第-6-章-输入输出系统课件

第第 6 6 章章 输入输入/输出系统结构输出系统结构 7/14/20241本章学习内容I/OI/O系统的特点及信息控制方式系统的特点及信息控制方式总线及其控制方式总线及其控制方式I/OI/O通道通道及其控制方式及其控制方式I/OI/O处理机处理机7/14/202421.1.I/OI/O系统的主要作用系统的主要作用 选择选择I/OI/O设备设备 控制控制I/OI/O设备设备与与CPU和主存之间的数和主存之间的数据传送以及对外设进行操作。据传送以及对外设进行操作。6.1 6.1 I/OI/O系统概述系统概述7/14/202432.2.I/OI/O系统对计算机系统的影响系统对计算机系统的影响 输入输出能力是计算机系统的重要输入输出能力是计算机系统的重要性能指标性能指标 外部设备的配置以及控制能力影响外部设备的配置以及控制能力影响到计算机系统的功能。到计算机系统的功能。外部设备的配置以及控制能力是区外部设备的配置以及控制能力是区别计算机系统的重要标志。别计算机系统的重要标志。计算机输入输出的工作速度对整个计算机输入输出的工作速度对整个系统的速度有重要影响。系统的速度有重要影响。7/14/20244例：设例：设CPU处理时间处理时间TCPU占总处理时间占总处理时间的的 90，I/O处理时间处理时间TI/O占总处理时占总处理时间的间的10，总处理时间，总处理时间 TWorkloadTCPU TI/O。如果如果CPU处理速度提高了处理速度提高了10倍，倍，I/O的的处理速度没有提高，则根据处理速度没有提高，则根据Amdahl定定理，系统整体获得的加速比理，系统整体获得的加速比Sp为：为：Sp1/(0.1+0.9/10)1/(0.1+0.09)1/0.1957/14/20245可见在可见在CPU速度提高速度提高10倍时，系统总倍时，系统总的性能仅提高的性能仅提高5倍。倍。同理，即使同理，即使CPU处理速度提高处理速度提高 100倍，倍，系统的性能也只能提高系统的性能也只能提高10倍。倍。因此，因此，如果如果I/O处理的速度不提高，那处理的速度不提高，那么即使么即使CPU处理速度提高很多，整个处理速度提高很多，整个系统性能提高也是有限的。系统性能提高也是有限的。7/14/20246处理机与外界的关系处理机与外界的关系7/14/20247对于一般输入输出设备对于一般输入输出设备,如果处理机提供的服务不及时，如果处理机提供的服务不及时，可能丢失数据，或造成外围设备工作的错误。，或造成外围设备工作的错误。对于实时控制计算机系统，如果处理机提供的服务不对于实时控制计算机系统，如果处理机提供的服务不及时，及时，可能造成巨大的损失，甚至造成人身伤害。，甚至造成人身伤害。对于对于处理机本身的硬件或软件错误：如电源故障、数：如电源故障、数据校验错、页面失效、非法指令、地址越界等，处据校验错、页面失效、非法指令、地址越界等，处理机必须及时处理。理机必须及时处理。对不同类型的设备，必须具有与设备相配合的对不同类型的设备，必须具有与设备相配合的多种工多种工作方式作方式。3.I/O系统的特点系统的特点(1).实时性实时性7/14/20248(2).与设备无关性独立于具体设备的标准接口独立于具体设备的标准接口。例如，串行接口、并行。例如，串行接口、并行接口、接口、SCSISCSI（Small Computer System InterfaceSmall Computer System Interface）接口等接口等计算机系统的使用者，在需要更换外围设备时，各种计算机系统的使用者，在需要更换外围设备时，各种不同型号，不同生产厂家的设备都可以直接不同型号，不同生产厂家的设备都可以直接通过标通过标准接口准接口与计算机系统连接。与计算机系统连接。处理机处理机采用统一的硬件和软件对品种繁多的设备进行采用统一的硬件和软件对品种繁多的设备进行管理。管理。某些计算机系统已经实现了某些计算机系统已经实现了即插即用技术即插即用技术。现在现在Windows中的即插即用性能就体现了设备无关性。中的即插即用性能就体现了设备无关性。7/14/20249(3).(3).异步性异步性输入输出设备通常不使用统一的中央时钟，输入输出设备通常不使用统一的中央时钟，各个设各个设备按照自己的时钟工作备按照自己的时钟工作，但又要在某些时刻接受，但又要在某些时刻接受处理机的控制。处理机的控制。处理机与外围设备之间，处理机与外围设备之间，外围设备与外围设备之间外围设备与外围设备之间能并行工作能并行工作针对实时性，采用针对实时性，采用层次结构层次结构的方法的方法;针对与设备无关性，采用针对与设备无关性，采用分类处理分类处理的方法的方法;针对异步性，采用针对异步性，采用自治控制自治控制的方法的方法.7/14/2024104.对对I/O系统的基本要求系统的基本要求 I/O系统应面向操作系统，对用户透明。系统应面向操作系统，对用户透明。例如：如何确定例如：如何确定I/O系统的软、硬件功能分系统的软、硬件功能分配及操作系统的界面；如何连接外设；如何配及操作系统的界面；如何连接外设；如何建立外设与主存建立外设与主存/CPU之间的数据通路；如何之间的数据通路；如何支持支持I/O操作与其他操作的并行执行。操作与其他操作的并行执行。尽量减少系统瓶颈，保证系统的信息流尽量减少系统瓶颈，保证系统的信息流量平衡。量平衡。信息流量：单位时间内所能传送的信息量。信息流量：单位时间内所能传送的信息量。7/14/2024115.I/O信息传送的控制方式信息传送的控制方式 直接程序控制方式直接程序控制方式 中断方式中断方式 DMA方式方式 通道方式通道方式 I/O处理机方式处理机方式以以CPU为中心为中心7/14/2024126.输入输出系统的组织方式输入输出系统的组织方式根据各种外根据各种外围设备的不同特点的不同特点处理好异步性、理好异步性、实时性、与性、与设备无关性无关性等等三方面的关系，就成三方面的关系，就成为输入入输出系出系统组织的基本内容。