计算机组成原理第七章输入输出系统

1、7.6 DMA方式方式7.5 程序中断方式程序中断方式7.4 程序查询方式程序查询方式7.3 I/O接口接口7.2 外部设备外部设备7.1 概述概述计算机计算机I/O系统结构图系统结构图一、输入输出系统的发展概况一、输入输出系统的发展概况1. 无无I/O技术技术2. 程序查询程序查询I/O方式方式3. 程序中断方式程序中断方式4. 直接内存存取直接内存存取(Direct Memory Access, DMA)方式方式5. 通道通道(Channel)方式方式6. 外围处理机外围处理机(Peripheral Processor Unit, PPU)方式方式1、无、无I/O技术技术(1) 辐射式连接

2、辐射式连接 外设外设 外设外设 外设外设 主主机机特点特点（1）每个）每个I/O设备利用各自的逻辑控制电路与设备利用各自的逻辑控制电路与CPU相连相连（2）I/O与与CPU交换信息时，交换信息时，CPU必须停止其他工作必须停止其他工作（3）I/O设备控制电路与设备控制电路与CPU控制器紧密结合不分隔控制器紧密结合不分隔缺点：线路复杂缺点：线路复杂缺点：效率低下缺点：效率低下缺点：不易扩充设备缺点：不易扩充设备（2）总线及接口技术的引入）总线及接口技术的引入 主主 机机接接 口口接接 口口设设 备备 1设设 备备n 总线总线特点：特点：1）总线连接，易于删减设备，故障率低）总线连接，易于删减设备

3、，故障率低 2）接口可以使不同的外设更方便的接入计算机系统）接口可以使不同的外设更方便的接入计算机系统2、程序查询、程序查询I/O方式方式CPU读读I/O状态状态检查状态检查状态未准备就绪未准备就绪N数据传送数据传送YCPU主动去查询外设主动去查询外设 在这种方式中数据在在这种方式中数据在CPU与外围设备之间的传送完全与外围设备之间的传送完全靠计算机程序控制，是在靠计算机程序控制，是在CPU主动控制下进行的当输入主动控制下进行的当输入输出时，输出时，CPU暂停执行本程序，转去执行输入输出的服务暂停执行本程序，转去执行输入输出的服务程序，根据服务程序中的程序，根据服务程序中的I/O指令进行数据传

4、送指令进行数据传送踏步等待踏步等待3. 程序中断方式程序中断方式I/O 工作工作CPU 不查询不查询CPU 暂停现行程序暂停现行程序自身准备自身准备与主机交换信息与主机交换信息CPU 和和 I/O 并行工作并行工作中断服务程序中断服务程序KK+1没有踏步等待现象没有踏步等待现象中断现行程序中断现行程序程序中断方式流程程序中断方式流程CPU 向向 I/O 发读指令发读指令CPU 读读 I/O 状态状态检查状态检查状态完成否？完成否？CPU 做其他事情做其他事情I/O 设备工作设备工作准备就绪准备就绪CPU I/O从从 CPU 向主存写入一个字向主存写入一个字CPU 主存主存从从 I/O 接口中读

5、一个字到接口中读一个字到CPUI/O CPU中断请求中断请求I/O CPU出错出错是是否否未错未错4. DMA 方式方式主存和主存和 I/O 之间有一条直接数据通道之间有一条直接数据通道不中断现行程序不中断现行程序周期挪用（周期窃取）周期挪用（周期窃取）CPU 和和 I/O 并行工作并行工作存取周期结束存取周期结束CPU 执行现行程序执行现行程序CPU 执行现行程序执行现行程序DMA请求请求启动启动I/OI/O准备准备I/O准备准备一个存取周期一个存取周期实现实现I/O与主存之间的传送与主存之间的传送三种方式的三种方式的 CPU 工作效率比较工作效率比较存取周期结束存取周期结束CPU 执行现行

6、程序执行现行程序CPU 执行现行程序执行现行程序DMA请求请求启动启动I/OI/O准备准备I/O准备准备一个存取周期一个存取周期实现实现I/O与主存与主存之间的传送之间的传送CPU 执行执行现行程序现行程序CPU查询等待并传输查询等待并传输I/O数据数据CPU 执行执行现行程序现行程序启动启动I/OI/O 准备及传送准备及传送指令执行周期结束指令执行周期结束CPU 执行现行程序执行现行程序CPU 执行现行程序执行现行程序启动启动I/O中断请求中断请求I/O准备准备I/O准备准备CPU 处理中断服务程序处理中断服务程序实现实现 I/O 与主机之间的传送与主机之间的传送间间断断启动启动I/O启动启

7、动I/OI/O准备准备中断请求中断请求启动启动I/OI/O准备准备一个存取周期一个存取周期DMA请求请求程序程序查询查询方式方式程序程序中断中断方式方式DMA 方式方式I/O 准备及传送准备及传送间间断断I/O准备准备I/O准备准备5. 具有通道结构的阶段具有通道结构的阶段 CPUM.M通通 道道I/O特点：特点： 1）通道可以看作是一个）通道可以看作是一个I/O处理器，有专用通道指令。处理器，有专用通道指令。 2） I/O通道受通道受CPU控制：启动、停止控制：启动、停止 3）通道可以代替）通道可以代替CPU来控制来控制I/O设备以及控制设备以及控制I/O与主与主机进行数据交换。机进行数据交

8、换。6. 具有具有 I/O 处理机的阶段处理机的阶段 I/O 处理机又称外围处理机（处理机又称外围处理机（PPU），基本独立于主机工作。），基本独立于主机工作。它即可以完成它即可以完成I/O控制，还可以完成码制转换、数据校验等功能。控制，还可以完成码制转换、数据校验等功能。使使I/O系统对主机来说独立性更高。系统对主机来说独立性更高。二、输入输出系统的组成二、输入输出系统的组成一、概述一、概述1.外设的基本组成外设的基本组成二、输入设备二、输入设备1. 键盘键盘1）分类：）分类： 按键类型可分为压按式和触摸式按键类型可分为压按式和触摸式 编码方式可分为非编码键盘和编码键盘编码方式可分为非编码键

