第6章 计算机输入输出系统

1、第六章 输入输出系统输出设备输出设备放电荧光体电极光线玻璃透明电极滚筒打印纸色带打印针针管线圈铁心衔铁气泡输入设备输入设备游标图形板电缆红外线屏幕接收头发射头外存储设备n磁盘 磁道，扇区，柱面 软盘、硬盘 访问过程n磁带n光盘只读型WORM型可擦写型 1 0 0 0 0 00 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0凹坑铝泊密封基片记录数字设备块设备6.1 输入输出总线6.1.1 总线数据传输方式1. 1. 串行传输串行传输2. 2. 并行传输并行传输3. 3. 复合传输复合传输4. 4. 消息传输消息传输串行传输n波特率与比特率n同步与异步(a) 连接方式串行传

2、输T1 T2 T3 T4 T5 T6 0 1 0 1 0 0(b) 信号时序串/并转换并/串转换例例6-1 在一个串行传输系统中，每秒可传输10个数据帧，每个数据帧包含1个起始位、8个数据位和2个结束位，试求其波特率和比特率。解：解：在每个帧中有1个起始位、8个数据位和2个结束位，总共11位，那么波特率就是1110=110 bps因为每个帧中的数据位为8位，所以比特率为810=80 bps并行传输n每个数据位都需要单独一条传输线n并串行的传输方式n猝发式数据传输模式复合传输n总线复用消息传输方式n消息 一种有固定格式的数据nRamLink, PCI, SCSI单端方式与差分方式(b) 差分方式

3、(a) 单端方式地线波公共地信号线波负信号负信号线波正信号线波正信号信号6.1.2 总线的通信同步方式1. 同步通信串行同步：信号编码并行同步：专用时钟信号线优点：时序关系简单，实现简单。缺点：在设备速度不一致时按最坏情况确定，不能太长。实例：EIDE硬盘接口总 线 时 钟地 址数 据 t0 t1 t2 t3图 6-2 同 步 总 线 的 数 据 传 输 时 序2. 异步通信n串行异步通信：起始检测n并行异步通信：握手信号n非互锁：地址与模式就绪应答n全互锁：（四边沿协议）2. 异步通信(续)n3. 半同步方式地址与模式CLK就绪应答t4t3t2t1t0例例 对于具有图示的操作时序的总线，试计

4、算总线的数据传输速率，假设总线上传输的每个字为32位，总线时钟频率为50MHz。解：解：从图中可见，该总线在5个时钟周期内传输了一个数据字。总线的数据传输带宽为:1/5=0.2 (字/时钟周期)即0.2501064=40106 (字节/秒)地址与模式CLK就绪应答t4t3t2t1t0例例6-3在一个采用100MHz时钟的总线中，采用了块传输方式以支持块长为4个字的cache，每字的长度为4个字节。(1) 对于读操作，访问顺序是1个周期接受地址，2个周期延迟，4个周期用于传输4个字。问读操作的总线数据传输速率是多少？(2) 对于写操作，访问顺序是1个周期接受地址，1个周期延迟，4个周期用于传输4

5、个字。问写操作的总线数据传输速率是多少？(3) 如果总线的数据传输中80%为读操作，20%为写操作，问总线的平均数据传输速率是多少？解(1) 读操作时总线周期为1+2+4=7个时钟周期，传输的数据为44=16字节，数据传输速率为16100M/7=228.57MB/s(2) 写操作时总线周期为1+1+4=6个时钟周期，传输的数据为44=16字节，数据传输速率为16100M/6=267.67MB/s(3) 总线的平均数据传输速率是0.8228.57 + 0.2266.67 = 182.856 + 53.334 = 236.19 MB/s例例6-4在一个32位总线中，时钟频率为33MHz，总线数据传

