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第10章输入输出(IO)系统.ppt

第10章输入输出(IO)系统

migongzhian
2011-09-30 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《第10章输入输出(IO)系统ppt》,可适用于高等教育领域

第章输入输出(IO)系统第章输入输出(IO)系统输入输出(IO)系统概述程序中断输入输出方式DMA输入输出方式通道控制方式和外围处理机方式总线结构外设接口习题输入输出(IO)系统概述输入输出系统包括外部设备(输入输出设备和辅助存储器)及其与主机(CPU和存储器)之间的控制部件。后者称之为设备控制器诸如磁盘控制器、打印机控制器等有时也称为设备适配器或接口其作用是控制并实现主机与外部设备之间的数据传送。本章主要介绍设备控制器的工作原理及其与主机之间传送数据的协议即系统总线。输入输出设备的编址及设备控制器的基本功能为了CPU便于对IO设备进行寻址和选择必须给众多的IO设备进行编址也就是给每一台设备规定一些地址码称为设备号或设备代码。随着CPU对IO设备下达命令方式的不同而有以下两种寻址方法:()专设IO指令例如指令IN完成输入指令OUT完成输出操作。指令的地址码字段指出输入输出设备的设备代码。()利用访存(取数存数)指令完成IO功能使用这种方法时从主存的地址空间中分出一部分地址码作为IO的设备代码当访问到这些地址时表示被访的不是主存储器而是IO设备寄存器。IBMPC等系列机设置有专门的IO指令设备的编址可达个部分设备的地址码如表所示。从表中可见每一台设备占用了若干个地址码分别表示相应的设备控制器中的寄存器地址。表输入输出地址分配表设备控制器(IO接口)的基本功能是:()实现主机和外围设备之间的数据传送控制。包括同步控制、设备选择和中断控制等。DMA设备还具有直接访问存储器功能并给出存储器地址。()实现数据缓冲以达到主机同外围设备之间的速度匹配。在接口电路中一般设置一个或几个数据缓冲寄存器。在传送过程中先将数据送入数据缓冲寄存器然后再送到目的设备(输出)或主机(输入)。()接受主机的命令提供设备接口的状态并按照主机的命令控制设备。输入输出接口类型有:()按照数据传送的宽度可分为并行接口和串行接口。在并行接口中设备和接口是将一个字节(或字)的所有位同时传送。在串行接口中设备和接口间的数据是一位一位串行传送的而接口和主机之间是按字节或字并行传送。接口要完成数据格式的串并变换。()按照数据传送的控制方式可分成程序控制输入输出接口程序中断输入输出接口和直接存储器存取(DMA)接口等。IO设备数据传送控制方式程序直接控制方式程序直接控制(programeddirectcontrol)方式就是完全通过程序来控制主机和外围设备之间的信息传送。通常的办法是在用户的程序中安排一段由输入输出指令和其他指令所组成的程序段直接控制外围设备的工作。传送时首先启动设备发出启动命令接着CPU等待外围设备完成接收或发送数据的准备工作。在等待时间内CPU不断地用一条测试指令检测外围设备工作状态标志触发器。一旦测试到标志触发器已置成“完成”状态即可进行数据传送。程序中断传送方式在程序中断传送(programinterrupttransfer)方式中通常在程序中安排一条指令发出START信号启动外围设备然后机器继续执行程序。当外围设备完成数据传送的准备后便向CPU发“中断请求”(INT)信号。CPU接到请求后若可以停止正在运行的程序则在一条指令执行完后(非流水线计算机)转去执行“中断服务程序”完成传送数据工作通常传送一个字或一个字节。传送完毕仍返回原来的程序。由于系统在启动外围设备后到数据的准备完成这段时间内一直在执行原程序不是处于踏步等待状态而仅仅在外围设备交换数据的准备工作完成之后才中止程序的继续执行转而进行数据传送。因此这在一定程度上实现了CPU和外围设备的并行工作。此外有多台外设依次启动后可同时进行数据交换的准备工作。若在某一时刻有几台外围设备发出中断请求信号CPU可根据预先规定好的优先顺序按轻重缓急去处理几台外设的数据传送从而实现了外围设备的并行工作。因此程序中断方式大大提高了计算机系统的工作效率。直接存储器存取方式直接存储器存取(directmemoryaccess,简称DMA)方式的基本思想是在外围设备和主存之间开辟直接的数据传送通路。在正常工作时所有工作周期均用于执行CPU的程序。当外围设备完成输入或输出数据的准备工作后占用总线一个工作周期和主存直接交换数据。这个周期过后CPU又继续控制总线执行原程序。如此重复直到整个数据块的数据传送完毕。这项工作是由IO系统中增设的DMA控制器完成的由它给出每次传送数据的主存地址并统计已传送数据的个数以确定是否传送结束。除了在数据块传送的起始和结束时需用中断分别进行前处理和后处理外无需CPU的频繁干预。主存储器被并行工作的CPU和IO子系统所共享。DMA方式也有不足之处。