08計算機(jī)系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)維護(hù)--輸入輸出設(shè)備及系統(tǒng)

1、6 輸入輸出設(shè)備及系統(tǒng)輸入輸出設(shè)備及系統(tǒng)2014年年10月月計算機(jī)系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)維護(hù)學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo) 知道輸入輸出設(shè)備有哪些 能描述輸入輸出系統(tǒng)的構(gòu)成 知道I/O設(shè)備與主機(jī)交換數(shù)據(jù)的幾種控制方式 知道中斷方式的工作原理 知道DMA方式的工作原理 知道通道方式的工作原理 知道總線的作用、有哪幾種總線學(xué)習(xí)內(nèi)容學(xué)習(xí)內(nèi)容 6.1 輸入輸出設(shè)備概述 6.2 I/O接口 6.3 I/O控制方式 6.4 總線6.1 輸入輸出設(shè)備概述輸入輸出設(shè)備概述 概念概念：具有一定操作功能的比較完整和相對：具有一定操作功能的比較完整和相對獨(dú)立的精密機(jī)械電子裝置；獨(dú)立的精密機(jī)械電子裝置； 功能功能：進(jìn)行人機(jī)交互，完成輸入輸出功

2、能；：進(jìn)行人機(jī)交互，完成輸入輸出功能； 特點(diǎn)特點(diǎn)：種類繁多，功能多樣，組成與運(yùn)行原：種類繁多，功能多樣，組成與運(yùn)行原理各不相同；理各不相同； 發(fā)展發(fā)展：智能化、高可靠性、小型廉價。：智能化、高可靠性、小型廉價。常用的輸入輸出設(shè)備常用的輸入輸出設(shè)備輸入設(shè)備輸入設(shè)備輸出設(shè)備輸出設(shè)備鍵盤圖形輸入設(shè)備：鼠標(biāo)器，圖形板，操縱桿，光筆圖象輸入設(shè)備：掃描儀，傳真機(jī)，攝像機(jī)，數(shù)碼相機(jī)條形碼閱讀器語音與文字輸入顯示器（字符、圖形、圖像）打印機(jī)（針式、噴墨、激光）繪圖儀語音輸出6.2 I/O接口接口 I：Input O:Output 6.2.1 I/O接口的功能與結(jié)構(gòu) 6.2.2 常用的I/O接口6.2.1 I/

3、O接口的功能與結(jié)構(gòu)接口的功能與結(jié)構(gòu) 接口基本功能 提供對主機(jī)識別（指定、找到）要用的 I/O設(shè)備的支持，為每個設(shè)備規(guī)定幾個地址碼或者編號。 建立主機(jī)和設(shè)備之間的控制與通信機(jī)制，接收處理器（主設(shè)備）的命令，并提交給外部設(shè)備，同時，為主設(shè)備提供外部設(shè)備的狀態(tài)。 提供主機(jī)和設(shè)備之間信息交換過程中的數(shù)據(jù)緩沖機(jī)構(gòu)，如輸入數(shù)據(jù)緩沖寄存器和輸出數(shù)據(jù)緩沖寄存器等。 提供主機(jī)和設(shè)備之間信息交換過程中的其他特別需求支持，屏蔽外部設(shè)備的差異。 I/O接口的結(jié)構(gòu)接口的結(jié)構(gòu)6.2.1 I/O接口的功能與結(jié)構(gòu)接口的功能與結(jié)構(gòu) 命令寄存器命令寄存器和命令譯碼器和命令譯碼器 設(shè)備選擇設(shè)備選擇 電路電路 設(shè)備狀態(tài)設(shè)備狀態(tài) 標(biāo)記

