計算機組成原理課件：Ch7~8 輸入輸出系統(tǒng)

1、2021-11-231第一節(jié)第一節(jié) 輸入輸出設(shè)備的類型輸入輸出設(shè)備的類型第二節(jié)第二節(jié) 基本的輸入輸出方式基本的輸入輸出方式 第三節(jié)第三節(jié) 中斷方式中斷方式第四節(jié)第四節(jié) DMA方式方式第五節(jié)第五節(jié) 通道方式通道方式第六節(jié)第六節(jié) 輸入輸出接口與總線輸入輸出接口與總線2021-11-2327.1 輸入輸出設(shè)備的類型輸入輸出設(shè)備的類型一、輸出設(shè)備一、輸出設(shè)備u1. 顯示器display顯像管CRT液晶LCD等離子體Plasma Display Panelu2. 打印設(shè)備printeru3. 繪圖儀plotter2021-11-233CRT顯示器字符的顯示2021-11-234CRT顯示器光柵掃描偏轉(zhuǎn)線

2、圈顯示屏蔭罩電子槍2021-11-235液晶顯示器光線扭轉(zhuǎn)的光線液晶分子電極(b) 不透光狀態(tài)(a) 透光狀態(tài)(偏震光被扭轉(zhuǎn) 90 度)偏光鏡橫向排列垂直排列縱向排列偏光鏡電極玻璃面板玻璃2021-11-236液晶顯示器2021-11-237等離子體顯示器放電熒光體電極光線玻璃透明電極2021-11-2382. 打印設(shè)備n擊打式impact串行、行式點陣針式、字模式n非擊打式non-impact噴墨激光熱轉(zhuǎn)印2021-11-239擊打式打印機點陣針式滾筒打印紙色帶打印針針管線圈鐵心銜鐵2021-11-2310噴墨式打印機氣泡式氣泡2021-11-2311噴墨式打印機壓電式供墨水導(dǎo)管噴嘴墨水壓電

3、體2021-11-2312激光式打印機粉倉打印紙磁輥感光鼓轉(zhuǎn)印輥定影輥清潔刮充電激光2021-11-23133. 繪圖儀n平臺式n滾筒式2021-11-2314二、輸入設(shè)備二、輸入設(shè)備鍵盤鍵盤+5V并行端口并 行 端 口keyboard2021-11-2315二、輸入設(shè)備二、輸入設(shè)備光筆光筆光傳感器件信號處理電路2021-11-2316二、輸入設(shè)備二、輸入設(shè)備鼠標(biāo)器鼠標(biāo)器滾球垂直軸水平軸支撐輪垂直輪水平輪轉(zhuǎn)角計數(shù)轉(zhuǎn)角計數(shù)mouse2021-11-2317二、輸入設(shè)備二、輸入設(shè)備數(shù)字化儀數(shù)字化儀digitizer游標(biāo)圖形板電纜cursor2021-11-2318二、輸入設(shè)備二、輸入設(shè)備觸摸屏觸摸

4、屏紅外線屏幕接收頭發(fā)射頭Touchscreen2021-11-2319電阻式觸摸屏INT0#SS#SCKMISOMOSIPENIRQ# Y+CS# X+DCLK Y-DOUT X-DINMotorola MMC2107ADS78462021-11-2320Touchscreen LCD2021-11-2321二、輸入設(shè)備二、輸入設(shè)備掃描儀掃描儀A/D 轉(zhuǎn)換接口CCD被掃描紙張數(shù)據(jù)輸出移動方向反射光光源scanner2021-11-2322三、外存設(shè)備1. 磁記錄原理與記錄方式線圈寫信號磁頭讀信號運動方向基片表面磁層SNSNSN2021-11-2323磁性材料的磁滯回歸線edcb0aBHH: 外

5、加磁場B: 磁感應(yīng)強度2021-11-2324三、外存設(shè)備2. 硬盤設(shè)備磁頭浮起磁頭在盤面上滑動盤片快速轉(zhuǎn)動盤片慢速轉(zhuǎn)動盤片靜止時磁頭降落在盤面上氣流氣流磁道track扇區(qū)sector柱面cylinder: 具有相同磁道的盤面組成形成一個圓柱2021-11-23252021-11-2326磁頭2021-11-2327磁盤接口disk interfaceSCSI 接口 ESDI 接口 ST506 接口格式控制寫放大器讀放大器時鐘產(chǎn)生數(shù)據(jù)譯碼數(shù)據(jù)編碼串并轉(zhuǎn)換并串轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)緩存DMA控制磁盤控制器主機接口設(shè)備接口磁盤適配器2021-11-2328磁盤的技術(shù)指標(biāo)：n存儲密度dencity位密度(line