首先对外围设备的管理和某些操作的控制仍需由CPU承担。在大中型计算机系统中系统所配备的外设种类多、数量大这样对外设的管理和控制也就愈来愈多愈来愈复杂。大容量外存的使用使主存和外存之间的数据流量大幅度增加有时还要求多个DMA同时使用引起访问主存的冲突增加。因此在大型计算机系统中通常设置专门的硬件装置通道。IO通道控制(IOchannelcontrol)方式“通道”不是一般概念的IO通路它是一个专用的名称。通道能独立地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号送给由它管辖的设备控制器继而完成复杂的输入输出过程。通道是一种通用性和综合性都较强的输入输出方式它代表了现代计算机组织向功能分布方向发展的初始发展阶段形成了如图的结构。图输入输出系统的结构(具有CH或IO处理机)外围处理机方式输入输出处理机通常称作外围处理机(peripheralprocessorunit,简称PPU)。这种外围处理机的结构更接近一般处理机甚至就是一般小型通用计算机或微机。它可完成IO通道所要完成的IO控制还可完成码制变换、格式处理、数据块的检错、纠错等操作。它可具有相应的运算处理部件、缓冲部件还可形成IO程序所必需的程序转移手段。有了外围处理机不但可简化设备控制器而且可用它作为维护、诊断、通信控制、系统工作情况显示和人机联系的工具。外围处理机基本上独立于主机工作。在某些大型计算机系统中设置多台外围处理机分别承担IO控制、通信、维护、诊断等任务。有了外围处理机后使计算机系统结构有了质的飞跃由功能集中式发展为功能分散的分布式系统。该系统的结构与图所示类似但要将图中的CH改为IO处理机。程序中断输入输出方式中断的作用、产生和影响中断的作用“中断”是由IO设备或其他非预期的急需处理的事件引起的它使CPU暂时中断现在正在执行的程序而转至另一服务程序去处理这些事件。处理完后再返回原程序。中断有下列一些作用:()CPU与IO设备并行工作图表示出CPU和IO设备(针式打印机)并行工作的时间安排。图CPU与打印机并行工作时间图()硬件故障处理计算机运行时如硬件出现某些故障机器中断系统发出中断请求CPU响应中断后自动进行处理。()实现人机联系在计算机工作过程中如果用户要干预机器如抽查计算中间结果了解机器的工作状态给机器下达临时性的命令等。在没有中断系统的机器里这些功能几乎是无法实现的。利用中断系统实现人机通信是很方便、很有效的。()实现多道程序和分时操作计算机实现多道程序运行是提高机器效率的有效手段。多道程序的切换运行需借助于中断系统。在一道程序的运行中由IO中断系统切换到另外一道程序运行。也可以通过分配每道程序一个固定时间片利用时钟定时发中断进行程序切换。()实现实时处理所谓实时处理是指在某个事件或现象出现时及时地进行处理而不是集中起来再进行批处理。这些事件出现的时刻是随机的而不是程序本身所能预见的因此要求计算机中断正在执行的程序转而去执行中断服务程序。()实现应用程序和操作系统(管态程序)的联系可以在用户程序中安排一条“Trap”指令进入操作系统称之为“软中断”。其中断处理过程与其他中断类似。()多处理机系统各处理机间的联系在多处理机系统中处理机和处理机之间的信息交流和任务切换可以通过中断来实现。有关中断的产生和响应的概念()中断源引起中断的事件即发出中断请求的来源称为中断源。①中断源的种类IO设备、定时钟等来自处理机外部设备的中断又叫外中断。处理器硬件故障或程序“出错”引起的中断又叫内中断。由“Trap”指令产生的软中断这是在程序中预先安排好的。而前面两种中断则是随机发生的。②中断触发器当中断源发生引起中断的事件时先将它保存在设备控制器的“中断触发器”中即将“中断触发器”置“”。当中断触发器为“”时向CPU发出“中断请求”信号。每个中断源有一个中断触发器。全机的多个中断触发器构成中断寄存器。其内容称为中断字或中断码。CPU进行中断处理时根据中断字确定中断源转入相应的服务程序。()中断的分级与中断优先权在设计中断系统时要把全部中断源按中断性质和处理的轻重缓急进行排队并给予优先权。所谓优先权是指有多个中断同时发生时对各个中断响应的优先次序。当中断源数量很多时中断字就会很长同时也由于软件处理的方便一般把所有中断按不同的类别分为若干级称为中断级在同一级中还可以有多个中断源。首先按中断级确定优先次序然后在同一级内再确定各个中断源的优先权。当对设备分配优先权时必须考虑数据的传输率和服务程序的要求。如果来自某些设备的数据只是在一个短的时间内有效为了保证数据的有效性通常把最高的优先权分配给它们。较低的优先权分配给数据有效期较长的设备以及具有数据自动恢复能力的设备。()禁止中断和中断屏蔽①禁止中断产生中断源后由于某种条件的存在CPU不能中止现行程序的执行称为禁止中断。一般在CPU内部设有一个“中断允许”触发器。只有该触发器为“”状态时才允许处理机响应中断如果该触发器被清除则不响应所有中断源申请的中断。前者叫做允许中断后者叫做禁止中断。