4、標(biāo)記 數(shù)據(jù)緩沖數(shù)據(jù)緩沖 寄存器寄存器DBR 控制邏輯電路控制邏輯電路I/O接口接口外外 部部 設(shè)設(shè) 備備數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線命令命令狀態(tài)狀態(tài)數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線命令線命令線狀態(tài)線狀態(tài)線CPU地址線地址線串行接口與并行接口 串行接口 只有一條數(shù)據(jù)線，某時刻只能傳輸1bit RS-232C標(biāo)準(zhǔn) 并行接口 有多條數(shù)據(jù)線。如8，某時刻可以傳輸8bits6.2.2常用的常用的I/O接口接口 USB接口接口 IDE、EIDE接口接口 SCSI接口接口 IEEE 1394串行接口串行接口 AGP 接口接口 PCMCIA接口接口USB接口接口 通用于串行總線通用于串行總線（Universal Serial Bus）USB由一

5、個插在由一個插在PCI總線上的根集線器組成，它的電纜接總線上的根集線器組成，它的電纜接口可以連接口可以連接I/O設(shè)備或者擴(kuò)展集線器。設(shè)備或者擴(kuò)展集線器。USB中有中有4根導(dǎo)線，兩根數(shù)據(jù)線，一根電源，一根地線。根導(dǎo)線，兩根數(shù)據(jù)線，一根電源，一根地線。V1.1總線帶寬總線帶寬12Mbps，V2.0總線帶寬總線帶寬400Mbps。 USB接口的一些特點(diǎn)接口的一些特點(diǎn)不必打開機(jī)箱來安裝新的輸入輸出設(shè)備不必打開機(jī)箱來安裝新的輸入輸出設(shè)備只需要一根電纜線就可以將所有設(shè)備連接起來只需要一根電纜線就可以將所有設(shè)備連接起來輸入輸入/輸出設(shè)備可以從電纜上得到電源輸出設(shè)備可以從電纜上得到電源單臺計算機(jī)最多可以連接單

6、臺計算機(jī)最多可以連接127個設(shè)備個設(shè)備系統(tǒng)能支持實(shí)時設(shè)備（聲卡、電話）系統(tǒng)能支持實(shí)時設(shè)備（聲卡、電話）可在計算機(jī)運(yùn)行時安裝設(shè)備，不必重新啟動可在計算機(jī)運(yùn)行時安裝設(shè)備，不必重新啟動IDE、EIDE接口接口 IDE：Integrated Drive Electronics 廣泛應(yīng)用于廣泛應(yīng)用于PC機(jī)中，機(jī)中，IDE最多連接最多連接2個個IDE設(shè)備，設(shè)備，EIDE最多連接最多連接4個個IDE設(shè)備；設(shè)備； IDE讀寫磁盤的數(shù)據(jù)傳輸率一般不超過讀寫磁盤的數(shù)據(jù)傳輸率一般不超過1.5MB/s，EIDE可達(dá)可達(dá)1218MB/s； IDE接口連接的磁盤設(shè)備容量不超過接口連接的磁盤設(shè)備容量不超過528M，EIDE

7、無此限制無此限制 EIDE接口通常接在接口通常接在PCI總線上，數(shù)據(jù)傳送帶寬由總線上，數(shù)據(jù)傳送帶寬由IDE的的8位擴(kuò)展到位擴(kuò)展到32位。位。SCSI接口接口 SCSI：Small Computer System Interface應(yīng)用于工作站和應(yīng)用于工作站和PC服務(wù)器中，成為主機(jī)和智能外服務(wù)器中，成為主機(jī)和智能外設(shè)連接的統(tǒng)一設(shè)連接的統(tǒng)一I/O接口，可以控制磁盤驅(qū)動器、磁接口，可以控制磁盤驅(qū)動器、磁帶機(jī)、光盤、打印機(jī)、掃描儀等外設(shè)；帶機(jī)、光盤、打印機(jī)、掃描儀等外設(shè)；SCSI使用使用50芯或芯或68芯電纜，插座體積較大；芯電纜，插座體積較大； SCSI的發(fā)展以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)見下頁列表。的發(fā)展以及相關(guān)標(biāo)

