲、奇偶校验等。控制控制 接口接口是阵列与主机接口，实现主机和磁盘阵列的通信、数据传送和是阵列与主机接口，实现主机和磁盘阵列的通信、数据传送和 控制信号的传递；控制信号的传递；设备接口设备接口是直接连磁盘驱动器的接口。是直接连磁盘驱动器的接口。 2.4 廉价磁盘冗余阵列廉价磁盘冗余阵列（RAID) 图图6-2 RAID结构图结构图 2.4 廉价磁盘冗余阵列廉价磁盘冗余阵列（RAID) 控制接口控制接口控制处理器控制处理器 设备接口设备接口设备接口设备接口 数据通路数据通路 设备接口设备接口 主主 机机 总总 线线

23、 RAID级别级别最多允许失败的磁盘数最多允许失败的磁盘数数据盘数数据盘数校验盘个数校验盘个数 0.非冗余非冗余080 1.“镜像镜像”188 2.海明码纠错海明码纠错184 3.位奇偶校验位奇偶校验181 4.块奇偶校验块奇偶校验181 5.块奇偶校验，分布存储块奇偶校验，分布存储181 6.P+Q冗余冗余282 表表6-3 RAID的分级实现的可靠性的分级实现的可靠性 RAID有几种实现功能，分成六个级别，分别称有几种实现功能，分成六个级别，分别称RAID1- RAID6，表表6-3列出了非冗余磁盘阵列列出了非冗余磁盘阵列(RAID0)和各和各RAID级级 别的实现特性。别的实现特性。 2

24、.4 廉价磁盘冗余阵列廉价磁盘冗余阵列（RAID) 程序控制程序控制 I/O处理器处理器 3. I/O子系统的控制方式子系统的控制方式 CPU M I/O 图图6-4(a) I/O系统的三种管理方式系统的三种管理方式 数据数据 3.1 程序控制程序控制 程序控制程序控制 在早期，计算机在早期，计算机I/O子系统的控制直接由子系统的控制直接由CPU来完成，如图来完成，如图 6-4(a)，由由CPU执行启动，测试执行启动，测试I/O设备，进行数据传输。这种设备，进行数据传输。这种 方式不需专门的硬件，简单的计算机系统都用这种方式。但方式不需专门的硬件，简单的计算机系统都用这种方式。但I/O 设备的

25、工作速度比设备的工作速度比CPU慢的多，慢的多，CPU多数时间是在等待，效率多数时间是在等待，效率 较低。较低。 3.1 程序控制程序控制 中断驱动的中断驱动的I/O控制控制 在程序控制方式（又称在程序控制方式（又称轮询方式轮询方式）中，计算机）中，计算机CPU周期性的进入周期性的进入 I/O控制操作处理外设的控制操作处理外设的I/O事务，而不管该外设此时是否需要进行事务，而不管该外设此时是否需要进行 I/O处理。而处理。而CPU一旦进入一旦进入I/O控制操作就不能作其它工作，从而大大控制操作就不能作其它工作，从而大大 降低了降低了CPU效率。为此，采用效率。为此，采用中断驱动的中断驱动的I/

26、O控制控制，如图，如图6-4(b)，只有只有 在在I/O设备需要设备需要CPU的控制操作时，才向的控制操作时，才向CPU发出中断请求，使其转发出中断请求，使其转 向为向为I/O系统服务，而平时系统服务，而平时CPU可以处理其它工作。中断处理时可以处理其它工作。中断处理时CPU 与与I/O间传递数据速度还不够快。间传递数据速度还不够快。 CPU M I/O 图图6-4(b) I/O系统的三种管理方式系统的三种管理方式 数据数据 中断中断 信号信号 中断方式不仅提高了中断方式不仅提高了CPU的效率，而且使的效率，而且使CPU 可同时控制多个可同时控制多个I/O设备，但中断方式仍然需要设备，但中断方

27、式仍然需要CPU 的干预，并且中断方式是作为程序控制方式的的干预，并且中断方式是作为程序控制方式的“改改 进进”出现的，但如果出现的，但如果I/O设备的速度足够快，采用中设备的速度足够快，采用中 断方式时断方式时I/O设备就会不停地向设备就会不停地向CPU发出中断，此时，发出中断，此时， 中断引起的保存现场等开销就会很严重，反而不如中断引起的保存现场等开销就会很严重，反而不如 有程序控制有程序控制CPU轮询操作好，因此，采用中断还是轮询操作好，因此，采用中断还是 程序轮询方式控制程序轮询方式控制CPU与与I/O设备的速度有关。设备的速度有关。 3.1 程序控制程序控制 CPU M DMA控制器

