第6章 計(jì)算機(jī)輸入輸出系統(tǒng)

第六章輸入輸出系統(tǒng)輸出設(shè)備顯示設(shè)備CRT液晶等離子體打印設(shè)備擊打式串行、行式點(diǎn)陣針式、字模式非擊打式噴墨激光熱轉(zhuǎn)印繪圖儀輸入設(shè)備文字輸入設(shè)備鍵盤(pán)、書(shū)寫(xiě)筆圖形輸入設(shè)備光筆、鼠標(biāo)器、數(shù)字化儀和觸摸屏圖像輸入設(shè)備掃描儀、數(shù)字式照相機(jī)和攝像頭外存儲(chǔ)設(shè)備磁盤(pán)磁道，扇區(qū)，柱面軟盤(pán)、硬盤(pán)訪問(wèn)過(guò)程磁帶光盤(pán)只讀型WORM型可擦寫(xiě)型字設(shè)備塊設(shè)備6.1輸入輸出總線6.1.1總線數(shù)據(jù)傳輸方式1.串行傳輸2.并行傳輸3.復(fù)合傳輸4.消息傳輸串行傳輸波特率與比特率同步與異步例6-1在一個(gè)串行傳輸系統(tǒng)中，每秒可傳輸10個(gè)數(shù)據(jù)幀，每個(gè)數(shù)據(jù)幀包含1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位和2個(gè)結(jié)束位，試求其波特率和比特率。解：在每個(gè)幀中有1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位和2個(gè)結(jié)束位，總共11位，那么波特率就是11×10=110bps因?yàn)槊總€(gè)幀中的數(shù)據(jù)位為8位，所以比特率為8×10=80bps并行傳輸每個(gè)數(shù)據(jù)位都需要單獨(dú)一條傳輸線并串行的傳輸方式猝發(fā)式數(shù)據(jù)傳輸模式復(fù)合傳輸總線復(fù)用消息傳輸方式消息一種有固定格式的數(shù)據(jù)RamLink,PCI,SCSI單端方式與差分方式6.1.2總線的通信同步方式1.同步通信 串行同步：信號(hào)編碼 并行同步：專用時(shí)鐘信號(hào)線 優(yōu)點(diǎn)：時(shí)序關(guān)系簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。 缺點(diǎn)：在設(shè)備速度不一致時(shí)按最壞情況確定，不能太長(zhǎng)。 實(shí)例：EIDE硬盤(pán)接口2.異步通信串行異步通信：起始檢測(cè)并行異步通信：握手信號(hào)非互鎖：全互鎖：（四邊沿協(xié)議）2.異步通信(續(xù))3.半同步方式例對(duì)于具有圖示的操作時(shí)序的總線，試計(jì)算總線的數(shù)據(jù)傳輸速率，假設(shè)總線上傳輸?shù)拿總€(gè)字為32位，總線時(shí)鐘頻率為50MHz。解：從圖中可見(jiàn)，該總線在5個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)傳輸了一個(gè)數(shù)據(jù)字?？偩€的數(shù)據(jù)傳輸帶寬為:1/5=0.2(字/時(shí)鐘周期)即0.2×50×106×4=40×106(字節(jié)/秒)例6-3在一個(gè)采用100MHz時(shí)鐘的總線中，采用了塊傳輸方式以支持塊長(zhǎng)為4個(gè)字的cache，每字的長(zhǎng)度為4個(gè)字節(jié)。(1)對(duì)于讀操作，訪問(wèn)順序是1個(gè)周期接受地址，2個(gè)周期延遲，4個(gè)周期用于傳輸4個(gè)字。問(wèn)讀操作的總線數(shù)據(jù)傳輸速率是多少？(2)對(duì)于寫(xiě)操作，訪問(wèn)順序是1個(gè)周期接受地址，1個(gè)周期延遲，4個(gè)周期用于傳輸4個(gè)字。問(wèn)寫(xiě)操作的總線數(shù)據(jù)傳輸速率是多少？(3)如果總線的數(shù)據(jù)傳輸中80%為讀操作，20%為寫(xiě)操作，問(wèn)總線的平均數(shù)據(jù)傳輸速率是多少？解(1)讀操作時(shí)總線周期為1+2+4=7個(gè)時(shí)鐘周期，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為4×4=16字節(jié)，數(shù)據(jù)傳輸速率為 16×100M/7=228.57MB/s(2)寫(xiě)操作時(shí)總線周期為1+1+4=6個(gè)時(shí)鐘周期，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為4×4=16字節(jié)，數(shù)據(jù)傳輸速率為 16×100M/6=267.67MB/s(3)總線的平均數(shù)據(jù)傳輸速率是 0.8×228.57+0.2×266.67 =182.856+53.334=236.19MB/s例6-4在一個(gè)32位總線中，時(shí)鐘頻率為33MHz，總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹芷谑?個(gè)時(shí)鐘周期傳輸4個(gè)字的數(shù)據(jù)塊，(1)問(wèn)總線的數(shù)據(jù)傳輸率是多少？(2)為了提高數(shù)據(jù)傳輸率，將總線的數(shù)據(jù)線改為8個(gè)字的塊，使得總線在11個(gè)時(shí)鐘周期傳輸8個(gè)字的數(shù)據(jù)塊，問(wèn)這時(shí)總線的數(shù)據(jù)傳輸率是多少？(3)如果不改變數(shù)據(jù)塊的大小，而是將時(shí)鐘頻率加倍，問(wèn)這時(shí)總線的數(shù)據(jù)傳輸率是多少？解(1)每個(gè)字為32位，總線在7個(gè)時(shí)鐘周期傳輸了16個(gè)字節(jié)，傳輸率為:

R=16B/7×33MHz=75.43×106 B/S(2)總線在11個(gè)時(shí)鐘周期傳輸了32個(gè)字節(jié)，傳輸率為:

R=32B/11×33MHz=96×106 B/S(3)時(shí)鐘頻率變?yōu)?6MHz，傳輸率為:

R=16B/7×66MHz=150.86×106 B/S6.1.3總線的控制主模塊與從模塊總線事務(wù)請(qǐng)求裁決地址數(shù)據(jù)釋放總線請(qǐng)求和裁決1.集中式裁決 鏈?zhǔn)讲樵兛偩€請(qǐng)求和裁決1.集中式裁決計(jì)數(shù)器定時(shí)總線請(qǐng)求和裁決1.集中式裁決獨(dú)立請(qǐng)求總線請(qǐng)求和裁決2.分布式裁決第三節(jié)總線接口為什么要用總線接口？總線接口的基本功能:(1)控制。(2)數(shù)據(jù)緩沖。(3)狀態(tài)設(shè)置。(4)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。如并－串轉(zhuǎn)換或串－并轉(zhuǎn)換。(5)整理。如在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中更新字計(jì)數(shù)器。(6)程序中斷。外圍設(shè)備接口的結(jié)構(gòu)接口地址并行接口的例子標(biāo)準(zhǔn)并行端口(SPP)6.2輸入輸出控制外設(shè)的尋址統(tǒng)一編址法存儲(chǔ)器映像的外設(shè)尋址將接口中的控制寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)寄存器和內(nèi)存單元一樣看待接口與存儲(chǔ)器采用不同的地址可以利用訪存指令進(jìn)行輸入輸出操作單獨(dú)編址法兩個(gè)地址空間訪問(wèn)存儲(chǔ)器和訪問(wèn)外圍設(shè)備采用不同的指令實(shí)現(xiàn)輸入輸出數(shù)據(jù)傳送的方式程序控制方式程序查詢中斷直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)(DMA)方式通道方式6.2.1程序控制方式程序查詢信號(hào)傳輸過(guò)程MIPS匯編程序的例子addiu$7,$0,printer_addr ;$7指向打印機(jī)設(shè)備地址addiu$1,$0,data_addr ;$1中包含字符串起始地址addiu$2,$0,count ;$2中包含字符串長(zhǎng)度addiu$3,$0,rdy_bit_mask ;狀態(tài)屏蔽位addiu$6,printer_statwait:lw$4,0($6) ;讀設(shè)備狀態(tài)字位測(cè)試and$5,$3,$4 ;設(shè)備狀態(tài)字屏蔽beq$5,$0,wait ;設(shè)備狀態(tài)就緒位測(cè)試lw $8,0($1) ;將一個(gè)數(shù)據(jù)從內(nèi)存讀入sw$8,0($7) ;將該數(shù)據(jù)送入打印機(jī)addiu$1,$1,+1 ;更新字符串地址addi$2,$2,-1 ;更新字符串計(jì)數(shù)器bne$2,$0,wait ;循環(huán)中斷方式6.2.2DMA控制方式一、基本概念目的減少大批量數(shù)據(jù)傳輸時(shí)CPU的開(kāi)銷。方法采用專用部件生成訪存地址并控制訪存過(guò)程。