9、盘和编码键盘2）键盘处理的基本要求：）键盘处理的基本要求： （1）扫描键盘；）扫描键盘； （2）去抖；）去抖； （3）防止串键；）防止串键； （4）识别按键，形成键码）识别按键，形成键码3）结构：）结构： 并行接口并行接口并行接口并行接口+5V10K0列列1列列m列列0行行1行行n行行键盘键盘键键.。.。a、无编码键盘：、无编码键盘： 硬件结构最简单，通过硬件结构最简单，通过软件对键盘定期扫描软件对键盘定期扫描来检来检查有无按键并由查有无按键并由程序查表程序查表产生编码。产生编码。扫描过程如下：扫描过程如下： 把每个键分配在把每个键分配在 m 列列 n 行矩阵的一个交叉点上，行矩阵的一个交叉点

10、上，通过并行接口向通过并行接口向 n 行行依次送出仅有一行为零、其余各行依次送出仅有一行为零、其余各行均为一的值均为一的值，再用并行接口，再用并行接口读入读入 m 列上的取值。列上的取值。 当该值当该值不为不为 FFH （全（全 1 码）时，表明码）时，表明有键按下有键按下，若该值若该值仅含一位零仅含一位零，表明取值为，表明取值为 0 的行、列交叉点的的行、列交叉点的键被按下，用一个键被按下，用一个对照表对照表即可得到相应键的编码。即可得到相应键的编码。 该方法该方法速度慢速度慢，尚需解决，尚需解决键的抖动、多键同时键的抖动、多键同时按按下等等问题。扫描过程举例如下：下等等问题。扫描过程举例如

11、下：并行接口并行接口并行接口并行接口+5V10K0列列1列列m-1列列0行行1行行n-1行行键盘键盘键键.。.011A键键1 1 0 1. X向向并行接口并行接口送来送来1 0 1 n 位数值到位数值到二极管的负极，二极管的负极，Y向向并行接口并行接口接收接收键盘矩阵键盘矩阵 m 列送出的列送出的 m 位数据。当位数据。当A键键按下去后，按下去后，5V电源送出经电阻、电源送出经电阻、A键键、二极管到、二极管到 0 信号处的电流，从而在信号处的电流，从而在 第第 2列产生列产生 0 电平（红线所示），其他各列都给出高电平，故电平（红线所示），其他各列都给出高电平，故并行接口并行接口接收到接收到的

12、是的是 1 1 0 1 这样的这样的 m 位数据。位数据。110.。1 1 0 1.二极管二极管 编码键盘原理图：编码键盘原理图：2. 鼠标器（鼠标器（Mouse）：）： 鼠标器是一种手持式坐标定位部件，它拖着一根鼠标器是一种手持式坐标定位部件，它拖着一根长线与接口连接，外形有点像老鼠，故名为鼠标。长线与接口连接，外形有点像老鼠，故名为鼠标。 鼠标是由美国科学家恩格尔巴特博士于鼠标是由美国科学家恩格尔巴特博士于1968年年发明的。由于鼠标极大地改善人机交互，发明的。由于鼠标极大地改善人机交互，ACM将将1997年的图灵奖颁发给了恩格尔巴特博士。年的图灵奖颁发给了恩格尔巴特博士。 根据工作原理和

13、内部构造的不同，鼠标分为：根据工作原理和内部构造的不同，鼠标分为： （1）机械式鼠标：目前已淘汰。）机械式鼠标：目前已淘汰。 （2）光机式鼠标：正逐渐淘汰。）光机式鼠标：正逐渐淘汰。 （3）光电式鼠标：最常用。）光电式鼠标：最常用。3.触摸屏触摸屏 一种对物体的接触或靠近能产生反应的定位设备，按原理不一种对物体的接触或靠近能产生反应的定位设备，按原理不同分为电阻式、电容式、表面超声波式和红外式等几种压感式同分为电阻式、电容式、表面超声波式和红外式等几种压感式1）电阻式触摸屏）电阻式触摸屏 又称又称“软屏软屏”。电阻触摸。电阻触摸屏的屏体部分是一块与显示屏的屏体部分是一块与显示器表面相匹配的多层

14、复合薄器表面相匹配的多层复合薄膜，由一层塑料或有机玻璃膜，由一层塑料或有机玻璃作为基层，表面涂有一层透作为基层，表面涂有一层透明的导电层，上面再盖有一明的导电层，上面再盖有一层外表面硬化处理、光滑防层外表面硬化处理、光滑防刮的塑料层，它的内表面也刮的塑料层，它的内表面也涂有一层透明导电层，在两涂有一层透明导电层，在两层导电层之间有许多细小层导电层之间有许多细小 (小于千分之一英寸小于千分之一英寸)的透明的透明隔离点把它们隔开绝缘。隔离点把它们隔开绝缘。 触摸屏工作时，上下导触摸屏工作时，上下导体层相当于电阻网络，如图体层相当于电阻网络，如图所示。当某一层电极加上电所示。当某一层电极加上电压时，

15、会在该网络上形成电压时，会在该网络上形成电压梯度。如有外力使得上下压梯度。如有外力使得上下两层在某一点接触，则在电两层在某一点接触，则在电极未加电压的另一层可以测极未加电压的另一层可以测得接触点处的电压，从而知得接触点处的电压，从而知道接触点处的坐标。道接触点处的坐标。 例如，在顶层的电极例如，在顶层的电极(X+,X)上加上电压，则在顶层导上加上电压，则在顶层导体层上形成电压梯度，当有外力使得上下两层在某一点接体层上形成电压梯度，当有外力使得上下两层在某一点接触，在底层就可以测得接触点处的电压，再根据该电压与触，在底层就可以测得接触点处的电压，再根据该电压与电极电极(X+)之间的距离关系，知道

