计算机系统结构 第3章 总线、中断与输入输出系统

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1、第3章总线、中断与输入输出系统3.1输入输出系统概述3.2总线设计3.3中断系统3.4通道处理机3.5外围处理机3.1输入输出系统概述输入输出系统包括输入输出设备、设备控制器及与输入输出操作有关的软硬件。输入输出系统的主要功能是对指定的外设进行输入、输出操作，同时也完成许多其他的管理和控制。它包括：给指定外设的信息编址，连接好主存与指定外设之间的信息通路，完成在指定外设编址区和由操作系统指定的主存空间之间进行所要求的信息传送(输入时是将外设编址区域的信息送入主存，输出时是将主存的信息送往外设编址区)。有的输入输出系统还能对要传送的信息进行格式变换，形成和产生有关输入输出操作是否完成

2、或在执行过程中是否有错的状态控制信息，经中断系统传送给操作系统去分析和处理。输入输出系统的发展经历了3个阶段，对应于3种方式，即程序控制输入输出(包括全软的、程序查询状态驱动的、中断驱动的几种)、直接存贮器访问(DMA)和I/O处理机方式。这3种方式可以分别用在不同的计算机系统上，也可以用在同一个计算机系统上作为相互补充。3.2总线设计就允许信息传送的方向来说，总线可以有单向传输和双向传输两种。双向传输又有半双向和全双向的不同。前者虽可以沿相反的方向传送，但同一时刻只能向其中的一个方向传送。后者允许同时在两个方向传送。全双向的速度快，但造价高，结构复杂。总线按其用法可以分成专用

3、的和非专用的。图3.1所有部件之间用专用总线互连3.2.2总线的控制方式当采用非专用总线时，由于可能发生多个设备或部件同时申请使用总线，就得有总线控制机构来按照某种优先次序裁决，保证在同一时间内只能有一个高优先级的申请者取得对总线的使用权。如果总线控制逻辑基本上集中放在一起，不论是放在连接到总线的一个部件中，还是放在单独的硬件中，都称为集中式控制。而当总线控制逻辑分散于连到总线的各个部件中时，就称为分布式总线控制。这里只讲集中式总线控制。图3.2集中式串行链接图3.3集中式定时查询图3.4集中式独立请求3.2.3总线的通信技术1.同步通信同步通信时，两个部件之间的信息传送是通过

4、定宽、定距的系统时标进行同步的。这种方式的信息传送速率高，受总线的长度影响小，但会因时钟在总线上的时滞而造成同步误差，且时钟线上的干扰信号易引起误同步。为了提高可靠性，要求目的部件对数据是否已被接收以及是否正确均能给以回答。如果同步时间片的宽度宽到能为每个字的传送作出回答，则它必须按接到总线上的最低速的部件来考虑，这就会使同步通信的数据传送速率低于后面讲的异步通信。一种解决办法是在正常时，目的部件不作回答，源部件也不等待回答信号，但如果发生错误，则目的部件将在同步时间片过去之后，发回源部件一个出错信号，这样，就不会降低正常时总线的传送速率。但是这种办法中，源部件必须设置较大容量的

5、缓冲器来保留已传送，但未经证实和回答过的所有数据，以备重发之用。2.异步通信由于I/O总线一般是为具有不同速度的许多I/O设备所共享，因此宜于采用异步通信。异步通信又可分为单向控制和双向(请求/回答)控制两种。单向控制指的是通信过程只由目的或源部件中的一个控制。而双向控制是由源和目的双方共同控制。单向控制又有源控制和目的控制两种。图3.5异步单向控制通信图3.6源控式异步双向控制通信3.2.4数据宽度与总线线数1.数据宽度我们这里所讲的“数据宽度”指的是I/O设备取得I/O总线使用权后所传送数据的总量。传送完后就释放总线，重新开始分配总线。所以，它不同于前面讲过的数据通路宽

6、度。数据通路宽度指的是数据传送的物理宽度，即一个时钟周期所传送的信息量，它直接取决于数据总线的线数。二次分配总线之间所传送的数据宽度可能要经许多个时钟周期的分次传送来完成。采用何种数据宽度与总线上各设备的工作特点、所采用的总线控制方式和通信技术有关。数据宽度的种类有单字(或单字节)、定长块、可变长块、单字加定长块和单字加可变长块等。2.总线的线数总线需要有发送电路、接收电路、传输导线或电缆、转接插头和电源等，这部分比起逻辑线路的成本高得多，而且转接器往往占系统物理空间的相当部分，是降低系统可靠性的主要部分。总线的线数越多，成本越高、干扰越大、可靠性越低、占用的空间也越大，当然传送

7、速度和流量也越高。此外，总线的长度越长，成本越高，干扰越大，波形畸变越严重，可靠性越低。为此，越是长的总线，其线数就应尽可能减少。数据总线的宽度有一位、一个字节或一个全字等等。在满足性能要求以及所用通信类型和速率适配的情况下，应尽量减少总线的线数。通过采用线的组合、并/串—串/并转换和编码可以减少总线的线数，但这通常会降低总线的流量。采用线的组合能减少只按功能和传送方向所需的线数。例如，性质相似、方向相反且不同时传送的两根单向线可用一根半双向线代替。又例如，可通过对