傳輸過(guò)程：預(yù)處理數(shù)據(jù)傳輸后處理二、DMA傳送方式問(wèn)題：訪存沖突解決方法：DMA乘存儲(chǔ)器空閑時(shí)訪問(wèn)存儲(chǔ)器（周期挪用）。DMA控制器結(jié)構(gòu)DMA與CPU的連接6.3輸入輸出總線實(shí)例6.3.1EIA-232串行接口6.3.2IDE磁盤(pán)接口6.3.3SCSI總線6.3.4PCI總線6.3.1EIA-232串行接口串行接收方式1.起始位檢測(cè)：m倍取樣2.數(shù)據(jù)位取樣：隔m個(gè)采樣周期后取樣一次，共n次3.停止位檢測(cè)：隔m個(gè)采樣周期后取樣并檢測(cè)接口結(jié)構(gòu)例6-5

用異步串行傳輸方式發(fā)送十六進(jìn)制數(shù)8A16，數(shù)據(jù)位為8位，奇校驗(yàn)位一位，停止位一位，請(qǐng)畫(huà)出波形圖。答：通用異步接收器/發(fā)送器(UART)出錯(cuò)標(biāo)志 1.奇偶錯(cuò)誤 2.幀錯(cuò)誤 3.溢出(丟失)錯(cuò)誤(overrunerror)串行接口實(shí)例：EIA-232EIA-23225條信號(hào)線請(qǐng)求發(fā)送RTS(RequesttoSend)允許發(fā)送CTS(CleartoSend)數(shù)據(jù)終端就緒DTR(DataTerminalReady)數(shù)據(jù)集就緒DSR(DataSetReady)載波檢測(cè)CD(CarryDetect)EIA-232-D信號(hào)定義6.3.2IDE磁盤(pán)接口IDE接口定義IDE接口定義DA0~DA2 尋址，與CS1FX*和CS3FX*一起使用DIOR* 啟動(dòng)讀周期DIOW* 啟動(dòng)寫(xiě)周期DD0~DD15 傳輸磁盤(pán)數(shù)據(jù)IORDY 指示磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。IOCS16 16位輸入輸出的控制信號(hào)，已準(zhǔn)備送出或接受數(shù)據(jù)。DMARQ 啟動(dòng)向磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器或從驅(qū)動(dòng)器往外傳輸數(shù)據(jù)DMACK* 數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束INTQ 驅(qū)動(dòng)器中斷請(qǐng)求DASP* 驅(qū)動(dòng)器有效PDIAG* 診斷命令或復(fù)位的結(jié)果RESET* 使驅(qū)動(dòng)器在加電或重新啟動(dòng)時(shí)回到初始狀態(tài)磁盤(pán)訪問(wèn)時(shí)間平均訪問(wèn)時(shí)間=控制延遲+尋道時(shí)間+旋轉(zhuǎn)延遲+傳輸延遲例6-6設(shè)一個(gè)磁盤(pán)的平均尋道時(shí)間為10ms，數(shù)據(jù)讀取的速率高于數(shù)據(jù)傳輸速率，數(shù)據(jù)傳輸速率是2MB/s，控制器延遲是2ms，盤(pán)片轉(zhuǎn)速為每分鐘5400轉(zhuǎn)。求讀寫(xiě)一個(gè)512字節(jié)的扇區(qū)的平均時(shí)間。解：平均旋轉(zhuǎn)延時(shí) 0.5/5400轉(zhuǎn)/分=0.0056秒=5.6ms

