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1、6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接,1.通过接口将许多子系统连接起来2.接口使用得最多的就是总线3.输入输出方式 直接传送 程序查询 中断 DMA 通道,第六章 输入/输出系统,6.5.1 总线优点：低成本、多样性缺点：必须独占使用，造成了设备信息交换的瓶颈，从而限制了系统中总的I/O吞吐量。1.总线的设计,6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接,6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接,(1)分离事务总线 在有多个主设备时，总线通过数据打包来提高总线带宽，而不必在整个传输过程中都占有总线。,6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接,(2)同步总线 同步总线上所有设备通过统一的总线系统
2、 时钟进行同步。优点：成本低，因为它不需要设备之间互相确 定时序的逻辑。缺点：总线操作必须以相同的速度运行。(3)异步总线 异步总线上的设备之间没有统一的系统时 钟，设备自己内部定时。,6.5 I/O设备与CPU和/存储器的连接,2.总线标准和实例 几种常用并行I/O总线,几种常用串行I/O总线,6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接,几种CPU-存储器互连系统,6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接,6.5.2 设备的连接1.典型的总线连接,6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接,2.CPU寻址I/O设备的方式 存储器映射I/O或统一编址 I/O设备单独编址 无论选择哪一种编址方法，每
3、个I/O设备都提供状态寄存器和控制寄存器。3.设备的连接和工作方式直接传送、程序查询、中断、DMA、I/O处理机,6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接,4.程序控制、中断和DMA方式管理外围设备会引 起两个问题：所有外围设备的I/O工作全部都要由CPU来 承担，CPU的I/O负担很重，不能专心于用 户程序的计算。大型计算机系统中的外围设备台数虽然很 多，但是一般并不同时工作。解决上述问题的方法：采用通道处理机,6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接,6.5.3 通道通道处理机能够负担外围设备的大部分I/O工作。通道处理机：能够执行有限I/O指令，并且能够被多 台外围设备共享的小型DMA专
4、用处理机。1.通道的功能,6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接,(1)接受CPU发来的I/O指令，根据指令要求选 择一台指定的外围设备与通道相连接。(2)执行CPU为通道组织的通道程序，从主存中 取出通道指令，对通道指令进行译码，并根 据需要向被选中的设备控制器发出各种操作 命令。(3)给出外围设备的有关地址，即进行读写操 作的数据所在的位置。如 磁盘存储器的柱面号、磁头号、扇区号等。,6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接,(4)给出主存缓冲区的首地址，这个缓冲区用来暂时 存放从外围设备上输入的数据，或者暂时存放将 要输出到外围设备中去的数据。(5)控制外围设备与主存缓冲区之间数据交换
5、的个数，对交换的数据个数进行计数，并判断数据传送工 作是否结束。(6)指定传送工作结束时要进行的操作。(7)检查外围设备的工作状态，是正常或故障。根据 需要将设备的状态信息送往主存指定单元保存。,6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接,(8)在数据传输过程中完成必要的格式变换。例如 把字拆卸为字节，或者把字节装配成字2.通道的主要硬件(1)寄存器部分,数据缓冲寄存器 主存地址计数器 传输字节数计数器 通道命令字寄存器 通道状态字寄存器,6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接,(2)控制部分,分时控制 地址分配 数据传送 数据装配 拆卸,3.通道对外围设备的控制通过I/O接口和设备控制 器进
6、行 通道与设备控制器之间一般采用标准的I/O 接口来连接。,6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接,4.工作过程(1)在用户程序中使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。(2)通道处理机执行CPU为它组织的通道程序，完成指定的数据I/O工作。通道处理机执行 通道程序是与CPU执行用户程序并行的。(3)通道程序结束后向CPU发中断请求。CPU响应 这个中断请求后，第二次进入操作系统，调 用管理程序对I/O中断请求进行处理。,6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接,5.通道程序、管理程序和用户程序的执行时间关系,6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接,6
7、.通道种类 通道分为三种类型 三种类型的通道与CPU、设备控制器和外围设备 的连接关系,字节多路通道 选择通道 数组多路通道,6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接,(1)字节多路通道 为多台低速或中速的外围设备服务；采用分时方式工作，依靠它与CPU之间的高 速数据通路分时为多台设备服务。(2)选择通道 为多台高速外围设备服务；传送数据期间，通道只能为一台高速外围设 备服务，在不同时间内可以选择不同设备。,6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接,(3)数组多路通道 数组多路通道适于为高速设备服务；每次选择一个高速设备后传送一个数据块，并轮流为多台外围设备服务；数组多路通道之所以能够并行地为
8、多个高 速外围设备服务，是因为这些高速外围设 备并不能在整个数据输入输出时间内单独 利用通道的全部传输能力。,6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接,7.通道中的数据传送过程(1)字节多路通道的数据传送过程 通道每连接一个外围设备，只传送一个 字节，然后又与另一台设备连接，并传送一 个字节。(2)数组多路通道的数据传送过程 每连接一台高速设备，传送一个数据块，传送完成后，又与另一台高速设备连接，再 传送一个数据块。,6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接,(3)选择通道的工作过程 每连接一个外围设备，就把这个设备的 n个字节全部传送完成，然后再与另一台设 备相连接。8.通道中数据的传送过程
9、与流量分析 动画演示,6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接,(1)通道流量 一个通道在数据传送期间，单位时间内 能够传送的最大数据量，一般用字节个数来 表示。又称为通道吞吐率，通道数据传输率等。(2)通道最大流量 一个通道在满负荷工作状态下的流量。(3)流量计算公式,6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接,TS：设备选择时间。TD：传送一个字节所用的时间。p：在一个通道上连接的设备台数，且这些设备 同时都在工作。n:每台设备传送的字节数，这里假设每台设备 传送的字节数都相同。k：数组多路通道传输的一个数据块中的包含的 字节数。在一般情况下，kn。对于磁盘、磁带等磁表面存储器，通常k=512。T：通道完成全部数据传送工作所需时间。,6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接,流量计算公式 字节多路通道 选择通道 数组多路通道,6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接,最大流量 字节多路通道 选择通道 数组多路通道,6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接,实际流量小于最大流量 字节多路通道选择通道数组多路通道,6.5 I/O设备与CPU和存储器的连接,
