IO设备与CPU和存储器的连接.ppt

6.5I/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,6.5I/O设备与CPU和存储器的连接,6.5I/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。,6.5I/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。,6.5I/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,6.5I/O设备与CPU和存储器的连接,几种CPU-存储器互连系统,6.5I/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,6.5I/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,6.5I/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,6.5I/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专用处理机。1.通道的功能,6.5I/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。,6.5I/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。,6.5I/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,6.5I/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。,6.5I/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。,6.5I/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,6.5I/O设备与CPU和存储器的连接,6.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,6.5I/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。,6.5I/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。,6.5I/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。,6.5I/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与流量分析动画演示,6.5I/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,6.5I/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。,6.5I/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,6.5I/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,6.5I/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,6.5I/O设备与CPU和存储器的连接,