28、控制器 I/O 直接存储器访问直接存储器访问”（direct memory access，DMA） 中断方式和程序方式必须借助中断方式和程序方式必须借助CPU完成完成I/O设备的控制方式。为了减轻设备的控制方式。为了减轻 CPU的负担，采用一个名为的负担，采用一个名为“直接存储器访问直接存储器访问”的部件协助的部件协助CPU进行数据进行数据 传输方面的操作，如图传输方面的操作，如图6-4(c)。在在CPU完成必要的完成必要的I/O控制之后，不是由控制之后，不是由CPU 来传递来传递I/O数据，而由数据，而由DMA根据根据CPU传递的参数（起始地址、长度等），直传递的参数（起始地址、长度等），直

29、 接在接在I/O设备与存储器之间快速传递大量数据，传完之后再通过中段通知设备与存储器之间快速传递大量数据，传完之后再通过中段通知 CPU。 图图6-4(c) I/O系统的三种管理方式系统的三种管理方式 3.1 程序控制程序控制 DMA管理的管理的I/O系统的主要问题是在传送时仍占用总线，会与系统的主要问题是在传送时仍占用总线，会与 CPU产生争用，此外仍需产生争用，此外仍需CPU完成一些控制工作。为此，使用一个叫完成一些控制工作。为此，使用一个叫 I/O处理器（处理器（I/O processor）或称或称I/O通道（通道（I/O channel）的设备来代替的设备来代替 CPU来控制来控制I/

30、O设备。这样的设备。这样的I/O子系统有更强的功能，它执行自己的子系统有更强的功能，它执行自己的 程序，除了完成数据传送外还可以进行数据的变换、装配校验等工作，程序，除了完成数据传送外还可以进行数据的变换、装配校验等工作， 使使CPU进一步摆脱输入输出操作的负担。进一步摆脱输入输出操作的负担。I/O通道管理通道管理I/O总线，这是总线，这是 将将I/O设备与设备与I/O处理器连起来的总线，而计算机内部总线则是另一条处理器连起来的总线，而计算机内部总线则是另一条 在一个总线控制器控制下的高速同步总线。当在一个总线控制器控制下的高速同步总线。当I/O处理器要传数据到内处理器要传数据到内 存时，它的

31、总线控制器发送使用内部总线请求，由其统一安排对计算存时，它的总线控制器发送使用内部总线请求，由其统一安排对计算 机内部总线的使用。机内部总线的使用。I/O处理器一般就是一个通用处理器，与计算机的处理器一般就是一个通用处理器，与计算机的 通用处理器通用处理器CPU协同工作，但也可以是专门为协同工作，但也可以是专门为I/O设备设计的专用处理设备设计的专用处理 器。器。有时，把多进程操作系统里的有时，把多进程操作系统里的I/O管理进程也成为软件意义上的管理进程也成为软件意义上的 I/O处理器处理器。为适应兼容性方面的要求，这样的。为适应兼容性方面的要求，这样的软件处理器软件处理器通常分为几通常分为几

32、 个层次如个层次如用户界面层用户界面层、设备无关层设备无关层、设备驱动器中断处理设备驱动器中断处理等。等。 3.2 I/O处理器处理器 P M I/O通道通道 I/O I/O 总线主控总线主控 控制控制 I/O总线总线 图图6-5 I/O通道结构图通道结构图 在这里我们看一下硬在这里我们看一下硬 件通道的情况，图件通道的情况，图6-5是典是典 型的具有通道的计算机系型的具有通道的计算机系 统结构图，这种结构图正统结构图，这种结构图正 如我们前面所讲的有两种如我们前面所讲的有两种 总线：总线：存储总线存储总线(内部总线）内部总线） 和和通道总线（通道总线（I/O总线）。总线）。 一条通道总线一条

