曹桂涛计算机组成78-副本.ppt

第七章第七章第七章第七章 输入输出系统输入输出系统输入输出系统输入输出系统第一节第一节 输入输出设备的类型输入输出设备的类型第二节第二节 基本的输入输出方式基本的输入输出方式 第三节第三节 中断方式中断方式第四节第四节 DMA方式方式第五节第五节 通道方式通道方式第六节第六节 输入输出接口与总线输入输出接口与总线2024/8/2217.1 输入输出设备的类型输入输出设备的类型一、输出设备一、输出设备u1. 显示器displayØ显像管CRTØ液晶LCDØ等离子体Plasma Display Panelu2. 打印设备printeru3. 绘图仪plotter2024/8/222CRT显示器——字符的显示2024/8/223CRT显示器——光栅扫描2024/8/224液晶显示器2024/8/225液晶显示器2024/8/226等离子体显示器2024/8/2272. 打印设备n击打式impactØ串行、行式Ø点阵针式、字模式n非击打式non-impactØ喷墨Ø激光Ø热转印2024/8/228击打式打印机——点阵针式2024/8/229喷墨式打印机——气泡式2024/8/2210喷墨式打印机——压电式2024/8/2211激光式打印机2024/8/22123. 绘图仪n平台式n滚筒式2024/8/2213二、输入设备二、输入设备——键盘键盘keyboard2024/8/2214二、输入设备二、输入设备——光笔光笔2024/8/2215二、输入设备二、输入设备——鼠标器鼠标器mouse2024/8/2216二、输入设备二、输入设备——数字化仪数字化仪digitizercursor2024/8/2217二、输入设备二、输入设备——触摸屏触摸屏Touchscreen2024/8/2218Touchscreen LCD2024/8/2219二、输入设备二、输入设备——扫描仪扫描仪scanner2024/8/2220三、外存设备1. 磁记录原理与记录方式2024/8/2221磁性材料的磁滞回归线H: 外加磁场B: 磁感应强度2024/8/2222三、外存设备1. 硬盘设备•磁道track•扇区sector•柱面cylinder: 具有相同磁道的盘面组成形成一个圆柱2024/8/22232024/8/2224磁头2024/8/2225磁盘接口disk interface磁盘控制器主机接口设备接口磁盘适配器2024/8/2226磁盘的技术指标：n存储密度dencityØ位密度(linear density, recording density)Ø道密度(track density)Ø面密度(areal density)n存储容量capacityØ记录面数每面磁道数每道扇区数扇区容量2024/8/2227磁盘的技术指标：n平均访问时间Average access timeØ每次磁盘访问时间的平均值Ø控制延迟controller delayØ寻道时间seek timeØ旋转延迟latencyØ传输延迟transfer delayn数据传输率Data transfer rateØ连续从磁盘上读写数据的速率2024/8/2228磁盘参数nSpindle Speed: 7200rpm, 10000rpmnForm factor: 5.25”, 3.5”, 2.5”, 1,8”n寻道时间：磁头移动到指定磁道的平均时间n传输延迟：数据传输时间u多个磁道连续读写的问题u多个磁头读写的问题2024/8/22293. 磁盘阵列RAIDnRedundant Array of Inexpensive Disksn目的：提高容量，提高可靠性n每个磁盘MTTF（平均无故障时间）为20万小时，100个无容错阵列的MTTF为2000小时。

2024/8/2230磁盘阵列的类型nRAID-0：非冗余的磁盘阵列nRAID-1：镜像磁盘冗余阵列nRAID-2：海明码纠错冗余的磁盘阵列，位交叉nRAID-3：奇偶校验冗余的磁盘阵列，位交叉nRAID-4：独立传送磁盘阵列，块交叉，校验盘是瓶颈nRAID-5：独立传送磁盘阵列，块交叉，分布的冗余校验nRAID-6：P+Q冗余技术，增强纠错能力2024/8/2231                                                                                                                                               2024/8/2232                                                                                                                                               2024/8/2233                                                                                                                                               2024/8/2234                                                                                                                                               2024/8/2235                                                                                                                                               2024/8/22363. 磁盘阵列2024/8/22373. 磁盘阵列（续）2024/8/2238复合RAIDn将多个RAID 类型结合成一个RAID。