“中断允许”触发器通过“开中断”或“关中断”指令来置位、复位。进入中断服务程序后自动“关中断”。②中断屏蔽当产生中断请求后用程序方式有选择地封锁部分中断而允许其余部分中断仍得到响应称为中断屏蔽。实现方法是为每个中断源设置一个中断屏蔽触发器来屏蔽该设备的中断请求。具体说用程序方法将该触发器置“”则对应的设备中断被封锁若将其置“”才允许该设备的中断请求得到响应。由各设备的中断屏蔽触发器组成中断屏蔽寄存器。有些中断请求是不可屏蔽的也就是说不管中断系统是否开中断这些中断源的中断请求一旦提出CPU必须立即响应。例如电源掉电就是不可屏蔽中断。所以中断又分为可屏蔽中断和非屏蔽中断。非屏蔽中断具有最高优先权。一旦CPU响应中断的条件得到满足CPU开始响应中断转入中断服务程序进行中断处理。中断处理中断处理过程不同计算机对中断的处理各具特色就其多数而论中断处理过程可如图所示。()关中断进入不可再次响应中断的状态由硬件自动实现。()保存断点和现场为了在中断处理结束后能正确地返回到中断点在响应中断时必须把当前的程序计数器PC中的内容(即断点)保存起来。现场信息一般指的是程序状态字中断屏蔽寄存器和CPU中某些寄存器的内容。图中断处理过程()判别中断源转向中断服务程序。()开中断。开中断将允许更高级中断请求得到响应实现中断嵌套。()执行中断服务程序。不同中断源的中断服务程序是不同的实际有效的中断处理工作是在此程序段中实现的。()退出中断。在退出时又应进入不可中断状态即关中断恢复现场、恢复断点然后开中断返回原程序执行。进入中断时执行的关中断、保存断点等操作一般是由硬件实现的它类似于一条指令但它与一般的指令不同不能被编写在程序中。因此常常称为“中断隐指令”。判别中断源可以有软件和硬件两种方法来确定中断源。()查询法由测试程序按一定优先排队次序检查各个设备的“中断触发器”(或称为中断标志)当遇到第一个“”标志时即找到了优先进行处理的中断源通常取出其设备码根据设备码转入相应的中断服务程序。()串行排队链法由硬件确定中断源。图(a)为中断请求逻辑图图(b)为串行排队判优先线路。图中断请求串行排队逻辑多重中断处理多重中断是指在处理某一个中断过程又发生了新的中断请求从而中断该服务程序的执行又转去进行新的中断处理。这种重叠处理中断的现象又称为中断嵌套。一般情况下在处理某级中的某个中断时与它同级的或比它低级的新中断请求应不能中断它的处理而在处理完该中断返回主程序后再去响应和处理这些新中断。而比它优先级高的新中断请求却能中断它的处理。图所示为一个级中断嵌套的例子。图多重中断处理示意图程序中断设备接口的组成和工作原理程序中断设备接口一般由设备选择器、中断控制和工作状态逻辑、中断排队控制逻辑、设备码回送逻辑和数据缓冲寄存器等组成。接口标准化通过总线与主机相连。图为某机程序中断设备接口框图。由下列电路组成:()设备选择器每一台外围设备接口都设置一个设备选择器连接在系统上的每一台设备都有一个设备号。图某机程序中断设备接口框图()中断控制和工作状态逻辑()中断排队和设备码回送逻辑()数据缓冲寄存器除上述标准部件外各外围设备还可设置一些特殊的控制电路以适应不同的外围设备的需要如启停电路等。不同机器的程序中断设备接口逻辑是不同的但基本原理是一致的。程序中断控制逻辑已由专用集成电路芯片实现。IntelA中断控制器件的内部结构如图所示。它由八个部分组成:中断请求寄存器、中断状态寄存器、优先级判断器、中断屏蔽寄存器、中断控制逻辑、数据缓冲器、级联缓冲器比较器和读写逻辑。图A中断控制器DMA输入输出方式DMA是IO设备与主存储器之间由硬件组成的直接数据通路用于高速IO设备与主存之间的成组数据传送。数据传送是在DMA控制器控制下进行的由DMA控制器给出当前正在传送的数据字的主存地址并统计传送数据的个数以确定一组数据的传送是否已结束。在主存中要开辟连续地址的专用缓冲器用来提供或接收传送的数据。在数据传送前和结束后要通过程序或中断方式对缓冲器和DMA控制器进行预处理和后处理。DMA三种工作方式CPU暂停方式主机响应DMA请求后让出存储总线直到一组数据传送完毕后DMA控制器才把总线控制权交还给CPU采用这种工作方式的IO设备在其接口中一般设置有存取速度较快的小容量存储器IO设备与小容量存储器交换数据小容量存储器与主机交换数据这样可减少DMA传送占用存储总线的时间也即减少CPU暂停工作时间。CPU周期窃取方式DMA控制器与主存储器之间传送一个数据占用(窃取)一个CPU周期即CPU暂停工作一个周期然后继续执行程序。直接访问存储器工作方式这是标准的DMA工作方式如传送数据时CPU正好不占用存储总线则对CPU不产生任何影响。如DMA和CPU同时需要访问存储总线则DMA的优先级高于CPU。在DMA传送数据过程中不能占用或破坏CPU硬件资源或工作状态否则将影响CPU的程序执行。DMA控制器组成DMA控制器基本组成如图所示。它包括多个设备寄存器、中断控制和DMA控制逻辑等。图DMA控制器组成设备寄存器DMA控制器中主要的寄存器有:()主存地址寄存器(MAR)该寄存器初始值为主存缓冲区的首地址在传送前由程序送入。