33、通道总线可以连可以连几个设备控制器几个设备控制器，一个设备控制，一个设备控制 器也可一连几个设备。从逻辑结构讲，有了器也可一连几个设备。从逻辑结构讲，有了I/OI/O通道后，通道后， I/OI/O设备连接可以分为四层：设备连接可以分为四层： CPUCPU通道处理器通道处理器设备控制器设备控制器设备设备 3.2 I/O处理器处理器 对于同一系列的机器，通道与设备控制器间有统一标准接口，设备控制器对于同一系列的机器，通道与设备控制器间有统一标准接口，设备控制器 与具体设备间有专用接口，大中型计算机系统一般都接有多个通道，对不同类与具体设备间有专用接口，大中型计算机系统一般都接有多个通道，对不同类

34、型的型的I/O设备可进行分类管理。设备可进行分类管理。 存储管理部件（对应图存储管理部件（对应图6-5中的总线适配器）是存储总线的控制部件，它中的总线适配器）是存储总线的控制部件，它 的主要任务是根据事先确定的优先次序（由硬件设定或软件决定）决定下个周的主要任务是根据事先确定的优先次序（由硬件设定或软件决定）决定下个周 期由哪个部件使用存储总线。由于大多数期由哪个部件使用存储总线。由于大多数I/O设备读写信号有实时性，不及时设备读写信号有实时性，不及时 处理将丢失数据，所以通道的优先权较高，而高速设备通道的优先权高于一般处理将丢失数据，所以通道的优先权较高，而高速设备通道的优先权高于一般 设备

35、的通道优先权。设备的通道优先权。 通道通道的的基本功能基本功能是是执行通道命令执行通道命令，组织外围设备和内存进行数据传输组织外围设备和内存进行数据传输，按按 I/O指令要求启动指令要求启动I/O设备设备，向向CPU报告中断报告中断等，具体是：接收等，具体是：接收CPU的的I/O指令，指令， 按指令要求与指定的按指令要求与指定的I/O设备进行通讯。从内存选取属于通道程序的通道指令，设备进行通讯。从内存选取属于通道程序的通道指令， 经译码后向设备控制器和设备发送各种命令，组织外围设备和内存进行数据传经译码后向设备控制器和设备发送各种命令，组织外围设备和内存进行数据传 递并根据需要给数据提供中间缓

36、存的空间，以及提供数据存入内存的地址和传递并根据需要给数据提供中间缓存的空间，以及提供数据存入内存的地址和传 送的数据量，并从外围设备得到设备的状态信息，形成并保存通道本身的状态送的数据量，并从外围设备得到设备的状态信息，形成并保存通道本身的状态 信息，根据要求将这些状态信息送到内存指定单元供信息，根据要求将这些状态信息送到内存指定单元供CPU使用，将外围设备的使用，将外围设备的 中断请求和通道本身的中断请求按次序报告给中断请求和通道本身的中断请求按次序报告给CPU。 3.2 I/O处理器处理器 CPU对通道的管理通过对通道的管理通过I/O指令和处理来自通道的中断指令和处理来自通道的中断 来实

37、现。一般来实现。一般把把CPU运行操作系统的核心，管理程序的状态运行操作系统的核心，管理程序的状态 称称管态管态，而，而把把CPU执行目标程序的状态称执行目标程序的状态称目态目态。一般多用户。一般多用户 操作系统只允许在管态下对通道进行操作，以使操作系统只允许在管态下对通道进行操作，以使I/O资源能为资源能为 各用户共享，并保证操作系统安全。通道通过指令使用设备各用户共享，并保证操作系统安全。通道通过指令使用设备 控制器进行数据传送操作，并以控制器进行数据传送操作，并以通道状态字通道状态字（channel state word，CSW）接收设备状态器反映的接收设备状态器反映的I/O设备状态，因

38、此设备状态，因此设设 备控制器备控制器是是通道对通道对I/O设备实现传输控制的执行机构设备实现传输控制的执行机构。它的。它的任任 务务是接收通道指令，控制是接收通道指令，控制I/O设备完成要求的操作，向通道反设备完成要求的操作，向通道反 映映I/O设备的状态；将各种设备的状态；将各种I/O设备的不同信号转为通道能识设备的不同信号转为通道能识 别的标准信号等。根据通道工作的方式，通道分为别的标准信号等。根据通道工作的方式，通道分为选择通道选择通道， 数组多路通道数组多路通道，字节多路通道字节多路通道和和通道适配器通道适配器四种。四种。 3.2 I/O处理器处理器 选择通道选择通道又称又称高速通道