16、该处的之间的距离关系，知道该处的X坐标。然后，将坐标。然后，将电压切换到底层电极电压切换到底层电极(Y+,Y)上，并在顶层测量接触点处上，并在顶层测量接触点处的电压，从而知道的电压，从而知道Y坐标。坐标。 2）电容式触摸屏）电容式触摸屏 又称又称“硬屏硬屏”，是利用，是利用人体的人体的电流电流感应进行工作的。感应进行工作的。电容式触摸屏电容式触摸屏是一块四层复合是一块四层复合玻璃屏，玻璃屏的内表面和夹玻璃屏，玻璃屏的内表面和夹层各涂有一层层各涂有一层ITO（纳米铟锡（纳米铟锡金属氧化物），最外层是一薄金属氧化物），最外层是一薄层矽土玻璃保护层层矽土玻璃保护层,夹层夹层ITO涂涂层作为工作面，四

17、个角上引出层作为工作面，四个角上引出四个四个电极电极，内层，内层ITO为屏蔽层为屏蔽层以保证良好的工作环境。以保证良好的工作环境。 当手指触摸在金属层上时，由于人体电场，用户和触摸屏当手指触摸在金属层上时，由于人体电场，用户和触摸屏表面形成以一个表面形成以一个耦合电容耦合电容，对于高频电流来说，电容是直接导，对于高频电流来说，电容是直接导体，于是手指从接触点吸走一个很小的电流。这个电流分从触体，于是手指从接触点吸走一个很小的电流。这个电流分从触摸屏的四角上的电极中流出，并且流经这四个电极的电流与手摸屏的四角上的电极中流出，并且流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成正比，控制器通过对这四个电流

18、比例的精确指到四角的距离成正比，控制器通过对这四个电流比例的精确计算，得出触摸点的位置计算，得出触摸点的位置 。三、输出设备三、输出设备 灯丝灯丝阴极阴极聚焦极聚焦极石墨层石墨层荧光屏荧光屏显示屏显示屏阳极帽阳极帽(高压高压)偏转线圈偏转线圈栅极栅极阳极阳极电子枪电子枪电子束电子束 电子束有足够的强度和速度电子束有足够的强度和速度 电子束要足够细电子束要足够细 电子束运动方向要高度可控电子束运动方向要高度可控 荧光粉的颗粒要足够精细和均匀荧光粉的颗粒要足够精细和均匀逐行扫描过程示意：逐行扫描过程示意：隔行扫描过程示意：以隔行扫描过程示意：以625线为例线为例四、辅存设备四、辅存设备 1.概述概

19、述 与主存相比容量大与主存相比容量大,速度慢速度慢,价格低价格低,可脱机保存信息。可脱机保存信息。 辅助存储器用于存放当前不需立即使用的信息辅助存储器用于存放当前不需立即使用的信息,一旦需要一旦需要,再再和主存成批地交换数据。因此，和主存成批地交换数据。因此，辅存不直接和辅存不直接和CPU交换信息交换信息。 辅助存储器主要有辅助存储器主要有磁表面存储器磁表面存储器和和光存储器光存储器两大类两大类. 磁表面存储器是将磁性材料沉积在盘片磁表面存储器是将磁性材料沉积在盘片(或带或带)的基体上形成的基体上形成记录介质记录介质,并以绕有线圈的磁头与记录介质的相对运动来写入或并以绕有线圈的磁头与记录介质的

20、相对运动来写入或读出信息读出信息. 磁表面存储器有数字式磁记录磁表面存储器有数字式磁记录,如硬盘如硬盘,软盘和磁带软盘和磁带. 模拟式磁模拟式磁记录记录,如录音如录音,录像设备录像设备 光存储器主要是光盘光存储器主要是光盘,它是利用激光束在具有感光特性的表它是利用激光束在具有感光特性的表面上存储信息面上存储信息.2. 磁表面存储器的技术指磁表面存储器的技术指 标标1）记录密度记录密度：单位长度或单位面积内所存储二进制信息量。单位长度或单位面积内所存储二进制信息量。 对磁盘存储器用对磁盘存储器用道密度道密度和和位密度位密度表示表示,也可以用两者的乘也可以用两者的乘积积面密度面密度表示表示. 对磁

21、带存储器对磁带存储器,则主要用位密度表示则主要用位密度表示.磁道磁道是磁盘表面上的许是磁盘表面上的许多同心圆多同心圆. 在有多个盘片构成的盘在有多个盘片构成的盘组中组中,由处在同一半径的由处在同一半径的磁道组成的一个圆柱面磁道组成的一个圆柱面,称为称为柱面柱面.道密度：道密度：沿磁盘半径方向单位长度的磁道数。单位是道沿磁盘半径方向单位长度的磁道数。单位是道/英寸英寸(简简称称TPI)或道或道/毫米毫米 （TPM）。）。 磁道具有一定的宽度磁道具有一定的宽度,叫叫道宽道宽. 它取决于磁头的工作间隙长它取决于磁头的工作间隙长度及磁头定位精度等因素度及磁头定位精度等因素.为避免干扰为避免干扰,磁道与

22、磁道之间需保持一磁道与磁道之间需保持一定距离定距离,相邻两条磁道中心线之间的距离叫相邻两条磁道中心线之间的距离叫道距道距. 位密度或线密度位密度或线密度：单位长度磁道所能记录二进制信息的位数。单单位长度磁道所能记录二进制信息的位数。单位是位位是位/英寸（英寸（ bpi)或位或位/毫米毫米 （bpm）注意：各磁道上所记录的信息量是相同的而位密度不同注意：各磁道上所记录的信息量是相同的而位密度不同 对于磁带对于磁带,其磁道是沿着磁带长度方向的直线其磁道是沿着磁带长度方向的直线,存储密度主要存储密度主要用位密度来衡量用位密度来衡量. 例如例如,常用磁带的记录密度有常用磁带的记录密度有800bpi,1