的基本内容。输入输出系统组织的具体内容主要包括：针输入输出系统组织的具体内容主要包括：针对异步性，采用自治控制的方法，针对实时性，对异步性，采用自治控制的方法，针对实时性，采用层次结构的方法，针对与设备无关性，采用采用层次结构的方法，针对与设备无关性，采用分类处理的方法分类处理的方法 7/14/202413（1）自治控制自治控制在一般在一般计算机系算机系统中，中，输入入输出系出系统是一个是一个独立于独立于处理机之外的自治系理机之外的自治系统。外。外围设备本身通本身通过它内部的控制器自己独立担它内部的控制器自己独立担负许多多输入入输出功出功能，只在某些必要的能，只在某些必要的时刻才要求刻才要求处理机理机给予很少予很少的服的服务。许多外围设备，只要在进入工作状态时，由许多外围设备，只要在进入工作状态时，由处理机发出启动设备的命令，并组织好送给输入处理机发出启动设备的命令，并组织好送给输入输出系统自己执行的控制程序，在结束工作时，输出系统自己执行的控制程序，在结束工作时，对数据进行必要的处理，并发出停止设备工作的对数据进行必要的处理，并发出停止设备工作的命令。具体的输入输出过程，数据的传送可以根命令。具体的输入输出过程，数据的传送可以根本不要处理机来干预。对于有些设备，也只需要本不要处理机来干预。对于有些设备，也只需要少量的干预。少量的干预。7/14/202414（2）层次次结构构 对于不同于不同类型的外型的外围设备，输入入输出系出系统要完成要完成的具体内容是不同的，采用可的具体内容是不同的，采用可编程序来程序来进行控制，行控制，能比能比较好地适好地适应各种不同各种不同设备的控制需要，的控制需要，赋予予固定的硬件固定的硬件设备以很大的灵活性。以很大的灵活性。在外在外围设备比比较多的情况下，多的情况下，输入入输出系出系统一般要采用一般要采用层次次结构来构来进行行组织。靠近靠近处理机和主存理机和主存储器的最高器的最高层采用采用标准的准的控制功能，如控制功能，如输入入输出出处理机、理机、输入入输出通道等。出通道等。中中间层是是标准接口。外准接口。外围设备通通过设备控制器与控制器与标准接口相准接口相连接。接。7/14/2024157/14/202416（3）分分类组织 输入入输出系出系统通常要根据各种外通常要根据各种外围设备的不同性的不同性质分分类进行行组织。可以根据工作方式、工作速度。可以根据工作方式、工作速度及使用及使用场合等合等进行分行分类。7/14/2024176.2 6.2 总线系统总线系统(略略)6.2.1 6.2.1 总线分类（略）总线分类（略）1.1.按允许的数据传送方向分按允许的数据传送方向分 单向传输单向传输 (单工单工)总线总线只能将信息从总线的一端传输到另一端，不能反只能将信息从总线的一端传输到另一端，不能反向传输的总线。向传输的总线。双向传输双向传输 (双工双工)总线总线可以在总线两端双向传输信息的总线。可以在总线两端双向传输信息的总线。半双工总线：可以在两个方向上轮流传输信息的半双工总线：可以在两个方向上轮流传输信息的总线。总线。全双工总线：可在两个方向上同时传输信息的总全双工总线：可在两个方向上同时传输信息的总线。线。7/14/2024182.2.按用途分按用途分 专用总线专用总线只连接一对硬件部件的总线。专用总线数据流量只连接一对硬件部件的总线。专用总线数据流量高，控制简单。高，控制简单。共享总线共享总线可以被多个模块分时共享的总线。共享总线提高可以被多个模块分时共享的总线。共享总线提高了总线的利用率，但可能产生使用冲突。了总线的利用率，但可能产生使用冲突。3.3.按数据线的宽度分按数据线的宽度分一般可分为一般可分为8 8位总线、位总线、1616位总线和位总线和3232位总线等。位总线等。总线的宽度对总线实现的成本、可靠性和数据传总线的宽度对总线实现的成本、可靠性和数据传输速率影响很大。为减少总线的线数，常采用总输速率影响很大。为减少总线的线数，常采用总线复用技术，不过对总线操作的速度会有影响。线复用技术，不过对总线操作的速度会有影响。7/14/2024194.4.按按总线的的连线数量分数量分 并行总线并行总线每个信号都有自己的专用信号线。每个信号都有自己的专用信号线。串行总线串行总线所有信号都复用一个信号线。所有信号都复用一个信号线。5.5.按连接的部件分按连接的部件分 CPU CPU 存储器总线存储器总线连接连接CPUCPU与存储器的总线。通常具有较高的速度，与存储器的总线。通常具有较高的速度，距离较短。距离较短。I/O总线总线连接主机与各类外设的总线。由于连接的设备复连接主机与各类外设的总线。由于连接的设备复杂，速度较慢。杂，速度较慢。7/14/2024206.6.按设备定时方式分按设备定时方式分 同步总线同步总线总线上的所有设备通过统一的总线系统时钟进行总线上的所有设备通过统一的总线系统时钟进行同步。同步。同步总线成本低，要求高。同步总线成本低，要求高。异步总线异步总线总线上的设备之间没有统一的系统时钟，设备自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，设备之间的信息传送用总线发送和己内部定时，设备之间的信息传送用总线发送和接受器控制。异步总线容易适应各类设备，不用接受器控制。异步总线容易适应各类设备，不用担心同步问题，但工作时需要额外的同步开销。担心同步问题，但工作时需要额外的同步开销。7/14/2024217.总线连接的资源类型分总线连接的资源类型分 面向单机的总线面向单机的总线总线上有一个固定的主控制器，即总线上有一个固定的主控制器，即CPU。通常连通常连接接CPU和存储器模块，总线的主要操作是访存操和存储器模块，总线的主要操作是访存操作，每次总线操作一般传送一个数据。作，每次总线操作一般传送一个数据。要求总线裁决的速度快。现有的大多数总线都是要求总线裁决的速度快。现有的大多数总线都是面向单机的总线。面向单机的总线。