6、输的周期是7个时钟周期传输4个字的数据块，(1) 问总线的数据传输率是多少？(2) 为了提高数据传输率，将总线的数据线改为8个字的块，使得总线在11个时钟周期传输8个字的数据块，问这时总线的数据传输率是多少？(3) 如果不改变数据块的大小，而是将时钟频率加倍，问这时总线的数据传输率是多少？解(1) 每个字为32位，总线在7个时钟周期传输了16个字节，传输率为:R = 16B/733MHz = 75.43106B/S(2) 总线在11个时钟周期传输了32个字节，传输率为: R = 32B/1133MHz = 96106B/S(3) 时钟频率变为66MHz，传输率为:R = 16B/766MHz

7、= 150.86106B/S6.1.3 总线的控制n主模块与从模块n总线事务 请求 裁决 地址 数据 释放总线请求和裁决总线请求和裁决1. 集中式裁决链式查询BG: 总线允许BR: 总线请求BS: 总线忙总线控制器设备 n设备 2设备 1BGBR数据BS总线请求和裁决总线请求和裁决1. 集中式裁决 计数器定时BR: 总线请求BS: 总线忙Count: 计数总线控制器设备 n设备 2设备 1BRBS数据Count总线请求和裁决总线请求和裁决1. 集中式裁决 独立请求BRx: 总线请求BGx: 总线允许总线控制器设备 n设备 2设备 1BR1BG1BR2BG2数据BRnBGn总线请求和裁决总线请求

8、和裁决n2. 分布式裁决设备 4设备 3设备 2设备 1数据线TR3TR2TR1TR0第三节第三节 总线接口总线接口n为什么要用总线接口？总线接口的基本功能:(1) 控制。 (2) 数据缓冲。 (3) 状态设置。(4) 数据转换。如并串转换或串并转换。(5) 整理。如在数据传输过程中更新字计数器。(6) 程序中断。外围设备接口的结构n接口地址地址译码器数据寄存器命令寄存器RDWE地址有效总线数据线地址线外设接口外设控制信号外设数据外设状态状态寄存器并行接口的例子内部总线WRRDRS1RS0控制电路数据总线状态控制I/O 数据I/O 数据选寄存器选寄存器写读选片CS状态寄存器控制寄存器B端寄存器

9、A端寄存器总线缓存标准并行端口(SPP)引脚信号名方向说明1STROBE#输入选通信号2DATA1输入数据最低位3DATA2输入4DATA3输入5DATA4输入6DATA5输入7DATA6输入8DATA7输入9DATA8输入数据最高位10ACKNLG输出打印机准备接收数据11BUSY输出打印机忙12PE输出无打印纸13SLCT输出打印机能工作14AUTO_FEED_XT输入打印一行后自动走纸15保留16逻辑地17机架地18保留19-30地31INIT#输入复位打印机32ERROR#输出出错33地34保留35电源通过4.7K电阻接5V36SLCTIN#输入接收数据6.2 输入输出控制n外设的寻址

10、外设的寻址 统一编址法统一编址法 存储器映像的外设寻址存储器映像的外设寻址 将接口中的控制寄存器、数据寄存器、状态寄存器和内存将接口中的控制寄存器、数据寄存器、状态寄存器和内存单元一样看待单元一样看待 接口与存储器采用不同的地址接口与存储器采用不同的地址 可以利用访存指令进行输入输出操作可以利用访存指令进行输入输出操作 单独编址法单独编址法 两个地址空间两个地址空间 访问存储器和访问外围设备采用不同的指令访问存储器和访问外围设备采用不同的指令地址CPUM/IO地址 内存选择地址 外设选择实现输入输出数据传送的方式n程序控制方式程序控制方式 程序查询程序查询 中断中断n直接存储器访问直接存储器访

11、问(DMA)方式方式n通道方式通道方式6.2.1 程序控制方式程序控制方式n程序查询 读外设状态读外设状态 完成完成? Y Y N N Ready? 传送数据传送数据 启动外设启动外设 信号传输过程状态寄存器数据寄存器 2控制器ALU数据寄存器 1地址寄存器设备驱动电路数据寄存器地址译码器设备接口CPUMIPS汇编程序的例子addiu $7,$0,printer_addr; $7指向打印机设备地址指向打印机设备地址addiu $1,$0,data_addr; $1中包含字符串起始地址中包含字符串起始地址addiu $2,$0,count; $2中包含字符串长度中包含字符串长度addiu $3,