23、600bpi和和6250bpi等多种等多种.2）存储容量）存储容量：辅存所能存储的二进制信息总量辅存所能存储的二进制信息总量以磁盘存储器为例以磁盘存储器为例 c=n*k*s c存储总容量，存储总容量，n存放信息的盘面数，存放信息的盘面数，k每盘磁道数，每盘磁道数，s每道每道二进制数。二进制数。 格式化容量格式化容量:指按照某种特定的记录格式所能存储信息的总指按照某种特定的记录格式所能存储信息的总量量,也就是用户真正可以使用的容量。也就是用户真正可以使用的容量。 非格式化容量非格式化容量: 磁记录表面可以利用的磁化单元总数磁记录表面可以利用的磁化单元总数.将磁将磁盘存储器用于计算机系统中盘存储器

24、用于计算机系统中,必须首先进行格式化操作必须首先进行格式化操作,然后才能然后才能供用户记录信息供用户记录信息,格式化容量一般约为非格式化的格式化容量一般约为非格式化的60%70%。3)数据传输率数据传输率：磁表面存储器在单位时间内与主机之间传送数磁表面存储器在单位时间内与主机之间传送数据的位数或字节数，它与记录密度据的位数或字节数，它与记录密度D和记录介质的运动速度和记录介质的运动速度V有有关：关：DrDV。4）误码率）误码率：误码率是衡量磁表面存储器出错概率的参数：误码率是衡量磁表面存储器出错概率的参数.它等它等于从辅存读出时于从辅存读出时,出错信息位数和读出的总信息位数之比出错信息位数和读

25、出的总信息位数之比5）平均寻址时间）平均寻址时间 磁盘存储器采取直接存取方式时磁盘存储器采取直接存取方式时,寻址时间包括两部分寻址时间包括两部分: 一是磁头寻找目标磁道所需的一是磁头寻找目标磁道所需的找道时间找道时间ts; 二是找到磁道以后二是找到磁道以后,磁头等待所需要读写的区段旋转到它的下方所需要的磁头等待所需要读写的区段旋转到它的下方所需要的等待时间等待时间tw. 由于寻找相邻磁道和从最外面磁由于寻找相邻磁道和从最外面磁道找到最里面磁道所需的时间不同道找到最里面磁道所需的时间不同,磁磁头等待不同区段所花的时间也不同头等待不同区段所花的时间也不同,因因此此,取它们的平均值取它们的平均值,称

26、作称作平均寻址时间平均寻址时间Ta,它由平均找道时间它由平均找道时间Tsa和平均等待和平均等待时间时间Twa组成组成:Ta=Tsa+Twa=(tsmax+tsmin)/2+(twmax+twmin)/2 磁带存储器采取顺序存取方式磁带存储器采取顺序存取方式,不需要寻找磁道不需要寻找磁道,但需要考虑磁头寻但需要考虑磁头寻找记录区的等待时间找记录区的等待时间,寻址时间指的寻址时间指的是磁带空转到磁头应访问记录区所是磁带空转到磁头应访问记录区所在位置的时间在位置的时间.3.磁记录原理磁记录原理 写写局部磁化单元局部磁化单元载磁体载磁体写线圈写线圈SNI局部磁化单元局部磁化单元写线圈写线圈SN铁芯铁芯

27、磁通磁通磁层磁层写入写入“0”写入写入“1”IN读线圈读线圈S读线圈读线圈SN铁芯铁芯磁通磁通磁层磁层运动方向运动方向运动方向运动方向ssttffee读出读出 “0”读出读出 “1”读读4. 硬磁盘存储器硬磁盘存储器1） 分类分类（1）按磁头的工作方式）按磁头的工作方式 移动磁头磁盘存储器移动磁头磁盘存储器: 存取数据时存取数据时,磁头在磁盘盘面上径向移磁头在磁盘盘面上径向移动动,磁头与盘面不接触磁头与盘面不接触,且随气流浮动且随气流浮动,称为浮动磁头称为浮动磁头. 盘片的每面都盘片的每面都有一个磁头有一个磁头. 固定磁头磁盘存储器固定磁头磁盘存储器: 磁头位置固定磁头位置固定,磁盘的每一个磁

28、道都对磁盘的每一个磁道都对应一个磁头应一个磁头,盘片也不可更换盘片也不可更换. 其特点是存取速度快其特点是存取速度快. 省去了磁头沿省去了磁头沿盘片径向运动找道时间盘片径向运动找道时间.（2）按磁盘的可替换性）按磁盘的可替换性 可换盘存储器可换盘存储器: 指磁盘不用时可以从驱动器中取出脱机保存指磁盘不用时可以从驱动器中取出脱机保存. 这种磁盘可以在兼容的磁盘存储器间交换数据这种磁盘可以在兼容的磁盘存储器间交换数据,由于可脱机保存故由于可脱机保存故便于扩大存储容量便于扩大存储容量.为了达到可靠地交换数据的目的磁盘的道密度为了达到可靠地交换数据的目的磁盘的道密度要适当降低要适当降低. 固定盘存储器

29、固定盘存储器: 是指磁盘不能从驱动器中取出是指磁盘不能从驱动器中取出,更换时要把整更换时要把整个个“头盘组合体头盘组合体”一起更换一起更换温彻斯特磁盘（温盘）温彻斯特磁盘（温盘） 1973年，年，IBM研制成功了一种新研制成功了一种新型的硬盘型的硬盘IBM3340这种硬盘拥有几个这种硬盘拥有几个同轴的金属盘片，盘片上涂着磁性材同轴的金属盘片，盘片上涂着磁性材料。它们和可以移动的磁头共同密封料。它们和可以移动的磁头共同密封在一个盒子里面，磁头能从旋转的盘在一个盒子里面，磁头能从旋转的盘片上读出磁信号的变化片上读出磁信号的变化 -这就是我们这就是我们今天是用的硬盘的祖先，今天是用的硬盘的祖先，IB

30、M把它叫把它叫做温彻斯特硬盘。做温彻斯特硬盘。 1980年，希捷年，希捷(Seagate)公司制造出了个人电公司制造出了个人电 脑上的第一块脑上的第一块温彻斯特硬盘，这个硬盘与当时的软驱体积相仿，容量温彻斯特硬盘，这个硬盘与当时的软驱体积相仿，容量5MB 。 温盘是目前使用最广，可靠性最好，最方便实用的一种磁盘。温盘是目前使用最广，可靠性最好，最方便实用的一种磁盘。 其特点为：将磁头和盘片、驱动部分、读写电路密封在一个盒其特点为：将磁头和盘片、驱动部分、读写电路密封在一个盒子内，称为子内，称为“头盘组合体头盘组合体”。更换时要对整个头盘组合体作一次整。更换时要对整个头盘组合体作一次整体更换。头