面向多机的总线面向多机的总线连接多个带存储器的处理机板。连接多个带存储器的处理机板。总线上的数据传输以消息为单位，即每次传送一总线上的数据传输以消息为单位，即每次传送一个数据块。个数据块。要求总线数据的传送速率高，对总线裁决速度的要求总线数据的传送速率高，对总线裁决速度的要求则较低。总线的控制一般是分布式要求则较低。总线的控制一般是分布式的。的。7/14/2024228.按总线的层次分按总线的层次分 芯片级总线芯片级总线CPU芯片内部的总线，也称内部总线。芯片内部的总线，也称内部总线。板级总线板级总线连接印刷电路板中的各个部件的总线，也称局部连接印刷电路板中的各个部件的总线，也称局部总线。总线。系统级总线系统级总线连接系统中的各个印刷板的总线。连接系统中的各个印刷板的总线。为了提高通用性，板级总线需要制定总线标准。为了提高通用性，板级总线需要制定总线标准。7/14/2024236.2.2 总线的工作过程（简述）总线的工作过程（简述）总线可以连接多个模块并用于传输信息。总线可以连接多个模块并用于传输信息。主模块（主设备）：获得总线控制权的模块（设备）主模块（主设备）：获得总线控制权的模块（设备）。从模块（从设备）：被主模块访问的的模块（设备）从模块（从设备）：被主模块访问的的模块（设备）。信息的传输由总线主模块启动，一条总线上可以有信息的传输由总线主模块启动，一条总线上可以有多个具有主模块功能的设备，但在多个具有主模块功能的设备，但在同一时刻同一时刻只能有只能有一个一个主模块控制总线的传输操作。主模块控制总线的传输操作。当多个模块同时试图控制总线操作时，需要通过总当多个模块同时试图控制总线操作时，需要通过总线裁决器决定由哪个模块控制总线。线裁决器决定由哪个模块控制总线。7/14/202424总线上的操作可以采用单数据传送方式，也可以总线上的操作可以采用单数据传送方式，也可以采用块传送方式，块传送方式可减少总线申请的采用块传送方式，块传送方式可减少总线申请的次数，但一旦得到总线就要使用较长时间。次数，但一旦得到总线就要使用较长时间。总线访问延迟：主模块为获得总线控制权而等待总线访问延迟：主模块为获得总线控制权而等待的时间。的时间。总线周期：主模块占用总线的时间。总线周期：主模块占用总线的时间。7/14/202425总线的使用过程总线的使用过程 总线请求总线请求 总线仲裁总线仲裁 总线使用总线使用 总线释放总线释放7/14/202426常用的总线操作常用的总线操作 读操作：主模块从目标模块读取数据。读操作：主模块从目标模块读取数据。写操作：主模块向目标模块写入数据。写操作：主模块向目标模块写入数据。读修改写操作：主模块从目标模块读取数读修改写操作：主模块从目标模块读取数据并进行修改，然后再写入目标模块。据并进行修改，然后再写入目标模块。写后读操作：先进行写操作，然后进行读操作。写后读操作：先进行写操作，然后进行读操作。主要用于检测设备。主要用于检测设备。块传输操作：传送一个起始地址后，传输多个块传输操作：传送一个起始地址后，传输多个数据，各数据的地址顺序排列。数据，各数据的地址顺序排列。7/14/202427 用完后立即释放：每次总线操作完成时释放，用完后立即释放：每次总线操作完成时释放，下次使用时需重新申请。下次使用时需重新申请。有新请求时释放：有其它模块请求时才释放。有新请求时释放：有其它模块请求时才释放。如单机系统中的如单机系统中的CPU。强占时释放：当有优先权高的模块请求时释放。强占时释放：当有优先权高的模块请求时释放。用于强制中断总线上的数据块传输操作。用于强制中断总线上的数据块传输操作。常用的总线释放方式常用的总线释放方式7/14/202428总线事务操作总线事务操作总线事务操作：从请求总线到完成总线使用的操作总线事务操作：从请求总线到完成总线使用的操作序列。序列。总线事务操作是主从模块使用的一组操作规则，即总线事务操作是主从模块使用的一组操作规则，即总线协议。总线协议中的操作序列包括请求操作、总线协议。总线协议中的操作序列包括请求操作、裁决操作、地址操作、裁决操作、地址操作、数据传输操作和总线释放数据传输操作和总线释放操作。操作。7/14/202429一个典型的总线协议一个典型的总线协议 源源 目标目标(1)将信息放入总线。将信息放入总线。(2)信息逐渐稳定。信息逐渐稳定。(3)发出信息准备就绪信号。发出信息准备就绪信号。(4)接收信息。接收信息。(5)发出信息，表发出信息，表示示 已经接收应答信号。已经接收应答信号。(6)复位信息准备就绪信号。复位信息准备就绪信号。(7)停止发出信息。停止发出信息。(8)复位应答信号。复位应答信号。(9)操作结束，必要时转操作结束，必要时转(1)启动下一个周期。启动下一个周期。7/14/2024306.2.3 总线的定时与同步方式（略）总线的定时与同步方式（略）总线上信号的有效期间由总线的定时信号确定，总线上信号的有效期间由总线的定时信号确定，总线的定时信号有同步、半同步和异步三种方式。总线的定时信号有同步、半同步和异步三种方式。同步方式同步方式总线的各信号必须在某个时刻发出。总线的各信号必须在某个时刻发出。在同步方式下，在同步方式下，总线上的所有设备的总线上的所有设备的数据传输在数据传输在一个共同的时钟信号控制下进行。总线的操作的一个共同的时钟信号控制下进行。总线的操作的所有信号与时钟的关系是固定的，主模块和从模所有信号与时钟的关系是固定的，主模块和从模块之间没有应答信号。块之间没有应答信号。同步方式同步方式适用于系统中各模块各种总线操作的速适用于系统中各模块各种总线操作的速度固定而且一致的场合，如度固定而且一致的场合，如CPUCPU和存储器之间的局和存储器之间的局部总线。部总线。7/14/202431时序关系简单，受信号噪声的影响较小，比较容时序关系简单，受信号噪声的影响较小，比较容易实现。易实现。操作速度只能按照最慢速度确定。操作速度只能按照最慢速度确定。