12、$0,rdy_bit_mask; 状态屏蔽位状态屏蔽位addiu $6, printer_statwait: lw $4,0($6); 读设备状态字位测试读设备状态字位测试and $5,$3,$4; 设备状态字屏蔽设备状态字屏蔽beq $5,$0,wait; 设备状态就绪位测试设备状态就绪位测试lw$8,0($1); 将一个数据从内存读入将一个数据从内存读入sw $8,0($7); 将该数据送入打印机将该数据送入打印机addiu $1,$1,+1; 更新字符串地址更新字符串地址addi $2,$2,-1; 更新字符串计数器更新字符串计数器bne $2,$0,wait; 循环循环中断方式中断方式

13、 数据缓存数据缓存 中断判中断判优电路优电路 接口接口 控制控制 数据寄数据寄存器存器 地址寄地址寄存器存器 中断中断屏蔽屏蔽寄存寄存器器 中断中断请求请求寄存寄存器器 接口控制接口控制 电路电路 CPU 外设外设 接口接口 WE RD IG IR 地址地址 数据数据 数据数据 完成完成 启动启动 状态寄存器状态寄存器 地址译码地址译码 命令寄存器命令寄存器 6.2.2 DMA控制方式控制方式一、基本概念一、基本概念n目的目的减少大批量数据传输时减少大批量数据传输时CPUCPU的开销。的开销。n方法方法 采用专用部件生成访存地址并控制访存过程。采用专用部件生成访存地址并控制访存过程。n传输过程

14、：传输过程： 预处理预处理 数据传输数据传输 后处理后处理二、二、DMA传送方式传送方式n问题：问题：访存冲突访存冲突n解决方法：解决方法： DMA乘存储器空闲时乘存储器空闲时访问存储器（周期挪访问存储器（周期挪用）。用）。 DMA请请求求 DMA响响应应 发发送送内内存存地地址址 内内存存地地址址加加 1 传传送送一一个个数数据据 N Y 结结束束？ DMA控制器结构控制器结构控制逻辑DS RS RD WR BR BG中断机构标志寄存器字计数器数据寄存器地址计数器系统总线IGIRDMA与CPU的连接DSRSBRBGIR外设DMA响应DMA请求DMARAMCPURD WR Add dataRD

15、 WR Add dataRD WR Add dataBRBGIR地址选择6.3 输入输出总线实例输入输出总线实例n6.3.1 EIA-232串行接口串行接口n6.3.2 IDE磁盘接口磁盘接口n6.3.3 SCSI总线总线n6.3.4 PCI总线总线6.3.1 EIA-232串行接口串行接口 1 0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1/0 1 结结束束位位 校校验验位位 起起始始位位 数据位数据位 空闲位空闲位 高高位位 低低位位 串行接收方式1. 起始位检测：起始位检测：m倍取样倍取样2. 2. 数据位取样：隔数据位取样：隔m个采样周期后取样一次，共个采样周期

16、后取样一次，共n次次3. 3. 停止位检测：隔停止位检测：隔m个采样周期后取样并检测个采样周期后取样并检测 位位时时间间 第第一一数数据据位位采采样样 起起始始位位确确定定 起起始始位位检检测测 采采样样时时刻刻 串串行行信信号号 接口结构 发送寄存器发送寄存器 发送缓存寄存器发送缓存寄存器 接收缓存寄存器接收缓存寄存器 控制控制逻辑逻辑 总线总线接口接口 接收寄存器接收寄存器 寄存器选寄存器选 片选片选 IO 写写 IO 读读 数据总线数据总线 串行输出串行输出 TxD 串行输入串行输入 RxD 例例6-5 用异步串行传输方式发送十六进制数用异步串行传输方式发送十六进制数8 A 16，数据位