31、盘组合体内部结构属可移动头固定盘片组结构。体更换。头盘组合体内部结构属可移动头固定盘片组结构。2） 硬磁盘存储器结构硬磁盘存储器结构磁磁 盘盘 控控 制制 器器磁磁 盘盘 驱驱 动动 器器盘盘 片片主主 机机磁盘磁盘磁磁盘盘组组主轴主轴磁头磁头音圈音圈电机电机位置检测位置检测定位驱动定位驱动模拟控制模拟控制放放大大闭环自动控制系统闭环自动控制系统由磁盘控制由磁盘控制器送来的目器送来的目标磁道信号标磁道信号测测速速输输出出读写臂读写臂传动机构传动机构主轴主轴定位驱动定位驱动数据控制数据控制(1) 磁盘驱动器磁盘驱动器(2) 磁盘控制器磁盘控制器 接受主机发来的命令，转换成磁盘驱动器的控制命令接受

32、主机发来的命令，转换成磁盘驱动器的控制命令 实现主机和驱动器之间的数据格式转换实现主机和驱动器之间的数据格式转换 控制磁盘驱动器读写控制磁盘驱动器读写通过总线通过总线(3) 盘片盘片对主机对主机对硬盘（设备）对硬盘（设备）磁盘控制器磁盘控制器 是是主机与磁盘驱动器之间的主机与磁盘驱动器之间的 接口接口由硬质铝合金材料制成由硬质铝合金材料制成3）硬盘的记录格式）硬盘的记录格式（1）几个概念）几个概念 盘面盘面：每张盘片具有上、下两面，均可用来记录信息，称为：每张盘片具有上、下两面，均可用来记录信息，称为盘面。对于多片盘片组成的盘组，通常最上面、最下面不用，作盘面。对于多片盘片组成的盘组，通常最上

33、面、最下面不用，作为保护面。为保护面。 记录区记录区：盘片中间有一个圆孔，穿在主轴上。为保证信息的：盘片中间有一个圆孔，穿在主轴上。为保证信息的可靠性，通常靠近主轴孔和盘边的部分不用，因此信息记录在可靠性，通常靠近主轴孔和盘边的部分不用，因此信息记录在盘面上一个环状的有效记录区内。盘面上一个环状的有效记录区内。 磁道磁道：磁头在盘面上记录信息的轨迹为许多由内向外排列的：磁头在盘面上记录信息的轨迹为许多由内向外排列的同心圆，称为同心圆，称为“磁道磁道”。二进制信息沿磁道串行分布。二进制信息沿磁道串行分布。 圆柱面圆柱面：盘组记录信息时为了节省磁头移动时间，通常在一：盘组记录信息时为了节省磁头移动

34、时间，通常在一个磁道存满后，继续存放在另一盘面的同一磁道上，则不同盘面个磁道存满后，继续存放在另一盘面的同一磁道上，则不同盘面的同一磁道可看成是一圆柱面，存取操作沿柱面进行。的同一磁道可看成是一圆柱面，存取操作沿柱面进行。 扇区扇区：一个盘面通常分成若干区，称为扇区。这样每条磁道就：一个盘面通常分成若干区，称为扇区。这样每条磁道就被分为若干个被分为若干个扇段扇段。扇段为磁盘寻址的最小单位扇段为磁盘寻址的最小单位，而不是字节。，而不是字节。 扇区的大小可由硬件划分，称扇区的大小可由硬件划分，称“硬分区硬分区”；也可由软件划分，；也可由软件划分，称称“软分区软分区”。 硬分区硬分区：在盘面上两个扇

35、区的交界处打孔或缺口，通过光电：在盘面上两个扇区的交界处打孔或缺口，通过光电检测等手段对这些孔进行检测，硬件上设扇区计数器，每检测到检测等手段对这些孔进行检测，硬件上设扇区计数器，每检测到一个孔，就发一个脉冲（扇标脉冲），对计数器进行计数，则计一个孔，就发一个脉冲（扇标脉冲），对计数器进行计数，则计数器中从数器中从0开始的计数值即为扇区号。开始的计数值即为扇区号。 软分区软分区：不设扇标脉冲，扇区的划分通过软件将格式信息写：不设扇标脉冲，扇区的划分通过软件将格式信息写入磁道进行。入磁道进行。 不论是软分区还是硬分区，为了标识一个磁道信息的起始，不论是软分区还是硬分区，为了标识一个磁道信息的起始

36、，都在每个磁道的起始处打一个索引孔，通过光电检测的方法获得都在每个磁道的起始处打一个索引孔，通过光电检测的方法获得一个脉冲，称为一个脉冲，称为“0索引索引”。随着磁盘的旋转，。随着磁盘的旋转，0索引脉冲的到索引脉冲的到来标志着来标志着0扇区的开始。扇区的开始。磁盘地址：磁盘地址：磁道号磁道号 磁头号磁头号（2）定长记录格式：扇区中存放的数据块大小固定。这种格式）定长记录格式：扇区中存放的数据块大小固定。这种格式较适合硬分区的结构，简单但记录区的空间利用率不高。较适合硬分区的结构，简单但记录区的空间利用率不高。（3）不定长记录格式：扇区中存放的数据块大小可变。这种格）不定长记录格式：扇区中存放的