同步总线的长度不能太长，否则将出现时钟相移同步总线的长度不能太长，否则将出现时钟相移的现象。的现象。同步方式的特点同步方式的特点7/14/202432 异步方式异步方式总线操作时序不固定，设备之间通信时没有公共总线操作时序不固定，设备之间通信时没有公共的时间标准，下一个事件的发生依赖于上一个事的时间标准，下一个事件的发生依赖于上一个事件的结束。也称为应答（或握手）方式。件的结束。也称为应答（或握手）方式。异步方式允许总线周期有较大的变化范围，总线异步方式允许总线周期有较大的变化范围，总线信号的发出时间可以是任意的。信号的发出时间可以是任意的。根据控制信号之间的时序关系，异步方式又可分根据控制信号之间的时序关系，异步方式又可分为互锁方式、非互锁方式和半互锁方式。为互锁方式、非互锁方式和半互锁方式。7/14/202433互锁方式、非互锁方式和半互锁方式互锁方式、非互锁方式和半互锁方式7/14/202434全互锁的总线中的控制信号是握手方式的，全互全互锁的总线中的控制信号是握手方式的，全互锁的总线协议称为锁的总线协议称为四边沿协议四边沿协议。全互锁方式的特点：全互锁方式的特点：可容纳各种工作速度的设备；控制比较复杂，对可容纳各种工作速度的设备；控制比较复杂，对噪声较敏感。噪声较敏感。非互锁的总线中，由主模块或从模块发出时间宽非互锁的总线中，由主模块或从模块发出时间宽度固定的控制信号，然后自动复位。度固定的控制信号，然后自动复位。非互锁方式的特点：控制比较简单，但对设备要非互锁方式的特点：控制比较简单，但对设备要求较高。求较高。7/14/202435 半同步方式半同步方式在半同步方式下，系统中有一个集中的时钟，控在半同步方式下，系统中有一个集中的时钟，控制信号的出现受时钟信号的支配，各信号之间的制信号的出现受时钟信号的支配，各信号之间的间隔是时钟周期的整数倍。即总线信号发出的时间隔是时钟周期的整数倍。即总线信号发出的时间与时钟信号之间必须有某种固定的关系。间与时钟信号之间必须有某种固定的关系。半同步方式相当于在同步总线中增加了等待协议，半同步方式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从而避免了同步总线中在操作速度不确定时的性能下降。能下降。半同步方式也可看作将时间量化的异步方式。半同步方式也可看作将时间量化的异步方式。半同步方式和同步方式一样受信号噪声的影响较半同步方式和同步方式一样受信号噪声的影响较小，只有在时钟信号的边沿处出现的噪声才对系小，只有在时钟信号的边沿处出现的噪声才对系统的工作产生影响。统的工作产生影响。7/14/2024366.2.4 总线裁决的控制方式（简述）总线裁决的控制方式（简述）总线裁决方式分为集中式控制方式和分布式控制总线裁决方式分为集中式控制方式和分布式控制方式。方式。1.集中式控制集中式控制用一个专门的部件实现总线的控制功能。用一个专门的部件实现总线的控制功能。总线控制部件通常在总线的某个板上，当一个模总线控制部件通常在总线的某个板上，当一个模块需要向共享总线传送数据时，它必须先发出请块需要向共享总线传送数据时，它必须先发出请求，在得到许可时才能发出数据，裁决部件接收求，在得到许可时才能发出数据，裁决部件接收来自各个模块的总线使用请求信号，经裁决后向来自各个模块的总线使用请求信号，经裁决后向其中某一个模块发出总线许可信号。其中某一个模块发出总线许可信号。集中式总线裁决可分为串行链接方式、定时查询集中式总线裁决可分为串行链接方式、定时查询方式和独立请求方式。方式和独立请求方式。7/14/2024372.分布式控制分布式控制将控制功能分布在连接总线上的各模块中。总线将控制功能分布在连接总线上的各模块中。总线上每个设备都可同时发出总线请求，并检测其它上每个设备都可同时发出总线请求，并检测其它设备是否发出了总线请求，进行总线裁决，决定设备是否发出了总线请求，进行总线裁决，决定本设备是否可以使用总线。本设备是否可以使用总线。采用分布式控制方式时，总线请求信号线、总线采用分布式控制方式时，总线请求信号线、总线许可信号线与其他信号线分离，使得总线的裁决许可信号线与其他信号线分离，使得总线的裁决与总线上的数据传输操作并行进行。与总线上的数据传输操作并行进行。7/14/2024386.2.4.1 串行链接方式（菊花链方式串行链接方式（菊花链方式）各模块使用一条公共的请求线向总线控制器发出各模块使用一条公共的请求线向总线控制器发出请求信号。控制器的总线允许信号串行地链接各请求信号。控制器的总线允许信号串行地链接各模块。模块。串行链接方式的工作过程：串行链接方式的工作过程：各模块通过公共请求线向总线控制器发出请求各模块通过公共请求线向总线控制器发出请求信号。信号。当总线空闲时，总线控制器发出总线可用信号当总线空闲时，总线控制器发出总线可用信号响应请求。响应请求。7/14/202439 总线可用信号串行地链接各模块，未发出请求总线可用信号串行地链接各模块，未发出请求信号的模块在收到总线可用信号时将其传送给链信号的模块在收到总线可用信号时将其传送给链中的下一个模块；发出请求的模块在收到总线可中的下一个模块；发出请求的模块在收到总线可用信号后发出总线忙信号并开始总线操作，同时用信号后发出总线忙信号并开始总线操作，同时截断向链中下一个模块传递总线可用信号。截断向链中下一个模块传递总线可用信号。使用总线的模块在完成总线操作后，解除总线使用总线的模块在完成总线操作后，解除总线忙信号。忙信号。总线控制器重新进行总线分配。总线控制器重新进行总线分配。7/14/202440串行链接方式串行链接方式部件部件 0部件部件 1部件部件 N-1总总线线控控制制器器总线可用总线可用总线请求总线请求总线忙总线忙7/14/202441串行链接方式的特点串行链接方式的特点 模块优先级是固定的，由模块的物理位置确定，模块优先级是固定的，由模块的物理位置确定，离控制器近的模块优先级较高。离控制器近的模块优先级较高。