計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)第5章輸入輸出組織

第5章輸入輸出組織第一頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。本章結(jié)構(gòu)15.1輸入輸出系統(tǒng)概述25.2輸入輸出控制方式35.3外部存儲(chǔ)器的組織45.4RAID技術(shù)第二頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。5.1輸入輸出系統(tǒng)概述輸入輸出設(shè)備輸入輸出接口輸入輸出設(shè)備的編址與管理第三頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。1.輸入輸出設(shè)備輸入輸出設(shè)備又稱外圍設(shè)備（periphery）。除了CPU和主存外，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的其它部件都可看成是外圍設(shè)備。第四頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。計(jì)算機(jī)的外圍設(shè)備可以分為以下五大類：輸入設(shè)備輸出設(shè)備存儲(chǔ)設(shè)備數(shù)據(jù)通信設(shè)備過(guò)程控制設(shè)備第五頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。2.輸入輸出接口

計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備之間差異很大，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第六頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。物理特性方面--主要是指設(shè)備連接的方式和讀寫驅(qū)動(dòng)方式等，如連接口的類型、機(jī)械尺寸、信號(hào)線的條數(shù)以及排列等。第七頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。電氣特性方面--數(shù)據(jù)在信號(hào)線上傳遞時(shí)，是以一定的電平值來(lái)表示二進(jìn)制0和1的。電氣特性定義每一條信號(hào)線的傳遞方向和有效電平范圍。有的設(shè)備的電信號(hào)使用的是TTL電平標(biāo)準(zhǔn)，有的設(shè)備使用的是CMOS電平標(biāo)準(zhǔn)，這兩者是不兼容的，其中TTL電路電源電壓使用的是5V，而CMOS電路電源電壓使用的是12V。另外，兩者在表示邏輯0和邏輯1的電平值也是不相同的。第八頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。功能特性方面--功能特性定義了設(shè)備連接的每一條信號(hào)線的功能，如用于傳遞數(shù)據(jù)的信號(hào)線、用于傳遞地址的信號(hào)線、用于傳遞控制的信號(hào)線等。尤其對(duì)于種類繁多的外圍設(shè)備來(lái)說(shuō)，不同的設(shè)備所需的控制信號(hào)也各不相同，有的設(shè)備與主機(jī)之間采用中斷傳送方式，需要中斷控制信號(hào)，有的設(shè)備與主機(jī)之間采用DMA傳送方式，需要相應(yīng)的DMA控制信號(hào)等。第九頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。數(shù)據(jù)格式方面--外圍設(shè)備與主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送主要分為兩種形式：串行傳送和并行傳送。串行傳送是一位一位地進(jìn)行，而并行傳送則是多位同時(shí)進(jìn)行，不同的設(shè)備并行傳送的位數(shù)也會(huì)有所不同。第十頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。傳輸速度方面--不同外圍設(shè)備在速度上差異是非常明顯的。有的設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)每秒幾百兆字節(jié)（如磁盤），而有的設(shè)備則只有幾十字節(jié)甚至更低。例如，鍵盤與CPU之間傳輸數(shù)據(jù)的速度取決于我們?nèi)说氖种盖面I的速度，一個(gè)鍵對(duì)應(yīng)一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，一秒鐘敲十個(gè)鍵數(shù)據(jù)傳輸速率也才每秒10字節(jié)。第十一頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。計(jì)算機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)與一些標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出設(shè)備（這些設(shè)備往往是計(jì)算機(jī)的標(biāo)配設(shè)備，如輸入設(shè)備鼠標(biāo)鍵盤、輸出設(shè)備顯示器、存儲(chǔ)設(shè)備硬盤或光驅(qū)等）的連接，專門在主機(jī)板上設(shè)計(jì)了相應(yīng)的接口電路，使得CPU可以通過(guò)這些接口電路實(shí)現(xiàn)對(duì)這些設(shè)備的控制。而一些計(jì)算機(jī)非標(biāo)準(zhǔn)配置的設(shè)備（如各種多媒體信息輸入輸出設(shè)備、過(guò)程控制設(shè)備等），或者通過(guò)計(jì)算機(jī)的一些標(biāo)準(zhǔn)接口（如串口、并口、USB接口等）連接，或者使用專門的設(shè)備控制適配器與CPU連接。第十二頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。

CPU顯示接口鍵盤接口磁盤接口I/O接口串行設(shè)備并行設(shè)備串行接口并行接口I/O設(shè)備I/O接口I/O設(shè)備I/O接口I/O設(shè)備第十三頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。(1)I/O接口的組成結(jié)構(gòu)無(wú)論是與計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出設(shè)備連接的標(biāo)準(zhǔn)接口還是與計(jì)算機(jī)非標(biāo)準(zhǔn)配置設(shè)備連接的專用接口統(tǒng)稱為計(jì)算機(jī)的輸入輸出接口，簡(jiǎn)稱I/O接口。第十四頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。I/O接口中包含有一些數(shù)據(jù)寄存器、地址寄存器、狀態(tài)寄存器、控制寄存器和相應(yīng)的控制電路。為了控制的靈活性和適應(yīng)性，很多I/O接口中的寄存器往往是可編程的。第十五頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。

(2)I/O接口的功能

I/O接口的功能包括以下幾個(gè)方面。數(shù)據(jù)的寄存和緩沖對(duì)設(shè)備的控制和監(jiān)測(cè)對(duì)設(shè)備的尋址信號(hào)變換等第十六頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。3.輸入輸出設(shè)備的編址與管理

外圍設(shè)備以及設(shè)備的I/O接口中有很多可供CPU訪問(wèn)的寄存器，這些不同種類的寄存器稱為I/O端口（port）。CPU對(duì)I/O端口的訪問(wèn)采用的是與訪存類似的按地址訪問(wèn)方式，即為每一個(gè)I/O端口分配一個(gè)地址，又稱為I/O地址或I/O端口號(hào)，CPU通過(guò)給出I/O端口地址訪問(wèn)相應(yīng)的I/O端口，也即訪問(wèn)相應(yīng)的設(shè)備。第十七頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。CPU對(duì)I/O端口的編址方式主要有兩種：一是獨(dú)立編址方式，二是統(tǒng)一編址方式。第十八頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。I/O端口的獨(dú)立編址方式--是指系統(tǒng)使用一個(gè)不同于主存地址空間之外的單獨(dú)的一個(gè)地址空間為外圍設(shè)備及接口中的所有I/O端口分配I/O地址。在這種方式下，CPU指令系統(tǒng)中有專門的用于與設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮斎胼敵鲋噶?，?duì)設(shè)備的訪問(wèn)必須使用這些專用指令進(jìn)行。第十九頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。獨(dú)立編址方式的優(yōu)點(diǎn)：一是I/O端口的地址沒(méi)有占用主存的地址空間；二是I/O端口的地址碼較短，地址譯碼器設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，譯碼時(shí)間也較短。其缺點(diǎn)是：只能使用專用輸入輸出指令訪問(wèn)I/O設(shè)備，對(duì)I/O設(shè)備操作的程序設(shè)計(jì)靈活性較差。第二十頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。I/O端口的統(tǒng)一編址方式