n例如RAID 0+1或称 RAID 0/1 2024/8/22394. 光盘存储设备n类型：只读型、Worm型、可擦写型n(1) 只读型u凹坑——信息记录载体，压制形成，边界代表1，平面代表0u光道——螺旋形，恒线速u通道码——(2, 10; 8, 14, 1)RLL编码， 14位代码表示8位数据u帧——记录24字节有效数据，CIRC编码，共32字节u扇区——98个帧，2352字节有效数据，2048字节用户数据2024/8/22404. 光盘存储设备（续）2024/8/22414. 光盘存储设备（续）n(2) WORM型Ø强激光烧灼出凹坑n(3) 可擦写型Ø相变型：晶态与非晶态转换Ø磁光型：激光与磁场调制记录，克尔效应读取2024/8/22427.2 基本的输入输出方式基本的输入输出方式 一、外设的寻址一、外设的寻址u统一编址法Ø存储器映像的外设寻址memory mapped addressingØ用不同的地址值区分内存与外设u单独编址法Ø两个地址空间Ø用不同的地址空间区分内存与外设2024/8/2243外设的寻址外设的寻址地址空间存储器地址空间I/O地址空间0M-1M+N-10M-10N-1设备0设备1设备n-1设备0设备1设备n-1统一编址法单独编址法2024/8/2244统一编址法2024/8/2245单独编址法——两个地址空间的实现两套地址线一套地址线2024/8/2246二、外设的定时二、外设的定时n异步Ø应答方式n同步Ø时钟定时n字设备与块设备2024/8/2247三、程序查询方式三、程序查询方式——由主机控制输入输出过程设备接口的结构：2024/8/2248CPU处理过程：2024/8/2249信号传输过程：2024/8/2250接口例子：2024/8/22517.3 中断方式中断方式interrupt一、基本概念一、基本概念n中断是一种在发生了一个异步事件时调用相应的处理程序(或称服务程序)的过程。

n中断服务程序与中断时CPU正在运行的程序是相互独立的，相互不传递数据n中断处理中的问题：(1) 设备识别方式(2) 中断处理程序入口地址的形成(3) 中断裁决(4) 中断屏蔽2024/8/2252二、中断响应过程二、中断响应过程n简单的中断处理过程：l  关中断（屏蔽中断）l  保存现场context savingl  识别中断interrupt recognitionl  形成服务程序入口地址l  执行服务程序l  恢复现场l  开中断2024/8/2253设备的识别——问题1nCPU轮询(CPU polling)Ø CPU依次发出不同设备的识别号，相应的设备做出回答n中断向量(interrupt vector)Ø 由设备主动向CPU发出识别信息2024/8/2254入口地址形成——问题2n根据轮询结果形成n中断向量表Ø根据识别号检索入口地址Ø通常位于内存起始处2024/8/2255三、中断裁决三、中断裁决——问题3n三种方式：Ø链式查询Ø独立请求Ø分组链式2024/8/22562024/8/2257三、中断裁决三、中断裁决——问题3n三种方式：u链式查询u独立请求u分组链式2024/8/2258三、中断裁决三、中断裁决——问题3n三种方式：u链式查询u独立请求u分组链式2024/8/2259四、中断屏蔽四、中断屏蔽——问题4n多重中断多重中断Ø中断服务程序也可以被中断Ø中断嵌套n实现方法实现方法Ø多级中断Ø中断屏蔽响应过程：•关中断•保存现场•识别中断•形成服务程序入口地址•开中断开中断•执行服务程序•关中断关中断•恢复现场•开中断2024/8/2260多级中断多级中断n给CPU及中断请求都设置优先级n由硬件根据优先级确定响应哪一个中断Ø优先编码器I0I1I2I3yxIE中断CPU2024/8/2261中断屏蔽寄存器中断屏蔽寄存器n用软件设置灵活的优先级2024/8/2262中断输入输出方式的接口2024/8/2263程序控制方式输入输出数据传输途径CPU存储器接口外设2024/8/22647.4 DMA (Direct Memory Access)方式方式一、基本概念一、基本概念n目的目的Ø减少大批量数据传输时CPU的开销。