39、高速通道，它的特点是可连接多个设备，但这些设，它的特点是可连接多个设备，但这些设 备不能同时工作，选择通道一次只能选择一个设备进行工作，这种通备不能同时工作，选择通道一次只能选择一个设备进行工作，这种通 道主要连接高速设备，如磁盘、磁带等，信息以成组方式高速传输。道主要连接高速设备，如磁盘、磁带等，信息以成组方式高速传输。 数组多路通道数组多路通道：在设备进行数据传送时设备只为该设备服务；当：在设备进行数据传送时设备只为该设备服务；当 设备进行寻址等控制性机械动作时，通道暂时断开与该设备的连接，设备进行寻址等控制性机械动作时，通道暂时断开与该设备的连接， 为其它设备去服务。它既保留了选择通道高

40、速传输数据的特点，有充为其它设备去服务。它既保留了选择通道高速传输数据的特点，有充 分利用了机械辅助操作的时间间隔为其它设备服务，使通道的效率充分利用了机械辅助操作的时间间隔为其它设备服务，使通道的效率充 分得到发挥，在实际系统中得到较多应用。分得到发挥，在实际系统中得到较多应用。 字节多路通道字节多路通道用于连接低速设备，如纸带输入机、打印机等，这用于连接低速设备，如纸带输入机、打印机等，这 些低速设备的传输速率低，例如纸带输入机的数据传输率是些低速设备的传输速率低，例如纸带输入机的数据传输率是10001000字节字节 / /s s，字节间的传输间隔是字节间的传输间隔是1 1msms，而通道

41、从设备接收或者发送一个字节只而通道从设备接收或者发送一个字节只 有不到有不到1 1msms，因此通道在字节间有很多空闲时间，字节多路通道可以用因此通道在字节间有很多空闲时间，字节多路通道可以用 这段空闲时间为其它设备服务。这段空闲时间为其它设备服务。 3.2 I/O处理器处理器 字节多路通和数组多路通道都是分时复用通道。在一段时间内字节多路通和数组多路通道都是分时复用通道。在一段时间内 能交替执行多个设备的通道程序，使这些设备同时工作。但它们的能交替执行多个设备的通道程序，使这些设备同时工作。但它们的 不同之处不同之处: : 第一，第一，数组多路通道数组多路通道虽然允许虽然允许多个设备多个设备

42、同时工作，但同时工作，但只允许一只允许一 个设备进行传输型操作个设备进行传输型操作，而其它设备只能进行控制型操作；，而其它设备只能进行控制型操作；字节多字节多 路通道路通道不仅允许不仅允许多个设备同时工作多个设备同时工作，而且允许它们，而且允许它们同时传输数据同时传输数据。 其二，其二，数组多路通道与设备间的数据传送的基本单位数组多路通道与设备间的数据传送的基本单位是是数据块数据块， 而而字节多路通道与设备间的数据传送的基本单位字节多路通道与设备间的数据传送的基本单位是是字节字节，通道为，通道为 一个设备传送一个字节以后，又可以为另一个设备传送一个字节，一个设备传送一个字节以后，又可以为另一个

43、设备传送一个字节， 因此各设备与通道间的数据传送以字节为单位交替进行。因此各设备与通道间的数据传送以字节为单位交替进行。 在某些系统中，除配置上述三类型的通道外，还配置在某些系统中，除配置上述三类型的通道外，还配置通道适配通道适配 器器，这是一种将通道与某些设备控制器结合在一起的专用性质的通，这是一种将通道与某些设备控制器结合在一起的专用性质的通 道，它与某些特定类型设备连接，它的逻辑设计是针对专用设备的，道，它与某些特定类型设备连接，它的逻辑设计是针对专用设备的， 适配器与设备间有专用接口线。适配器与设备间有专用接口线。 3.2 I/O处理器处理器 4. 总线总线 总线分类与选择总线分类与选

