陳偉婷《計(jì)算機(jī)組成原理》ch78輸入輸出系統(tǒng)

1、2020/11/7,1,第七章 輸入輸出系統(tǒng),第一節(jié) 輸入輸出設(shè)備的類型 第二節(jié) 基本的輸入輸出方式 第三節(jié) 中斷方式 第四節(jié) DMA方式 第五節(jié) 通道方式 第六節(jié) 輸入輸出接口與總線,2020/11/7,2,7.1 輸入輸出設(shè)備的類型,一、輸出設(shè)備 1. 顯示器display 顯像管CRT 液晶LCD 等離子體Plasma Display Panel 2. 打印設(shè)備printer 3. 繪圖儀plotter,2020/11/7,3,CRT顯示器字符的顯示,2020/11/7,4,CRT顯示器光柵掃描,2020/11/7,5,液晶顯示器,2020/11/7,6,液晶顯示器,2020/11/7,

2、7,等離子體顯示器,2020/11/7,8,2. 打印設(shè)備,擊打式impact 串行、行式 點(diǎn)陣針式、字模式 非擊打式non-impact 噴墨 激光 熱轉(zhuǎn)印,2020/11/7,9,擊打式打印機(jī)點(diǎn)陣針式,2020/11/7,10,噴墨式打印機(jī)氣泡式,2020/11/7,11,噴墨式打印機(jī)壓電式,2020/11/7,12,激光式打印機(jī),2020/11/7,13,3. 繪圖儀,平臺(tái)式 滾筒式,2020/11/7,14,二、輸入設(shè)備鍵盤,keyboard,2020/11/7,15,二、輸入設(shè)備光筆,2020/11/7,16,二、輸入設(shè)備鼠標(biāo)器,mouse,2020/11/7,17,二、輸入設(shè)備數(shù)字

3、化儀digitizer,cursor,2020/11/7,18,二、輸入設(shè)備觸摸屏,Touchscreen,2020/11/7,19,電阻式觸摸屏,INT0# SS# SCK MISO MOSI,PENIRQ# Y+ CS# X+ DCLK Y- DOUT X- DIN,Motorola MMC2107,ADS7846,2020/11/7,20,Touchscreen LCD,2020/11/7,21,二、輸入設(shè)備掃描儀,scanner,2020/11/7,22,三、外存設(shè)備1. 磁記錄原理與記錄方式,2020/11/7,23,磁性材料的磁滯回歸線,H: 外加磁場(chǎng) B: 磁感應(yīng)強(qiáng)度,2020/

4、11/7,24,三、外存設(shè)備2. 硬盤設(shè)備,磁道track 扇區(qū)sector 柱面cylinder: 具有相同磁道的盤面組成形成一個(gè)圓柱,2020/11/7,25,2020/11/7,26,磁頭,2020/11/7,27,磁盤接口disk interface,磁盤控制器,主機(jī)接口,設(shè)備接口,磁盤適配器,2020/11/7,28,磁盤的技術(shù)指標(biāo)：,存儲(chǔ)密度dencity 位密度(linear density, recording density) 道密度(track density) 面密度(areal density) 存儲(chǔ)容量capacity 記錄面數(shù)每面磁道數(shù)每道扇區(qū)數(shù)扇區(qū)容量,2020/

5、11/7,29,磁盤的技術(shù)指標(biāo)：,平均訪問時(shí)間Average access time 每次磁盤訪問時(shí)間的平均值 控制延遲controller delay 尋道時(shí)間seek time 旋轉(zhuǎn)延遲latency 傳輸延遲transfer delay 數(shù)據(jù)傳輸率Data transfer rate 連續(xù)從磁盤上讀寫數(shù)據(jù)的速率,2020/11/7,30,磁盤參數(shù),Spindle Speed: 7200rpm, 10000rpm Form factor: 5.25”, 3.5”, 2.5”, 1,8” 尋道時(shí)間：磁頭移動(dòng)到指定磁道的平均時(shí)間 傳輸延遲：數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間 多個(gè)磁道連續(xù)讀寫的問題 多個(gè)磁頭讀寫的問

6、題,2020/11/7,31,3. 磁盤陣列RAID,Redundant Array of Inexpensive Disks 目的：提高容量，提高可靠性 每個(gè)磁盤MTTF為20萬小時(shí)，100個(gè)無容錯(cuò)陣列的MTTF為2000小時(shí)。 R(t) = R100(t)=(e-lt)100= e-100lt= e-l t l=100l MFFF = 1/ l = 1/100l = MTTF/100,2020/11/7,32,磁盤陣列的類型,RAID-0：非冗余的磁盤陣列。 RAID-1：鏡像磁盤冗余陣列。 RAID-2：海明碼糾錯(cuò)冗余的磁盤陣列，位交叉。 RAID-3：奇偶校驗(yàn)冗余的磁盤陣列，位交叉。