--是指I/O端口與主存單元使用同一個(gè)地址空間進(jìn)行統(tǒng)一編址。在這種方式下，CPU指令系統(tǒng)中無(wú)需設(shè)置專門的與設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮斎胼敵鲋噶?，I/O端口被當(dāng)成主存單元同樣對(duì)待，對(duì)主存單元進(jìn)行訪問(wèn)和操作的指令可以同樣用于對(duì)I/O端口的訪問(wèn)和操作。第二十一頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。統(tǒng)一編址方式的優(yōu)點(diǎn)：可以使用訪存指令訪I/O，對(duì)I/O設(shè)備操作的程序設(shè)計(jì)靈活性較好。其缺點(diǎn)是：I/O端口的地址占用了主存的部分地址空間，對(duì)I/O端口訪問(wèn)的地址譯碼更加復(fù)雜。第二十二頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。5.2輸入輸出控制方式程序控制方式

中斷控制方式

DMA控制方式

通道控制方式

第二十三頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。1.程序控制方式程序控制方式是指主機(jī)與設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸是通過(guò)CPU執(zhí)行一道軟件程序，在程序的控制下完成輸入輸出操作。程序控制方式根據(jù)設(shè)備的不同又分為無(wú)條件傳送控制方式和查詢式傳送控制方式。第二十四頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。無(wú)條件傳送控制方式

當(dāng)設(shè)備與CPU交換數(shù)據(jù)時(shí)，可以認(rèn)為它們總是處于就緒（Ready）狀態(tài)，隨時(shí)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，這就是無(wú)條件傳送，有時(shí)也稱它為立即傳送或同步傳送。第二十五頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。無(wú)條件傳送程序控制流程向設(shè)備輸出一個(gè)數(shù)據(jù)開(kāi)始無(wú)條件輸出結(jié)束從設(shè)備輸入一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)束開(kāi)始無(wú)條件輸入第二十六頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。查詢傳送控制方式CPU在與設(shè)備間數(shù)據(jù)傳送前首先查詢?cè)O(shè)備的狀態(tài)，若設(shè)備未READY，則繼續(xù)查詢；若設(shè)備已READY，則進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送。第二十七頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。向設(shè)備輸出一個(gè)數(shù)據(jù)開(kāi)始完成？結(jié)束查詢輸出NY查詢?cè)O(shè)備狀態(tài)就緒？NY從設(shè)備輸入一個(gè)數(shù)據(jù)開(kāi)始完成？結(jié)束查詢輸入NY查詢?cè)O(shè)備狀態(tài)就緒？NY第二十八頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。2.中斷控制方式

程序控制方式在多用戶多道程序系統(tǒng)中，當(dāng)CPU控制與慢速的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，一方面CPU大部分時(shí)間處于等待設(shè)備準(zhǔn)備就緒的空置狀態(tài)，另一方面其它程序因得不到CPU而不能運(yùn)行，使得CPU的有效利用率很低。為解決這種矛盾，計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者提出了中斷控制方式。第二十九頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。中斷的基本概念

中斷是指CPU正在運(yùn)行一個(gè)程序時(shí)發(fā)生了某種非預(yù)期的事件，CPU暫停正在運(yùn)行的程序，轉(zhuǎn)而執(zhí)行對(duì)這一事件進(jìn)行處理的程序（稱為中斷服務(wù)程序），完成后再返回原程序繼續(xù)運(yùn)行的過(guò)程。第三十頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。第三十一頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。中斷源：引起中斷的事件。對(duì)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，中斷源分為外部中斷和內(nèi)部中斷。第三十二頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。外部中斷主要是指由計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、系統(tǒng)定時(shí)時(shí)鐘及人工干預(yù)等外部事件起的中斷，通過(guò)設(shè)備產(chǎn)生的外部中斷，能使CPU與設(shè)備間進(jìn)行中斷方式的數(shù)據(jù)傳輸?shù)谌?yè)，共一百六十二頁(yè)。內(nèi)部中斷主要包括指令中斷和故障中斷。指令中斷是由軟件指令引起的，設(shè)置指令中斷的目的通常是為用戶程序提供對(duì)系統(tǒng)資源的訪問(wèn)。故障中斷主要是指由系統(tǒng)軟硬件故障引起的中斷，如內(nèi)存校驗(yàn)故障、電源掉電、除零錯(cuò)、算術(shù)溢出、內(nèi)存越界、指令非法、虛擬存儲(chǔ)器頁(yè)面失效等。第三十四頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。中斷控制的基本原理

圖5-11（a）和（b）分別給出了程序控制方式和中斷控制方式這兩種方式下打印機(jī)的打印輸出過(guò)程。第三十五頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。程序控制和中斷控制方式的不同之處：程序控制方式下，CPU是通過(guò)查詢方式了解打印機(jī)的狀態(tài)的；而中斷控制方式下，CPU是通過(guò)中斷方式了解打印機(jī)的狀態(tài)的。程序控制方式下，CPU和打印機(jī)之間是串行工作的；而中斷控制方式下，CPU和打印機(jī)可以并行工作。程序控制方式對(duì)于單用戶單道程序系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是有效的；而中斷控制方式對(duì)于多用戶多道程序系統(tǒng)來(lái)說(shuō)可以大大提高CPU的利用率。第三十六頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。中斷處理過(guò)程