數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間 0.5KB/2.0MB/s=0.25ms平均磁盤(pán)訪問(wèn)時(shí)間 10+5.6+0.25+2ms=18.85ms6.3.3SCSI總線1.特點(diǎn)從通道發(fā)展而來(lái)傳輸速度快靈活性好（適用于各種外設(shè)）設(shè)備獨(dú)立性采用高級(jí)命令系統(tǒng)2.信號(hào)定義信號(hào)電平：?jiǎn)味朔绞讲罘址绞?.總線控制地址構(gòu)成：設(shè)備地址(8個(gè))邏輯單元號(hào)（邏輯設(shè)備號(hào)）邏輯分區(qū)地址（16到32位塊地址）通信協(xié)議：消息傳遞八個(gè)階段（操作狀態(tài)）：空閑，仲裁，選擇，再選擇，命令，數(shù)據(jù)，狀態(tài)，消息兩個(gè)異步條件：注意（有消息發(fā)出），復(fù)位操作狀態(tài)4.消息系統(tǒng)消息的作用：傳遞操作信息（如設(shè)備執(zhí)行情況以及操作控制）消息類型： 單字消息 雙字消息 多字消息SCSI消息（一）SCSI消息（二）5.命令格式SCSI適配器結(jié)構(gòu)SCSI外設(shè)控制器結(jié)構(gòu)SCSI的發(fā)展6.3.4PCI總線1.主要特點(diǎn)采用猝發(fā)傳輸方式速度較高64位可擴(kuò)展隱含式裁決可靠性高（地址、命令和數(shù)據(jù)校驗(yàn)）三個(gè)地址空間（內(nèi)存、I/O和配置）自動(dòng)配置2.信號(hào)定義

AD[31:0] 地址/數(shù)據(jù)

C/BE[3:0] 命令/字節(jié)許可

PAR 校驗(yàn)

FRAME# 成幀

TRDY# 目標(biāo)就緒

IRDY# 始發(fā)就緒

STOP# 目標(biāo)設(shè)備請(qǐng)求停止

DEVSEL# 設(shè)備選擇

IDSEL 始發(fā)設(shè)備選擇

REQ# 總線請(qǐng)求

GNT# 總線許可

CLK 系統(tǒng)時(shí)鐘(0~33MHz)

RST# 系統(tǒng)復(fù)位

D[63:32] 數(shù)據(jù)

BE#[7:4] 字節(jié)允許

PAR64 高字校驗(yàn)

REQ64# 請(qǐng)求64位傳輸

ACK64# 確認(rèn)64位傳輸

LOCK# 資源封鎖（設(shè)備獨(dú)占）

PERR# 校驗(yàn)錯(cuò)

SERR# 系統(tǒng)錯(cuò)

SBO# 偵測(cè)退出(snoopbackoff)，

命中了一個(gè)修改過(guò)的塊

SDONE 偵測(cè)完成，探測(cè)結(jié)果為“干凈”

TDI 測(cè)試輸入

TDO 測(cè)試輸出

TCK 測(cè)試時(shí)鐘

TMS 測(cè)試模式選擇

TRST# 測(cè)試復(fù)位

INTA#