裁决算法简单，控制线数少，且与模块的数量裁决算法简单，控制线数少，且与模块的数量无关，无关，可扩充性好。可扩充性好。灵活性较差，不能由软件改变优先级。灵活性较差，不能由软件改变优先级。响应速度慢。由于总线可用信号串行地通过各响应速度慢。由于总线可用信号串行地通过各模块，延迟较大，总线分配的速度较慢。模块，延迟较大，总线分配的速度较慢。在优先级高的部件频繁使用总线时，优先级低在优先级高的部件频繁使用总线时，优先级低的模块的请求可能很久得不到响应。的模块的请求可能很久得不到响应。可靠性较低可靠性较低。7/14/2024426.2.4.2 计数器定时查询方式计数器定时查询方式利用计数方式查询总线上各模块的请求情况。利用计数方式查询总线上各模块的请求情况。定时查询方式的方式工作过程：定时查询方式的方式工作过程：由控制器以计数方式轮流向各模块发出一个计由控制器以计数方式轮流向各模块发出一个计数值，对各模块进行测试。数值，对各模块进行测试。如果与计数值一致的模块发出了请求，则响应如果与计数值一致的模块发出了请求，则响应该模块的请求，计数器停止计数。该模块获得总该模块的请求，计数器停止计数。该模块获得总线使用权，发出总线忙信号并开始总线操作。线使用权，发出总线忙信号并开始总线操作。操作结束后，该模块去除总线忙信号释放总线，操作结束后，该模块去除总线忙信号释放总线，控制器继续进行轮询。控制器继续进行轮询。7/14/202443计数器定时查询方式计数器定时查询方式部件部件 0部件部件 1总总线线控控制制器器总线请求总线请求总线忙总线忙部件部件 0部件部件 1部件部件 N-1总总线线控控制制器器总线请求总线请求总线忙总线忙定时查询计数定时查询计数7/14/202444计数值可以从计数值可以从0开始，也可以从暂停值继续。开始，也可以从暂停值继续。如果每次都从如果每次都从0开始，则各模块的优先级的排列类开始，则各模块的优先级的排列类似于串行链接方式；如果从暂停的计数值继续下似于串行链接方式；如果从暂停的计数值继续下去，则所有的模块都有相同的使用总线的机会，去，则所有的模块都有相同的使用总线的机会，即优先级相等。即优先级相等。定时查询方式的特点：定时查询方式的特点：优先级可以用程序控制，动态改变，灵活性较优先级可以用程序控制，动态改变，灵活性较强。强。可靠性高，模块的故障不会影响总线的控制。可靠性高，模块的故障不会影响总线的控制。响应速度受计数时钟频率的影响。响应速度受计数时钟频率的影响。控制较复杂，控制线较多，扩展性较差。控制较复杂，控制线较多，扩展性较差。7/14/2024456.2.4.3 独立请求方式独立请求方式各模块都有各自的一对总线请求和总线可用信号各模块都有各自的一对总线请求和总线可用信号线，可独立地向控制器发出总线请求，总线忙信线，可独立地向控制器发出总线请求，总线忙信号线是公共的。号线是公共的。独立请求方式的工作过程：独立请求方式的工作过程：各模块独立地向控制器发出总线请求。各模块独立地向控制器发出总线请求。若总线空闲，总线控制器根据某种算法对同时若总线空闲，总线控制器根据某种算法对同时送来的请求进行裁决，然后向优先权最高的模块送来的请求进行裁决，然后向优先权最高的模块发出总线可用信号。发出总线可用信号。对应的模块在得到总线可用信号时获得总线使对应的模块在得到总线可用信号时获得总线使用权，发出总线忙信号并开始总线操作。用权，发出总线忙信号并开始总线操作。总线操作结束后该模块去除总线忙信号，释放总线操作结束后该模块去除总线忙信号，释放总线。总线。7/14/202446独立请求方式独立请求方式部件部件 0总总线线控控制制器器部件部件 0部件部件 N-1总总线线控控制制器器总线请求总线请求0 0总线准许总线准许0 0总线请求总线请求N-1N-1总线准许总线准许N-1N-1总线已被分配总线已被分配7/14/202447独立请求方式的特点：独立请求方式的特点：总线响应的速度快。总线响应的速度快。各模块优先级的确定灵活。各模块优先级的确定灵活。控制线数量多，总线裁决机构较复杂。控制线数量多，总线裁决机构较复杂。7/14/2024486.2.4.4 总线裁决算法总线裁决算法裁决算法一般用硬件实现。要求算法简单快速，裁决算法一般用硬件实现。要求算法简单快速，能够使总线的裁决和总线的操作重叠进行。能够使总线的裁决和总线的操作重叠进行。1静态优先级算法静态优先级算法设备优先级固定，当多个设备同时要求使用总线设备优先级固定，当多个设备同时要求使用总线时，优先级较高的获得使用总线的许可。也称菊时，优先级较高的获得使用总线的许可。也称菊花链算法。花链算法。这种算法简单，但设备的占用总线的机会不均等。这种算法简单，但设备的占用总线的机会不均等。7/14/2024492固定时间片算法固定时间片算法将优先权在总线各设备之间轮转，如果轮到的设将优先权在总线各设备之间轮转，如果轮到的设备不要求使用总线，则将使用权传递给下一个设备不要求使用总线，则将使用权传递给下一个设备。备。这种算法设备的占用总线的机会均等，但设备平这种算法设备的占用总线的机会均等，但设备平均等待时间较长。均等待时间较长。3动态优先级算法动态优先级算法给设备赋予唯一的优先权且优先权可以动态改变。给设备赋予唯一的优先权且优先权可以动态改变。设备优先权的算法设备优先权的算法 最近最少使用算法最近最少使用算法(LRU)将最高优先权赋予最久未使用总线的请求设备。将最高优先权赋予最久未使用总线的请求设备。7/14/202450轮转菊花链算法轮转菊花链算法(RDC)不用集中控制器，而由占用总线的设备作为总线不用集中控制器，而由占用总线的设备作为总线的控制器，由它对下一个总线请求操作进行裁决。的控制器，由它对下一个总线请求操作进行裁决。每个设备的优先权取决于它与裁决器的距离，这每个设备的优先权取决于它与裁决器的距离，这样设备的优先权可在各设备之间动态改变。样设备的优先权可在各设备之间动态改变。