44、择 总线标准总线标准 总线（总线（bus）是计算机各部分之间联系通讯的是计算机各部分之间联系通讯的 纽带，它把计算机各子系统连接在一起，总线可以纽带，它把计算机各子系统连接在一起，总线可以 容易地接纳计算机的新部件，并且成本较低。总线容易地接纳计算机的新部件，并且成本较低。总线 的主要问题是它有通讯瓶颈，当几个部件争用时，的主要问题是它有通讯瓶颈，当几个部件争用时， 总线会使计算机子系统的性能下降，所以，总线的总线会使计算机子系统的性能下降，所以，总线的 设计是很重要的。设计是很重要的。 4.1 总线分类与选择总线分类与选择 总线的分类总线的分类 总线可以有几种分类方式，按允许的总线可以有几种

45、分类方式，按允许的数据传送方向数据传送方向分：分： 单向传输总线单向传输总线和和双向传输总线双向传输总线。双向传输总线又可以分为。双向传输总线又可以分为半半 双工双工和和全双工全双工的。的。 按按用途用途分：分：专用总线专用总线和和共享总线共享总线。 按按数据线的宽度数据线的宽度分：分：8位位、16位位、 32位位和和64位位总线等。总线等。 传统上最常见的分类：传统上最常见的分类：存储器总线存储器总线和和I/O总线总线。与存储。与存储 器总线相比，器总线相比，I/O总线总线相对更长，可连接更多设备，适应更相对更长，可连接更多设备，适应更 多的数据宽度，通常还有一定的标准。而多的数据宽度，通常

46、还有一定的标准。而存储器总线存储器总线所连接所连接 的设备一般在设计时确定，可以进行专用的优化设计。的设备一般在设计时确定，可以进行专用的优化设计。 总线传输周期总线传输周期 一个总线周期可分为两个阶段：一个总线周期可分为两个阶段：地址传送阶段地址传送阶段和和数据数据 传送阶段传送阶段。 总线传输一般可分为两种类型：总线传输一般可分为两种类型：“读读”操作操作，这时数，这时数 据从内存流向据从内存流向I/O设备或设备或CPU； “写写”操作操作，这时数据从，这时数据从 CPU及及I/O设备流向内存设备流向内存 。在。在“读读”操作时操作时， I/O设备或设备或 CPU先送出地址信号和控制信号，

47、内存根据这些相应的数先送出地址信号和控制信号，内存根据这些相应的数 据送到总线；据送到总线； “写写”操作类似操作类似， 只是只是CPU或或I/O外设必须外设必须 在送出地址、控制信号的同时把数据送出。为了解决总线在送出地址、控制信号的同时把数据送出。为了解决总线 上各设备（上各设备（CPU，内存与内存与I/O设备）的速率匹配，一般还得设备）的速率匹配，一般还得 引入一个引入一个“等待等待”信号信号。 总线传输周期示意图详见图总线传输周期示意图详见图6-6。 4.1 总线分类与选择总线分类与选择 时钟时钟 地址地址 数据数据 读信号读信号 等待信号等待信号 图图6-6 典型的总线读周期图示典型

48、的总线读周期图示 4.1 总线分类与选择总线分类与选择 4.1 总线分类与选择总线分类与选择 总线存在的问题总线存在的问题 总线仲裁：总线仲裁：对于复杂的一些总线，可能有几个总线主设备存在，它们都对于复杂的一些总线，可能有几个总线主设备存在，它们都 可以启动总线操作。由于可以启动总线操作。由于同一时间只能有一个主设备使用总线同一时间只能有一个主设备使用总线，就产生了，就产生了总总 线仲裁问题线仲裁问题。为了实现仲裁，可以用。为了实现仲裁，可以用集中式控制集中式控制（仲裁部件是一个专门部件）（仲裁部件是一个专门部件） 或者或者分布式控制分布式控制（各总线设备自行控制决定使用总线）的方法，一般都有

49、一（各总线设备自行控制决定使用总线）的方法，一般都有一 个固定的优先级顺序，保证总线使用的公平和高效率。个固定的优先级顺序，保证总线使用的公平和高效率。 总线传输方式：总线传输方式：一般有两种方法，一般有两种方法，单数据传递单数据传递和和块传递块传递。在。在单数据传递单数据传递 技术技术中，中，一个总线主设备向总线仲裁器发一个请求，然后在整个传输操作期一个总线主设备向总线仲裁器发一个请求，然后在整个传输操作期 间独占总线间独占总线。块传递块传递又称作又称作连接连接/解除连接技术解除连接技术或或流水线总线流水线总线或或分组交换总分组交换总 线线。图。图6-7是采用分离操作技术后总线操作示意图。是