8、準(zhǔn)見下頁列表。SCSI接口標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)總線寬度最高數(shù)據(jù)傳輸率（MB/S）連接設(shè)備數(shù)量SCSI858Fast SCSI8108Wide SCSI16108Fast Wide SCSI162016Ultra SCSI8208Wide Ultra SCSI164016Ultra2 SCSI8408Wide Ultra2 SCSI168016Ultra3 SCSI1616016Ultra3201632016IEEE 1394串行接口串行接口 高速率，實(shí)時性好：1394-1995規(guī)定200Mbps 400Mbps，1394b規(guī)定800Mbps 3.2Gbps； 體積小易安裝，連接方便。1394使用6芯電纜，

9、直徑約6mm，插座也??； 最多可以連接63個設(shè)備，即插即用，支持熱插拔。AGP與與PCMCIA接口接口AGP 接口接口 把主存和顯存通過芯片組（北橋）直接連接，把主存和顯存通過芯片組（北橋）直接連接，提高數(shù)據(jù)傳輸率；總線寬度為提高數(shù)據(jù)傳輸率；總線寬度為32位，時鐘頻率位，時鐘頻率為為66MHz，最高傳輸率為，最高傳輸率為528MbpsPCMCIA接口接口 廣泛應(yīng)用于筆記本電腦的接口，廣泛應(yīng)用于筆記本電腦的接口，I、II、III三種三種類型插槽（厚度不同，長寬相同）。類型插槽（厚度不同，長寬相同）。 通常用來插上存儲器（通常用來插上存儲器（Flash Memory）卡）卡 或或 Fax /Mod

10、em /Network卡等?？ǖ取?.3 I/O控制方式控制方式 基本概念基本概念 在計算機(jī)主機(jī)和在計算機(jī)主機(jī)和 I/O設(shè)備之間采用不同的控制方式進(jìn)行設(shè)備之間采用不同的控制方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送；數(shù)據(jù)傳送； 各種方式的性能、價格、解決問題的重點(diǎn)不同。各種方式的性能、價格、解決問題的重點(diǎn)不同。 常用的控制方式常用的控制方式 程序直接控制方式程序直接控制方式 程序中斷傳送方式程序中斷傳送方式 直接存儲器存取方式直接存儲器存取方式 I/O通道控制方式通道控制方式6.3.1 程序直接控制方式程序直接控制方式 用戶程序直接使用用戶程序直接使用 I/O 指令完成輸入輸出操作。指令完成輸入輸出操作。 存在問題存在

11、問題 缺點(diǎn)是嚴(yán)重影響系統(tǒng)缺點(diǎn)是嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能，性能，CPU與外設(shè)只能與外設(shè)只能串行工作，串行工作，CPU資源浪資源浪費(fèi)，降低系統(tǒng)效率。費(fèi)，降低系統(tǒng)效率。 如果設(shè)備出現(xiàn)故障，如果設(shè)備出現(xiàn)故障，CPU無法獲取正確的設(shè)無法獲取正確的設(shè)備狀態(tài)信息，則計算機(jī)備狀態(tài)信息，則計算機(jī)將可能進(jìn)入將可能進(jìn)入“死機(jī)死機(jī)”局面。局面。6.3.2程序中斷傳送方式程序中斷傳送方式 中斷系統(tǒng) 中斷裝置和中斷處理程序統(tǒng)稱為中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng) 。 中斷過程CPU中斷控制裝置中斷源1中斷源2中斷源n中斷信號內(nèi)存堆棧 保存當(dāng)前狀態(tài)，如地址、寄存器 跳轉(zhuǎn)至中斷服務(wù)程序6.3.2程序中斷傳送方式程序中斷傳送方式 基本概念 通常在程序中

