第8章互聯(lián)及輸入輸出組織

1、電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院 互聯(lián)及輸入輸出組織互聯(lián)及輸入輸出組織計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Computer Organization And Systems Architecture電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院 8.1 外部設(shè)備的分類與特點外部設(shè)備的分類與特點n 外設(shè)的分類 輸入設(shè)備：鍵盤、鼠標(biāo)等 輸出設(shè)備：顯示器、打印機等n 外設(shè)的特點 異步性 實時性 多樣性電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院 8.2 輸入設(shè)備輸入設(shè)備n 鍵盤n 顯示器n 打印機電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)

2、院電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院 磁盤存儲器磁盤存儲器盤片轉(zhuǎn)軸旋臂電機數(shù)據(jù)接口(IDE or SATA)電路板磁頭電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院 磁盤的結(jié)構(gòu)磁盤的結(jié)構(gòu)多個盤片多個盤片(每個盤片雙面記錄數(shù)據(jù)每個盤片雙面記錄數(shù)據(jù))磁道磁道 扇區(qū)扇區(qū)(每扇區(qū)每扇區(qū)512字節(jié)字節(jié)) 早期每個磁道具有相同扇區(qū)數(shù)，外圈磁道的位密度低于內(nèi)圈； 現(xiàn)在外圈比內(nèi)圈磁道有較多扇區(qū)，保持內(nèi)外圈的位密度一樣；扇區(qū)是磁盤讀寫的最小單位。電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院 磁盤的結(jié)構(gòu)磁盤的結(jié)構(gòu)電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院

3、磁盤的結(jié)構(gòu)磁盤的結(jié)構(gòu)0 0磁道磁道n n磁道磁道柱面柱面扇區(qū)扇區(qū)磁道磁道電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院 磁盤的容量磁盤的容量假設(shè)：一個磁盤 有16個盤片(雙面記錄數(shù)據(jù)) 每個盤面有20000個磁道 每個磁道有200個扇區(qū) 每個扇區(qū)有512個字節(jié)該磁盤的容量有多大？電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院 磁盤的性能磁盤的性能n 尋道時間將磁頭移到指定磁道。n 旋轉(zhuǎn)延時將磁頭定位到指定扇區(qū)。n 傳輸時間讀取一塊數(shù)據(jù)的時間。n 控制時間執(zhí)行I/O操作的時間開銷。電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院 舉例舉例假設(shè)：

4、一個磁盤 每個扇區(qū)有512個字節(jié) 轉(zhuǎn)速：15000rpm 平均尋道時間：4ms 數(shù)據(jù)傳輸率：100MB/s 控制時間：0.2ms平均數(shù)據(jù)讀取時間？電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院 解答解答 尋道時間：4ms 旋轉(zhuǎn)延時： 傳輸時間： 控制時間：0.2ms數(shù)據(jù)讀取時間：電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院 數(shù)據(jù)的冗余數(shù)據(jù)的冗余死機了死機了? 哦, 我可憐的硬盤!更大的悲?。弘娮涌萍即髮W(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院 廉價磁盤冗余陣列（廉價磁盤冗余陣列（RAIDRAID）多個小磁代替多個小磁代替一個磁盤一個磁盤性能會提

5、高，因為有更多的讀寫磁頭。優(yōu)點：優(yōu)點：缺點：缺點：可靠性會降低。電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院 廉價磁盤冗余陣列（廉價磁盤冗余陣列（RAIDRAID）n 無冗余（RAID 0） 無容錯性 讀/寫性能。D03D00D01D02Disk0Disk1Disk2電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院 外設(shè)與外設(shè)與CPUCPU、主存的互聯(lián)、主存的互聯(lián)n 鏡像（RAID 1）:具有容錯性D01D00D01D00Disk0Disk1電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院 廉價磁盤冗余陣列（廉價磁盤冗余陣列（RAID RAI

6、D ）n 錯誤檢測和糾錯碼（RAID 2）B0A0B1A1B2A2B3A3B4A4對數(shù)據(jù)進行海明編碼，然后進行存儲。數(shù)據(jù)位冗余位B5A5B6A6電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院 廉價磁盤冗余陣列（廉價磁盤冗余陣列（RAID RAID ）n 位交叉奇偶校驗（RAID 3）B0A0B1A1B2A2B3A3B0-3A0-3數(shù)據(jù)位數(shù)據(jù)位冗余位冗余位電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院 廉價磁盤冗余陣列（廉價磁盤冗余陣列（RAID RAID ）n 塊交叉奇偶校驗（RAID 4）B0A0B1A1B2A2B3A3BA數(shù)據(jù)位數(shù)據(jù)位冗余位冗余位電子科技

7、大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院 RAID3RAID3與與RAID4RAID4的小數(shù)據(jù)量寫比較的小數(shù)據(jù)量寫比較D0NewXORD1D2D2PD0RAID3RAID3：讀：讀3 3次、寫次、寫2 2次次RAID3RAID3電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院 RAID3RAID3與與RAID4RAID4的小數(shù)據(jù)量寫比較的小數(shù)據(jù)量寫比較D0NewXORD1D2D2PD0RAID4RAID4：讀：讀2 2次、寫次、寫2 2次次RAID4RAID4電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院 分布式塊交叉奇偶校驗（分布式塊交叉奇偶

