《计算机组成原理》ch7-8-输入输出系统

1、计算机组成原理ch7-8-输入输出系统计算机组成原理ch7-8-输入输出系统7.1 输入输出设备的类型一、输出设备1. 显示器display显像管CRT液晶LCD等离子体Plasma Display Panel2. 打印设备printer3. 绘图仪plotter2022/9/2127.1 输入输出设备的类型一、输出设备2022/9/214CRT显示器字符的显示2022/9/213CRT显示器字符的显示2022/9/215CRT显示器光栅扫描2022/9/214CRT显示器光栅扫描2022/9/216液晶显示器2022/9/215液晶显示器2022/9/217液晶显示器2022/9/216液晶

2、显示器2022/9/218等离子体显示器2022/9/217等离子体显示器2022/9/2192. 打印设备击打式impact串行、行式点阵针式、字模式非击打式non-impact喷墨激光热转印2022/9/2182. 打印设备击打式impact2022/9/2110击打式打印机点阵针式2022/9/219击打式打印机点阵针式2022/9/2111喷墨式打印机气泡式2022/9/2110喷墨式打印机气泡式2022/9/2112喷墨式打印机压电式2022/9/2111喷墨式打印机压电式2022/9/2113激光式打印机2022/9/2112激光式打印机2022/9/21143. 绘图仪平台式滚筒

3、式2022/9/21133. 绘图仪平台式2022/9/2115二、输入设备键盘keyboard2022/9/2114二、输入设备键盘keyboard2022/9/2116二、输入设备光笔2022/9/2115二、输入设备光笔2022/9/2117二、输入设备鼠标器mouse2022/9/2116二、输入设备鼠标器mouse2022/9/2118二、输入设备数字化仪digitizercursor2022/9/2117二、输入设备数字化仪digitizercursor202二、输入设备触摸屏Touchscreen2022/9/2118二、输入设备触摸屏Touchscreen2022/9/2电阻式

4、触摸屏INT0#SS#SCKMISOMOSIPENIRQ# Y+CS# X+DCLK Y-DOUT X-DINMotorola MMC2107ADS78462022/9/2119电阻式触摸屏INT0#PENIRQ# Y+MotorolTouchscreen LCD2022/9/2120Touchscreen LCD2022/9/2122二、输入设备扫描仪scanner2022/9/2121二、输入设备扫描仪scanner2022/9/2123三、外存设备1. 磁记录原理与记录方式2022/9/2122三、外存设备1. 磁记录原理与记录方式2022/9/21磁性材料的磁滞回归线H: 外加磁场B:

5、 磁感应强度2022/9/2123磁性材料的磁滞回归线H: 外加磁场2022/9/2125三、外存设备2. 硬盘设备磁道track扇区sector柱面cylinder: 具有相同磁道的盘面组成形成一个圆柱2022/9/2124三、外存设备2. 硬盘设备磁道track2022/9/22022/9/21252022/9/2127磁头2022/9/2126磁头2022/9/2128磁盘接口disk interface磁盘控制器主机接口设备接口磁盘适配器2022/9/2127磁盘接口disk interface磁盘控制器主机接口设备磁盘的技术指标：存储密度dencity位密度(linear densi

6、ty, recording density)道密度(track density)面密度(areal density)存储容量capacity记录面数每面磁道数每道扇区数扇区容量2022/9/2128磁盘的技术指标：存储密度dencity2022/9/2130磁盘的技术指标：平均访问时间Average access time每次磁盘访问时间的平均值控制延迟controller delay寻道时间seek time旋转延迟latency传输延迟transfer delay数据传输率Data transfer rate连续从磁盘上读写数据的速率2022/9/2129磁盘的技术指标：平均访问时间Ave

7、rage access t磁盘参数Spindle Speed: 7200rpm, 10000rpmForm factor: 5.25”, 3.5”, 2.5”, 1,8”寻道时间：磁头移动到指定磁道的平均时间传输延迟：数据传输时间多个磁道连续读写的问题多个磁头读写的问题2022/9/2130磁盘参数Spindle Speed: 7200rpm, 103. 磁盘阵列RAIDRedundant Array of Inexpensive Disks目的：提高容量，提高可靠性每个磁盘MTTF为20万小时，100个无容错阵列的MTTF为2000小时。R(t) = R100(t)=(e-lt)100= e

8、-100lt= e-l tl=100lMFFF = 1/ l = 1/100l = MTTF/1002022/9/21313. 磁盘阵列RAIDRedundant Array of磁盘阵列的类型RAID-0：非冗余的磁盘阵列。RAID-1：镜像磁盘冗余阵列。RAID-2：海明码纠错冗余的磁盘阵列，位交叉。RAID-3：奇偶校验冗余的磁盘阵列，位交叉。RAID-4：独立传送磁盘阵列，块交叉，校验盘是瓶颈。RAID-5：独立传送磁盘阵列，块交叉，分布的冗余校验。RAID-6：P+Q冗余技术，增强纠错能力。2022/9/2132磁盘阵列的类型RAID-0：非冗余的磁盘阵列。2022/9/ 2022/

9、9/2133 2022/9/2134 2022/9/2135 2022/9/2136 2022/9/2137 3. 磁盘阵列2022/9/21383. 磁盘阵列2022/9/21403. 磁盘阵列（续）2022/9/21393. 磁盘阵列（续）2022/9/2141复合RAID将多个RAID 类型结合成一个RAID。例如RAID 0+1或称 RAID 0/1 2022/9/2140复合RAID将多个RAID 类型结合成一个RAID。20224. 光盘存储设备类型：只读型、Worm型、可擦写型。(1) 只读型凹坑信息记录载体，压制形成，边界代表1，平面代表0光道螺旋形，恒线速通道码(2, 10;