12、安排一條指令，啟動外設(shè)，然后CPU繼續(xù)執(zhí)行程序。當(dāng)外設(shè)完成信號，在結(jié)束一條指令執(zhí)行過程、下一條指令尚未開始的時刻，停下正在運(yùn)行的程序，保存好運(yùn)行的現(xiàn)場信息，轉(zhuǎn)去完成數(shù)據(jù)傳送工作，通常傳送一個字節(jié)或字，傳送完畢之后返回原來的程序繼續(xù)執(zhí)行。 工作特點(diǎn) 系統(tǒng)在啟動外設(shè)后到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成這段時間內(nèi)CPU一直在執(zhí)行程序，而不是處于等待狀態(tài)，一定程度上實(shí)現(xiàn)了CPU與外設(shè)的并行工作。 多臺外設(shè)啟動后可以同時進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的準(zhǔn)備工作，若多臺外設(shè)同時發(fā)出中斷請求信號，CPU可以按照一定的優(yōu)先順序進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)了外設(shè)的并行工作。IO中斷產(chǎn)生：以打印機(jī)為例中斷產(chǎn)生：以打印機(jī)為例發(fā)中斷請求發(fā)中斷請求 空閑空閑接收接收

13、數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)接收接收數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備準(zhǔn)備發(fā)中斷請求發(fā)中斷請求打印打印打印打印打印機(jī)打印機(jī)執(zhí)行主程序執(zhí)行主程序繼續(xù)執(zhí)行主程序繼續(xù)執(zhí)行主程序繼續(xù)執(zhí)行主程序繼續(xù)執(zhí)行主程序響應(yīng)中斷響應(yīng)中斷中斷返回中斷返回響應(yīng)中斷響應(yīng)中斷中斷返回中斷返回 啟動啟動打印機(jī)打印機(jī)傳送傳送數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)傳送傳送數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)CPUCPU 與打印機(jī)并行工作與打印機(jī)并行工作6.3.3直接存儲器存取方式直接存儲器存取方式 DMA：Direct Memory Access 主要應(yīng)用于快速I/O設(shè)備和主存儲器進(jìn)行快速成批交換數(shù)據(jù)的場合。 數(shù)據(jù)的傳輸過程交由一塊專用的DMA接口卡來控制，讓DMA卡代替CPU控制。 DMA接口組成：見下頁DMA接口接口主主存

14、存CPUDMA 接口組成接口組成DMA 控控 制制 邏邏 輯輯 中中 斷斷 邏邏 輯輯設(shè)備設(shè)備HLDAARWCDARHRQ中斷請求中斷請求數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線地址線地址線+1- 1溢出信號溢出信號DREQDACKBRDMA傳送數(shù)據(jù)的過程傳送數(shù)據(jù)的過程 傳送前預(yù)處理：傳送前預(yù)處理：由CPU完成，向DMA卡送入設(shè)備識別信號，啟動設(shè)備，測試設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，送入內(nèi)存地址初值，傳送數(shù)據(jù)的數(shù)量，DMA的功能控制信號等，然后，CPU繼續(xù)執(zhí)行原來的程序。 數(shù)據(jù)傳送：數(shù)據(jù)傳送：在DMA卡控制下自動完成，準(zhǔn)備好一個數(shù)據(jù)，取得總線控制權(quán)，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，修改卡上主存地址，修改字?jǐn)?shù)計數(shù)器內(nèi)容且檢查其值是否為0，不為0則繼續(xù)傳送，

15、若已為0則結(jié)束本次數(shù)據(jù)傳送過程。 傳送結(jié)束后處理：傳送結(jié)束后處理：數(shù)據(jù)數(shù)量計數(shù)器為0，則向CPU發(fā)中斷請求，CPU響應(yīng)之后進(jìn)行相應(yīng)處理。預(yù)處理：主存起始地址設(shè)備地址 傳送數(shù)據(jù)個數(shù)啟動設(shè)備DMADMADMA數(shù)據(jù)傳送：繼續(xù)執(zhí)行主程序同時完成一批數(shù)據(jù)傳送后處理：中斷服務(wù)程序做 DMA 結(jié)束處理繼續(xù)執(zhí)行主程序CPUDMA 傳送過程示意允許傳送？主存地址送總線數(shù)據(jù)送I/O設(shè)備（或主存 ）主存地址 加 1傳送個數(shù) 減 1 數(shù)據(jù)塊傳送結(jié)束？向CPU申請 程序中斷DMA請求否否是是數(shù)據(jù)傳送6.3.4 I/O通道控制方式通道控制方式 基本概念基本概念 I/O通道是計算機(jī)系統(tǒng)中代替通道是計算機(jī)系統(tǒng)中代替CPU管理