中斷系統(tǒng)的中斷處理過(guò)程如圖所示。主程序指令主程序指令有否中斷請(qǐng)求？中斷響應(yīng)中斷源識(shí)別中斷服務(wù)中斷返回YN中斷處理第三十七頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。（1）中斷請(qǐng)求的建立中斷請(qǐng)求和中斷屏蔽第三十八頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。（2）中斷響應(yīng)在CPU處于中斷允許狀態(tài)時(shí)，可以對(duì)來(lái)自中斷請(qǐng)求線上的中斷請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng)；而CPU處于中斷禁止?fàn)顟B(tài)時(shí)，則對(duì)來(lái)自中斷請(qǐng)求線上的中斷請(qǐng)求不予響應(yīng)。一旦CPU響應(yīng)了中斷，便進(jìn)入中斷響應(yīng)周期。第三十九頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。在中斷響應(yīng)周期里，中斷系統(tǒng)主要完成以下三項(xiàng)功能：關(guān)中斷和保護(hù)斷點(diǎn)進(jìn)行中斷源的識(shí)別形成中斷源中斷服務(wù)程序的入口地址第四十頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。（3）中斷源識(shí)別中斷源識(shí)別的任務(wù)是確定某次中斷響應(yīng)具體該響應(yīng)的是哪個(gè)中斷源。中斷源識(shí)別的方法很多，常用的方法主要有軟件查詢法、硬件查詢法和中斷向量法等。第四十一頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。軟件查詢法是通過(guò)執(zhí)行一段軟件查詢程序，對(duì)中斷請(qǐng)求寄存器的狀態(tài)逐位判斷，從而確定某次該響應(yīng)的是哪個(gè)中斷源。硬件查詢法是通過(guò)專門的硬件電路實(shí)現(xiàn)中斷源識(shí)別。第四十二頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。一種實(shí)現(xiàn)中斷源識(shí)別的串行排隊(duì)鏈路。第四十三頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。中斷向量法是一種通過(guò)硬件控制電路形成一個(gè)所識(shí)別的中斷源的中斷向量號(hào)，并由此中斷向量號(hào)實(shí)現(xiàn)中斷響應(yīng)的方法。在這種方法中，每個(gè)中斷源對(duì)應(yīng)有一個(gè)中斷向量號(hào)，中斷向量號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)中斷向量，即中斷服務(wù)程序入口地址，將所有中斷向量集中存放在內(nèi)存中的一片固定區(qū)域中。在中斷響應(yīng)周期，首先由一個(gè)專門的中斷控制電路進(jìn)行中斷識(shí)別，并形成一個(gè)對(duì)應(yīng)該中斷源的中斷向量號(hào)；然后將此中斷向量號(hào)傳送給CPU；最后由CPU依據(jù)中斷向量號(hào)生成該中斷源的中斷向量在內(nèi)存中的首地址，從這一地址單元中即可取出中斷服務(wù)程序的入口地址。第四十四頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。中斷向量法示意圖。第四十五頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。x86CPU采用的就是中斷向量法，其中斷響應(yīng)過(guò)程如下：當(dāng)某一中斷源i需要申請(qǐng)中斷時(shí)，向中斷控制電路發(fā)出一個(gè)請(qǐng)求中斷信號(hào)INTi；在該中斷源的中斷請(qǐng)求未被屏蔽的情況下，中斷控制電路向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)INTR；在CPU處于開(kāi)中斷的情況下，CPU響應(yīng)中斷，向中斷控制電路發(fā)回一個(gè)中斷響應(yīng)信號(hào)INTA；中斷控制電路完成中斷源的識(shí)別，并將中斷源的中斷向量號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)總線傳送給CPU；CPU依據(jù)此中斷向量號(hào)計(jì)算得到中斷向量地址，并從此地址單元中取出該中斷源對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序入口地址。第四十六頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。（4）中斷服務(wù)中斷服務(wù)程序包括以下幾個(gè)過(guò)程：保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)中斷中斷服務(wù)關(guān)中斷恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)中斷中斷返回第四十七頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。單級(jí)中斷和多級(jí)中斷

中斷優(yōu)先權(quán)和中斷級(jí)第四十八頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。一個(gè)機(jī)器系統(tǒng)中有多個(gè)中斷源，但CPU一次只能響應(yīng)和處理一個(gè)中斷源的中斷請(qǐng)求。當(dāng)某一時(shí)間有兩個(gè)或兩個(gè)以上的中斷源同時(shí)發(fā)出中斷請(qǐng)求時(shí)，中斷系統(tǒng)就必須從中選擇一個(gè)進(jìn)行響應(yīng)，選擇的依據(jù)就是各個(gè)中斷源的中斷優(yōu)先權(quán)。第四十九頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。如果機(jī)器系統(tǒng)的中斷源很多，還可以在中斷優(yōu)先權(quán)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步分級(jí)，高一級(jí)的任何一個(gè)中斷源的優(yōu)先權(quán)都比低一級(jí)的任何一個(gè)中斷源的優(yōu)先權(quán)高。第五十頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。如果一個(gè)機(jī)器系統(tǒng)只有一個(gè)中斷級(jí)，則稱該機(jī)器的中斷系統(tǒng)為單級(jí)中斷系統(tǒng)；如果一個(gè)機(jī)器系統(tǒng)有多個(gè)中斷級(jí)，則稱該機(jī)器的中斷系統(tǒng)為多級(jí)中斷系統(tǒng)。第五十一頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。在單級(jí)中斷系統(tǒng)中，當(dāng)幾個(gè)不同優(yōu)先權(quán)的中斷源同時(shí)請(qǐng)求中斷時(shí)，系統(tǒng)按照它們優(yōu)先權(quán)高低先后順序一一響應(yīng)。而當(dāng)CPU正在處理一個(gè)中斷時(shí)，不再響應(yīng)其它新的中斷源的中斷請(qǐng)求，即使新的中斷源的優(yōu)先權(quán)更高也不予響應(yīng)，只有一個(gè)中斷處理完畢后再響應(yīng)新的中斷請(qǐng)求。在多級(jí)中斷系統(tǒng)中，則允許高優(yōu)先級(jí)的中斷源再中斷低優(yōu)先級(jí)的中斷服務(wù)，這稱為多重中斷或中斷嵌套。理論上多重中斷可以無(wú)限制地嵌套。第五十二頁(yè)，共一百六十二頁(yè)?！纠?.1】第五十三頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。【例5.2】第五十四頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。中斷接口電路

第五十五頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。3.DMA控制方式

在中斷控制方式下，CPU每經(jīng)歷一次中斷，都要進(jìn)行從中斷請(qǐng)求信號(hào)的建立、中斷源識(shí)別、中斷響應(yīng)到中斷服務(wù)等的操作，在中斷服務(wù)程序里還要執(zhí)行一系列的諸如保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)/恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)、開(kāi)中斷/關(guān)中斷等的指令，這些操作和指令的執(zhí)行花費(fèi)了不少時(shí)間。對(duì)于CPU與一些高速設(shè)備間采用成組數(shù)據(jù)交換的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，中斷控制方式就有些顯得力不從心了。第五十六頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。DMA的基本概念