6、ar density, recording density)道密度(track density)面密度(areal density)n存儲容量capacity記錄面數(shù)每面磁道數(shù)每道扇區(qū)數(shù)扇區(qū)容量2021-11-2329磁盤的技術(shù)指標(biāo)：n平均訪問時間Average access time每次磁盤訪問時間的平均值控制延遲controller delay尋道時間seek time旋轉(zhuǎn)延遲latency傳輸延遲transfer delayn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2021-11-2330磁盤參數(shù)n Spindle Speed: 7200rpm, 1000

7、0rpmn Form factor: 5.25”, 3.5”, 2.5”, 1,8”n 尋道時間：磁頭移動到指定磁道的平均時間n 傳輸延遲：數(shù)據(jù)傳輸時間n 多個磁道連續(xù)讀寫的問題n 多個磁頭讀寫的問題2021-11-23313. 磁盤陣列RAIDn Redundant Array of Inexpensive Disksn 目的：提高容量，提高可靠性n每個磁盤MTTF為20萬小時，100個無容錯陣列的MTTF為2000小時。R(t) = R100(t)=(e-lt)100= e-100lt= e-l tl=100lMFFF = 1/ l = 1/100l = MTTF/1002021-11-2

8、332磁盤陣列的類型n RAID-0：非冗余的磁盤陣列。n RAID-1：鏡像磁盤冗余陣列。n RAID-2：海明碼糾錯冗余的磁盤陣列，位交叉。n RAID-3：奇偶校驗冗余的磁盤陣列，位交叉。n RAID-4：獨立傳送磁盤陣列，塊交叉，校驗盤是瓶頸。n RAID-5：獨立傳送磁盤陣列，塊交叉，分布的冗余校驗。n RAID-6：P+Q冗余技術(shù)，增強糾錯能力。2021-11-2333 2021-11-2334 2021-11-2335 2021-11-2336 2021-11-2337 2021-11-23383. 磁盤陣列(a) 存儲的數(shù)據(jù)磁盤 1磁盤 2磁盤 3磁盤 4磁盤 5磁盤 6磁盤

9、7磁盤 8 (b) RAID-1 (c) RAID-2 (d) RAID-3a0b0c0d0a1b1c1d1a2b2c2d2a3b3c3d3d0c0a0b0b0a0d0c0a3a2a1a0d1c1b1a1d1c1b1a1b3b2b1b0d2c2b2a2d2c2b2a2c3c2c1c0d3c3b3a3d3c3b3a3d3d2d1d0dpcpbpapdh0ch0bh0ah0a3a2a1a0dh1ch1bh1ah1b3b2b1b0dh2ch2bh2ah2c3c2c1c0d3d2d1d02021-11-23393. 磁盤陣列（續(xù)） 磁盤 1 磁盤 2 磁盤 3 磁盤 4 磁盤 5 磁盤 6 (e) R

10、AID-4 (f) RAID-5 (g) RAID-6 各種磁盤陣列中數(shù)據(jù)和校驗信息存放位置 a3 a2 a1 a0 a3 a2 a1 a0 a3 a2 a1 a0 p3 b2 b1 b0 p3 b2 b1 b0 b3 b2 b1 b0 q3 p2 c1 c0 b3 p2 c1 c0 c3 c2 c1 c0 b3 q2 p1 d0 c3 c2 p1 d0 d3 d2 d1 d0 c3 c2 q1 p0 d3 d2 d1 p0 p3 p2 p1 p0 d3 d2 d1 q0 2021-11-2340復(fù)合RAIDn將多個RAID 類型結(jié)合成一個RAID。n例如RAID 0+1或稱 RAID 0/1