RDC算法比较适用于面向多机系统的总线，因为算法比较适用于面向多机系统的总线，因为这种系统通常要求各处理机对称。这种系统通常要求各处理机对称。7/14/2024514先来先服务算法先来先服务算法按总线请求的按次序裁决。按总线请求的按次序裁决。这是一种对称的算法，各设备获得总线使用权的这是一种对称的算法，各设备获得总线使用权的机会均等。机会均等。在先来先服务算法中，各设备的平均等待时间最在先来先服务算法中，各设备的平均等待时间最少。但算法实现比较困难，控制器必须记住各个少。但算法实现比较困难，控制器必须记住各个请求到达的次序，有时难以区分这种次序。请求到达的次序，有时难以区分这种次序。7/14/202452 6.3 输入输入/输出通道输出通道在大型计算机系统中，外围设备的台数一般比较在大型计算机系统中，外围设备的台数一般比较多，设备的种类、工作方式和工作速度的差别也多，设备的种类、工作方式和工作速度的差别也比较大。如果仅采用程序查询、中断和比较大。如果仅采用程序查询、中断和DMA方式方式来管理外设，将会引起下列问题：来管理外设，将会引起下列问题：所有外设所有外设的的I/O工作全部都要由工作全部都要由CPU来承担，来承担，CPU的的I/O负担很重，不能专心于用户程序的计算。负担很重，不能专心于用户程序的计算。如果为每一台设备都配置一个接口，则接口过如果为每一台设备都配置一个接口，则接口过多，硬件浪费大、代价高。多，硬件浪费大、代价高。为了把对外围设备的管理工作为了把对外围设备的管理工作从从CPU中分离出来，中分离出来，采用了通道处理机技术。采用了通道处理机技术。7/14/2024536.3.1 通道的基本概念通道的基本概念 1.通道处理机（简称通道）通道处理机（简称通道）通道处理机可以看作是一台能够执行有限通道处理机可以看作是一台能够执行有限I/O指令，指令，并且能够被多台外围设备共享的小型并且能够被多台外围设备共享的小型DMA专用处专用处理机。理机。通道有自己的指令系统，能够独立执行用通道命通道有自己的指令系统，能够独立执行用通道命令编写的输入输出控制程序，产生相应的控制信令编写的输入输出控制程序，产生相应的控制信号控制设备的工作。号控制设备的工作。通道可根据需要控制多种不同的设备。通道可根据需要控制多种不同的设备。每个通道可以连接多个外部设备，每个外设对应每个通道可以连接多个外部设备，每个外设对应一个子通道。一个子通道。通道通过数据通道与设备的控制器进行通信。通道通过数据通道与设备的控制器进行通信。7/14/202454设备控制器如同设备控制器如同I/O接口，用于接收通道控制器的接口，用于接收通道控制器的命令并向设备发出控制命令。命令并向设备发出控制命令。一个设备控制器可控制多个同类的设备，只要这一个设备控制器可控制多个同类的设备，只要这些设备是轮流工作的。些设备是轮流工作的。2.设备控制器设备控制器7/14/2024553.通道与通道与DMA方式的异同方式的异同 相同点相同点通道与通道与DMA方式都是在主存与方式都是在主存与I/O设备之间建立数设备之间建立数据通道，用控制器控制传送。据通道，用控制器控制传送。不同不同点点DMA方式方式通道通道DMA控制器利用硬件控制主控制器利用硬件控制主存与设备之间的信息传送。存与设备之间的信息传送。通道处理机执行通道程序控通道处理机执行通道程序控制主存与设备之间的信息传制主存与设备之间的信息传送。送。只能控制少量的同类设备，只能控制少量的同类设备，只能传送数据。只能传送数据。可可控制多种不同的设备，除控制多种不同的设备，除可传送数据外，还可以接口可传送数据外，还可以接口的初始化、故障诊断与处理的初始化、故障诊断与处理等工作。等工作。7/14/2024564.4.带有通道的带有通道的I/OI/O的系统结构的系统结构带有通道的带有通道的典型的典型的的的I/OI/O系统结构系统结构采用主机采用主机通道通道设备控制器设备控制器设备设备四级连接方四级连接方式。式。7/14/2024577/14/202458 CPU CPU的任务的任务执行执行I/OI/O指令。指令。启动启动/关闭通道与设备。关闭通道与设备。处理来自通道的中断，如数据传输中断、故障中处理来自通道的中断，如数据传输中断、故障中断等。断等。通道的管理的任务由操作系统完成通道的管理的任务由操作系统完成。7/14/202459 通道的任务通道的任务 接受接受CPU发来的发来的I/O指令，与指定的设备连接指令，与指定的设备连接,访问指定的设备。访问指定的设备。执行执行CPU为通道组织的通道程序。为通道组织的通道程序。从通道缓冲区中读取通道指令，经译码分析，向从通道缓冲区中读取通道指令，经译码分析，向指定的设备控制器或设备发出各种操作控制命令。指定的设备控制器或设备发出各种操作控制命令。组织和控制数据在内存与外设之间的信息传送组织和控制数据在内存与外设之间的信息传送操作。操作。根据需要提供数据缓存空间以及数据存入内存或根据需要提供数据缓存空间以及数据存入内存或从内存中读取的地址；提供外设的有关地址；控从内存中读取的地址；提供外设的有关地址；控制传送的数据量；指定传送工作结束时要进行的制传送的数据量；指定传送工作结束时要进行的操作，根据对传送数据的计数判断数据传送工作操作，根据对传送数据的计数判断数据传送工作是否结束。是否结束。7/14/202460 在数据传输过程中完成必要的格式变换，例如，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等。把字拆卸为字节，或者把字节装配成字等。读取和接收外设的状态信息，读取和接收外设的状态信息，检查外围设备的检查外围设备的工作状态是正常还是故障，形成通道状态信息，工作状态是正常还是故障，形成通道状态信息，并根据需要将设备的状态信息送往主存指定单元并根据需要将设备的状态信息送往主存指定单元保存。保存。向向CPU发出发出I/OI/O中断请求。中断请求。对来自外设及通道的中断请求按优先次序进行排对来自外设及通道的中断请求按优先次序进行排队后报告队后报告CPU。