17、为数据位为8位，奇校验位一位，停位，奇校验位一位，停止位一位，请画出波形图。止位一位，请画出波形图。n答：答： D2 D3 D7 D6 D5 D4 D0 D1 结结束束位位 校校验验位位 起起始始位位 通用异步接收器通用异步接收器/ /发送器发送器( (UART)UART)出错标志n1. 奇偶错误奇偶错误n2. 2. 帧错误帧错误n3. 3. 溢出溢出( (丢失丢失) )错误错误( (overrun error)overrun error)串行接口实例：串行接口实例：EIA-232EIA-232n25条信号线条信号线 请求发送请求发送RTS(Request to Send) 允许发送允许发送C

18、TS(Clear to Send) 数据终端就绪数据终端就绪DTR(Data Terminal Ready) 数据集就绪数据集就绪DSR(Data Set Ready) 载波检测载波检测CD(Carry Detect)EIA-232-D信号定义第一排引脚第二排引脚编号功能编号功能1保护接地2传输的数据(TxD)3接收的数据(RxD)4请求发送(RTS)5清除发送(CTS)6数据集就绪(DSR)7信号地8接收线信号检测(CD)9正电压10负电压11保留12第二接收线信号检测13第二清除发送14第二传输数据15传输方信号元素定时(DCE)16第二接收数据17接收方信号元素定时(DCE)18保留19

19、第二请求发送20数据终端就绪(DTR)21信号质量检测22响铃指示23数据信号速率选择(DTE到DCE)24传输方信号元素定时(DTE)25保留6.3.2 IDE磁盘接口磁盘接口SCSI 接口 ESDI 接口 ST506接口图 7-3 磁盘控制器接口格式控制写放大器读放大器时钟产生数据译码数据编码串并转换并串转换数据缓存DMA控制IDE接口定义引脚功能引脚功能2地1复位4DD83DD76DD95DD68DD107DD510DD119DD412DD1211DD314DD1313DD216DD1415DD118DD1517DD020插头键19地22地21DMARQ24地23DIOW*26地25DI

20、OR*28保留27IORDY30地29DMACK*32IOCS16*31INRQ34PDIAG*33DA136DA235DA038CS3FX*37CS1FX*40地39DASP*IDE接口定义DA0DA2寻址，与CS1FX*和CS3FX*一起使用DIOR*启动读周期DIOW*启动写周期 DD0DD15传输磁盘数据IORDY指示磁盘驱动器需要进行数据传输。IOCS1616位输入输出的控制信号，已准备送出或接受数据。DMARQ启动向磁盘驱动器或从驱动器往外传输数据DMACK*数据传输结束INTQ 驱动器中断请求DASP*驱动器有效PDIAG*诊断命令或复位的结果RESET*使驱动器在加电或重新启动

21、时回到初始状态磁盘访问时间平均访问时间 = 控制延迟 + 寻道时间 + 旋转延迟 + 传输延迟例例6-6设一个磁盘的平均寻道时间为设一个磁盘的平均寻道时间为10ms，数据数据读取的速率高于数据传输速率，数据传输速率是读取的速率高于数据传输速率，数据传输速率是2MB/s，控制器延迟是控制器延迟是2ms，盘片转速为每分钟盘片转速为每分钟5400转。求读写一个转。求读写一个512字节的扇区的平均时间。字节的扇区的平均时间。解：平均旋转延时解：平均旋转延时0.5/5400转转/分分 = 0.0056秒秒 = 5.6ms数据传输时间数据传输时间0.5KB/2.0MB/s = 0.25ms平均磁盘访问时间

22、平均磁盘访问时间 10 + 5.6 + 0.25 + 2ms = 18.85ms6.3.3 SCSI总线1. 特点特点n从通道发展而来从通道发展而来n传输速度快传输速度快n灵活性好（适用于各种外设）灵活性好（适用于各种外设）n设备独立性设备独立性n采用高级命令系统采用高级命令系统2. 信号定义线号信号名线号信号名 1GND 2DB(0) 3GND 4DB(1) 5GND 6DB(2) 7GND 8DB(3) 9GND10DB(4)11GND12DB(5)13GND14DB(6)15GND16DB(7)17GND18DB(P)19GND20GND21GND22GND23保留24保留25开路26T