DMA的全稱是DirectMemoryAccess，即直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)，這是一種完全由硬件（稱為DMA控制器）控制主機(jī)與設(shè)備間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的輸入輸出傳送控制方式，它通過(guò)在主存與設(shè)備間建立一條直接通道的方法，來(lái)進(jìn)一步提高I/O數(shù)據(jù)傳輸效率。第五十七頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。在機(jī)器中，我們依據(jù)各部件所處的地位將它們劃分為兩大類：一類是主設(shè)備，一類是從設(shè)備。主設(shè)備是指能夠占用系統(tǒng)總線并通過(guò)總線對(duì)其它從設(shè)備進(jìn)行控制的設(shè)備，一般來(lái)講，主設(shè)備能夠在總線上給出地址和控制等信號(hào)，完成對(duì)存儲(chǔ)器和外圍設(shè)備等的訪問(wèn)，如CPU就是機(jī)器系統(tǒng)中的主設(shè)備。從設(shè)備是指被主設(shè)備控制和訪問(wèn)的設(shè)備，如存儲(chǔ)器及各種外圍設(shè)備等。前面講到的程序控制方式和中斷控制方式，都是在CPU這一主設(shè)備的控制下完成存儲(chǔ)器與外圍設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換。第五十八頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。為實(shí)現(xiàn)DMA傳送，機(jī)器系統(tǒng)專門設(shè)置了一個(gè)主設(shè)備——DMA控制器，由DMA控制器代替CPU控制完成存儲(chǔ)器與外圍設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換，DMA控制器可以像CPU一樣，通過(guò)總線向存儲(chǔ)器和外圍設(shè)備給出地址和控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)這些設(shè)備的訪問(wèn)和控制。第五十九頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。

DMA的工作模式

通常有三種方式：突發(fā)方式（burstmode）周期挪用方式（cyclestealing）透明方式（transparentmode）第六十頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。

DMA控制器的組成及工作原理

如圖示：第六十一頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。DMA傳輸控制過(guò)程：DMA數(shù)據(jù)傳輸前的初始化。DMA控制器選擇一個(gè)DMA設(shè)備開(kāi)始工作。當(dāng)被選中的設(shè)備準(zhǔn)備就緒時(shí)（對(duì)輸入設(shè)備來(lái)說(shuō)就是準(zhǔn)備好了一個(gè)數(shù)據(jù)，對(duì)輸出設(shè)備來(lái)說(shuō)就是準(zhǔn)備好接收），向DMA控制器發(fā)出一個(gè)DMA請(qǐng)求信號(hào)DREQ。DMA控制器接收到設(shè)備請(qǐng)求后，向CPU發(fā)出HOLD信號(hào)，申請(qǐng)占用總線。CPU通過(guò)HLDA信號(hào)進(jìn)行總線響應(yīng)，同時(shí)將其引出腳的地址、數(shù)據(jù)和部分控制線置為浮空狀態(tài)，即將總線的控制權(quán)讓出。DMA控制器獲得總線控制權(quán)后，向設(shè)備回答一個(gè)DMA響應(yīng)信號(hào)DACK，并開(kāi)始啟動(dòng)一次數(shù)據(jù)的傳輸。DMA控制器將其地址寄存器的內(nèi)容輸出到地址總線上，并給出讀/寫控制信號(hào)，控制設(shè)備與存儲(chǔ)器之間的一次數(shù)據(jù)交換，然后地址寄存器增1，字計(jì)數(shù)寄存器減1。重復(fù)以上過(guò)程，直到字計(jì)數(shù)寄存器減為零，DMA控制器向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求，同時(shí)結(jié)束DMA傳輸，將總線控制權(quán)歸還CPU。CPU響應(yīng)DMA中斷請(qǐng)求，并進(jìn)行DMA傳輸?shù)暮筇幚聿僮鞯诹?yè)，共一百六十二頁(yè)。4.通道控制方式

I/O通道（I/Ochannel）又稱通道處理器，是一種能執(zhí)行有限指令集的專用處理器，它通過(guò)執(zhí)行存儲(chǔ)在內(nèi)存中的固定或由CPU設(shè)置的通道程序來(lái)控制設(shè)備的輸入輸出操作。第六十三頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。與DMA控制器一樣，通道也是一個(gè)獨(dú)立的控制部件，但它比DMA控制器更進(jìn)了一步，一方面它是一個(gè)處理器，有有限的指令集，能夠執(zhí)行程序；另一方面它控制靈活，可以適應(yīng)不同工作方式、不同速度要求和不同數(shù)據(jù)格式的不同種類的設(shè)備的要求。第六十四頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。I/O通道的功能

使用通道方式組織的輸入輸出系統(tǒng)，一般采用“主機(jī)-通道-設(shè)備控制器-I/O設(shè)備”四級(jí)連接方式。通道對(duì)I/O設(shè)備的控制通過(guò)設(shè)備控制器或I/O接口進(jìn)行。第六十五頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。第六十六頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。通道一般具有以下幾方面的功能：接收來(lái)自CPU的I/O指令，根據(jù)指令要求選擇設(shè)備。執(zhí)行CPU為通道組織的通道程序，這包括從主存中取出通道指令，對(duì)通道指令進(jìn)行譯碼，并根據(jù)指令的要求向設(shè)備控制器發(fā)出各種命令?？刂圃O(shè)備與主存之間的數(shù)據(jù)傳輸，提供主存地址和傳送的數(shù)據(jù)字?jǐn)?shù)控制，根據(jù)需要完成傳輸過(guò)程中的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等。檢查設(shè)備的工作狀態(tài)，并將完整的設(shè)備狀態(tài)信息送往主存或指定單元保存。向CPU發(fā)出輸入輸出操作中斷請(qǐng)求，將外圍設(shè)備的中斷請(qǐng)求和通道本身的中斷請(qǐng)求按次序報(bào)告CPU。第六十七頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。設(shè)備控制器的具體任務(wù)包括：從通道接受通道命令，控制設(shè)備完成指定的操作。向通道提供設(shè)備的狀態(tài)。將各種設(shè)備的不同信號(hào)轉(zhuǎn)換成通道能夠識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。第六十八頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。I/O通道的種類

按通道的數(shù)據(jù)傳輸及工作方式劃分，通道可分成字節(jié)多路通道、選擇通道和數(shù)組多路通道三種類型。一個(gè)機(jī)器系統(tǒng)可以兼有三種通道，也可以只包含其中一種或兩種，以適應(yīng)不同種類設(shè)備的需要。第六十九頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。字節(jié)多路通道：字節(jié)多路通道用于連接多個(gè)慢速或中速的設(shè)備，這些設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送以字節(jié)為單位。通道以字節(jié)為單位輪流為多個(gè)設(shè)備服務(wù)，以提高通道的利用率。字節(jié)多路通道的操作模式有兩種：字節(jié)交叉模式和猝發(fā)模式。第七十頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。選擇通道：選擇通道一次只與一個(gè)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，直到傳輸完成為止，然后為其他外圍設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)。對(duì)于高速的設(shè)備，如磁盤等，要求較高的數(shù)據(jù)傳輸速度，它們與主機(jī)之間可以采用選擇通道。第七十一頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。數(shù)組多路通道：以數(shù)組(數(shù)據(jù)塊)為單位在若干高速傳輸操作之間進(jìn)行交叉復(fù)用，數(shù)組多路通道既保留了選擇通道高速傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，又能同時(shí)為多個(gè)設(shè)備提供服務(wù)。第七十二頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。I/O通道的工作過(guò)程示意圖：第七十三頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。5.3外部存儲(chǔ)器的組織外存又稱為輔存，從現(xiàn)代存儲(chǔ)介質(zhì)的發(fā)展看，主要由磁介質(zhì)存儲(chǔ)器和光盤存儲(chǔ)器構(gòu)成，它的特點(diǎn)是容量大，價(jià)格低廉。在計(jì)算機(jī)中，外存是作為設(shè)備來(lái)進(jìn)行管理的。第七十四頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。1.磁盤存儲(chǔ)器

