第15章输入输出接口设计(略)

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1、第第15章章 输入输出接口及设计输入输出接口及设计2主要内容主要内容nI/O系统概述系统概述nI/O系统的性能系统的性能nI/O系统的功能系统的功能nI/O设备概述设备概述nI/O设备的通用模型设备的通用模型nI/O接口的分类接口的分类nI/O控制器的结构控制器的结构nI/O端口的概念端口的概念nI/O设备的寻址设备的寻址nI/O设备、设备、I/O总线、总线、I/O接口、接口、I/O控制器的控制器的连接连接3I/O System的性能的性能n两个常用的性能指标：两个常用的性能指标：nThroughput: I/O bandwidth ( 吞吐率，即：吞吐率，即：I/O带宽带宽)l单位时间内从系

2、统输入单位时间内从系统输入/输出多少数据？输出多少数据？l单位时间内实现了多少次输入单位时间内实现了多少次输入/输出操作？输出操作？ (服务器更关注服务器更关注)nResponse time: Latency ( 响应时间，即：等待延迟响应时间，即：等待延迟)：l在多长时间内完成请求的任务？在多长时间内完成请求的任务？ (台式机和嵌入式更关注台式机和嵌入式更关注)n不同的任务对性能的要求不同：不同的任务对性能的要求不同：n要求吞吐量高的场合：要求吞吐量高的场合：如：多媒体应用（音如：多媒体应用（音/视频的播放要流畅！）视频的播放要流畅！）n要求响应时间短的场合：要求响应时间短的场合：如：事务处

3、理系统（存如：事务处理系统（存/取款的速度要快！）取款的速度要快！）n要求吞吐率高且响应时间短的场合：要求吞吐率高且响应时间短的场合：如：如：ATM、文件服务器、文件服务器、Web服务器等服务器等4I/O System的功能的功能n 输入输入/出系统的功能出系统的功能n解决各种形式信息的输入和输出解决各种形式信息的输入和输出 即：用户如何将所需的信息即：用户如何将所需的信息(文字、图表、声音、视频文字、图表、声音、视频等等)通过不同的外设输入到计算机中，以及计算机内部通过不同的外设输入到计算机中，以及计算机内部处理的结果信息如何通过相应的外设输出给用户处理的结果信息如何通过相应的外设输出给用户

4、n 要实现上述功能需解决以下一系列的问题要实现上述功能需解决以下一系列的问题n怎样在怎样在CPU、主存和外设间建立一个信息传输、主存和外设间建立一个信息传输 “通路通路”n怎样将用户的怎样将用户的I/O请求转换成设备的命令请求转换成设备的命令n如何对外设进行编址如何对外设进行编址n怎样使怎样使CPU方便地寻找到要访问的外设方便地寻找到要访问的外设nI/O硬件和操作系统如何协调完成主机和外设之间的数硬件和操作系统如何协调完成主机和外设之间的数据传送，据传送， 等等等等515.1 I/O接口概述接口概述nI/O接口：接口：I/O设备与设备与I/O控制器之间的连接器控制器之间的连接器包括：插头包括：

5、插头 / 插座的形式、通讯规程和电器特性等插座的形式、通讯规程和电器特性等n分类：分类：n从数据传输方式来分：从数据传输方式来分：l串行（一次只传输串行（一次只传输1位）位）l并行（多位一起进行传输）并行（多位一起进行传输）n从是否能连接多个设备来分：从是否能连接多个设备来分：l总线式（可连接多个设备）总线式（可连接多个设备）l独占式（只能连接独占式（只能连接1个设备）个设备）n从是否符合标准来分：从是否符合标准来分：l标准接口标准接口 （通用接口）（通用接口）l专用接口专用接口 （专用接口）（专用接口）n按功能选择的灵活性来分：按功能选择的灵活性来分：l可编程接口可编程接口l不可编程接口不可

6、编程接口串行口并行口6I/O设备接口设备接口串行口9针并行口VGA视频口键盘接口双绞线接口PS/2接口并行口25针同轴电缆网络接口显示器接口麦克风音 箱键盘接口并行口USB接口以太网双绞线接口串行口鼠标器接口(安装在主板上的I/O设备接口)7I/O总线总线,I/O控制器控制器,I/O接口与接口与I/O设备的关系设备的关系n I/O设备设备通常都是物理上相互独立的设备，它们一般通过通常都是物理上相互独立的设备，它们一般通过I/O接口接口与与I/O控制器控制器连接连接打印机扫描仪显示器麦克风网线I/O总线I/O接口硬盘光驱I/O设备CPU主板I/O设备I/O控制器（扩充卡）机箱插座板卡插座I/O控