50、采用分离操作技术后总线操作示意图。 同步问题：同步问题：即即总线信号总线信号和和总线时钟总线时钟的关系。有三种方式：的关系。有三种方式：同步同步、半同步半同步 和和异步异步。同步总线同步总线表示各信号必须按一个固定的时刻发出表示各信号必须按一个固定的时刻发出，异步总线异步总线表示信表示信 号的发出时刻是任意的号的发出时刻是任意的，半同步半同步是以上两种方式的混合，它的信号必须和时是以上两种方式的混合，它的信号必须和时 钟有一定的关系钟有一定的关系。三种方式各有优劣。三种方式各有优劣。 地址 数据 等待 采用采用分离传输技术分离传输技术，读操作被分为一个输出地址的读请求操作和一个读操作被分为一个

51、输出地址的读请求操作和一个 传递数据的存储器应答操作，这些操作都加上标识，以便通讯双方能知道传递数据的存储器应答操作，这些操作都加上标识，以便通讯双方能知道 谁是谁，当内存正在执行前一个读操作时，总线上就能为下一个读操作准谁是谁，当内存正在执行前一个读操作时，总线上就能为下一个读操作准 备好地址，从而使得数据读出与地址输入能交叉进行，提高了总线带宽。备好地址，从而使得数据读出与地址输入能交叉进行，提高了总线带宽。 但与简单的单数据读出比较，分离操作总线的时延较大。但与简单的单数据读出比较，分离操作总线的时延较大。 4.1 总线分类与选择总线分类与选择 图图6-7 分离操作总线的操作周期示意图分

52、离操作总线的操作周期示意图 4.1 总线分类与选择总线分类与选择 同步方式同步方式，数据的传输在一个共同的时钟控制下进行，总线的操作有固定的，数据的传输在一个共同的时钟控制下进行，总线的操作有固定的 时序，设备不需判断下一步应采取什么动作，实现简单，成本低，速度也较快。时序，设备不需判断下一步应采取什么动作，实现简单，成本低，速度也较快。 主要有两个主要有两个缺点缺点：一是所有的设备只能按一个速度工作，即所有设备都按最慢设：一是所有的设备只能按一个速度工作，即所有设备都按最慢设 备速度工作；二是同步总线长度受到限制，太长容易发生时钟变形。备速度工作；二是同步总线长度受到限制，太长容易发生时钟变

53、形。 异步方式下异步方式下，总线操作时序不是固定的，每个操作步骤由一个信号来标识，总线操作时序不是固定的，每个操作步骤由一个信号来标识， 根据控制信号间的时序关系，异步方式又可以分为根据控制信号间的时序关系，异步方式又可以分为互锁的互锁的和和非互锁的非互锁的。互锁方式。互锁方式 采用握手协议来协调动作。采用握手协议来协调动作。缺点缺点是是控制比较复杂，对噪声较敏感控制比较复杂，对噪声较敏感。异步方式异步方式可以可以 连接更多种类的设备连接更多种类的设备，可使用任意长度总线而无时钟变形或同步问题。，可使用任意长度总线而无时钟变形或同步问题。它在每次它在每次 传输前都要有控制信号，增加了开销，所以

54、选择同步方式还是异步方式的关键就传输前都要有控制信号，增加了开销，所以选择同步方式还是异步方式的关键就 在于：连接距离、设备数和所需带宽。在于：连接距离、设备数和所需带宽。 半同步方式半同步方式是上述两种方式的折衷方案。系统也有一个集中的时钟，控制信是上述两种方式的折衷方案。系统也有一个集中的时钟，控制信 号的出现受时钟信号的支配，各信号间的间隔是时钟周期的整数倍，相当于在同号的出现受时钟信号的支配，各信号间的间隔是时钟周期的整数倍，相当于在同 步总线中增加了等待协议，从而避免了同步总线中在操作速度不确定时的性能下步总线中增加了等待协议，从而避免了同步总线中在操作速度不确定时的性能下 降。降。

