第六章輸入輸出系統(tǒng)輸出設備顯示設備CRT液晶等離子體打印設備擊打式串行、行式點陣針式、字模式非擊打式噴墨激光熱轉(zhuǎn)印繪圖儀輸入設備文字輸入設備鍵盤、書寫筆圖形輸入設備光筆、鼠標器、數(shù)字化儀和觸摸屏圖像輸入設備掃描儀、數(shù)字式照相機和攝像頭外存儲設備磁盤磁道，扇區(qū)，柱面軟盤、硬盤訪問過程磁帶光盤只讀型WORM型可擦寫型字設備塊設備6.1輸入輸出總線6.1.1總線數(shù)據(jù)傳輸方式1.串行傳輸2.并行傳輸3.復合傳輸4.消息傳輸串行傳輸波特率與比特率同步與異步例6-1在一個串行傳輸系統(tǒng)中，每秒可傳輸10個數(shù)據(jù)幀，每個數(shù)據(jù)幀包含1個起始位、8個數(shù)據(jù)位和2個結(jié)束位，試求其波特率和比特率。解：在每個幀中有1個起始位、8個數(shù)據(jù)位和2個結(jié)束位，總共11位，那么波特率就是11×10=110bps因為每個幀中的數(shù)據(jù)位為8位，所以比特率為8×10=80bps并行傳輸每個數(shù)據(jù)位都需要單獨一條傳輸線并串行的傳輸方式猝發(fā)式數(shù)據(jù)傳輸模式復合傳輸總線復用消息傳輸方式消息一種有固定格式的數(shù)據(jù)RamLink,PCI,SCSI單端方式與差分方式6.1.2總線的通信同步方式1.同步通信 串行同步：信號編碼 并行同步：專用時鐘信號線 優(yōu)點：時序關(guān)系簡單，實現(xiàn)簡單。 缺點：在設備速度不一致時按最壞情況確定，不能太長。 實例：EIDE硬盤接口2.異步通信串行異步通信：起始檢測并行異步通信：握手信號非互鎖：全互鎖：（四邊沿協(xié)議）2.異步通信(續(xù))3.半同步方式例對于具有圖示的操作時序的總線，試計算總線的數(shù)據(jù)傳輸速率，假設總線上傳輸?shù)拿總€字為32位，總線時鐘頻率為50MHz。解：從圖中可見，該總線在5個時鐘周期內(nèi)傳輸了一個數(shù)據(jù)字?？偩€的數(shù)據(jù)傳輸帶寬為:1/5=0.2(字/時鐘周期)即0.2×50×106×4=40×106(字節(jié)/秒)例6-3在一個采用100MHz時鐘的總線中，采用了塊傳輸方式以支持塊長為4個字的cache，每字的長度為4個字節(jié)。(1)對于讀操作，訪問順序是1個周期接受地址，2個周期延遲，4個周期用于傳輸4個字。問讀操作的總線數(shù)據(jù)傳輸速率是多少？(2)對于寫操作，訪問順序是1個周期接受地址，1個周期延遲，4個周期用于傳輸4個字。問寫操作的總線數(shù)據(jù)傳輸速率是多少？(3)如果總線的數(shù)據(jù)傳輸中80%為讀操作，20%為寫操作，問總線的平均數(shù)據(jù)傳輸速率是多少？解(1)讀操作時總線周期為1+2+4=7個時鐘周期，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為4×4=16字節(jié)，數(shù)據(jù)傳輸速率為 16×100M/7=228.57MB/s(2)寫操作時總線周期為1+1+4=6個時鐘周期，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為4×4=16字節(jié)，數(shù)據(jù)傳輸速率為 16×100M/6=267.67MB/s(3)總線的平均數(shù)據(jù)傳輸速率是 0.8×228.57+0.2×266.67 =182.856+53.334=236.19MB/s例6-4在一個32位總線中，時鐘頻率為33MHz，總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹芷谑?個時鐘周期傳輸4個字的數(shù)據(jù)塊，(1)問總線的數(shù)據(jù)傳輸率是多少？(2)為了提高數(shù)據(jù)傳輸率，將總線的數(shù)據(jù)線改為8個字的塊，使得總線在11個時鐘周期傳輸8個字的數(shù)據(jù)塊，問這時總線的數(shù)據(jù)傳輸率是多少？(3)如果不改變數(shù)據(jù)塊的大小，而是將時鐘頻率加倍，問這時總線的數(shù)據(jù)傳輸率是多少？解(1)每個字為32位，總線在7個時鐘周期傳輸了16個字節(jié)，傳輸率為:

R=16B/7×33MHz=75.43×106 B/S(2)總線在11個時鐘周期傳輸了32個字節(jié)，傳輸率為:

R=32B/11×33MHz=96×106 B/S(3)時鐘頻率變?yōu)?6MHz，傳輸率為:

R=16B/7×66MHz=150.86×106 B/S6.1.3總線的控制主模塊與從模塊總線事務請求裁決地址數(shù)據(jù)釋放總線請求和裁決1.集中式裁決 鏈式查詢總線請求和裁決1.集中式裁決計數(shù)器定時總線請求和裁決1.集中式裁決獨立請求總線請求和裁決2.分布式裁決第三節(jié)總線接口為什么要用總線接口？總線接口的基本功能:(1)控制。(2)數(shù)據(jù)緩沖。(3)狀態(tài)設置。(4)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。如并－串轉(zhuǎn)換或串－并轉(zhuǎn)換。(5)整理。如在數(shù)據(jù)傳輸過程中更新字計數(shù)器。(6)程序中斷。外圍設備接口的結(jié)構(gòu)接口地址并行接口的例子標準并行端口(SPP)6.2輸入輸出控制外設的尋址統(tǒng)一編址法存儲器映像的外設尋址將接口中的控制寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)寄存器和內(nèi)存單元一樣看待接口與存儲器采用不同的地址可以利用訪存指令進行輸入輸出操作單獨編址法兩個地址空間訪問存儲器和訪問外圍設備采用不同的指令實現(xiàn)輸入輸出數(shù)據(jù)傳送的方式程序控制方式程序查詢中斷直接存儲器訪問(DMA)方式通道方式6.2.1程序控制方式程序查詢信號傳輸過程MIPS匯編程序的例子addiu$7,$0,printer_addr ;$7指向打印機設備地址addiu$1,$0,data_addr ;$1中包含字符串起始地址addiu$2,$0,count ;$2中包含字符串長度addiu$3,$0,rdy_bit_mask ;狀態(tài)屏蔽位addiu$6,printer_statwait:lw$4,0($6) ;讀設備狀態(tài)字位測試and$5,$3,$4 ;設備狀態(tài)字屏蔽beq$5,$0,wait ;設備狀態(tài)就緒位測試lw $8,0($1) ;將一個數(shù)據(jù)從內(nèi)存讀入sw$8,0($7) ;將該數(shù)據(jù)送入打印機addiu$1,$1,+1 ;更新字符串地址addi$2,$2,-1 ;更新字符串計數(shù)器bne$2,$0,wait ;循環(huán)中斷方式6.2.2DMA控制方式一、基本概念目的減少大批量數(shù)據(jù)傳輸時CPU的開銷。方法采用專用部件生成訪存地址并控制訪存過程。傳輸過程：預處理數(shù)據(jù)傳輸后處理二、DMA傳送方式問題：訪存沖突解決方法：DMA乘存儲器空閑時訪問存儲器（周期挪用）。DMA控制器結(jié)構(gòu)DMA與CPU的連接6.3輸入輸出總線實例6.3.1EIA-232串行接口6.3.2IDE磁盤接口6.3.3SCSI總線6.3.4PCI總線6.3.1EIA-232串行接口串行接收方式1.起始位檢測：m倍取樣2.數(shù)據(jù)位取樣：隔m個采樣周期后取樣一次，共n次3.停止位檢測：隔m個采樣周期后取樣并檢測接口結(jié)構(gòu)例6-5