()外围设备地址寄存器(ADR)该寄存器存放IO设备的设备码或者表示设备信息存储区的寻址信息。()字数计数器(WC)该计数器对传送数据的总字数进行统计。()控制与状态寄存器(CSR)该寄存器用来存放控制字和状态字。()数据缓冲寄存器(DBR)该寄存器用来暂存IO设备与主存传送的数据。中断控制逻辑DMA中断控制逻辑负责申请CPU对DMA进行预处理和后处理。DMA控制逻辑一般包括设备码选择电路DMA优先排队电路产生DMA请求的线路等在DMA取得总线控制权后控制主存和设备之间的数据传送。DMA接口与主机和I/O设备两个方向的数据线、地址线和控制信号线以及有关收发与驱动线路。DMA的数据传送过程DMA的数据传送过程可分为三个阶段:DMA传送前预处理、数据传送及传送后处理如图(a)所示。图(b)所示的是第二阶段数据传送过程。DMA预处理在进行DMA数据传送之前要用程序做一些必要的准备工作。DMA控制I/O设备与主存之间的数据交换CPU中断原程序进行后处理图DMA数据传送过程软盘接口逻辑电路举例为了实现CPU和软盘驱动器之间的快速数据传送在CPU和软盘驱动器之间需设置软盘控制器。为方便设计并减少设备控制器所需器件数目半导体厂家设计了DMA控制器电路IntelIntel就是DMA控制器电路。图所示的软盘控制器接口逻辑电路中采用了DMA控制器。图软盘控制器接口逻辑电路通道控制方式和外围处理机方式对于高速外设的成组数据交换采用DMA方式不仅节省了CPU开销而且提高了系统的吞吐能力。但在大、中型计算机中外设配置多数据传送频繁如仍采用DMA方式存在下述问题:()如果为数众多的外设都配置专用的DMA控制器将大幅度增加硬件因而提高成本。而且要为解决众多DMA同时访问主存的冲突使控制复杂化。()采用DMA传送方式的众多外设均直接由CPU管理控制由CPU进行初始化势必会占用更多的CPU时间而且频繁的周期挪用会降低CPU执行程序的效率。为避免上述弊病在大、中型计算机系统中采用I/O通道方式进行数据交换。IO通道的种类I/O通道是计算机系统中代替CPU管理控制外设的独立部件是一种能执行有限I/O指令集合通道命令的I/O处理机。在通道控制方式下一个主机可以连接几个通道。每个通道又可连接多台I/O设备这些设备可具有不同速度可以是不同种类。这种输入输出系统增强了主机与通道操作的并行能力以及各通道之间、同一通道的各设备之间的并行操作能力。同时也为用户提供了增减外围设备的灵活性。采用通道方式组织输入输出系统多使用主机通道设备控制器I/O设备四级连接方式。通道通过执行通道程序实施对I/O系统的统一管理和控制因此它是完成输入输出操作的主要部件。在CPU启动通道后通道自动地去内存取出通道指令并执行指令。直到数据交换过程结束向CPU发出中断请求进行通道结束处理工作。一般来说通道应有以下具体功能:()根据CPU要求选择某一指定外设与系统相连向该外设发出操作命令并进行初始化。()指出外设读/写信息的位置以及与外设交换信息的主存缓冲区地址。()控制外设与主存之间的数据交换并完成数据字的分拆与装配。()指定数据传送结束时的操作内容并检查外设的状态(良好或有故障)。通道除了承担DMA的全部功能外还承担了设备控制器的初始化工作并包括了低速外设单个字符传送的程序中断功能因此它分担了计算机系统中全部或大部分I/O功能提高了计算机系统功能分散化程度。DMA与通道的重要区别是:DMA完全借助于硬件完成数据传送而通道则是通过一组通道命令与硬件一起完成数据传送。根据多台设备共享通道的不同情况可将通道分为三类:字节多路通道、选择通道和数组多路通道如图所示。图IBM系统的I/O结构字节多路通道字节多路通道(multiplexorchannel)是一种简单的共享通道在时间分割的基础上服务于多台低速和中速面向字符的外围设备。选择通道选择通道每次只能从所连接的设备中选择一台I/O设备的通道程序。数组多路通道数组多路通道把字节多路通道和选择通道的特点结合起来。它有多个子通道既可以执行多路通道程序像字节多路通道那样所有子通道分时共享总通道又可以用选择通道那样的方式传送数据。通道型IO处理机(IOP)和外围处理机IOP不是一台独立的计算机而是计算机系统中的一个部件。IOP可以和CPU并行工作提供高速的DMA处理能力实现数据的高速传送。此外有些IOP还提供数据的变换、搜索和字装配/分拆能力。例如在位和位微机中使用的IntelI/O处理器就是这种通道型I/O处理器。IOP用以承担中央处理器中的I/O处理、控制和实现高速数据传送任务。它的主要功能是预置和管理外围设备以及支持通常的DMA操作。IOP的基本结构如图所示。图IOP的基本结构外围处理机结构更接近于一般处理机或者就是选用已有的通用机。外围机基本上是独立于主处理机工作的应用于大型高效率的计算机系统中。例如CYBER系列计算机的基本结构如图所示。图CYBER系列计算机基本结构总线结构计算机系统大多采用模块结构一个模块就是具有专门功能的插件板或叫做部件、插件、插卡。