磁盤是在一定的基質(zhì)上涂上一層磁性材料而構(gòu)成的圓盤，在磁盤表面利用磁存儲(chǔ)原理來(lái)存儲(chǔ)信息。磁盤分為硬盤和軟盤兩種，硬盤和軟盤在構(gòu)成上以及容量和訪問(wèn)速度上有所不同，但從信息的存儲(chǔ)原理來(lái)講，它們是完全相同的。第七十五頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。磁記錄原理和讀寫方式

第七十六頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。磁盤存儲(chǔ)器的物理構(gòu)成

磁盤存儲(chǔ)器主要由磁盤片、磁盤驅(qū)動(dòng)器和磁盤控制器等組成。軟盤是由單個(gè)盤片構(gòu)成，而硬盤則由多個(gè)盤片構(gòu)成，通常稱為盤片組。第七十七頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。第七十八頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。磁盤存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)組織

磁盤是以“盤面∣磁道∣扇區(qū)”的方式來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)組織的。磁盤的盤面由一個(gè)個(gè)同心圓環(huán)組成，每一個(gè)圓環(huán)稱為一個(gè)磁道。磁道又進(jìn)一步被分割成一個(gè)個(gè)等長(zhǎng)的圓弧，每一段圓弧稱為一個(gè)扇區(qū)。一個(gè)扇區(qū)可以存儲(chǔ)若干位信息，它也是磁盤與主機(jī)之間交換信息的基本單位第七十九頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。第八十頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。磁盤存儲(chǔ)器的性能參數(shù)

磁盤存儲(chǔ)器的主要性能指標(biāo)包括存儲(chǔ)密度、存儲(chǔ)容量和訪問(wèn)速度等。第八十一頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。（1）存儲(chǔ)密度磁盤表面的存儲(chǔ)密度主要分為道密度和位密度。道密度是指沿磁盤徑向單位長(zhǎng)度上的磁道數(shù)，單位為道/英寸（TPI）或道/毫米（TPM）。位密度是指磁道單位長(zhǎng)度上能記錄的二進(jìn)制代碼位數(shù)，單位為位/英寸（BPI）或位/毫米（BPM）。第八十二頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。（2）存儲(chǔ)容量一個(gè)磁盤存儲(chǔ)器所能存儲(chǔ)的字節(jié)總數(shù)，稱為磁盤存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量。存儲(chǔ)容量有格式化容量和非格式化容量之分。格式化容量是指按照某種特定的記錄格式所能存儲(chǔ)信息的總量，也就是用戶可以真正使用的容量。非格式化容量是磁記錄表面可以利用的磁化單元總數(shù)。第八十三頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。格式化容量的計(jì)算： 磁盤存儲(chǔ)器總?cè)萘浚奖P面數(shù)×每面容量 面容量＝磁道數(shù)×每道容量 道容量＝扇區(qū)數(shù)×每扇區(qū)容量第八十四頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。非格式化容量的計(jì)算： 磁盤存儲(chǔ)器總?cè)萘浚奖P面數(shù)×每面容量 面容量＝磁道數(shù)×每道容量 磁道數(shù)＝道密度×徑向有效距離 道容量＝位密度×磁道周長(zhǎng)第八十五頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。（3）訪問(wèn)時(shí)間磁盤存儲(chǔ)器的訪問(wèn)時(shí)間主要由尋道時(shí)間、旋轉(zhuǎn)延時(shí)和傳送時(shí)間三部分組成。第八十六頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。尋道時(shí)間--磁頭定位到需讀寫的磁道所花的時(shí)間。由于尋道時(shí)間是不確定的，因此一個(gè)磁盤存儲(chǔ)器的尋道時(shí)間一般取平均尋道時(shí)間。平均尋道時(shí)間是最大尋道時(shí)間與最小尋道時(shí)間的平均值，目前平均尋道時(shí)間為10～20ms，一些高速硬盤的平均尋道時(shí)間小于10ms。第八十七頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。旋轉(zhuǎn)延時(shí)—需讀寫的扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下所花的時(shí)間。每次對(duì)一個(gè)磁道上某個(gè)扇區(qū)的訪問(wèn)，旋轉(zhuǎn)延時(shí)也是不同的，因此旋轉(zhuǎn)延時(shí)也取平均值。平均旋轉(zhuǎn)延時(shí)和磁盤轉(zhuǎn)速有關(guān)，它用磁盤旋轉(zhuǎn)一周所需時(shí)間的一半來(lái)表示。轉(zhuǎn)速為7200轉(zhuǎn)/分的磁盤其平均旋轉(zhuǎn)時(shí)間為4.17ms。第八十八頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。尋道時(shí)間和旋轉(zhuǎn)延時(shí)的總和稱為存取時(shí)間，即定位到讀寫位置的時(shí)間。第八十九頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。從所訪問(wèn)的扇區(qū)頭開(kāi)始，整個(gè)扇區(qū)從磁頭下經(jīng)過(guò)，即完成了該扇區(qū)的數(shù)據(jù)傳送，這部分時(shí)間稱為傳送時(shí)間。第九十頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。磁盤的數(shù)據(jù)傳送時(shí)間，除了與所傳送的數(shù)據(jù)大小有關(guān)外，主要取決于磁盤的數(shù)據(jù)傳輸率。磁盤存儲(chǔ)器在單位時(shí)間內(nèi)向主機(jī)傳送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，稱為數(shù)據(jù)傳輸率。假設(shè)磁盤旋轉(zhuǎn)速度為每秒r轉(zhuǎn)，每條磁道容量為N個(gè)字節(jié)，則數(shù)據(jù)傳輸率D＝rN（字節(jié)/秒）若要傳送的數(shù)據(jù)為b字節(jié)，則傳送時(shí)間第九十一頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。表5-4給出了當(dāng)今典型的磁盤存儲(chǔ)器的性能參數(shù)。第九十二頁(yè)，共一百六十二頁(yè)?！纠?.3】第九十三頁(yè)，共一百六十二頁(yè)?！纠?.4】第九十四頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。2.磁帶存儲(chǔ)器