23、ERMPWR27保留28保留29GND30GND31GND32ATN33GND34GND35GND36BSY37GND38ACK39GND40RST41GND42MSG43GND44SEL45GND46C/D47GND48REQ49GND50I/O信号电平信号电平：单端方式单端方式差分方式差分方式3. 总线控制n地址构成：设备地址(8个)逻辑单元号（逻辑设备号）逻辑分区地址（16到32位块地址）n通信协议：消息传递n八个阶段（操作状态）： 空闲，仲裁，选择，再选择， 命令，数据，状态，消息n两个异步条件： 注意（有消息发出），复位操作状态消息阶段状态阶段数据阶段命令阶段消息阶段再选阶段仲裁阶段

24、选择阶段空闲阶段4. 消息系统n消息的作用： 传递操作信息（如设备执行情况以及操作控制）n消息类型： 单字消息 双字消息 多字消息01 (扩展消息)n (消息长度)x (消息码)消息参数SCSI消息（一）代代码码消消息息名名说说明明00Command Complete目标设备完成一个I/O 操作02Save Data Pointer保存当前活动指针03Restore Pointers恢复命令指针、数据指针和状态指针04Disconnect断开连接05Initiator Detected error始发设备发现错误06Abort撤销操作，使总线进入空闲阶段07Message Reject不支持刚

25、才发出的消息08No operation空操作09Message Parity error上一个消息字奇偶错误0aLinked Command Complete链接命令完成0bLinked Command Complete(With Flag)链接命令完成（产生中断）SCSI消息（二）0dAbort tag撤销操作（支持排队标号）0cBus Device Reset清除目标设备的所有 I/O 进程0eClear queue清除队列0fInitiator Recovery将进入扩展意外通信条件10Release recovery终止扩展偶然通信条件11Terminate I/O Process终

26、止当前 I/O 进程20Simple queue tag21Head of queue tag22Ordered queue tag23Ignore wide residue指明将在数据阶段最后一次传输中可忽略的字节数80Identify建立通路，或恢复一个 I/O 进程5. 命令格式操作码逻辑单元号逻辑块地址长度控制字节DMA 控制器RAMROM协议控制器微处理器SCSI主机总线数据缓存SCSI适配器结构SCSI外设控制器结构设备级接口DMA 控制器RAMROM协议控制器微处理器数据缓存设备级总线SCSISCSI的发展标标准准传传输输速速率率(MB/s)数数据据宽宽度度单单端端线线路路长长度

27、度LVDHVD设设备备数数SCSI-1586-258Fast SCSI1083-258Fast Wide SCSI20163-2516Ultra SCSI2081.5-258Wide Ultra SCSI4016-2516Ultra2 SCSI408-12258Wide Ultra2 SCSI8016-122516Ultra3 SCSI16016-12-16Ultra32032016-12-16连接器和电缆类型连接器和电缆类型68 针 16 位 50 针 8 位1.9 英寸47 毫米2.7 英寸67 毫米高密度 68 针低密度 50 针1.7 英寸43 毫米2.5 英寸63 毫米68 针 16 位1.9 英寸47 毫米高密度 68 针1.7 英寸43 毫米50 欧姆欧姆90 欧姆欧姆SCSI-2 +Fast SCSI-2Fast & WideSCSI-2/SCSIUltra Wide SCSI6.3.4 PCI总线1. 主要特点主要特点n采用猝发传输方式采用猝发传输方式n速度较高速度较高n6464位可扩展位可扩展n隐含式裁决隐含式裁决n可靠性高（地址、命令和数据校验）可靠性高（地址、命令和数据校验）n三个地址空间（内存、三个地址空间（内存、I/OI/O和配置）和配置）n自动配置自动配置2. 信号定义PCI 设备INTD#INTC#INTB#INTA#TRST#TMS