11、 2021-11-23414. 光盤存儲設(shè)備n 類型：只讀型、Worm型、可擦寫型。n (1) 只讀型u凹坑信息記錄載體，壓制形成，邊界代表1，平面代表0u光道螺旋形，恒線速u通道碼(2, 10; 8, 14, 1)RLL編碼， 14位代碼表示8位數(shù)據(jù)u幀記錄24字節(jié)有效數(shù)據(jù)，CIRC編碼，共32字節(jié)u扇區(qū)98個幀，2352字節(jié)有效數(shù)據(jù)，2048字節(jié)用戶數(shù)據(jù) 1 0 0 0 0 00 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0凹坑鋁泊密封基片記錄數(shù)2021-11-23424. 光盤存儲設(shè)備（續(xù)） (a) 幀的結(jié)構(gòu) (b) 扇區(qū)的結(jié)構(gòu) 光盤的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) ECC 數(shù)據(jù) I

12、D 同步 同步 子碼 P 校驗 數(shù)據(jù) Q 校驗 數(shù)據(jù) 288B 4 12 4 4 12 12 1 3 2048 2021-11-23434. 光盤存儲設(shè)備（續(xù)）n(2) WORM型強激光燒灼出凹坑n(3) 可擦寫型相變型：晶態(tài)與非晶態(tài)轉(zhuǎn)換磁光型：激光與磁場調(diào)制記錄，克爾效應(yīng)讀取2021-11-23447.2 基本的輸入輸出方式基本的輸入輸出方式 一、外設(shè)的尋址一、外設(shè)的尋址u統(tǒng)一編址法存儲器映像的外設(shè)尋址memory mapped addressing用不同的地址值區(qū)分內(nèi)存與外設(shè)u單獨編址法兩個地址空間用不同的地址空間區(qū)分內(nèi)存與外設(shè)2021-11-2345外設(shè)的尋址外設(shè)的尋址地址空間存儲器地址

13、空間I/O地址空間0M-1M+N-10M-10N-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)一編址法單獨編址法2021-11-2346統(tǒng)一編址法2021-11-2347單獨編址法兩個地址空間的實現(xiàn)兩套地址線一套地址線2021-11-2348二、外設(shè)的定時二、外設(shè)的定時n異步應(yīng)答方式n同步時鐘定時n字設(shè)備與塊設(shè)備2021-11-2349三、程序查詢方式三、程序查詢方式由主機控制輸入輸出過程地址譯碼器數(shù)據(jù)寄存器命令寄存器RDWE地址有效總線數(shù)據(jù)線地址線外設(shè)接口外設(shè)控制信號外設(shè)數(shù)據(jù)外設(shè)狀態(tài)狀態(tài)寄存器設(shè)備接口的結(jié)構(gòu)：2021-11-2350CPU處理過程：讀外設(shè)狀態(tài)完成?YYNNReady?傳送

14、數(shù)據(jù)啟動外設(shè)2021-11-2351信號傳輸過程： 狀態(tài)寄存器 數(shù)據(jù)寄存器 2 控制器 ALU 數(shù)據(jù)寄存器 1 地址寄存器 命令寄存器 數(shù)據(jù)寄存器 地址譯碼器 設(shè)備接口 CPU 2021-11-2352接口例子： 內(nèi)部總線 WR RD RS1 RS0 控制電路 數(shù)據(jù)總線 狀態(tài) 控制 I/O 數(shù)據(jù) I/O 數(shù)據(jù) 選寄存器 選寄存器 寫 讀 選片 CS 狀態(tài)寄存器 控制寄存器 B端寄存器 A端寄存器 總線緩沖 2021-11-23537.3 程序中斷方式程序中斷方式interrupt一、基本概念一、基本概念n 中斷是一種在發(fā)生了一個異常事件時調(diào)用相應(yīng)的處理程序(或稱服務(wù)程序)的過程。n 中斷服務(wù)程

15、序與中斷時CPU正在運行的程序是相互獨立的，相互不傳遞數(shù)據(jù)。n中斷處理中的問題：(1) 設(shè)備識別方式(2) 中斷處理程序入口地址的形成(3) 中斷裁決(4) 中斷屏蔽2021-11-2354二、中斷響應(yīng)過程二、中斷響應(yīng)過程n簡單的中斷處理過程：l 關(guān)中斷（屏蔽中斷）l 保存現(xiàn)場context savingl 識別中斷interrupt recognitionl 形成服務(wù)程序入口地址l 執(zhí)行服務(wù)程序l 恢復(fù)現(xiàn)場l 開中斷2021-11-2355設(shè)備的識別問題1nCPU輪詢(CPU polling) CPU依次發(fā)出不同設(shè)備的識別號，相應(yīng)的設(shè)備做出回答n中斷向量(interrupt vector)