7、RAID-4：獨(dú)立傳送磁盤陣列，塊交叉，校驗(yàn)盤是瓶頸。 RAID-5：獨(dú)立傳送磁盤陣列，塊交叉，分布的冗余校驗(yàn)。 RAID-6：P+Q冗余技術(shù)，增強(qiáng)糾錯(cuò)能力。,2020/11/7,33,2020/11/7,34,2020/11/7,35,2020/11/7,36,2020/11/7,37,2020/11/7,38,3. 磁盤陣列,2020/11/7,39,3. 磁盤陣列（續(xù)）,2020/11/7,40,復(fù)合RAID,將多個(gè)RAID 類型結(jié)合成一個(gè)RAID。 例如RAID 0+1或稱 RAID 0/1,2020/11/7,41,4. 光盤存儲(chǔ)設(shè)備,類型：只讀型、Worm型、可擦寫型。 (1) 只

8、讀型 凹坑信息記錄載體，壓制形成，邊界代表1，平面代表0 光道螺旋形，恒線速 通道碼(2, 10; 8, 14, 1)RLL編碼， 14位代碼表示8位數(shù)據(jù) 幀記錄24字節(jié)有效數(shù)據(jù)，CIRC編碼，共32字節(jié) 扇區(qū)98個(gè)幀，2352字節(jié)有效數(shù)據(jù)，2048字節(jié)用戶數(shù)據(jù),2020/11/7,42,4. 光盤存儲(chǔ)設(shè)備（續(xù)）,2020/11/7,43,4. 光盤存儲(chǔ)設(shè)備（續(xù)）,(2) WORM型 強(qiáng)激光燒灼出凹坑 (3) 可擦寫型 相變型：晶態(tài)與非晶態(tài)轉(zhuǎn)換 磁光型：激光與磁場(chǎng)調(diào)制記錄，克爾效應(yīng)讀取,2020/11/7,44,7.2 基本的輸入輸出方式,一、外設(shè)的尋址 統(tǒng)一編址法 存儲(chǔ)器映像的外設(shè)尋址mem

9、ory mapped addressing 用不同的地址值區(qū)分內(nèi)存與外設(shè) 單獨(dú)編址法 兩個(gè)地址空間 用不同的地址空間區(qū)分內(nèi)存與外設(shè),2020/11/7,45,外設(shè)的尋址,地址空間,存儲(chǔ)器地址空間,I/O地址空間,0,M-1,M+N-1,0,M-1,0,N-1,設(shè)備0,設(shè)備1,設(shè)備n-1,設(shè)備0,設(shè)備1,設(shè)備n-1,統(tǒng)一編址法,單獨(dú)編址法,2020/11/7,46,統(tǒng)一編址法,2020/11/7,47,單獨(dú)編址法兩個(gè)地址空間的實(shí)現(xiàn),兩套地址線,一套地址線,2020/11/7,48,二、外設(shè)的定時(shí),異步 應(yīng)答方式 同步 時(shí)鐘定時(shí) 字設(shè)備與塊設(shè)備,2020/11/7,49,三、程序查詢方式由主機(jī)控制

10、輸入輸出過程,設(shè)備接口的結(jié)構(gòu)：,2020/11/7,50,CPU處理過程：,2020/11/7,51,信號(hào)傳輸過程：,2020/11/7,52,接口例子：,2020/11/7,53,7.3 程序中斷方式interrupt,一、基本概念 中斷是一種在發(fā)生了一個(gè)異常事件時(shí)調(diào)用相應(yīng)的處理程序(或稱服務(wù)程序)的過程。 中斷服務(wù)程序與中斷時(shí)CPU正在運(yùn)行的程序是相互獨(dú)立的，相互不傳遞數(shù)據(jù)。 中斷處理中的問題： (1) 設(shè)備識(shí)別方式 (2) 中斷處理程序入口地址的形成 (3) 中斷裁決 (4) 中斷屏蔽,2020/11/7,54,二、中斷響應(yīng)過程,簡(jiǎn)單的中斷處理過程： 關(guān)中斷（屏蔽中斷） 保存現(xiàn)場(chǎng)cont

11、ext saving 識(shí)別中斷interrupt recognition 形成服務(wù)程序入口地址 執(zhí)行服務(wù)程序 恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng) 開中斷,2020/11/7,55,設(shè)備的識(shí)別問題1,CPU輪詢(CPU polling) CPU依次發(fā)出不同設(shè)備的識(shí)別號(hào)，相應(yīng)的設(shè)備做出回答 中斷向量(interrupt vector) 由設(shè)備主動(dòng)向CPU發(fā)出識(shí)別信息,2020/11/7,56,入口地址形成問題2,根據(jù)輪詢結(jié)果形成 中斷向量表 根據(jù)識(shí)別號(hào)檢索入口地址 通常位于內(nèi)存起始處,2020/11/7,57,三、中斷裁決問題3,三種方式： 鏈?zhǔn)讲樵?獨(dú)立請(qǐng)求 分組鏈?zhǔn)?2020/11/7,58,2020/11/7,59,