用異步串行傳輸方式發(fā)送十六進制數(shù)8A16，數(shù)據(jù)位為8位，奇校驗位一位，停止位一位，請畫出波形圖。答：通用異步接收器/發(fā)送器(UART)出錯標志 1.奇偶錯誤 2.幀錯誤 3.溢出(丟失)錯誤(overrunerror)串行接口實例：EIA-232EIA-23225條信號線請求發(fā)送RTS(RequesttoSend)允許發(fā)送CTS(CleartoSend)數(shù)據(jù)終端就緒DTR(DataTerminalReady)數(shù)據(jù)集就緒DSR(DataSetReady)載波檢測CD(CarryDetect)EIA-232-D信號定義6.3.2IDE磁盤接口IDE接口定義IDE接口定義DA0~DA2 尋址，與CS1FX*和CS3FX*一起使用DIOR* 啟動讀周期DIOW* 啟動寫周期DD0~DD15 傳輸磁盤數(shù)據(jù)IORDY 指示磁盤驅(qū)動器需要進行數(shù)據(jù)傳輸。IOCS16 16位輸入輸出的控制信號，已準備送出或接受數(shù)據(jù)。DMARQ 啟動向磁盤驅(qū)動器或從驅(qū)動器往外傳輸數(shù)據(jù)DMACK* 數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束INTQ 驅(qū)動器中斷請求DASP* 驅(qū)動器有效PDIAG* 診斷命令或復位的結(jié)果RESET* 使驅(qū)動器在加電或重新啟動時回到初始狀態(tài)磁盤訪問時間平均訪問時間=控制延遲+尋道時間+旋轉(zhuǎn)延遲+傳輸延遲例6-6設一個磁盤的平均尋道時間為10ms，數(shù)據(jù)讀取的速率高于數(shù)據(jù)傳輸速率，數(shù)據(jù)傳輸速率是2MB/s，控制器延遲是2ms，盤片轉(zhuǎn)速為每分鐘5400轉(zhuǎn)。求讀寫一個512字節(jié)的扇區(qū)的平均時間。解：平均旋轉(zhuǎn)延時 0.5/5400轉(zhuǎn)/分=0.0056秒=5.6ms

數(shù)據(jù)傳輸時間 0.5KB/2.0MB/s=0.25ms平均磁盤訪問時間 10+5.6+0.25+2ms=18.85ms6.3.3SCSI總線1.特點從通道發(fā)展而來傳輸速度快靈活性好（適用于各種外設）設備獨立性采用高級命令系統(tǒng)2.信號定義信號電平：單端方式差分方式3.總線控制地址構(gòu)成：設備地址(8個)邏輯單元號（邏輯設備號）邏輯分區(qū)地址（16到32位塊地址）通信協(xié)議：消息傳遞八個階段（操作狀態(tài)）：空閑，仲裁，選擇，再選擇，命令，數(shù)據(jù)，狀態(tài)，消息兩個異步條件：注意（有消息發(fā)出），復位操作狀態(tài)4.消息系統(tǒng)消息的作用：傳遞操作信息（如設備執(zhí)行情況以及操作控制）消息類型： 單字消息 雙字消息 多字消息SCSI消息（一）SCSI消息（二）5.命令格式SCSI適配器結(jié)構(gòu)SCSI外設控制器結(jié)構(gòu)SCSI的發(fā)展6.3.4PCI總線1.主要特點采用猝發(fā)傳輸方式速度較高64位可擴展隱含式裁決可靠性高（地址、命令和數(shù)據(jù)校驗）三個地址空間（內(nèi)存、I/O和配置）自動配置2.信號定義

AD[31:0] 地址/數(shù)據(jù)

C/BE[3:0] 命令/字節(jié)許可

PAR 校驗

FRAME# 成幀

TRDY# 目標就緒

IRDY# 始發(fā)就緒

STOP# 目標設備請求停止

DEVSEL# 設備選擇

IDSEL 始發(fā)設備選擇

REQ# 總線請求

GNT# 總線許可

CLK 系統(tǒng)時鐘(0~33MHz)

RST# 系統(tǒng)復位

D[63:32] 數(shù)據(jù)

BE#[7:4] 字節(jié)允許

PAR64 高字校驗

REQ64# 請求64位傳輸

ACK64# 確認64位傳輸

LOCK# 資源封鎖（設備獨占）

PERR# 校驗錯

SERR# 系統(tǒng)錯

SBO# 偵測退出(snoopbackoff)，

命中了一個修改過的塊

SDONE 偵測完成，探測結(jié)果為“干凈”

TDI 測試輸入

TDO 測試輸出

TCK 測試時鐘

TMS 測試模式選擇

TRST# 測試復位

INTA#