37、数据块大小可变。这种格式较适合软分区的情况，灵活性和空间利用率较高。式较适合软分区的情况，灵活性和空间利用率较高。5、软磁盘存储器、软磁盘存储器1）概述）概述速度速度磁头磁头盘片盘片价格价格环境环境硬盘硬盘软盘软盘高高低低固定、活动固定、活动活动活动固定盘、盘组固定盘、盘组大部分不可换大部分不可换可换盘片可换盘片苛刻苛刻浮动浮动接触盘片接触盘片高高低低2） 软盘片软盘片由聚酯薄膜制成由聚酯薄膜制成保护套保护套主轴孔主轴孔实际的软盘片实际的软盘片写保护口写保护口读读/写磁头访问槽写磁头访问槽衬里衬里/清洁材料清洁材料6.光盘存储器光盘存储器 应用激光在某种介质上写入信息应用激光在某种介质上写入信

38、息,然后再利用激光读出信息的然后再利用激光读出信息的技术称为光存储技术技术称为光存储技术. 如果光存储使用的介质是磁性材料如果光存储使用的介质是磁性材料,亦即利用激光在磁记录介亦即利用激光在磁记录介质上存储信息质上存储信息,就称为磁光存储就称为磁光存储.光盘的分类光盘的分类只读型光盘只读型光盘(CD-ROM)只写一次型光盘只写一次型光盘(WORM)可擦写型光盘可擦写型光盘光盘库光盘库(光盘自动换盘机光盘自动换盘机) CD-R刻录机：是一次性写入的刻录机有刻录机：是一次性写入的刻录机有SCSI和和IDE接口两种接口两种,用于数据备份或娱乐用于数据备份或娱乐. CD-RW：是可擦写的刻录机：是可擦

39、写的刻录机,可刻录可刻录CD-RW和和CD-R光盘光盘.光盘库：它的基本构件光盘库：它的基本构件 光盘架光盘架,存放光盘存放光盘15个光盘机个光盘机机械机械手手(换盘机构换盘机构) 控制器控制器 形变形变：对光盘写入时：对光盘写入时,将激光束聚焦成直径小于将激光束聚焦成直径小于1m的微小光点的微小光点,以其热以其热作用作用,融化盘表面上的光融化盘表面上的光存储介质薄膜存储介质薄膜,在薄膜上在薄膜上形成凹坑形成凹坑.坑的边缘形成坑的边缘形成“1”,无坑的地方或坑底无坑的地方或坑底都是都是“0”. 读出时读出时,凹坑边缘反凹坑边缘反射的光有变化射的光有变化,信息为信息为“1”,平坦处平坦处(坑底也

40、是坑底也是)反反射的光无变化射的光无变化,信息为信息为“0”. 由于读出光束的功由于读出光束的功率只有写入光束功率的率只有写入光束功率的1/10,因此不会融出新的因此不会融出新的凹坑凹坑.硬盘硬盘,软盘软盘,磁带和光盘的比较磁带和光盘的比较硬盘硬盘 容量大容量大,数据传输率高数据传输率高,等待时间短等待时间短,关键技术是提高位密度关键技术是提高位密度bpi和道密度和道密度TPI,采采用温彻斯特技术将磁头盘片和定位系统组合在一个密封的盒内用温彻斯特技术将磁头盘片和定位系统组合在一个密封的盒内. 为了用于便携机为了用于便携机,更提出了减轻重量更提出了减轻重量,承受撞击的要求承受撞击的要求,为降低功

41、耗为降低功耗,还必须有电源管理控制功能等还必须有电源管理控制功能等软盘软盘 软盘片可灵活装卸软盘片可灵活装卸,便于携带和交换便于携带和交换,介质又便宜介质又便宜,既可存储系统和应用软件既可存储系统和应用软件,又又可用于数据输入输出用户用软盘片作为自己的小数据库和软件库可用于数据输入输出用户用软盘片作为自己的小数据库和软件库. 光磁软盘容量光磁软盘容量可达几十可达几十MB200MB磁带磁带 数据传输率低数据传输率低,容量大容量大,每兆字节价格低每兆字节价格低,便于装卸便于装卸,交换和携带交换和携带. 作为磁盘的后作为磁盘的后备存储备存储光盘光盘存储密度高存储密度高,容量大价格低容量大价格低,寿命

42、长和可替换寿命长和可替换,可擦写的磁光盘集磁记录和光存的优可擦写的磁光盘集磁记录和光存的优点点,其存储密度比磁盘高十几倍其存储密度比磁盘高十几倍几十倍几十倍,信息可保存信息可保存60100年年(磁盘一般为磁盘一般为35年年)位成本比磁盘低位成本比磁盘低,抗干扰能力强抗干扰能力强. 光盘记录头份量重光盘记录头份量重,体积大使寻道时间长体积大使寻道时间长(30100ms),写入速度低写入速度低(目前约目前约0.2秒秒),主机交换数据的速度不匹配主机交换数据的速度不匹配,故不能作为故不能作为计算机的中间存储器计算机的中间存储器,这是光盘不能替换硬盘的主要原因这是光盘不能替换硬盘的主要原因. 光盘介质

43、可互换光盘介质可互换,存储量存储量大大,可用作文献档案等可用作文献档案等一、概述一、概述二、接口的功能和组成二、接口的功能和组成(1) 设备选择线设备选择线(2) 数据线数据线(3) 命令线命令线(4) 状态线状态线I/O 接口接口设备设备I/O 接口接口设备设备数据线数据线命令线命令线状态线状态线I/O总线总线设备选择线设备选择线1. 总线连接方式的总线连接方式的 I/O 接口电路接口电路2. 接口的功能和组成接口的功能和组成接口的主要功能有：接口的主要功能有：（1）地址识别与设备选择）地址识别与设备选择（2）接收、保存）接收、保存CPU的的I/O控制命令控制命令 （3）反映外设的工作状态）

44、反映外设的工作状态（4）信号转换）信号转换（5）数据格式、码制的转换与数据检错）数据格式、码制的转换与数据检错/纠错纠错 （6）传送数据）传送数据（7）中断）中断3. I/O 接口的基本组接口的基本组 成成 命令寄存器命令寄存器和命令译码器和命令译码器 设备选择设备选择 电路电路 设备状态设备状态 标记标记 数据缓冲数据缓冲 寄存器寄存器DBR 控制逻辑电路控制逻辑电路I/O接口接口外外 部部 设设 备备数据线数据线命令命令状态状态数据线数据线命令线命令线状态线状态线CPU地址线地址线接口中包含的端口接口中包含的端口数据端口数据端口控制端口控制端口状态端口状态端口暂存数据信息暂存数据信息接受控

