设备控制器

设备控制器是计算机中的一个实体,其主要职责是控制一个或多个I/O设备,以实现I/O设备和计算机之间的数据交换。它是CPU与I/O设备之间的接口,它接收从CPU发来的命令,并去控制I/O设备工作,以使处理机从繁杂的设备控制事务中解脱出来。

设备控制器是一个可编址的设备,当它仅控制一个设备时,它只有一个唯一的设备地址;若控制可连接多个设备时,则应含有多个设备地址,并使每一个设备地址对应一个设备。

设备控制器的复杂性因不同设备而异,相差甚大,于是可把设备控制器分成两类:一类是用于控制字符设备的控制器,另一类是用于控制块设备的控制器。在微型机和小型机中的控制器,常做成印刷电路卡形式,因而也常称为接口卡,可将它插入计算机。有些控制器还可以处理两个、四个或八个同类设备。

控制器的作用是控制和协调整个计算机的动作控制通常需要程序计数器(PC)、指令寄存器(IR)、指令译码器(ID)、定时与控制电路以及脉冲源、中断等共同完成。控制器由:指令寄存器Instruction Register、指令译码器Instruction Decoder、定时与控制电路Programmable Logic Array、程序计数器Program Counter、标志寄存器Flags Register、堆栈和堆栈指针Stack Pointer、寄存器组等构成。

CPU可以向控制器发送多种不同的命令,设备控制器应能接收并识别这些命令。为此,在控制器中应具有相应的控制寄存器,用来存放接收的命令和参数,并对所接收的命令进行译码。例如,磁盘控制器可以接收CPU发来的Read、Write、Format等15条不同的命令,而且有些命令还带有参数;相应地,在磁盘控制器中有多个寄存器和命令译码器等。

这是指实现CPU与控制器之间、控制器与设备之间的数据交换。对于前者,是通过数据总线,由CPU并行地把数据写入控制器,或从控制器中并行地读出数据;对于后者,是设备将数据输入到控制器,或从控制器传送给设备。为此,在控制器中须设置数据寄存器。

控制器应记下设备的状态供CPU了解。例如,仅当该设备处于发送就绪状态时,CPU才能启动控制器从设备中读出数据。为此,在控制器中应设置一状态寄存器,用其中的每一位来反映设备的某一种状态。当CPU将该寄存器的内容读入后,便可了解该设备的状态。

就像内存中的每一个单元都有一个地址一样,系统中的每一个设备也都有一个地址,而设备控制器又必须能够识别它所控制的每个设备的地址。此外,为使CPU能向(或从)寄存器中写入(或读出)数据,这些寄存器都应具有唯一的地址。例如,在IB-MPC机中规定,硬盘控制器中各寄存器的地址分别为320~32F之一。控制器应能正确识别这些地址,为此,在控制器中应配置地址译码器。

由于I/O设备的速率较低而CPU和内存的速率却很高,故在控制器中必须设置一缓冲器。在输出时,用此缓冲器暂存由主机高速传来的数据,然后才以I/O设备所具有的速率将缓冲器中的数据传送给I/O设备;在输入时,缓冲器则用于暂存从I/O设备送来的数据,待接收到一批数据后,再将缓冲器中的数据高速地传送给主机。

设备控制器还兼管对由I/O设备传送来的数据进行差错检测。若发现传送中出现了错误,通常是将差错检测码置位,并向CPU报告,于是CPU将本次传送来的数据作废,并重新进行一次传送。这样便可保证数据输入的正确性。

该接口用于实现CPU与设备控制器之间的通信。共有三类信号线: 数据线、地址线和控制线。数据线通常与两类寄存器相连接,第一类是数据寄存器(在控制器中可以有一个或多个数据寄存器,用于存放从设备送来的数据(输入)或从CPU送来的数据(输出));第二类是控制/状态寄存器(在控制器中可以有一个或多个这类寄存器,用于存放从CPU送来的控制信息或设备的状态信息)。

在一个设备控制器上,可以连接一个或多个设备。相应地,在控制器中便有一个或多个设备接口,一个接口连接一台设备。在每个接口中都存在数据、控制和状态三种类型的信号。控制器中的I/O逻辑根据处理机发来的地址信号去选择一个设备接口。

在设备控制器中的I/O逻辑用于实现对设备的控制。它通过一组控制线与处理机交互,处理机利用该逻辑向控制器发送I/O命令;I/O逻辑对收到的命令进行译码。每当CPU要启动一个设备时,一方面将启动命令发送给控制器;另一方面又同时通过地址线把地址发送给控制器,由控制器的I/O逻辑对收到的地址进行译码,再根据所译出的命令对所选设备进行控制。

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