第五章第二讲输入输出系统及设备.ppt

第四单元 输入/输出系统和设备 刘卫东 liuwd@tsinghua.edu.cn 教学内容安排 第一讲 输入/输出系统概述和输入/输出方式 第二讲 总线 第三讲 接口电路 第四讲 输入设备和输出设备 第五讲 本单元小结及考试说明 第二讲 总线 2003年12月 主要教学内容 总线概念 总线分类 总线组成 总线解决的问题 总线仲裁 通讯方式 总线举例 处理器和其他组成部分的接口 输入/输出系统设计受到多方面因素的影响（可扩展性，可恢复性等） 性能: — 访问延迟  — 吞吐量 — 设备和系统的连接关系 — 层次存储系统 — 操作系统 用户和应用也各不相同 输入/输出系统 设备用于人机交互 总线定义了交互的通信协议/标准: PCI EISA SCSI USB Bluetooth … 标准十分重要: 不同公司设计的外部设备，应该能在同一计算机上安装使用。 不同公司的计算机也应该可以使用某一外部设备。 外部设备的通讯速度差异很大 标准是抽象的设计 标准可以影响性价比，可靠性等 什么是 bus? 公共汽车：一种大众交通工具 一组导线 共同点: 多个使用者共享通道 计算机总线 共享的信息通道 用于连接计算机多个子系统（部件） 总线也是连接复杂巨系统的一种基本工具 功能抽象 例: Pentium 计算机的基本组成 使用总线的好处 解决外部设备“杂”的问题： 容易增添新的设备 使用相同总线标准的外设容易在不同计算机间兼容 降低成本： 总线可供多个设备共享 简化设计 总线的劣势 容易成为信息通道的瓶颈 总线带宽限制了整条总线的吞吐量 总线的最高速度主要由下列因素决定： 总线长度 总线负载的设备数 负载设备的特性 延迟是否差异较大？ 数据传输率差异较大？ 总线的一般组成 控制线: 总线请求信号及数据接收信号 指明数据线上传输信息的类型 数据线 在源设备和目标设备间传送信息 数据和地址 复杂的命令 主设备和从设备 总线事务包括两个部分： 发起命令 （和地址） 传输数据 主设备是总线事务的发起者： 发出命令（和地址） 从设备是总线事务的响应者： 若主设备发出的是读命令，则将数据发送到主设备 否则，接收主设备发来的写入数据 总线类型 处理器-主存总线 （专用） 传输距离短、速度高 主存储器专用 保证主存储器-处理器之间的高带宽 直接和处理器连接 优化处理使之适应Cache块传送 输入/输出总线（行业标准） 通常距离较长，速度较慢 需要适应多种输入/输出设备 和处理器-主存总线通过桥连接（或通过主板总线） 主板总线（行业标准或专门设计） 主板：连接各部件器件的底盘 应允许处理器、主存储器和输入/输出设备互连 应有价格优势：所有组件连接在一条总线上 单总线计算机：主板总线 使用一条总线： 处理器和主存储器之间通信 主存储器和输入/输出设备之间通信 优点：简单、成本低 缺点：速度慢，总线将成为系统瓶颈 应用： IBM PC – ISA EISA、PDP-1 双总线系统 输入/输出总线通过适配器和处理器-主存总线相连： 处理器-主存总线：主要用于处理器和主存储器之间的通信 输入/输出总线：为输入/输出设备提供信息 应用举例： Apple Macintosh II NuBus： 处理器、主存和选定的少量I/O设备 SCSI总线：其余I/O设备 三总线系统 主板总线连接到处理器-主存总线 处理器-主存总线主要用于处理器和主存之间数据交换 I/O总线连接到主板总线 优点 大大减少处理器-主存总线负载 例：现代PC基本采用的结构 现代PC总线 总线结构 同步和异步总线 同步总线： 控制线中包含有一根时钟信号线 传输协议根据时钟信号制定： 例如：主设备提出总线请求后5个时钟周期，可以获得能否使用总线的信号。 优点：逻辑简单、高速 缺点： 总线上所有设备必须按时钟频率工作 为防止时钟信号扭曲，高速工作时，总线距离必须足够短 异步总线： 不使用统一的时钟 可适应设备的不同速度 不用担心时钟信号扭曲，距离可较长 使用握手协议 总线主设备：有能力控制总线，发起总线事务 总线从设备：响应主设备请求 总线通信协议：定义总线传输中的事件顺序和时序要求 异步总线传输： 控制信号（请求，应答）作为总控信号 同步总线传输：使用共同的时钟信号 总线事务 仲裁 请求 传输 仲裁：获得总线使用权 总线设计中重要问题之一： 如何为需要使用总线的设备保留总线？ 可通过主—从设备的安排来避免冲突： 只允许总线主设备发起总线事务，控制所有总线请求 从设备响应主设备的读写请求 最简单的设计： 处理器作为唯一的总线主设备 所有总线请求均由处理器控制 主要缺点：处理器被卷入到每一个总线事务中 多个总线主设备 总线仲裁的基本要