例如主机板、存储器卡、I/O接口板等。随着集成电路集成度的提高一块板上可安装多个模块。各模块之间传送信息的通路称为总线。为便于不同厂家生产的模块能灵活构成系统形成了总线标准。一般情况下有两类标准即正式公布的标准和实际存在的工业标准。正式公布的标准由IEEE(电气电子工程师学会)或CCITT(国际电报电话咨询委员会)等国际组织正式确定和承认并有严格的定义。实际的工业标准首先由某一厂家提出而又得到其他厂家广泛使用这种标准可能还没有经过正式、严格的定义也有可能经过一段时间后提交给有关组织讨论而被确定为正式标准。在标准中对插件引线的几何尺寸、引线数、各引线的定义、时序及电气参数等都作出明确规定这对子系统的设计和功能的扩充都带来了方便。总线有两类:一类是连接计算机内部各模块的总线如连接CPU、存储器和I/O接口的总线。常用的有ISA总线、EISA总线、VME总线、STD总线和PCI总线等。另一类为系统之间或系统与外部设备之间连接的总线常用的有EIARSC串行总线和IEEE并行总线等。总线类型单总线所有模块都连接到单一总线上如图(a)所示。总线类型有地址线、数据线、控制线和电源/地线。多总线将速度较低的I/O设备从总线上分出去而形成系统总线与I/O总线分开的双总线结构如图(b)所示。根据同一思想可以组成三总线结构如图(c)所示。图总线结构总线组成总线是从两个或两个以上源部件传送信息到一个或多个部件的一组传输线如一根传输线仅用于连接一个源部件(输出)和一个或多个目的部件(输入)则不称为总线。图为总线的物理结构示意图。图总线物理结构示意图由于多个模块(或部件)连接到一条共用总线上必须对每个发送的信息规定其信息类型和接收信息的部件协调信息的传送必须经过选择判优避免多个部件同时发送信息的矛盾。还需要对信息的传送定时防止信息的丢失。这就需要设置总线控制线路。总线控制线路包括总线判优或仲裁逻辑、驱动器和中断逻辑等。总线判优控制由于存在多个设备或部件同时申请对总线的使用权为保证在同一时间内只能有一个申请者使用总线需要设置总线判优控制机构。总线判优机构按照申请者的优先权选择可以控制总线的设备或部件。可以控制总线并启动数据传送的任何设备称做主控器或主设备能够响应总线主控器发出的总线命令的任何设备称做受控器或从设备。通常CPU为主设备存储器为从设备I/O设备可以为主设备或从设备。总线判优控制按其仲裁控制机构的设置可分为集中式控制和分布式控制两种。总线控制逻辑基本上集中于一个设备(如CPU)时称为集中式控制而总线控制逻辑分散在连接总线的各个部件或设备中时称为分布式总线控制。常用的优先权仲裁方式为串行链接方式如图所示。可以看出其优先次序是由“总线可用”线所接部件的位置决定的离总线控制器越近的部件其优先权越高。图串行链接判优线路总线通信信息在总线上的传送方式可分为同步和异步两种方式:()同步通信。在同步方式下通信双方由统一的时钟控制数据的传送时钟通常是由CPU发出的并送到总线上的所有部件。经过一段固定时间本次总线传送周期结束开始下一个新的总线传送周期。()异步通信。利用数据发送部件和接收部件之间的相互“握手”信号来实现总线数据传送的方式称作异步通信方式。出错处理数据传送过程可能产生错误有些接收部件有自动纠错能力可以自动纠正错误而有些部件无自动纠错能力但能发现错误可发出“数据出错”信号通常向CPU发出中断请求信号CPU响应中断后转入出错处理程序。总线驱动总线上可连接多个部件具有扩充灵活的优点但总线的驱动能力总是有限制的因此在扩充时要加以注意。通常一个模块或一个部件限制在~个负载以内。微机总线ISA总线ISA为工业标准总线是IBM公司为其生产的PC系列微机制定的总线标准。ISA总线(即XT总线)适用于CPU为的IBMPC/XT微机系统。总线信号连接到一个针插座分成AB两排每排针可连接条引线其中数据线根地址线根可接收路中断请求路DMA请求此外还包括时钟、电源线和地线。年代中期ISA总线扩充到位(即AT总线)适用于CPU为的IBMPC/AT系统。总线信号连接到个插座一个是与XT总线兼容的针插座引线仍标以A~AB~B。另一个为扩充的针插座引线标以C~CD~D。总线信号包括数据线根、地址线根支持级中断和个DMA通道。位数据线的I/O接口卡可以在ISA的针插座上运行。在此期间由于CPU速度的提高让CPU与存储器直接交换数据而不再通过ISA总线。表为ISA总线信号定义其中A~AB~B适合于XT总线与AT总线C~CD~D仅适用于AT总线。ISA总线的最大传输率为MBs。表ISA总线信号定义续表EISA总线年CompaqHPASTEpsonNEC等九家计算机公司联合推出了一个位总线标准扩充工业标准(ExtendedIndustrialStandardArchitecture简称EISA)。EISA保持了与ISA的完全兼容。由于EISA的公开性因此适合于EISA总线的插卡如LANSCSI图形卡等相继问世使EISA在应用领域得到充分发展。EISA总线支持CPUDMA设备和总线主设备对存储器的位地址寻址位或位数据传送宽度。总线时钟仍保持为MHz。