45、制信息接受控制信息反映接口外设的状态信息反映接口外设的状态信息在用户看来：在用户看来： CPU了解外设的状态、了解外设的状态、 控制外设的工作、控制外设的工作、 与外设交换数据，与外设交换数据， 都是通过接口中都是通过接口中用户可见的寄存器用户可见的寄存器端口端口(Port) 的的“读读/写写”来实现的。这些来实现的。这些端口端口通过总线与通过总线与CPU互连。互连。CPUI/O外设外设系统系统外设外设I/O接口电路接口电路数据口数据口状态口状态口命令口命令口端口地址端口地址译码选择译码选择控制逻辑控制逻辑ABDBDB状态信息状态信息命令数据命令数据CBCB（1）统一编址：）统一编址：I/O与

46、内存统一进行编址与内存统一进行编址p占用内存编址空间占用内存编址空间p可利用访存指令访问可利用访存指令访问I/O口口 特点：特点： 图示：图示：内存空间内存空间00000HFFFFFH供供I/O口使用口使用p不占用内存的编址空间不占用内存的编址空间p有专门的输入输出指令有专门的输入输出指令 特点：特点： 图示：图示：内存空间内存空间00000HFFFFFHI/O空间空间0000HFFFFH互不干扰互不干扰（2）独立编址：）独立编址：I/O与内存有各自独立的与内存有各自独立的 地址空间，互不干扰。地址空间，互不干扰。5. I/O 口的编址方式口的编址方式三、接口类型三、接口类型并行接口并行接口串

47、行接口串行接口可编程接口可编程接口不可编程接口不可编程接口通用接口通用接口专用接口专用接口1. 按数据按数据 传送方式传送方式 分类分类2. 按功能按功能 选择的灵活性选择的灵活性 分类分类3. 按按 通用性通用性 分类分类4. 按数据传送的按数据传送的 控制方式控制方式 分类分类中断接口中断接口DMA 接口接口Intel 8255Intel 8251Intel 8255、 Intel 8251Intel 8212Intel 8255、 Intel 8251Intel 8279、 Intel 8275Intel 8259Intel 82578259A8251串行接口串行接口A/D与与D/A13

48、4256788088系统主机板组成系统主机板组成38都是都是典型的接口典型的接口80 x86系列微处理器采用系列微处理器采用I/O独立编址独立编址，其设置的专用，其设置的专用I/O指令为：指令为： 输入指令输入指令IN 输出指令输出指令OUT 。四、四、80 x86系列计算机的系列计算机的I/O指令指令OUT n, ALIN AL, nIN AX, nOUT DX, ALOUT n, AXOUT DX, AXIN AL, DXIN AX, DX如如如如出出 CPU 的寄存器的寄存器 端口地址端口地址入入 CPU 的寄存器的寄存器端口地址端口地址例如，例如，Intel 80 x86中的输入指令为

49、中的输入指令为IN指令，输出指令为指令，输出指令为OUT指令。指令。 功能是：功能是：累加器累加器AX（或（或AL）与）与I/O端口端口之间的数据交换之间的数据交换 其中，其中，使用使用AX传送的是一个字（传送的是一个字（16位数据），位数据）， 使用使用AL传送的是一个字节（传送的是一个字节（8位数据）。位数据）。在外设在外设单独编址单独编址的机器中，的机器中，需要设置此类指令！需要设置此类指令！一、含义：在这种方式中数据在一、含义：在这种方式中数据在CPU与外围设备之间的传送与外围设备之间的传送完全靠计算机程序控制，是在完全靠计算机程序控制，是在CPU主动控制下进行的当输入主动控制下进行的

50、当输入输出时，输出时，CPU暂停执行本程序，转去执行输入输出的服务暂停执行本程序，转去执行输入输出的服务程序，根据服务程序中的程序，根据服务程序中的I/O指令进行数据传送指令进行数据传送三、程序查询方式的接口电路三、程序查询方式的接口电路设备选择电设备选择电 路路QQ&准备就准备就 绪绪启动命启动命 令令地址地址 线线SEL启动设备启动设备设备工作设备工作 结束结束 DB10 10RRSSQn+1=S+/RQn ;SR=0设备选择电路设备选择电路DBRQQ&数据数据 线线准备就绪准备就绪启动命令启动命令地址线地址线SEL输入数据输入数据启动设备启动设备设备工作设备工作 结束结束DB10 10工

51、作过程工作过程以输入为例以输入为例KK+1中断服务程序中断服务程序入口入口 凡是向凡是向CPU提出中断请求的各种因素，统称为提出中断请求的各种因素，统称为中断源中断源。（可以是硬件也可以是软件）（可以是硬件也可以是软件）2. 引起中断的各种因素引起中断的各种因素(1) 人为设置的中断人为设置的中断(2) 程序性事故程序性事故如如 转管指令转管指令溢出、操作码不能识别、除法非法溢出、操作码不能识别、除法非法(5) 外部事件外部事件(4) I/O 设备设备(3) 硬件故障硬件故障用用 键盘中断键盘中断 现行程序现行程序转管指令转管指令管理程序管理程序3.中断的内容中断的内容 其中，中断请求和中断判

52、优一般由其中，中断请求和中断判优一般由IO接口完成；而接口完成；而中断响应、中断服务和中断返回由中断响应、中断服务和中断返回由CPU完成完成 处理器处理器内部必须增加相关的硬件，如：内部必须增加相关的硬件，如：接受中断请求信号的引脚接受中断请求信号的引脚INTR、发出中断响应信号的引脚发出中断响应信号的引脚INTA、“中断状态中断状态”触发器触发器INT、“中断允许中断允许”标志标志EINT、将将ENIT置为置为1的的“开中断开中断”指令指令STI、将将ENIT清为清为0的的“关中断关中断”指令指令CLI将程序断点将程序断点“弹回弹回”PC的中断返回指令的中断返回指令 IRET等，等，要支持中