12、三、中斷裁決問題3,三種方式： 鏈?zhǔn)讲樵?獨(dú)立請(qǐng)求 分組鏈?zhǔn)?2020/11/7,60,三、中斷裁決問題3,三種方式： 鏈?zhǔn)讲樵?獨(dú)立請(qǐng)求 分組鏈?zhǔn)?2020/11/7,61,四、中斷屏蔽問題4,多重中斷 中斷服務(wù)程序也可以被中斷 中斷嵌套 實(shí)現(xiàn)方法 多級(jí)中斷 中斷屏蔽,響應(yīng)過程： 關(guān)中斷 保存現(xiàn)場(chǎng) 識(shí)別中斷 形成服務(wù)程序入口地址 開中斷 執(zhí)行服務(wù)程序 關(guān)中斷 恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng) 開中斷,2020/11/7,62,多級(jí)中斷,給CPU及中斷請(qǐng)求都設(shè)置優(yōu)先級(jí) 由硬件根據(jù)優(yōu)先級(jí)確定響應(yīng)哪一個(gè)中斷 優(yōu)先編碼器,I0 I1 I2 I3,y,x,IE,中斷CPU,2020/11/7,63,中斷屏蔽寄存器,用軟件設(shè)置

13、靈活的優(yōu)先級(jí),2020/11/7,64,中斷輸入輸出方式的接口,2020/11/7,65,程序控制方式輸入輸出數(shù)據(jù)傳輸途徑,CPU,存儲(chǔ)器,接口,外設(shè),2020/11/7,66,7.4 DMA (Direct Memory Access)方式,一、基本概念 目的 減少大批量數(shù)據(jù)傳輸時(shí)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(yù)處理 數(shù)據(jù)傳輸 后處理,2020/11/7,67,DMA方式輸入輸出數(shù)據(jù)傳輸途徑,CPU,存儲(chǔ)器,接口,外設(shè),2020/11/7,68,二、DMA傳送方式,問題 訪存沖突 解決方法 CPU等待DMA DMA趁存儲(chǔ)器空閑時(shí)訪問存儲(chǔ)器 周期挪用

14、cycle stealing CPU與DMA交替訪問存儲(chǔ)器 透明方式,2020/11/7,69,DMA控制流程：,2020/11/7,70,三、DMA控制器結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu),2020/11/7,71,DMA與CPU的連接：,2020/11/7,72,7.5 通道方式,通道是一個(gè)具有輸入輸出處理器控制的輸入輸出部件。通道控制器有自己的指令，即通道命令，能夠根據(jù)程序控制多個(gè)外部設(shè)備并提供了DMA共享的功能。 一、通道的類型 1. 選擇通道 2. 數(shù)組多路通道 3. 字節(jié)多路通道,2020/11/7,73,二、通道的功能,性能指標(biāo)：流量（吞吐率） 字節(jié)多路通道的極限流量應(yīng)大于所接外設(shè)的字節(jié)傳送速率之和；

15、其他兩種通道的極限流量應(yīng)大于所接外設(shè)中字節(jié)傳送速率最大的設(shè)備。 通道的功能： 1. 接受CPU的指令。 2. 讀取并執(zhí)行通道程序。 3. 控制數(shù)據(jù)傳送。 4. 讀取外設(shè)的狀態(tài)信息，提供給CPU。 5. 發(fā)出中斷請(qǐng)求。,2020/11/7,74,三、通道結(jié)構(gòu)的發(fā)展,通道結(jié)構(gòu)的I/O處理機(jī)(IOP) 專用處理機(jī)（如網(wǎng)卡、顯卡上的處理機(jī)） 外圍處理機(jī)(PPU) 通用機(jī)（如雙CPU服務(wù)器） 功能 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)搜索、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、檢錯(cuò)糾錯(cuò)、編碼/譯碼，打包/解包,2020/11/7,75,7.6 輸入輸出接口與總線SCSI總線,1. 特點(diǎn) 從通道發(fā)展而來 傳輸速度快 靈活性好（適用于各種外設(shè)） 設(shè)備獨(dú)

16、立性 采用高級(jí)命令系統(tǒng),2020/11/7,76,2. 信號(hào)定義,信號(hào)電平： 單端方式 差分方式,2020/11/7,77,3. 總線控制,地址構(gòu)成： 設(shè)備地址(8個(gè)) 邏輯單元號(hào)（邏輯設(shè)備號(hào)） 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(gè)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(gè)異步條件： 注意（有消息發(fā)出），復(fù)位,2020/11/7,78,操作狀態(tài),2020/11/7,79,4. 消息系統(tǒng),消息的作用： 傳遞操作信息（如設(shè)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,2020/11/7,80,SCSI消息（一）,2020/11/7,81,SCSI消息（二）,2020/11