16、由設(shè)備主動向CPU發(fā)出識別信息2021-11-2356入口地址形成問題2n根據(jù)輪詢結(jié)果形成n中斷向量表根據(jù)識別號檢索入口地址通常位于內(nèi)存起始處2021-11-2357三、中斷裁決三、中斷裁決問題3n三種方式：鏈?zhǔn)讲樵儶毩⒄埱蠓纸M鏈?zhǔn)絀GIRIR: 中斷請求IG: 中斷許可CPU設(shè)備 n設(shè)備 12021-11-2358S QRIR中斷向量IGout向量地址延遲中斷請求IGin2021-11-2359三、中斷裁決三、中斷裁決問題3n三種方式：u鏈?zhǔn)讲樵僽獨立請求u分組鏈?zhǔn)絀R1IG1 .IRnIGnIRx: 中斷請求IGx: 中斷許可CPU設(shè)備 n設(shè)備 12021-11-2360三、中斷裁決三、中

17、斷裁決問題3n三種方式：u鏈?zhǔn)讲樵僽獨立請求u分組鏈?zhǔn)絀R1IG1.IRnIGnCPU設(shè)備設(shè)備設(shè)備設(shè)備2021-11-2361四、中斷屏蔽四、中斷屏蔽問題4n 多重中斷多重中斷中斷服務(wù)程序也可以被中斷中斷嵌套n 實現(xiàn)方法實現(xiàn)方法多級中斷中斷屏蔽響應(yīng)過程：關(guān)中斷保存現(xiàn)場識別中斷形成服務(wù)程序入口地址開中斷開中斷執(zhí)行服務(wù)程序關(guān)中斷關(guān)中斷恢復(fù)現(xiàn)場開中斷2021-11-2362多級中斷多級中斷n給CPU及中斷請求都設(shè)置優(yōu)先級n由硬件根據(jù)優(yōu)先級確定響應(yīng)哪一個中斷優(yōu)先編碼器I0I1I2I3yxIE中斷CPU2021-11-2363中斷屏蔽寄存器中斷屏蔽寄存器321IE0321y中斷 CPUIRx屏蔽寄存器中

18、斷寄存器優(yōu)先編碼器IR3IR2IR1IR00I0I1I2I3n用軟件設(shè)置靈活的優(yōu)先級2021-11-2364中斷輸入輸出方式的接口 數(shù)據(jù)緩存 中斷判優(yōu)電路 接口 控制 數(shù)據(jù)寄存器 地址寄存器 中斷屏蔽寄存器 中斷請求寄存器 接口控制 電路 CPU 外設(shè) 接口 WE RD IG IR 地址 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 完成 啟動 狀態(tài)寄存器 地址譯碼 命令寄存器 RAM 2021-11-2365程序控制方式輸入輸出數(shù)據(jù)傳輸途徑CPU存儲器接口外設(shè)2021-11-23667.4 DMA (Direct Memory Access)方式方式一、基本概念一、基本概念n目的目的減少大批量數(shù)據(jù)傳輸時CPU的開銷。n方法方

19、法采用專用部件生成訪存地址并控制訪存過程。n傳輸過程傳輸過程預(yù)處理數(shù)據(jù)傳輸后處理2021-11-2367DMA方式輸入輸出數(shù)據(jù)傳輸途徑CPU存儲器接口外設(shè)2021-11-2368二、二、DMA傳送方式傳送方式n問題訪存沖突n解決方法CPU等待DMADMA趁存儲器空閑時訪問存儲器 周期挪用cycle stealinguCPU與DMA交替訪問存儲器 透明方式2021-11-2369DMA控制流程：DMA請求DMA響應(yīng)發(fā)送內(nèi)存地址內(nèi)存地址加 1傳送一個數(shù)據(jù)N結(jié)束？2021-11-2370三、三、DMA控制器結(jié)構(gòu)控制器結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 控制邏輯 DS RS RD WR BR BG 中斷機構(gòu) 標(biāo)志寄存器 字