磁帶上的磁道是沿磁帶運(yùn)動(dòng)方向平行排列的。計(jì)算機(jī)中所用的磁帶寬度從0.15英寸(0.38厘米)到0.5英寸（1.27厘米)，長(zhǎng)度從600英寸（182米）到2400英寸（728米）不等。第九十五頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。早期磁帶系統(tǒng)一般使用9個(gè)磁道，每次存取一個(gè)字節(jié)，其中8個(gè)磁道構(gòu)成一個(gè)有效字節(jié)信息，第9磁道上是附加的奇偶校驗(yàn)位。后來(lái)的磁帶系統(tǒng)使用18或36個(gè)磁道，這對(duì)應(yīng)于數(shù)字的一個(gè)字或雙字。這種記錄格式稱為并行記錄。第九十六頁(yè)，共一百六十二頁(yè)?，F(xiàn)代大多數(shù)磁帶系統(tǒng)使用串行記錄方式，數(shù)據(jù)作為一系列的二進(jìn)制位串沿同一磁道順序存儲(chǔ)，就如同磁盤在同一磁道上順序存儲(chǔ)數(shù)據(jù)一樣。第九十七頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。串行記錄磁帶使用一種被稱為蛇形記錄(serpentinerecording)的記錄方式。按此方式，數(shù)據(jù)從一個(gè)磁帶的頭部開(kāi)始，沿一個(gè)磁道從頭到尾記錄，到達(dá)磁帶尾部時(shí)，再沿另一磁道從尾到頭記錄，再次回到磁帶頭部時(shí)，又沿第三個(gè)磁道從頭到尾記錄，如此往復(fù)。第九十八頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。一種采用并行記錄的0.5英寸9道啟停式磁帶和數(shù)據(jù)記錄格式第九十九頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。一種采用串行記錄的0.25英寸數(shù)據(jù)流磁帶的數(shù)據(jù)記錄格式第一百頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。為提高磁帶存儲(chǔ)器的訪問(wèn)速度，磁頭能同時(shí)對(duì)幾個(gè)相鄰磁道（通常是2到8個(gè)磁道)進(jìn)行讀寫操作。數(shù)據(jù)仍是沿各磁道蛇形串行記錄，但數(shù)據(jù)塊不是在同一磁道上順序存放，而是在相鄰磁道依序排列。第一百零一頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。表5-5給出了幾個(gè)磁帶的系統(tǒng)參數(shù)。第一百零二頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。3.光盤存儲(chǔ)器

光盤存儲(chǔ)器是一種采用光存儲(chǔ)技術(shù)存儲(chǔ)信息的存儲(chǔ)器，它采用聚焦激光束在盤式介質(zhì)上非接觸地記錄高密度信息，以介質(zhì)材料的光學(xué)性質(zhì)(如反射率、偏振方向)的變化來(lái)表示所存儲(chǔ)信息的“1”或“0”。第一百零三頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。光盤存儲(chǔ)器的分類

按光盤可擦寫性分類主要包括只讀型光盤和可擦寫型光盤。只讀型光盤所存儲(chǔ)的信息是由光盤制造廠家預(yù)先用模板一次性將信息寫入，以后只能讀出數(shù)據(jù)而不能再寫入任何數(shù)據(jù)。按照盤片內(nèi)容所采用的數(shù)據(jù)格式的不同，又可以將盤片分為CD-DA、CD-I、Video-CD、CD-ROM、DVD等?？刹翆懶凸獗P是由制造廠家提供空盤片，用戶可以使用刻錄光驅(qū)將自己的數(shù)據(jù)刻寫到光盤上，它包括CD-R、CD-RW和相變光盤及磁光盤等。第一百零四頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。常見(jiàn)的光盤種類、功能及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表5-6。第一百零五頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。CD-ROM標(biāo)準(zhǔn)CD-ROM盤片的直徑為120mm，中心裝卡孔徑為15mm，厚度為1.2mm，重量約14～18g，其基質(zhì)由樹(shù)酯(如聚碳酸酯)制成，數(shù)據(jù)信息以一系列微凹坑的樣式刻錄在光盤表面上。第一百零六頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。CD-ROM光盤在制作時(shí)，首先用精密聚焦的高強(qiáng)度激光束制造一個(gè)母盤，然后以母盤作為模板壓印出聚碳酸酯的復(fù)制品，再在凹坑表面上鍍一層高反射材料(鋁或金)，最后在這外層上涂—層丙烯酸樹(shù)酯以防灰塵或劃傷。第一百零七頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。CD-ROM盤片的結(jié)構(gòu)。第一百零八頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。CD-ROM是通過(guò)安裝在光盤驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的激光頭來(lái)讀取盤片上的信息的。當(dāng)盤片轉(zhuǎn)動(dòng)并經(jīng)過(guò)激光頭時(shí)，激光頭能產(chǎn)生可以穿過(guò)透明的聚碳酸酯層的低強(qiáng)度激光束。激光束照射到盤片的不同區(qū)域時(shí)，反射的激光強(qiáng)度發(fā)生變化。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)激光束照射在凹坑上時(shí)，由于凹坑表面有些不平，光被散射，反射回的光強(qiáng)度變低。凹坑之間的區(qū)域稱為臺(tái)(1and)，臺(tái)的表面光滑平坦，反射回的光強(qiáng)度高。光傳感器將檢測(cè)到的這種光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。傳感器以固定的間隔檢測(cè)盤表面，一個(gè)凹坑的開(kāi)始或結(jié)束表示存儲(chǔ)了一位二進(jìn)制“1”；間隔之間無(wú)標(biāo)高變動(dòng)出現(xiàn)時(shí)，記錄的是“0”。第一百零九頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。CD-ROM與磁盤在數(shù)據(jù)記錄方式上有所不同。磁盤是由一個(gè)個(gè)同心圓的磁道組成。而CD-ROM卻不同，它是在整個(gè)盤面上只有一條螺旋式軌道，由靠近中心處開(kāi)始，逐圈向外旋轉(zhuǎn)直到盤的外沿?？客獾纳葏^(qū)與靠?jī)?nèi)的扇區(qū)具有相同的長(zhǎng)度，于是，按同樣大小的段分組的信息可以均勻分布在整個(gè)盤上。第一百一十頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。CD-RCD-R（CompactDiskRecordable）是一種一次寫、多次讀的可刻錄光盤系統(tǒng)，它由CD-R盤片和刻錄光驅(qū)組成。第一百一十一頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。CD-R光盤與普通CD-ROM光盤在外觀尺寸、記載數(shù)據(jù)的方式等方面是相同的，也同樣是利用激光束的反射原理來(lái)讀取信息。但與CD-ROM不同的是，在CD-R光盤表面除了含有聚碳酸酯層、反射層和丙烯酸樹(shù)酯保護(hù)層外，另外還在聚碳酸酯層和反射層之間加上了一個(gè)有機(jī)染料記錄層。第一百一十二頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。當(dāng)使用CD-R刻錄光驅(qū)對(duì)空白盤片進(jìn)行刻錄時(shí)，是將寫激光束照射到有機(jī)染料記錄層上，激光照射時(shí)產(chǎn)生的熱量將有機(jī)染料燒熔，并使其產(chǎn)生光痕。光痕會(huì)使今后讀激光束改變光的反射率，從而達(dá)到一次刻錄改寫信息的目的。第一百一十三頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。