53、断，需要多方的配合：要支持中断，需要多方的配合：接口接口中要设置：中要设置： 中断请求触发器中断请求触发器“INTR” 中断屏蔽触发器中断屏蔽触发器MASK。CPUF主存主存中必须存储：中必须存储： 处理不同中断请求的中断服务程序。处理不同中断请求的中断服务程序。（中断）接口（中断）接口主存主存实现中断的软实现中断的软/硬件，总称为硬件，总称为。二、中断的特点及其作用二、中断的特点及其作用1.特点：特点：实时性（随机性）实时性（随机性）2.作用作用注意注意： 中断的发生是随机的。在实现中断时，必须做到：不中断的发生是随机的。在实现中断时，必须做到：不管一个程序在执行的过程中，是否被中断，中断多

54、少次，管一个程序在执行的过程中，是否被中断，中断多少次，其最其最终的运行结果必须是唯一的。终的运行结果必须是唯一的。 当有多个中断源向当有多个中断源向CPU提出中断请求时，提出中断请求时，CPU必须坚持的必须坚持的原则是：在原则是：在任何一个时刻只能为一个中断源任何一个时刻只能为一个中断源的请求提供服务。的请求提供服务。发中断请求发中断请求 空空 闲闲接接 收收数据数据接接 收收数据数据准准 备备发中断请求发中断请求 打打 印印打打 印印打印机打印机执行主程序执行主程序继续执行主程序继续执行主程序继续执行主程序继续执行主程序响应中响应中 断断中断返中断返 回回响应中响应中 断断中断返中断返 回

55、回 启动启动打印打印 机机传送传送数数 据据传传 送送数数 据据CPU四、四、 中断系统需解决的问题中断系统需解决的问题(1) 各中断源各中断源 如何如何 向向 CPU 提出请求提出请求 ？(2) 各中断源各中断源 同时同时 提出提出 请求请求 怎么办怎么办 ？(5) 如何如何 寻找入口地址寻找入口地址 ？(4) 如何如何 保护现场保护现场 ？(3) CPU 什么什么 条件条件、什么、什么 时间时间、以什么、以什么 方式方式 响应中断响应中断 ？(6) 如何如何 恢复现场恢复现场，如何，如何 返回返回 ？(7) 处理中断的过程中又处理中断的过程中又 出现新的中断出现新的中断 怎么办怎么办 ？硬

56、件硬件 软件软件配置中断请求触发器和中断屏蔽触发配置中断请求触发器和中断屏蔽触发 器器DQ&1INTR 中断请求触发中断请求触发 器器MASK 中断屏蔽触发中断屏蔽触发 器器来自来自 CPU 的的中断查询信中断查询信 号号受设备本身控受设备本身控 制制INTR D MASKQD 完成触发器完成触发器 中断请求中断请求 1 1 1 & 1 & 1 &INTR1INTR2INTR3INTR4INTP1INTP2INTP3INTP4INTR1 、 INTR2 、 INTR3 、 INTR4 优先级优先级 按按 降序降序 排列排列 2. 中断判优逻辑中断判优逻辑1INTP11INTP21INTP31I

57、NTP4&INTR1INTR2INTR3INTR4INTR1INTR2INTR3INTR4 1& 1& 1& 1& INTP1 INTP2 INTP3 INTP4 INTR2INTR1INTR1INTR21&INTP2A、B、C 优先级按优先级按 降序降序 排列排列(3) 软件实现（程序查询）软件实现（程序查询）否否是否是否 A 请求？请求？是否是否 B 请求？请求？是否是否 C 请求？请求？转转 A 的服务程序的服务程序入口地址入口地址转转 B 的服务程序的服务程序入口地址入口地址转转 C 的服务程序的服务程序入口地址入口地址是是是是是是否否否否3.中断服务程序入口地址的寻找中断服务程序入口

58、地址的寻找1） 软件查询法软件查询法中断识别程序中断识别程序（入口地址（入口地址 M）地地 址址说说 明明指指 令令 M JMP 1# SR1# D = 1 转转1# 服务程序服务程序 SKP DZ 2# JMP 2# SR2# D = 0 跳跳2# D = 1 转转2# 服务程序服务程序 SKP DZ 8# JMP 8# SR8# D = 0 跳跳8# D = 1 转转8# 服务程序服务程序八个中断源八个中断源 1、2、 8 按按 降序降序 排列排列 SKP DZ 1#1# D = 0 跳跳（D为完成触发器）为完成触发器）优点：不需要增加硬件，可以灵活改变中断源的优先级；优点：不需要增加硬件

59、，可以灵活改变中断源的优先级；缺点：占用缺点：占用CPU时间，处理速度慢，优先级低的中断请求需要等时间，处理速度慢，优先级低的中断请求需要等待较长时间才能开始中断服务待较长时间才能开始中断服务2） 硬件向量法硬件向量法入口地址入口地址 200入口地址入口地址 300入口地址入口地址 40012 H13 H14 H主存主存12 H13 H14 HJMP 200JMP 300JMP 400主存主存向量地址向量地址 12H、13H、14H入口地址入口地址 200、 300、 400向量地向量地 址址排队器输排队器输 出出中断向量地址中断向量地址 形成部件形成部件 设备设备编码器编码器1 0 0 00

60、00100100 1 0 0000100111） CPU 响应中断的条件和时响应中断的条件和时 间间(1) 条件条件(2) 时间时间中断中断允许触发器允许触发器 EINT = 1用用 开中断开中断 指令置指令置 “1” EINT用用 关中断关中断 指令置指令置“ 0” EINT 或硬件或硬件 自动复位自动复位当当 D = 1（随机）且（随机）且 MASK = 0 时时在每条指令执行阶段的结束前在每条指令执行阶段的结束前CPU 发发 中断查询信号中断查询信号（将（将 INTR 置置“1”）4. 中断响应中断响应2） 中断隐指令中断隐指令(1) 保护程序断点保护程序断点(2) 寻找服务程序入口地址