成都信息工程学院：《计算机体系结构》第三章 输入输出系统（I/O系统）

第三章输入输出系统(o系统) §1概述 、I/O系统组成:包括1O设备,设备控制器 及与ⅣO操作有关的软硬件 、I/O系统的主要功能:对指定外设进行IO 操作,同时完成许多其他的控制 包括:外设编址,数据通路的建立,向主 机提供外设的状态信息等

一、I/O系统组成：包括I/O设备，设备控制器 及与I/O操作有关的软硬件。 二、I/O系统的主要功能：对指定外设进行I/O 操作，同时完成许多其他的控制。 包括：外设编址，数据通路的建立，向主 机提供外设的状态信息等

I/O系统应面向OS设计 在高性能多用户计算机系统中,IO系统的设 计应是面向OS,考虑怎样在OS与IO系统之间进 行合理的软、硬件功能分配。 I/O系统的设计内容包括总线设计和I/O系统的 方式两大部分 四、IO系统的三种方式 1.程序控制IO 1)全软件方式(无条件传送或定时交换, 有关操作时间固定且已知,应用面窄,如读写某 设备接口的缓冲区数据

三、I/O系统应面向OS设计 在高性能多用户计算机系统中，I/O系统的设 计应是面向OS，考虑怎样在OS与I/O系统之间进 行合理的软、硬件功能分配。 I/O系统的设计内容包括总线设计和I/O系统的 方式两大部分 四、I/O系统的三种方式 1. 程序控制I/O 1）全软件方式（无条件传送或定时交换，） 有关操作时间固定且已知，应用面窄，如读写某 设备接口的缓冲区数据

2)程序查询方式(条件传送或轮询方式) 有关操作时间不固定且未知,轮询方式使CPU的利用 率大大降低,如打印机的初始化 3)中断驱动方式 在需要IO服务时才中断CPU的现行工作,转去执行 I/O服务。 需要有接口电路和中断逻辑。 2DMA( Direct Memory access方式 直接依靠硬件在主存与ⅣO设备间进行直接的数据传递, 在传递期不需CPU干预。 DMA方式本身只能处理简单的数据传递,不切换程序

2）程序查询方式（条件传送或轮询方式） 有关操作时间不固定且未知，轮询方式使CPU的利用 率大大降低，如打印机的初始化。 3）中断驱动方式 在需要I/O服务时才中断CPU的现行工作，转去执行 I/O服务。 需要有接口电路和中断逻辑。 2. DMA（Direct Memory Access）方式 直接依靠硬件在主存与I/O设备间进行直接的数据传递， 在传递期不需CPU干预。 DMA方式本身只能处理简单的数据传递，不切换程序

3.IO处理机方式 1)通道(CH)方式 ①有自己的指令系统(CH指令)和程序(CH程序)。 ②执行通道程序时可与CPU的运行同时进行。并行性。 ③通道指令功能简单,使用面窄,与CPU共用一个主存,还不 是独立的O处理机。 2)外围处理机方式(PPU 用一个功能较弱的计算机管理IO,彻底解放CPU,硬件结 构最复杂。 能称为IO系统的必要条件: ①要有软件和硬件 ②软件要由硬件装置本身执行。因此只有通道,外围处理机才 能称IO系统

3. I/O处理机方式 1）通道（CH）方式 ①有自己的指令系统（CH指令）和程序（CH程序）。 ②执行通道程序时可与CPU的运行同时进行——并行性。 ③通道指令功能简单，使用面窄，与CPU共用一个主存，还不 是独立的I/O处理机。 2）外围处理机方式（PPU） 用一个功能较弱的计算机管理I/O，彻底解放CPU，硬件结 构最复杂。 能称为I/O系统的必要条件： ①要有软件和硬件； ②软件要由硬件装置本身执行。因此只有通道，外围处理机才 能称I/O系统

§2总线设计 总线主要类型 1按具有总线数目分 1)单总线:仅一组总线,所有部件都由它来完成信 息交换,结构简单,利用率高,未能照顾CPU访存 需要 总线 CP存储器高速一般

一、总线主要类型 1 按具有总线数目分 1）单总线：仅一组总线，所有部件都由它来完成信 息交换，结构简单，利用率高，未能照顾CPU访存 需要 CPU 存储器 高速I/O 一般I/O 总线

2)双总线:在单总线的基础上增加一组CPU 与存贮器间的总线,要求存贮器是多体结构 总线 CPU总线 CP存储器高速I/O般1

2）双总线：在单总线的基础上增加一组CPU 与存贮器间的总线，要求存贮器是多体结构。 CPU 存储器 高速I/一O 般I/O 总线 CPU总线

3)三总线:在双总线的基础上增加 组存贮器到高速MO的总线,要求存 贮器是多体结构 总线 CPU总线高速I/0总线 CP存储器高速I/0般I

CPU 存储器 高速I/O一般I/O 总线 CPU总线 高速I/O总线

2按是否专用来分 1)专用总线:随部件数(n)的增加,专用总线急刷 增加 =n*(n-1)2 n=4时,1=6;n=5时l=10 2)非专用总线即公共总线 总线数少,造价低,总线接口标准化、模块性强,易 于简化和统一接口设计,会出现总线争用,降低效 率 3按传递的信息类型分 地址总线AB 数据总线DB 控制总线CB

2 按是否专用来分 1）专用总线：随部件数（n）的增加，专用总线急刷 增加： l=n*(n-1)/2 n=4时， l =6 ； n=5时 l =10 2）非专用总线——即公共总线 总线数少，造价低，总线接口标准化、模块性强，易 于简化和统一接口设计，会出现总线争用，降低效 率。 3 按传递的信息类型分 地址总线AB 数据总线DB 控制总线CB

二、总线控制方式 研究对非专用总线在多个部件同时申请总 线时的裁决控制机构。 目的:采用何种办法来获得对总线的使用 类型:总线控制逻辑基本上集 中放在一起的裁决控制机构。 总线控制逻辑分散于连到总线 的各个部件中时,称分布控制。 以集中控制为主,要求对各种控制方式 (串行链接、定时查询、独立请求),能画出 结构示意图,叙述获取总线过程,计算所需独 立线数及最长响应的时间

二、总线控制方式 研究对非专用总线在多个部件同时申请总 线时的裁决控制机构。 目的：采用何种办法来获得对总线的使用。 类型：总线控制逻辑基本上集 中放在一起的裁决控制机构。 总线控制逻辑分散于连到总线 的各个部件中时，称分布控制。 以集中控制为主，要求对各种控制方式 （串行链接、定时查询、独立请求）,能画出 结构示意图，叙述获取总线过程，计算所需独 立线数及最长响应的时间

1集中式串行链接控制 1)结构示意图设有n个部件,编号Un…Un 集响应U0 U1 H Un-1 中控制器 请求 C 2)获取总线过程 ①当部件请求时,请求信号送集中控制器C ②C收到请求后,从响应线上发出响应电平。(总线 空闲时,即未建忙电平)

集 中 控 制 器 C U0 U1 ... Un-1 响应 请求 忙 1 集中式串行链接控制 1）结构示意图(设有n个部件，编号U0…Un-1)。 2）获取总线过程 ① 当部件请求时，请求信号送集中控制器C。 ② C收到请求后，从响应线上发出响应电平。（总线 空闲时，即未建忙电平）