20、計數(shù)器 數(shù)據(jù)寄存器 地址計數(shù)器 系統(tǒng)總線 IG IR 命令寄存器 2021-11-2371DMA與CPU的連接： DS RS BR BG IR 外設(shè) DMA 響應(yīng) DMA 請求 DMA RAM CPU RD WR Add data RD WR Add data RD WR Add data BR BG IR 地址選擇 IG IG 2021-11-23727.5 通道方式通道方式 通道是一個具有輸入輸出處理器控制的輸入輸出部件。通通道是一個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)程序控制多個外部設(shè)備并提供

21、了多個外部設(shè)備并提供了DMA共享的功能。共享的功能。一、通道的類型一、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2021-11-2373二、通道的功能二、通道的功能n 性能指標(biāo)：流量（吞吐率）n 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；其他兩種通道的極限流量應(yīng)大于所接外設(shè)中字節(jié)傳之和；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。送速率最大的設(shè)備。n 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)出中斷請求。20

22、21-11-2374三、通道結(jié)構(gòu)的發(fā)展三、通道結(jié)構(gòu)的發(fā)展n通道結(jié)構(gòu)的通道結(jié)構(gòu)的I/O處理機處理機(IOP)專用處理機（如網(wǎng)卡、顯卡上的處理機）n外圍處理機外圍處理機(PPU)通用機（如雙CPU服務(wù)器）n功能功能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)搜索、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、檢錯糾錯、編碼/譯碼，打包/解包2021-11-23757.6 輸入輸出接口與總線輸入輸出接口與總線SCSI總線1. 特點n從通道發(fā)展而來n傳輸速度快n靈活性好（適用于各種外設(shè)）n設(shè)備獨立性n采用高級命令系統(tǒng)2021-11-23762. 信號定義線號信號名線號信號名 1GND 2DB(0) 3GND 4DB(1) 5GND 6DB(2) 7GND 8DB

23、(3) 9GND10DB(4)11GND12DB(5)13GND14DB(6)15GND16DB(7)17GND18DB(P)19GND20GND21GND22GND23保留24保留25開路26TERMPWR27保留28保留29GND30GND31GND32ATN33GND34GND35GND36BSY37GND38ACK39GND40RST41GND42MSG43GND44SEL45GND46C/D47GND48REQ49GND50I/O信號電平：單端方式差分方式2021-11-23773. 總線控制n 地址構(gòu)成：地址構(gòu)成：設(shè)備地址(8個)邏輯單元號（邏輯設(shè)備號）邏輯分區(qū)地址（16到32位塊

24、地址）n 通信協(xié)議：通信協(xié)議：消息傳遞n 八個階段（操作狀態(tài)）：八個階段（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n 兩個異步條件：兩個異步條件：注意（有消息發(fā)出），復(fù)位2021-11-2378操作狀態(tài)消息階段狀態(tài)階段數(shù)據(jù)階段命令階段消息階段再選階段仲裁階段選擇階段空閑階段2021-11-23794. 消息系統(tǒng)n 消息的作用：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）n 消息類型：消息類型： 單字消息 雙字消息 多字消息01 (擴展消息)n (消息長度)x (消息碼)消息參數(shù)2021-11-2380SCSI消息（一）代碼代碼消息名消息名說明說明00Command

25、 Complete目標(biāo)設(shè)備完成一個 I/O 操作02Save Data Pointer保存當(dāng)前活動指針03Restore Pointers恢復(fù)命令指針、數(shù)據(jù)指針和狀態(tài)指針04Disconnect斷開連接05Initiator Detected error始發(fā)設(shè)備發(fā)現(xiàn)錯誤06Abort撤銷操作，使總線進入空閑階段07Message Reject不支持剛才發(fā)出的消息08No operation空操作09Message Parity error上一個消息字奇偶錯誤0aLinked Command Complete鏈接命令完成0bLinked Command Complete(With Flag)鏈接命令完成（產(chǎn)生中斷）2021-11-2381SCSI消息（二）0dAbort tag撤銷操作（支持排隊標(biāo)號）0cBus Device Reset清除目標(biāo)設(shè)備的所有 I/O 進程0eClear queue清除隊列0fInitiator Recovery將進入擴展意外通信條件10Release recovery終止擴展偶然通信條件11Terminate I/O Process終止當(dāng)前 I/O 進程20Simple queue tag21Head of queue tag22Or