55、半同步方式半同步方式实际上是实际上是将时间量规范化的将时间量规范化的异步方式异步方式，也是实际常用的一种异步，也是实际常用的一种异步 方式，且半同步方式具有同步方式受信号噪音影响小的优点。方式，且半同步方式具有同步方式受信号噪音影响小的优点。 长 时钟 变形 短 同步方式更好 异步方式更好 相近I/O设备速度 相差大 图图6-9 异步和同步方式比较异步和同步方式比较 4.1 总线分类与选择总线分类与选择 4.2 总线标准总线标准 I/O系统中，系统中，I/O设备的数量和种设备的数量和种 类是不断变化的，为了适应这种变化，类是不断变化的，为了适应这种变化， I/O设备接口和总线设计者必须遵循一设

56、备接口和总线设计者必须遵循一 定的标准进行总线和定的标准进行总线和I/O设备接口设计。设备接口设计。 标准标准是是一些指导互联的规范一些指导互联的规范，可以，可以让让 两方面的设计者分别工作两方面的设计者分别工作，而，而又能设又能设 计出互相兼容的装置计出互相兼容的装置。 4.2 总线标准总线标准 总线标准形成的三种途径总线标准形成的三种途径: 1. 由某些计算机厂家首先提出，随后逐渐被其它计算由某些计算机厂家首先提出，随后逐渐被其它计算 机厂商使用而形成的所谓机厂商使用而形成的所谓事实标准事实标准的（的（facto standards），）， 如如IBM PC-AT总线、总线、DEC、PDP

57、-11 Unibus和和Qbus等。等。 2. 如果总线足够成功，由总线专利创始人提出建议，如果总线足够成功，由总线专利创始人提出建议， 将其总线规范由专家给予技术评价和修改，进而被标准化将其总线规范由专家给予技术评价和修改，进而被标准化 组织如组织如CNSI或或IEEE采用而纳入国家或国际标准，如采用而纳入国家或国际标准，如Intel 的的Multibus 5100总线。总线。 3. 由专家小组在标准化组织的主持下从事开发和制定由专家小组在标准化组织的主持下从事开发和制定 总线标准的工作，标准以一种自上而下的方式普及，如总线标准的工作，标准以一种自上而下的方式普及，如 FutmeBus，Fo

58、otBus 及著名的及著名的PCI等。等。 4.2 总线标准总线标准 EISA总线总线 EISA总线是在总线是在IBM-PC上的上的ISA总线基础上发总线基础上发 展起来的展起来的32位总线位总线（时钟频率时钟频率33MHz ）。）。ISA总线总线 也称也称AT总线，是总线，是IBM为为PC/XT设计的总线标准，原设计的总线标准，原 先宽度先宽度16位，时钟频率位，时钟频率8.33MHz。 EISA在在ISA的基础上扩展了的基础上扩展了DMA通道、多处理通道、多处理 器方式的裁决、共享中断和配置管理功能。增加了器方式的裁决、共享中断和配置管理功能。增加了 块块DMA方式，允许方式，允许8个个D

59、MA控制器按指定优先级占控制器按指定优先级占 用用DMA设备，从而可允许多用户操作。设备，从而可允许多用户操作。EISA还提还提 供了中断共享功能，允许用户配置各个设备共享一供了中断共享功能，允许用户配置各个设备共享一 个中断。个中断。 4.2 总线标准总线标准 SCSI 总线总线 SCSI（small computer system interface 小型计算机接口）小型计算机接口） 是一种来源于数组多种通道的是一种来源于数组多种通道的I/O总线，它最初是用于大中型总线，它最初是用于大中型 计算机系统的，后来才一直到小型微型计算机系统上。计算机系统的，后来才一直到小型微型计算机系统上。 S

60、CSI是磁盘存储设备的接口，具有灵活性、设备独立性等是磁盘存储设备的接口，具有灵活性、设备独立性等 特点，在磁带设备、打印设备、光盘设备等特点，在磁带设备、打印设备、光盘设备等I/O设备接口中得设备接口中得 到普遍应用，并发展到许多新的到普遍应用，并发展到许多新的I/O设备和计算机网络、计算设备和计算机网络、计算 机工业控制等领域。机工业控制等领域。 采用采用SCSI总线，主机通过适配器以总线，主机通过适配器以SCSI总线连接。总线连接。SCSI 可连接多个适配器和多个外设控制器，每个外设控制器可控制可连接多个适配器和多个外设控制器，每个外设控制器可控制 一个或多个外设，控制器与外设之间的通讯