CD-RW

CD-RW（CompactDiskReWritable）光存儲(chǔ)系統(tǒng)是在CD-R基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展起來(lái)的，是一種多次寫、多次讀的可重復(fù)擦寫的光存儲(chǔ)系統(tǒng)。第一百一十四頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。CD-RW光盤結(jié)構(gòu)與CD-ROM基本相同，只是在盤片中增加了可改寫的染色層。讀寫數(shù)據(jù)采用相變（phasechange）技術(shù)。相變技術(shù)利用物質(zhì)的狀態(tài)變化進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀、寫和擦除。第一百一十五頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。CD-RW盤片內(nèi)部鍍上一層一定厚度的薄膜即相變記錄層。相變記錄層由一種銀合金材料組成，隨加熱溫度的不同，它可以形成晶體，也可以形成非晶體。因此，適當(dāng)調(diào)整加熱溫度就可以自由地控制記錄層的結(jié)晶狀態(tài)。在晶體狀態(tài)中原子整齊排列，光反射率高；相反，在非晶體狀態(tài)中原子排列不整齊，光反射率低。對(duì)CD-RW的讀、寫和擦除正是利用光反射率的這種變化來(lái)實(shí)現(xiàn)。第一百一十六頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。對(duì)CD-RW盤片的讀寫操作是通過(guò)CD-RW刻錄機(jī)完成的。目前的CD-RW刻錄機(jī)兼容CD-ROM和CD-R盤片，它分為內(nèi)置式和外置式兩種。在與主機(jī)接口上，內(nèi)置式刻錄機(jī)主要通過(guò)IDE、SCSI等接口連接，而外置式刻錄機(jī)通過(guò)計(jì)算機(jī)的外部并行接口連接。第一百一十七頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。DVDDVD的英文全名是DigitalVideoDisk，即數(shù)字視頻光盤。DVD不僅僅用來(lái)存儲(chǔ)視頻數(shù)據(jù)，還可以用來(lái)存儲(chǔ)其它類型的數(shù)據(jù)，因此DVD又為DigitalVersatileDisk，即數(shù)字通用盤，。第一百一十八頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。圖5--37是DVD和CD-ROM盤片數(shù)據(jù)記錄道和凹坑情況的比較。第一百一十九頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。從圖中可以看出，CD-ROM盤的道間距為1.6μm，而DVD盤的道間距為0.74μm；CD-ROM盤的最小凹坑為0.83μm，而DVD盤的最小凹坑為0.4μm。DVD盤片的道密度和凹坑密度都遠(yuǎn)高于CD盤片。單從這兩方面的改進(jìn)，就使DVD的單片單層容量提高到CD-ROM的7倍多，可達(dá)4.7GB。第一百二十頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。DVD盤片分為單面單層、單面雙層、雙面單層和雙面雙層四種物理結(jié)構(gòu)。因此，可以將DVD盤片分為四種規(guī)格，分別是DVD-5、DVD-9、DVD-10和DVD-18。第一百二十一頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。表5-7四種DVD盤片比較。第一百二十二頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。5.4RAID技術(shù)1988年，美國(guó)加州大學(xué)Berkeley分校的DavidPatterson、GarthGibson和RandyKatz三人發(fā)表了一篇題為《ACaseofRedundantArrayofInexpensiveDisks》（廉價(jià)磁盤冗余陣列方案）的論文，首次提出了RAID的一詞。第一百二十三頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。在論文中他們提出將多個(gè)小容量、價(jià)格低廉的磁盤進(jìn)行有機(jī)組合，來(lái)替代通常在大型計(jì)算機(jī)中使用的昂貴的大容量磁盤系統(tǒng)，并使其具有更好的性能和更高的可靠性。第一百二十四頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。Patterson、Gibson和Katz還定義了5種類型（稱為級(jí)，level）的RAID，每一級(jí)RAID都具有不同的性能和可靠性。原先這些級(jí)的編號(hào)是從1到5，后來(lái)人們又定義了RAID的第0級(jí)和第6級(jí)。所以RAID主要分為7個(gè)級(jí)，即從第0級(jí)到第6級(jí)。后來(lái)一些研究機(jī)構(gòu)和公司還定義了其它的一些RAID級(jí)。第一百二十五頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。RAID的設(shè)計(jì)思想：通過(guò)在多個(gè)硬盤上（又稱為磁盤陣列）同時(shí)存取數(shù)據(jù)來(lái)大幅提高磁盤存儲(chǔ)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐率，而且在一些RAID模式中通過(guò)較為完備的相互校驗(yàn)/恢復(fù)的措施，甚至是直接相互的鏡像備份，以提高RAID系統(tǒng)的容錯(cuò)度，從而提高了磁盤存儲(chǔ)系統(tǒng)的安全性和可靠性。第一百二十六頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。RAID分級(jí)RAID級(jí)描述磁盤數(shù)容錯(cuò)性能并行I/O響應(yīng)0無(wú)容錯(cuò)的分塊磁盤陣列N無(wú)容錯(cuò)有1磁盤鏡像2N容錯(cuò)性最好有2專用海明校驗(yàn)盤位分布磁盤系統(tǒng)N+m允許一個(gè)磁盤失效無(wú)3專用奇偶校驗(yàn)盤位分布磁盤系統(tǒng)N+1允許一個(gè)磁盤失效無(wú)4專用奇偶校驗(yàn)盤分塊獨(dú)立存取磁盤系統(tǒng)N+1允許一個(gè)磁盤失效有5分散校驗(yàn)分塊獨(dú)立存取磁盤系統(tǒng)N允許一個(gè)磁盤失效有6分散雙校驗(yàn)分塊獨(dú)立存取磁盤系統(tǒng)N允許兩個(gè)磁盤失效有第一百二十七頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。RAID0RAID0全稱是Stripeddiskarraywithoutfaulttolerance(沒(méi)有容錯(cuò)的條帶磁盤陣列）。其構(gòu)架如圖5-38所示。第一百二十八頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。磁盤以條帶（strip）的形式劃分，每個(gè)條帶是一些物理的塊、扇區(qū)或其他單位。所有的磁盤組成一個(gè)邏輯磁盤，系統(tǒng)數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)被看成是存儲(chǔ)在這個(gè)邏輯磁盤上，邏輯磁盤上的一個(gè)個(gè)條帶數(shù)據(jù)以輪轉(zhuǎn)方式映射到連續(xù)的陣列磁盤中。