16、控制外設(shè)的獨(dú)立部件，是一管理控制外設(shè)的獨(dú)立部件，是一種能執(zhí)行有限種能執(zhí)行有限 I/O 指令集合指令集合通道命令的通道命令的 I/O 處理機(jī)。處理機(jī)。 一對多的連接關(guān)系，適應(yīng)不同速度、不同種類的外部設(shè)備，可并一對多的連接關(guān)系，適應(yīng)不同速度、不同種類的外部設(shè)備，可并行工作。行工作。 通道功能通道功能 根據(jù)根據(jù)CPU要求選擇某一指定外設(shè)與系統(tǒng)相連，向該外設(shè)發(fā)出操作要求選擇某一指定外設(shè)與系統(tǒng)相連，向該外設(shè)發(fā)出操作命令，進(jìn)行初始化命令，進(jìn)行初始化 指出外設(shè)讀指出外設(shè)讀/寫信息的位置以及與外設(shè)交換信息的主存緩沖區(qū)地址寫信息的位置以及與外設(shè)交換信息的主存緩沖區(qū)地址 控制外設(shè)與主存之間的數(shù)據(jù)交換控制外設(shè)與主存

17、之間的數(shù)據(jù)交換 指定數(shù)據(jù)傳送結(jié)束時的操作內(nèi)容，檢查外設(shè)狀態(tài)指定數(shù)據(jù)傳送結(jié)束時的操作內(nèi)容，檢查外設(shè)狀態(tài)6.4 總線總線 6.4.1 總線概述 6.4.2 總線的連接方式 6.4.3 常用的總線6.4.1 總線概述總線概述 總線（BUS）是計算機(jī)各個部件之間傳輸信息的公共通路，在任何時刻，只可以有一個部件向總線上發(fā)送信息，但卻可以有一個或多個部件同時接收信息。 計算機(jī)總線由三組信號線組成： 數(shù)據(jù)總線 地址總線 控制總線存存儲儲器器I/O接接口口輸輸入入設(shè)設(shè)備備I/O接接口口數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線 DB控制總線控制總線 CB地址總線地址總線 AB輸輸出出設(shè)設(shè)備備 CPU總線周期以及相關(guān)概念總線周期以及相關(guān)

18、概念 總線周期：通過總線完成一次內(nèi)存讀寫操作或者完成一次I/O設(shè)備讀寫操作所需的時間，一般由地址時間和數(shù)據(jù)時間兩個時間段組成： 地址時間：CPU向內(nèi)存或IO設(shè)備送地址信息到地址總線 數(shù)據(jù)時間：CPU完成數(shù)據(jù)讀寫 周期類型：一般分為內(nèi)存讀周期、內(nèi)存寫周期、 I/O讀周期、 I/O寫周期四種類型 總線的等待狀態(tài)：由于被讀寫的部件或設(shè)備速度慢，一次數(shù)據(jù)時間內(nèi)不能完成讀寫操作，就要增加一個或多個數(shù)據(jù)時間繼續(xù)完成讀寫操作，在這增加的數(shù)據(jù)時間里，稱總線處于等待狀態(tài)。它影響系統(tǒng)運(yùn)行效率，降低系統(tǒng)的性能。信息傳送信息傳送尋址尋址數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線地址線地址線總線占用期間總線占用期間地址地址數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)單周期數(shù)據(jù)傳輸方式