8、校驗（RAID 5RAID 5）20P4122116P3221713231814P51915840951P26210P13117P0電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院 小測驗：小測驗：關(guān)于關(guān)于RAID 1、3、4、5和和6級的說法，正確的是：級的說法，正確的是：A. RAID依靠冗余來取得高可靠性B. RAID 1(鏡像)的校驗盤開銷最大C. 對于小數(shù)據(jù)量的寫操作，RAID 3吞吐量最差D. 對于大數(shù)據(jù)量的寫操作，RAID 3、4和5擁有同樣的吞吐量電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院 U U盤和固態(tài)盤盤和固態(tài)盤電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與

9、工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院 n 總線(Bus)一族公共的信號線，用于連接計算機中的各組成部件，負責(zé)數(shù)據(jù)和控制信號等的傳輸。n 總線結(jié)構(gòu)的特點 優(yōu)點： 多個部件共享信道，成本低 增加新設(shè)備容易 缺點： 會產(chǎn)生通信瓶頸外設(shè)與外設(shè)與CPUCPU、主存的互聯(lián)、主存的互聯(lián)電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院 外設(shè)與外設(shè)與CPUCPU、主存的互聯(lián)、主存的互聯(lián)n 總線設(shè)計時需要考慮問題 總線的長度 連接的設(shè)備數(shù)n 不同用途的總線 處理器 存儲器：距離短、速度快 底板總線：距離、速度適中，如PCI I/O總線：距離長、速度慢，如鍵盤總線電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院

10、電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院 典型的總線結(jié)構(gòu)典型的總線結(jié)構(gòu)處理器處理器I/O接口接口外設(shè)外設(shè)I/O接口接口外設(shè)外設(shè)Control BusAddress BusData Bus內(nèi)存內(nèi)存 數(shù)據(jù)總線(Data Bus):傳輸數(shù)據(jù)信號 地址總線(Address Bus):傳輸?shù)刂沸盘?控制總線(Control Bus):傳輸控制信號電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院 總線的性能指標(biāo)總線的性能指標(biāo)1. 總線寬度總線寬度總線中數(shù)據(jù)線的條數(shù)，決定了一次能同時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)。2. 總線工作頻率總線工作頻率總線工作的時鐘頻率。電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機科

11、學(xué)與工程學(xué)院 總線的性能指標(biāo)總線的性能指標(biāo)3. 總線帶寬總線帶寬總線的最大數(shù)據(jù)傳輸率，單位：B/s。4. 總線尋址能力總線尋址能力總線可尋址的空間大小，由總線的地址線數(shù)決定。例如總線的地址線數(shù)是30條，則尋址大小為：230 電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院 總線的性能指標(biāo)總線的性能指標(biāo)5. 總線的定時方式總線的定時方式同步通信、異步通信、半同步通信。5. 總線傳送方式總線傳送方式非突發(fā)方式、突發(fā)方式。電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院 x86x86處理器的處理器的I/OI/O互聯(lián)互聯(lián)電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機

12、科學(xué)與工程學(xué)院 I/OI/O接口接口n I/O接口的一般結(jié)構(gòu)CPUI/OI/O接口電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院 I/OI/O端口及編址端口及編址n 獨立編址方式獨立編址方式I/O端口單獨編址，與主存空間是2個獨立的空間，需專門的I/O指令來訪問I/O端口。n 編一編址方式編一編址方式I/O端口與主存空間統(tǒng)一編址，訪問I/O端口與訪問主存單元是一樣的。電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院 I/OI/O數(shù)據(jù)傳送控制方式數(shù)據(jù)傳送控制方式用于不需要聯(lián)絡(luò)控制信號的外設(shè)，直接用I/O指令進行數(shù)據(jù)傳送。 n 無條件傳送方式無條件傳送方式端口地址

13、譯碼器輸入數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院 I/OI/O數(shù)據(jù)傳送控制方式數(shù)據(jù)傳送控制方式控制簡單，傳送速度快，必須確信外設(shè)已準(zhǔn)備好的情況下才能使用。 n 無條件傳送方式無條件傳送方式特點特點用于需要聯(lián)絡(luò)控制信號的外設(shè)，在進行數(shù)據(jù)傳送之前需檢測外設(shè)是否準(zhǔn)備就緒，若外設(shè)準(zhǔn)備就緒才可以進行數(shù)據(jù)傳送。 n 條件傳送方式（查詢方式）條件傳送方式（查詢方式）電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院 I/OI/O數(shù)據(jù)傳送控制方式數(shù)據(jù)傳送控制方式電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院 中斷傳送控制方式中斷傳送控制方式

14、程序控制方式有一個嚴重的缺點：獨占CPU，使CPU的速度降到外設(shè)的水平，不能充分發(fā)揮CPU的性能，為了克服這個缺點，引入了中斷控制傳輸方式。當(dāng)外設(shè)準(zhǔn)備好后，向CPU發(fā)出中斷請求，使CPU中斷現(xiàn)行程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)去執(zhí)行為外設(shè)服務(wù)的輸入或輸出程序，執(zhí)行完對外設(shè)的輸入或輸出操作后，CPU再繼續(xù)執(zhí)行原來的程序。 n 中斷的概念中斷的概念電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院 程序程序1程序程序2程序程序3中斷請求中斷請求中斷請求中斷請求中斷返回中斷返回中斷返回中斷返回中斷傳送控制方式中斷傳送控制方式電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院 在DMA控制器的控制下進行數(shù)據(jù)的傳輸，無需 處理器的干涉，當(dāng)傳輸完成時以中斷方式通知CPU進行處理。DMADMA傳送控制方式傳送控制方式n 直接存儲器存取直接存儲器存取 DMA電子科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院電子