n方法方法Ø采用专用部件生成访存地址并控制访存过程n传输过程传输过程Ø预处理Ø数据传输Ø后处理2024/8/2265DMA方式输入输出数据传输途径CPU存储器接口外设2024/8/2266二、二、DMA传送方式传送方式n问题Ø访存冲突n解决方法ØCPU等待DMAØDMA乘存储器空闲时访问存储器•周期挪用cycle stealinguCPU与DMA交替访问存储器•透明方式2024/8/2267DMA控制流程：2024/8/2268三、三、DMA控制器结构控制器结构—基本结构2024/8/2269DMA与CPU的连接：2024/8/22707.5 通道方式通道方式 通道是一个具有输入输出处理器控制的输入输出部件通通道是一个具有输入输出处理器控制的输入输出部件通道控制器有自己的指令，即通道命令，能够根据道控制器有自己的指令，即通道命令，能够根据程序控制程序控制多个外部设备多个外部设备并提供了并提供了DMA共享的功能共享的功能一、通道的类型一、通道的类型1. 选择通道2. 数组多路通道         1) 数组多路通道      2) 字节多路通道2024/8/2271二、通道的功能二、通道的功能n性能指标：流量（吞吐率）n字节多路通道的极限流量应大于所接外设的字节传送速率字节多路通道的极限流量应大于所接外设的字节传送速率之和；其他两种通道的极限流量应大于所接外设中字节传之和；其他两种通道的极限流量应大于所接外设中字节传送速率最大的设备。

送速率最大的设备n通道的功能：1. 接受CPU的指令2. 读取并执行通道程序3. 控制数据传送4. 读取外设的状态信息，提供给CPU5. 发出中断请求2024/8/2272四、输入输出处理机四、输入输出处理机n通道结构的通道结构的I/O处理机处理机(IOP)Ø专用处理机（如网卡、显卡上的处理机）n外围处理机外围处理机(PPU)Ø通用机（如双CPU服务器）n功能功能Ø数据转换、数据搜索、数据格式转换、检错纠错、编码/译码，打包/解包2024/8/22737.6 输入输出接口与总线输入输出接口与总线——SCSI（小型计算机系统接口）总线1. 特点n从通道发展而来n传输速度快n灵活性好（适用于各种外设）n设备独立性n采用高级命令系统2024/8/22742. 信号定义信号电平：•单端方式•差分方式2024/8/22753. 总线控制n地址构成：地址构成：Ø设备地址(8个)Ø逻辑单元号（逻辑设备号）Ø逻辑分区地址（16到32位块地址）n通信协议：通信协议：消息传递n八个阶段（操作状态）：八个阶段（操作状态）：Ø空闲，仲裁，选择，再选择，Ø命令，数据，状态，消息n两个异步条件：两个异步条件：Ø注意（有消息发出），复位2024/8/2276操作状态2024/8/22774. 消息系统n消息的作用：消息的作用：Ø传递操作信息（如设备执行情况以及操作控制）n消息类型：消息类型：Ø单字消息Ø双字消息Ø多字消息2024/8/2278SCSI消息（一）2024/8/2279SCSI消息（二）2024/8/22805. 命令格式2024/8/2281SCSI的发展2024/8/22822024/8/2283SCSI接口芯片: LSI53C10102024/8/2284USBn即插即用即插即用n自动配置自动配置n自动识别外围设备连接关系自动识别外围设备连接关系n4 4种数据传输方式种数据传输方式Ø针对配置、命令以及状态信息的控制传输Ø针对机和其他对时间极为敏感的事实传输Ø针对操纵杆、鼠标器和键盘的中断传输Ø针对打印机、扫描以及数字相机的批传输•4 4针的接插件针的接插件Ø2条信号线和2条电源线Ø电源线采用5伏电压2024/8/2285USB2024/8/2286。