19、單周期數(shù)據(jù)傳輸方式尋址尋址數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)n地址地址數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)3數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線地址線地址線.信息傳送信息傳送總線占用期間總線占用期間無效無效 猝發(fā)數(shù)據(jù)傳輸方式猝發(fā)數(shù)據(jù)傳輸方式總線周期以及相關(guān)概念總線周期以及相關(guān)概念正常總線周期：每次數(shù)據(jù)傳輸都由一次地址時間和一次數(shù)據(jù)時間組成。（單周期數(shù)據(jù)傳輸方式）Burst總線周期：數(shù)據(jù)傳輸由一次地址時間和多次數(shù)據(jù)時間組成，即給出一次地址信息，連續(xù)傳送多個數(shù)據(jù)。（猝發(fā)數(shù)據(jù)傳輸方式）6.4.2 總線的連接方式總線的連接方式 在計算機(jī)系統(tǒng)中，根據(jù)使用目的和系統(tǒng)設(shè)計的不同，總線的連接方式可以有三種： 單總線結(jié)構(gòu) 雙總線結(jié)構(gòu) 三總線結(jié)構(gòu)。單總線結(jié)構(gòu)單總線結(jié)構(gòu)

20、早期的計算機(jī)，如美國 DEC 公司PDP-11 機(jī)只使用一組總線，所有的部件和設(shè)備都接在這唯一的總線上，包括數(shù)據(jù)總線，地址總線，控制總線，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，缺點(diǎn)是運(yùn)行效率低輸入輸入設(shè)備設(shè)備CPU主存主存輸出輸出設(shè)備設(shè)備總線總線雙總線結(jié)構(gòu)雙總線結(jié)構(gòu) 在CPU和內(nèi)存之間增加了一組內(nèi)存總線，專門解決CPU和內(nèi)存之間數(shù)據(jù)交換。內(nèi)存內(nèi)存CPUI/O接口接口 I/O接口接口 系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線內(nèi)存總線內(nèi)存總線例：早期的例：早期的PC機(jī)機(jī)CPU主存主存擴(kuò)展總線擴(kuò)展總線控制線路控制線路I/O設(shè)備設(shè)備1I/O設(shè)備設(shè)備2處理機(jī)總線處理機(jī)總線33MHz 4B8BISA / EISA8.33MHz 1 , 2

21、 , 4 B 雙總線結(jié)構(gòu)雙總線結(jié)構(gòu) . . . 三總線結(jié)構(gòu)三總線結(jié)構(gòu) 在雙總線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了I/O總線。內(nèi)存內(nèi)存CPUI/O接口接口 I/O接口接口 系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線內(nèi)存總線內(nèi)存總線IOP（通道）（通道）I/O總線總線例：CPU主存主存PCI橋橋I/O設(shè)備設(shè)備1I/O設(shè)備設(shè)備2處理機(jī)總線處理機(jī)總線66MHz4B8BISA / EISA8.33MHz 1 , 2 , 4 B 三總線結(jié)構(gòu)三總線結(jié)構(gòu) . . . PCI BUS 33MHz 4B擴(kuò)展總線擴(kuò)展總線控制線路控制線路I/O設(shè)備設(shè)備3I/O設(shè)備設(shè)備4接快速設(shè)備接快速設(shè)備接慢速設(shè)備接慢速設(shè)備550MHzIDE2Pentium III北橋北橋440BXAGP南橋南橋PIIX4ECMOS & RTCUSB超級超級I/OIDE1COM1COM2LPT1550MHzL1CacheL2Cache處理機(jī)總線處理機(jī)總線 100MHz100MHzPCI 總線總線 33MHzPCI 插槽插槽ISA 插槽插槽ISA總線總線 8MHz內(nèi)存條內(nèi)存條ROM BIOS顯顯示示器器硬盤硬盤光驅(qū)光驅(qū)軟驅(qū)軟驅(qū)鍵盤鼠標(biāo)鍵盤鼠標(biāo)打印機(jī)打印機(jī)MODEM66MHz顯卡顯卡6.4.