通道使用通道指令控制设备进行数据传送操作，通道使用通道指令控制设备进行数据传送操作，并以通道状态字的形式接收设备控制器提供的外并以通道状态字的形式接收设备控制器提供的外部设备的状态部设备的状态。7/14/202461 设备控制器的任务设备控制器的任务 从通道接受通道指令，控制外部设备完成指定从通道接受通道指令，控制外部设备完成指定的操作。的操作。如控制外设的启如控制外设的启/停，向设备发出各种非标准的控停，向设备发出各种非标准的控制信号等。制信号等。向通道提供外部设备的状态。向通道提供外部设备的状态。如设备的忙、闲、出错信息等。如设备的忙、闲、出错信息等。将各种外部设备的不同信号转换成通道能够识将各种外部设备的不同信号转换成通道能够识别的标准信号。别的标准信号。控制辅助操作。控制辅助操作。如磁带的进带、倒带等操作如磁带的进带、倒带等操作。7/14/2024626.3.2 通道的基本结构通道的基本结构通道的主要硬件包括寄存器部分和控制部分。通道的主要硬件包括寄存器部分和控制部分。寄存器部分寄存器部分数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器(DBR)、主存地址计数器、传输字主存地址计数器、传输字节数计数器节数计数器(WCNT)、通道命令字寄存器通道命令字寄存器(CCWR)、通道地址寄存器通道地址寄存器(CAR)，通道状态字寄存器通道状态字寄存器(STR)。控制部分控制部分包括数据装配和拆卸控制、数据传送控制、地址包括数据装配和拆卸控制、数据传送控制、地址分配控制、分时控制等控制逻辑。分配控制、分时控制等控制逻辑。7/14/2024637/14/202464在具有通道的计算机中，在具有通道的计算机中，CPU的输入输出指令不的输入输出指令不直接实现输入输出的数据传送，而是由通道指令直接实现输入输出的数据传送，而是由通道指令实现这种传送，实现这种传送，CPU用输入输出指令启动通道执用输入输出指令启动通道执行通道指令。行通道指令。CPU的通道输入输出指令的基本功能主要是启动、的通道输入输出指令的基本功能主要是启动、停止停止I/O过程，了解通道和设备的状态以及控制通过程，了解通道和设备的状态以及控制通道的其他一些操作。道的其他一些操作。7/14/2024656.3.3 通道的工作过程通道的工作过程在具有通道的计算机中，用户程序通常通过调用在具有通道的计算机中，用户程序通常通过调用通道程序来完成数据输入输出的过程。其中通道程序来完成数据输入输出的过程。其中CPU执行用户程序和管理程序，通道处理机执行通道执行用户程序和管理程序，通道处理机执行通道程序。程序。1在用户程序中使用广义指令进入管理程序，由在用户程序中使用广义指令进入管理程序，由CPU通过管理程序组织通过管理程序组织 一个通道程序，并启动通一个通道程序，并启动通道。道。2.通道进行设备选择通道进行设备选择3.通道执行通道程序，控制主存通道执行通道程序，控制主存通道通道设备之设备之间的信息传送，直至完成指定的间的信息传送，直至完成指定的I/O工作。工作。4.通道信息传送结束通道信息传送结束7/14/2024667/14/202467通道工作过程通道工作过程 7/14/202468在通道与设备之间的数据传送过程中在通道与设备之间的数据传送过程中 如果一个通道只管理一台高速设备，完成一次如果一个通道只管理一台高速设备，完成一次数据传送过程只需要做一次设备选择工作。数据传送过程只需要做一次设备选择工作。如果在同一个通道中有多台设备同时工作则要如果在同一个通道中有多台设备同时工作则要反复重新选择设备，即找出当前要传送数据的是反复重新选择设备，即找出当前要传送数据的是哪一台设备。哪一台设备。对于低速设备，每传送完一字节就要重新选择设对于低速设备，每传送完一字节就要重新选择设备；对于高速设备，通常每传送完一个数据块后备；对于高速设备，通常每传送完一个数据块后需要重新选择设备。需要重新选择设备。7/14/202469通道的工作流程通道的工作流程7/14/2024707/14/2024716.3.4 通道类型通道类型根据多台外围设备共享通道的不同情况，可将通根据多台外围设备共享通道的不同情况，可将通道分为三种类型。道分为三种类型。1字节多路通道字节多路通道字节多路通道是一种简单的共享通道，可以依靠字节多路通道是一种简单的共享通道，可以依靠通道与通道与CPU之间的高速数据通路之间的高速数据通路分时分时地为多台设地为多台设备服务。备服务。在字节多路通道中，一个通道含有多个子通道，在字节多路通道中，一个通道含有多个子通道，使用公共的控制部分。每个子通道连接一个设备使用公共的控制部分。每个子通道连接一个设备控制器，一个设备控制器可连接多台设备，设备控制器，一个设备控制器可连接多台设备，设备可以采用可以采用字节交叉模式和猝发模式分时交替地字节交叉模式和猝发模式分时交替地使使用通道进行数据传送。用通道进行数据传送。7/14/202472字节多路通道的结构字节多路通道的结构7/14/202473字节多路通道的操作模式字节多路通道的操作模式字节交叉模式字节交叉模式连接在通道上的各个设备轮流占用一个很短的时连接在通道上的各个设备轮流占用一个很短的时间片传输一个字节。间片传输一个字节。猝发模式（成组模式）猝发模式（成组模式）一个设备一次占用通道比较长的时间传输一组数一个设备一次占用通道比较长的时间传输一组数据，即设备与通道的连接可以根据需要维持到一据，即设备与通道的连接可以根据需要维持到一组数据全部传送完成为止。组数据全部传送完成为止。两种工作方式之间的转换可以通过超时机制自动两种工作方式之间的转换可以通过超时机制自动控制进行。在字节交叉模式工作时，如果在超时控制进行。在字节交叉模式工作时，如果在超时机制预置的时间内，数据仍没有传送完毕，则自机制预置的时间内，数据仍没有传送完毕，则自动转入猝发模式工作，否则，继续采用字节交叉动转入猝发模式工作，否则，继续采用字节交叉模式工作。