第一百二十九頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。例如，在一個(gè)由N個(gè)磁盤組成的陣列中，邏輯磁盤的第1～N個(gè)條帶數(shù)據(jù)按順序依次分布在第1～N個(gè)磁盤的第1個(gè)條帶上，第N＋1～2N個(gè)條帶數(shù)據(jù)按順序依次分布在第1～N個(gè)磁盤的第2個(gè)條帶上，…，依此類推。第一百三十頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。這種布局的優(yōu)點(diǎn)是，如果單個(gè)I/O請(qǐng)求由多個(gè)邏輯相鄰的條帶組成，則多達(dá)對(duì)n個(gè)條帶的請(qǐng)求可以并行處理，這樣可以大大提高I/O的數(shù)據(jù)傳輸率。第一百三十一頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。RAID0不是RAID家族中的真正成員，因?yàn)樗鼪](méi)有數(shù)據(jù)冗余能力。由于沒(méi)有采用備份或校驗(yàn)恢復(fù)技術(shù)，在RAID0陣列中任何一個(gè)磁盤損壞就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)磁盤陣列數(shù)據(jù)的損壞。第一百三十二頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。

RAID1RAID1又稱為磁盤鏡像（DiskMirroring），是所有的RAID級(jí)中具有最佳失效保護(hù)的一種方案。它使用兩組互為鏡像的磁盤進(jìn)行簡(jiǎn)單的完全數(shù)據(jù)備份，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余。第一百三十三頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。圖中包含了兩組相同的磁盤陣列。RAID1在每次寫入時(shí)，都會(huì)同時(shí)將數(shù)據(jù)寫入到兩組磁盤中，使兩組磁盤的數(shù)據(jù)保持完全的相同，以實(shí)現(xiàn)磁盤陣列的高可靠性。第一百三十四頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。RAID1也采用與RAID0相同的條帶數(shù)據(jù)劃分，即在每組內(nèi)，所有磁盤以條帶方式進(jìn)行數(shù)據(jù)組織，以保持與RAID0同樣的高性能。第一百三十五頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。

RAID2RAID1雖然同時(shí)具有高可靠性和高性能，但它的主要問(wèn)題是成本太大，需要整整兩倍于實(shí)際所需的磁盤數(shù)量才能達(dá)到數(shù)據(jù)的冗余。更好的方式是只使用磁盤組中的一個(gè)或幾個(gè)磁盤用于數(shù)據(jù)冗余或數(shù)據(jù)校驗(yàn)之用。RAID2就定義了這些方法中的一種。第一百三十六頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。RAID2稱為海明碼校驗(yàn)（HammingCodeECC），它將磁盤進(jìn)行條帶劃分的方法運(yùn)用到了極端的情形。它在每個(gè)條帶中只寫入一位二進(jìn)制位，而不是采用像RAID0和RAID1中的數(shù)據(jù)塊。這樣的話，如果以字節(jié)為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)組織，則一個(gè)磁盤陣列中至少需要8個(gè)磁盤用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息。第一百三十七頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。RAID2采用了海明糾錯(cuò)碼進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)。與數(shù)據(jù)磁盤相對(duì)應(yīng)，磁盤陣列中還需要一組磁盤用于存儲(chǔ)糾錯(cuò)碼信息。第一百三十八頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。糾錯(cuò)碼所需的磁盤數(shù)量取決于所采用的海明糾錯(cuò)碼所需的校驗(yàn)位數(shù)。無(wú)論是數(shù)據(jù)盤還是校驗(yàn)盤，只要有一個(gè)磁盤損壞，其中的數(shù)據(jù)都可以通過(guò)海明碼來(lái)重建恢復(fù)。第一百三十九頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。由于生成海明碼較為耗時(shí)，所以RAID2對(duì)大多數(shù)商業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)速度太慢。事實(shí)上，今天大多數(shù)磁盤驅(qū)動(dòng)器都有內(nèi)置的CRC糾錯(cuò)功能。對(duì)于單個(gè)磁盤和驅(qū)動(dòng)器具有高可靠性的情況下，RAID2就沒(méi)有太大的應(yīng)用意義了。第一百四十頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。RAID3RAID3稱為帶校驗(yàn)的并行傳輸（Paralleltransferwithparity）。像RAID2一樣，RAID3是按照每次一位的方式將數(shù)據(jù)交錯(cuò)分配到各個(gè)數(shù)據(jù)盤的條帶上。但是，與RAID2所不同的是，RAID3只使用一個(gè)磁盤來(lái)存儲(chǔ)一個(gè)簡(jiǎn)單的奇偶校驗(yàn)位，奇偶校驗(yàn)位的生成比海明碼的生成快得多。第一百四十一頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。RAID3的組成。第一百四十二頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。RAID4RAID4又稱帶有共享校驗(yàn)磁盤的獨(dú)立數(shù)據(jù)磁盤系統(tǒng)（Independentdatadiskswithsharedparitydisk）。第一百四十三頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。它與RAID3一樣，同樣采用“數(shù)據(jù)磁盤＋奇偶校驗(yàn)盤”的組織形式。但與RAID3不同的是，RAID4不是以位為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫。它將所有磁盤劃分成大小相同的條帶，每個(gè)條帶能存儲(chǔ)一個(gè)塊的數(shù)據(jù)。第一百四十四頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。校驗(yàn)方法是每次對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)盤上的對(duì)應(yīng)條帶的同一位進(jìn)行奇偶校驗(yàn)運(yùn)算生成這一位的奇偶校驗(yàn)位。對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)條帶也就生成一個(gè)奇偶校驗(yàn)條帶。第一百四十五頁(yè)，共一百六十二頁(yè)。例如，假設(shè)某由4個(gè)磁盤組成的RAID4磁盤系統(tǒng)的條帶單位是字節(jié)，4個(gè)磁盤上對(duì)應(yīng)的一個(gè)條帶分別為S0、S1、S2、S3，與這一條帶對(duì)應(yīng)的偶校驗(yàn)條帶為P，則：P(1)＝S0(1)⊕S1(1)⊕S2(1)⊕S3(1)P(2)＝