位的DMA采用成组传送(burst)方式时传输率可达MB/s。burst方式指的是当数据传送开始后以一定周期连续重复传送一组数据的工作方式其所能达到的最高传输速率称为传输率。在某些文章中burst翻译成猝发式或迸发式。EISA总线虽有很多改进但比较复杂而且随着人们对视频显示要求的不断提高使得总线的传输率不能满足要求于是出现了局部总线。VESA总线VESA(VideoElectronicsStandardsAssociation)总线是“视频电子标准协会”于年推出的位局部总线把对数据传输率要求高的显示卡、网络卡等通过局部总线控制器与CPU总线相连局部总线时钟与CPU时钟同步。但由于总线扩展插槽的电气性能限制了最高工作频率一般选定为MHz所以数据传输率最大为MBs。低速的IO设备如打印机CDROM,FAXModem等仍通过ISA总线控制器以MHzMHz的速率运行。这样构成的系统是VESA和ISA两种总线的结合在主板上同时有两种扩展插槽。VESA总线没有制定严格的标准因此各厂家产品的兼容性较差。另外VESA总线主要是针对设计的最适合使用于系统中。PCI总线外围部件互连(peripheralcomponentinterconnect,简称PCI)总线也为局部总线。随着Pentium芯片的推出Intel公司分别于年月和年月颁布了PCIV和V规范目前已得到广泛应用。PCI是一种同步且独立于处理器的位(V支持位)局部总线它除了适用于Intel公司的芯片外还适用于其他型号(如DEC公司的Alpla)的微处理器芯片。并能实现即插即用(PP)即在加电时BIOS可自动检测机器配置而给各个外围设备分配中断请求号存储器的缓冲区等从而避免了IRQ(中断请求)、DMA(直接存储器存取)和IO通道之间的冲突。PCIV支持MHz工作频率最大传输率为MBs而工作在V支持的MHz频率时其传输率为MBs或MBs。图(a)所示为PCI在单处理器系统中的典型应用。“DRAM控制器和桥”模块加到PCI总线上其中桥的作用犹似数据缓冲器因此PCI总线的速度可以不同于处理器。在多处理器系统中(图(b))可以有个或多个桥连接到系统总线上而系统总线仅连接处理器cache,主存储器和桥。图PCI总线应用举例PCI总线结构简介如下:PCI有根引出线其中根是必备的其余根信号线是可选的。根必备信号线分成以下组:()系统信号线:Clock和Reset。()地址与数据线:包括根地址和数据的复用线以及其他用来解释数据与地址的信号线。()接口控制线:控制工作时序并在主从设备之间进行协调。()仲裁线:与PCI其他信号线不同这组线不是共享的每个IO设备都有一对仲裁线直接连到仲裁器上。()出错报告线:报告奇偶校错或其他错误。在根可选的信号线上包括有根扩充用的地址和数据的复用线。外设接口计算机的外部设备如磁盘驱动器、CDROM、鼠标器、键盘、显示器等都是独立的物理设备。这些设备与主机相连时必须按照规定的物理互连特性、电气特性等进行连接这些特性的技术规范称为接口。从物理结构来看例如硬盘驱动器通过电缆与适配器相连适配器插在主机板上的槽中这个适配器就是磁盘机的接口卡。它一方面通过槽背面的引线与CPU相连符合主机的系统总线规范另一方面与硬盘驱动器相连要符合外设接口规范即与相连的磁盘驱动器具有相同的技术规范。IDE接口和SCSI接口是当前在微机、工作站和服务器中广泛应用的接口一般来讲在微机中用IDE接口在工作站服务器或小型机中使用SCSI接口。IDE和EIDE接口IDE(integrateddriveelectronics)是从IBMPCAT上使用的ATA接口发展而来的IDEATA磁盘驱动器比之早期的ATA驱动器增加了任务文件寄存器(包括数据寄存器状态寄存器以及反映地址的驱动器号、磁头号、道号和扇区号寄存器等)。而早期的ATA驱动器任务文件寄存器位于磁盘控制器中。能够配置CDROM驱动器的ATA称为ATAPI(ATAPacketInterface)。随着计算机系统对硬盘速度和容量要求的提高增强型IDE(EIDE)标准应运而生。IDE标准有以下三点限制:()读写磁盘的数据传输率一般不超过MBs。()最多可连接两个IDE设备(磁盘机或其他)。()如果连接磁盘驱动器每个磁盘驱动器容量不超过MB。EIDE标准改进如下:()读写磁盘的数据传输率可达MBs~MBs。()最多可连接个IDE设备。()每个磁盘驱动器的容量可超过MB。EIDE通常接在VLBUS(VESALocalBus)和PCI(peripheralcomponentinterconnect)总线上。SCSI接口小型计算机系统接口(smallcomputersysteminterface简称SCSI)是当前最流行的用于小型机和微型机的外部设备接口标准年美国国家标准局(ANSI)在原SASI(美国Shugart公司的ShugartAssociatesSystemInterface)接口基础上经过功能扩充和协议标准化制定出SCSI标准后来又被国际标准化组织(ISO)确认为国际标准。