7、制器PCI插槽内存主板插槽机 箱芯片组IDE接口机箱插座I/O设备键盘鼠标器多数教材把I/O控制器和插座合起来称为I/O接口。8yALU寄存器组CPU总线接口R6CPU(前端)总线I/O 总线主板扩展槽PCI接口南桥芯片I/O 总线磁盘控制器以太网卡USB控制器和接口鼠标器键盘网线disk声卡视频卡光驱主存储器0A北桥芯片y存储器总线显卡I/O总线总线,I/O控制器控制器,I/O接口与接口与I/O设备的关系设备的关系I/O控制器通过扩展卡或者南桥芯片与I/O总线连接I/O总线经过北桥芯片与内存、CPU连接9I/O接口（接口（I/O控制器）的职能控制器）的职能n 数据缓冲数据缓冲 提供数据缓冲寄

8、存器，以达到主机和外设工作速度的匹配提供数据缓冲寄存器，以达到主机和外设工作速度的匹配 n 错误或状态检测错误或状态检测 提供状态寄存器，以保存各种错误或状态信息供提供状态寄存器，以保存各种错误或状态信息供CPU查用查用 n 控制和定时控制和定时 提供控制和定时逻辑，以接受从系统总线来的控制定时信号提供控制和定时逻辑，以接受从系统总线来的控制定时信号 n 数据格式转换数据格式转换 提供数据格式转换部件使通过外部接口得到的数据转换为内提供数据格式转换部件使通过外部接口得到的数据转换为内部接口需要的格式，或在相反的方向进行数据格式转换部接口需要的格式，或在相反的方向进行数据格式转换 n 与主机和设

9、备通信与主机和设备通信 上述功能通过上述功能通过I/O接口与主机之间、接口与主机之间、I/O接口与设备之间的通接口与设备之间的通信来完成信来完成10I/O接口（接口（I/O控制器）的结构控制器）的结构n I/O控制器的一般结构控制器的一般结构通过I/O控制寄存器发送命令字来向设备发送命令通过从状态寄存器读取状态字来获取外设或I/O控制器的状态信息通过向I/O控制器发送或读取数据来和外设进行数据交换将I/O控制器中CPU能够访问的各类寄存器称为I/O端口对外设的访问通过向I/O端口发命令、读状态、读/写数据来进行1115.1.1 I/O地址空间和地址空间和I/O指令指令（1）统一编址方式（内存映

10、射方式）统一编址方式（内存映射方式）与主存统一编址，将主存空间分出一部分地址给与主存统一编址，将主存空间分出一部分地址给I/O端口进行端口进行编号编号（因该方法是将（因该方法是将I/O端口映射到主存空间的某区，故也被端口映射到主存空间的某区，故也被称为称为“存储器映射方式存储器映射方式”）例如，例如，Motorola公司生产的处理器就采用该方案公司生产的处理器就采用该方案（2）独立编址方式（特殊）独立编址方式（特殊I/O指令方式）指令方式）不和主存单元一起编号，单独编号，成为一个独立的不和主存单元一起编号，单独编号，成为一个独立的I/O地址地址空间空间（因需专门（因需专门I/O指令，故也称为指

11、令，故也称为“特殊特殊I/O指令方式指令方式”） 例如，例如，Intel公司和公司和Zilog公司的处理器就是独立编址方式公司的处理器就是独立编址方式p对I/O端口读写，就是向I/O设备送出命令或从设备取得状态或读/写设备数据p 一个I/O控制器可能会占有多个端口地址p I/O端口必须编号后，CPU才能访问p I/O设备的寻址方式就是I/O端口的编号方式12统一编址方式统一编址方式n CPU不直接通过读写不直接通过读写控制信号控制信号IOR#、 IOW#对对I/O端口读写，端口读写，而是根据而是根据I/O端口在地端口在地址空间的位置，通过址空间的位置，通过地址译码来实现地址译码来实现n 地址线