模式工作。7/14/202474字节多路通道的信息传送字节多路通道的信息传送A1A2A3A4A5A6B1B2B3B4B5B6C1C2C3C4C5C6通道控制A1B1C1A2B2C2Ai、Bi、Ci 分别为传送的字节信息分别为传送的字节信息7/14/2024752选择通道选择通道选择通道只有一套完整的硬件，以选择通道只有一套完整的硬件，以独占的方式独占的方式工工作，逐个轮流地为物理上连接的几台高速外设服作，逐个轮流地为物理上连接的几台高速外设服务。务。选择通道在一段时间内单独为一台外设服务，但选择通道在一段时间内单独为一台外设服务，但在不同的时间内可以选择不同的设备。在不同的时间内可以选择不同的设备。选择通道一旦选中某一设备，通道就进入选择通道一旦选中某一设备，通道就进入“忙忙”状态直到该设备的数据传输工作全部结束为止。状态直到该设备的数据传输工作全部结束为止。选择通道传送的数据宽度是可变的，它为一台外选择通道传送的数据宽度是可变的，它为一台外设传送完数据后才转去处理其他外设。设传送完数据后才转去处理其他外设。7/14/202476选择通道的结构选择通道的结构7/14/202477选择通道的信息传送选择通道的信息传送A1A2A3An通通道道A1An B1Bn C1CnB1B2B3BnC1C2C3CnA1An、B1Bn、C1Cn 分别为成组数据分别为成组数据7/14/2024783数组多路通道数组多路通道数组多路通道将字节多路通道和选择通道的特性数组多路通道将字节多路通道和选择通道的特性结合起来。一个通道可带有多个子通道，各子通结合起来。一个通道可带有多个子通道，各子通道以道以成组交叉模式成组交叉模式轮流使用通道。轮流使用通道。成组交叉模式：利用通道传送完一组数据（数据成组交叉模式：利用通道传送完一组数据（数据块）后让出通道。块）后让出通道。数组多路通道适用于以数组为单位的高速外设。数组多路通道适用于以数组为单位的高速外设。数组多路通道选择一个高速设备后，先向其发出数组多路通道选择一个高速设备后，先向其发出一个寻找的命令，然后在这个设备寻找期间可以一个寻找的命令，然后在这个设备寻找期间可以为其他设备服务。在设备寻找完成后再与其真正为其他设备服务。在设备寻找完成后再与其真正建立数据连接，并一直维持到一个数据块传输完建立数据连接，并一直维持到一个数据块传输完毕毕。7/14/202479数组多路通道的信息传送数组多路通道的信息传送A1 Ak Ak1 An通通道道A1Ak B1Bk C1CkAk+1A2k Bk+1B2k Ck+1C2k A1Ak、B1Bk、C1Ck 分别为数据块分别为数据块B1 Bk Bk1 BnC1 Ck Ck1 Cn7/14/2024804.通道指令与通道程序通道指令与通道程序（1）通道指令（通道控制字）通道指令（通道控制字 CCW,IBM370为例）为例）CD32=1 （数据链）数据链）两邻命令码同，主存区域不同的通道指令链接为两邻命令码同，主存区域不同的通道指令链接为通道程序通道程序CC33=1（控制链）控制链）两邻命令码不同的通道指令链接为通道程序两邻命令码不同的通道指令链接为通道程序命令码数据地址特征位000未用计数值0 7 8 31 32 33 36 37 39 40 47 48 63 7/14/202481命令码：命令码：通道指令完成的操作，如读、写、转移、控制等通道指令完成的操作，如读、写、转移、控制等数据地址：数据地址：数据存放的主存首地址数据存放的主存首地址计数值：计数值：数据的传送量数据的传送量CC、CD链的组合：链的组合：CCCD说说 明明00表示为通道程序的最后一条指令表示为通道程序的最后一条指令01与后续命令同、数据不同与后续命令同、数据不同 （数据链）（数据链）10与后续命令不同（控制链）与后续命令不同（控制链）11禁止禁止（不存在）（不存在）7/14/202482（2）通道程序）通道程序由由CC或或CD链连接起来的通道指令的有序集合链连接起来的通道指令的有序集合（3）通道程序举例）通道程序举例例例1.Read 400000H CD=0 CC=0 512 (读设备）读设备）例例2.Read 400000H CD=1 CC=0 512 Read 600000H CD=0 CC=0 1024例例3.Read 400000H CD=0 CC=1 512 Search CD=0 CC=1 Write 8A0000H CD=1 CC=0 256 Write AC0000H CD=0 CC=0 5127/14/2024835.通道程序流程（大致有通道程序流程（大致有6个步骤）个步骤）（1）取通道指令）取通道指令 （通道进入数据传送期间）（通道进入数据传送期间）从主存通道地址字单元（从主存通道地址字单元（IBM370为为72#）取出）取出 地址字（地址字（CAW）-CAWR=MAR =取出取出CCW=CCWR（2）置参数置参数 CAWR =CAWR+8（准备取下一条指令）准备取下一条指令）CAR =CCWR （数据地址段）数据地址段）WCNT=CCWR （计数值段）计数值段）通道标志寄存器通道标志寄存器=CC、CD等特征位等特征位7/14/202484（3）数据传送）数据传送 （以（以 I/ORAM为例）为例）读外设数据读外设数据拆卸与装配拆卸与装配数据缓冲数据缓冲MDR CAR（数据地址）数据地址）MAR Write RAM 修改参数：修改参数：CAR+4、WCNT-4 （一次传一次传4B）（4）WCNT=0?否，否，重复（重复（3）（5）CD=0&CC=0？否，转（否，转（1），取下一条通道指令），取下一条通道指令（6）结束处理：）结束处理：（CD=0&CC=0,触发中断）触发中断）结束中断结束中断中断寄存器，向中断寄存器，向CPU发中断请求发中断请求 CPU转入执行中断服务程序转入执行中断服务程序7/14/2024856.3.5 通道流量分析通道流量