年之后SCSI标准又经过多次修订、扩充到年定稿称为EnhancedSmallComputerSystemInterface,即SCSI。与原有的SCSI标准兼容。SCSI总线的数据线由位扩展到位/位(由于各种原因实用的总线只有位)。并提高了数据传输率扩充了功能和设备命令集。SCSI接口系统的结构见图。SCSI标准规定了两种输出方式:单端输出方式和差分输出方式。位单端输出SCSI接口信号线的安排如图所示。图SCSI接口系统的配置图SCSI接口信号线联接到SCSI总线上的设备(包括外设和主机)都有一个标识号ID从…共个允许多台外设并行工作也允许多台主机共享外设。SCSI总线上的设备分成发出命令的“主设备”和接收并执行命令的“从设备”两大类通常主机充当“主设备”外设充当“从设备”。ID号高的“主设备”在占有总线的仲裁中享有高的优先级。目前有的小型机的基本设置中已有SCSI接口如果没有需要一块SCSI主机适配器板才能跨接到SCSI总线上。这块适配器板完成主机总线到SCSI总线的接口因此不同的主机总线有不同的适配器例如有适合于AT总线、EISA总线或PCI总线的适配器。用户根据不同的主机选择相应的主机适配器就可以联接具有SCSI接口的设备。表列出SCSI接口的技术指标。表中提高传输率的总线称之为“Fast”位总线宽度称之为Wide。为了提高传输率减少了单端输出的总线长度而不改变差分输出的总线长度。表SCSI接口其他外设接口IEEE总线标准IEEE总线最初是为电子仪器设计的并行接口总线已在电子仪器厂家中广泛应用HP(惠普)公司除用于电子仪器还应用于计算机。总线允许连到该总线的设备选择以下三种基本方式之一进行工作:()“接收”方式从总线接收数据()“发送”方式向总线发送数据()“控制”方式控制其他设备例如对其他设备进行寻址或允许“发送”设备使用总线。连接在总线上的多种设备在任一时刻只能有一个总线“控制”设备或“发送”设备是活跃的。总线上的设备都分配有唯一的地址控制设备可选择若干个接收设备。总线使用针插座其中根地线根信号线:根双向数据线(与地址复用)、根字节传送控制线和根接口控制线。利用发送设备和接收设备的“握手”信号(字节传送控制线)来控制数据的传送。串行数据通信接口标准有些外设由于速度较慢或者离主机较远往往采用串行数据传送方式它只需要一对线来传送信号。目前几乎在所有计算机中都采用的串行接口标准是EIARSC标准。该标准包括了按位串行传输的电气和机械方面的规定适用于数据终端设备DTE和数据通信设备DCE之间的接口完整的RSC接口有根线采用一个芯插头座但大多数计算机终端只要使用其中的至根线即可工作其中最主要的是“发送数据”和“接收数据”线它们用来在两个系统之间传送串行信息其传输率可从、至bs(位秒)。RSC数据线的电气特性是:低于伏表示“”(传号)高于伏表示“”(空号)通常额定的信号电平为伏和伏左右。因此RSC的电平与标准的TTL的逻辑电平不同需要使用和集成电路发送器和接收器来进行电平转换。串行接口用于连接慢速外围设备到计算机总线上其设备一端按位串行传送计算机一端并行(通常是字节)传送。一个串行接口具有寻址和控制功能并要在寄存器(DIN,DOUT)和I/O设备之间进行串并转换。图是一个基于使用一个通用异步接收发送器(universalasynchronousreceivertransmitter简称UART)集成电路片子的串行接口原理逻辑图。图异步串行接口中UART工作原理图USB(通用串行总线)接口USB是一种通用万能插口可以将下列的任一部件插入USB端口:显示器、键盘、鼠标、调制解调器、游戏杆、打印机、扫描仪、视频相机等。还可以将一些USB外设进行串接即一大串设备共用PC机上一个端口。USB总线可提供电源但如将多个耗电量大的外设串接起来有可能使总线过载此时可使用一个自供电的集线器来补充功耗。另外USB外设可以热插拔。但是一些USB外设不能在Windows环境下使用而需要等待软件升级到Windows。IEEE串行接口标准年月成立了IEEE行业协会促成了数字音频、视频设备基于IEEE的家庭网络标准。发表了确保IEEE高品质和互换性的标准书并在IEEE的基础上开始研究和发展传输速率最高可达Gbs的IEEEb产品。在北京中国家用电器博览会上Sony公司以IEEE为接口将微机与电视、音响、摄录放一体机、数据存档系统、数字相机、彩色打印机、图像采集卡等连接起来构成了一个标准的家庭网络环境。满足了多媒体应用的需要。但该标准并不局限于家庭环境同样适用于多种计算机外设和远程网中。IEEE有以下主要特点:()高速率。IEEE中规定传输率为Mbs到MbsIEEEb中规定的传输率为Mbs到Gbs其实Mbs已能满足应用要求。()实时性。()总线结构。()热插拔。()即插即用。AGP(加速图形)接口早期显示器的VGA图形适配器只起到CPU和显示器之间的接口作用如今的适配器还起到处理三维图形图像数据和加速三维图形图像显示等功能。图形适配器可接在ISAVESA或PCI接口上。在三维图形显示中即使接到PCI总线上其传输率也显得太低了因此产生了AGP(acceleratedgraphicsport)接口标准。AGP接口可把主存和显存直接连接起来其总线宽度为位时钟频率为MHz最高传输率为Mbs图示出AGP的连接方法。图图形接口AGP的连接方式PCMCIA接口PCMCIA(personalcomputermemorycardinternationalassociation)是广泛应用于笔记本电脑中的一种接口标准是一个小型的用于扩展功能的插槽通常用来插上存储器(FlashMemory)卡或FaxModem卡。一般在机箱的旁侧留下了PCMCIA插槽位置不用打开机箱就可接插PCMCIA卡。大多数笔记本电脑可提供ⅠⅡⅢ型插槽这些插槽的区别仅在它们的厚度。长和宽是相同的均为mm×mm卡的引出端均为针。Ⅰ型卡插槽厚度为mmⅢ型卡插槽的厚度为mm一个Ⅲ型插槽可作为两个Ⅱ型插槽(厚度为mm)使用。某些公司提供Ⅳ型卡其厚度为mm。在PCMCIA卡上允许制作任意一种PCI设备具有即插即用功能。习题从供选择的答案中选出正确答案填入()。()计算机系统的输入输出接口是(A)之间的交接界面。主机一侧通常是标准的(B)。一般这个接口就是各种(C)。供选择的答案A:①存储器与CPU②主机与外围设备③存储器与外围设备。B:①内部总线②外部总线③系统总线。C:①设备控制器②总线适配器。()中断处理过程中保存现场的工作是(A)的。保存现场中最基本的工作是保存断点和当前状态其他工作是保存当前寄存器的内容等。后者与具体的中断处理有关常在(B)用(C)实现前者常在(D)用(E)完成。设CPU中有个通用寄存器某中断处理程序运行时仅用到其中的个则进入该处理程序前要把这(F)个寄存器内容保存到内存中去。若某机器在响应中断时由硬件将PC保存到主存单元中而该机允许多重中断则进入中断程序后(G)将此单元的内容转存到其他单元中。供选择的答案A:①必需的②可有可无的。BD:①中断发生前②响应中断前③具体的中断服务程序执行时④响应中断时。CE:①硬件②软件。F:①②。G:①不必②必须。()设置中断触发器保存外设提出的中断请求是因为(A)和(B)。后者也是中断分级、中断排队、中断屏蔽、中断禁止与允许、多重中断等概念提出的缘由。供选择的答案AB:①中断不需要立即处理②中断设备与CPU不同步③CPU无法对发生的中断请求立即进行处理。④可能有多个中断同时发生。程序中断设备接口由哪些逻辑电路组成各逻辑电路的作用是什么简述中断处理的过程。指出其中哪些工作是由硬件实现的哪些是由软件实现的。一般CPU在一条指令执行结束前判断是否有中断请求若无则执行下条指令若有则按如下步骤进行中断处理。步骤a关中断然后将断点(PC内容)和程序状态字等现场保存并转入中断处理程序。步骤b,判断中断源根据中断源进入处理相应中断的处理程序。步骤c先做好设置新的中断屏蔽码等准备工作后即执行开中断然后进入具体的中断服务程序执行中断服务。步骤d,先关中断然后恢复现场。步骤e,先执行开中断然后立即执行中断返回。从供选择的答案中选择合适的答案完成下述填空:步骤a由(A)实现。若采用向量中断方式则不必执行步骤b。步骤c中开中断的目的是(B)。由于设置了(C)故可在多重中断发生时改变中断响应顺序。步骤e的开中断是由(D)实现的。供选择的答案A:①程序②中断隐指令(硬件)。B:①使原来的屏蔽码不起作用②便于高级的中断请求得以及时处理。C:①新的屏蔽码②开中断。D:①程序②硬件。中断屏蔽的作用是什么计算机中有一些故障或事件是不允许屏蔽的。掉电中断允许屏蔽吗根据图的处理过程写出在执行各级中断处理时所设置的中断屏蔽位。从供选择的答案中选出正确答案填入()中。某行式打印机打印速度为每分钟行每行字符。打印机经异步串行口与主机相连。设传送效率为但在传输前将数据进行压缩处理使得传送效率提高一倍。串口的波特率应选择(A)。若打印机以中断方式与CPU传输数据上述数据压缩处理(B)影响打印速度。供选择的答案A:①位/s②位/s③位/s。B:①会②不会。假定某外设向CPU传送信息最高频率为K次/秒而相应的中断处理程序的执行时间为μs问该外设是否可采用中断方式工作为什么选择填空在DMA的三种工作方式中传送同样多的数据CPU暂停方式速度(A)。采用程序中断方式传送数据时需暂时中止正在执行的CPU程序而采用DMA方式在传送数据时(B)暂时中止正在执行的CPU程序。供选择的答案:A:①最快②最慢。B:①也需要②不需要。DMA接口由哪些逻辑电路组成各逻辑电路的作用是什么简述DMA处理的全过程指出哪些工作是由软件实现的哪些是由硬件实现的。设有一磁盘盘面共有磁道道盘面总存储容量为兆字节磁盘旋转一周时间为ms每道有个区各区之间有一间隙磁头通过每个间隙需ms。问磁盘通道所需最大传输率是多少(字节/秒)设有人为上述磁盘机设计了一个与主机之间的接口磁盘读出数据串行送入一个移位寄存器每当移满位后向处理机发出一个请求交换数据的信号。处理机响应请求信

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