10、 8, 14, 1)RLL编码， 14位代码表示8位数据帧记录24字节有效数据，CIRC编码，共32字节扇区98个帧，2352字节有效数据，2048字节用户数据2022/9/21414. 光盘存储设备类型：只读型、Worm型、可擦写型。2024. 光盘存储设备（续）2022/9/21424. 光盘存储设备（续）2022/9/21444. 光盘存储设备（续）(2) WORM型强激光烧灼出凹坑(3) 可擦写型相变型：晶态与非晶态转换磁光型：激光与磁场调制记录，克尔效应读取2022/9/21434. 光盘存储设备（续）(2) WORM型2022/9/217.2 基本的输入输出方式 一、外设的寻址统一

11、编址法存储器映像的外设寻址memory mapped addressing用不同的地址值区分内存与外设单独编址法两个地址空间用不同的地址空间区分内存与外设2022/9/21447.2 基本的输入输出方式 一、外设的寻址2022/9/2外设的寻址地址空间存储器地址空间I/O地址空间0M-1M+N-10M-10N-1设备0设备1设备n-1设备0设备1设备n-1统一编址法单独编址法2022/9/2145外设的寻址地址空间存储器地址空间I/O地址空间0M-1M+N统一编址法2022/9/2146统一编址法2022/9/2148单独编址法两个地址空间的实现两套地址线一套地址线2022/9/2147单独编

12、址法两个地址空间的实现两套地址线一套地址线20二、外设的定时异步应答方式同步时钟定时字设备与块设备2022/9/2148二、外设的定时异步2022/9/2150三、程序查询方式由主机控制输入输出过程设备接口的结构：2022/9/2149三、程序查询方式由主机控制输入输出过程设备接口的结CPU处理过程：2022/9/2150CPU处理过程：2022/9/2152信号传输过程：2022/9/2151信号传输过程：2022/9/2153接口例子：2022/9/2152接口例子：2022/9/21547.3 程序中断方式interrupt一、基本概念中断是一种在发生了一个异常事件时调用相应的处理程序(

13、或称服务程序)的过程。中断服务程序与中断时CPU正在运行的程序是相互独立的，相互不传递数据。中断处理中的问题：(1) 设备识别方式(2) 中断处理程序入口地址的形成(3) 中断裁决(4) 中断屏蔽2022/9/21537.3 程序中断方式interrupt一、基本概念2022二、中断响应过程简单的中断处理过程： 关中断（屏蔽中断） 保存现场context saving 识别中断interrupt recognition 形成服务程序入口地址 执行服务程序 恢复现场 开中断2022/9/2154二、中断响应过程简单的中断处理过程：2022/9/2156设备的识别问题1CPU轮询(CPU poll

14、ing) CPU依次发出不同设备的识别号，相应的设备做出回答中断向量(interrupt vector) 由设备主动向CPU发出识别信息2022/9/2155设备的识别问题1CPU轮询(CPU polling)20入口地址形成问题2根据轮询结果形成中断向量表根据识别号检索入口地址通常位于内存起始处2022/9/2156入口地址形成问题2根据轮询结果形成2022/9/2158三、中断裁决问题3三种方式：链式查询独立请求分组链式2022/9/2157三、中断裁决问题3三种方式：2022/9/21592022/9/21582022/9/2160三、中断裁决问题3三种方式：链式查询独立请求分组链式20

15、22/9/2159三、中断裁决问题3三种方式：2022/9/2161三、中断裁决问题3三种方式：链式查询独立请求分组链式2022/9/2160三、中断裁决问题3三种方式：2022/9/2162四、中断屏蔽问题4多重中断中断服务程序也可以被中断中断嵌套实现方法多级中断中断屏蔽响应过程：关中断保存现场识别中断形成服务程序入口地址开中断执行服务程序关中断恢复现场开中断2022/9/2161四、中断屏蔽问题4多重中断响应过程：2022/9/216多级中断给CPU及中断请求都设置优先级由硬件根据优先级确定响应哪一个中断优先编码器I0I1I2I3yxIE中断CPU2022/9/2162多级中断给CPU及中

16、断请求都设置优先级I0yxIE中断CPU中断屏蔽寄存器用软件设置灵活的优先级2022/9/2163中断屏蔽寄存器用软件设置灵活的优先级2022/9/2165中断输入输出方式的接口2022/9/2164中断输入输出方式的接口2022/9/2166程序控制方式输入输出数据传输途径CPU存储器接口外设2022/9/2165程序控制方式输入输出数据传输途径CPU存储器接口外设20227.4 DMA (Direct Memory Access)方式一、基本概念目的减少大批量数据传输时CPU的开销。方法采用专用部件生成访存地址并控制访存过程。传输过程预处理数据传输后处理2022/9/21667.4 DMA

17、 (Direct Memory AccessDMA方式输入输出数据传输途径CPU存储器接口外设2022/9/2167DMA方式输入输出数据传输途径CPU存储器接口外设2022/二、DMA传送方式问题访存冲突解决方法CPU等待DMADMA趁存储器空闲时访问存储器周期挪用cycle stealingCPU与DMA交替访问存储器透明方式2022/9/2168二、DMA传送方式问题2022/9/2170DMA控制流程：2022/9/2169DMA控制流程：2022/9/2171三、DMA控制器结构基本结构2022/9/2170三、DMA控制器结构基本结构2022/9/2172DMA与CPU的连接：20

18、22/9/2171DMA与CPU的连接：2022/9/21737.5 通道方式 通道是一个具有输入输出处理器控制的输入输出部件。通道控制器有自己的指令，即通道命令，能够根据程序控制多个外部设备并提供了DMA共享的功能。一、通道的类型1. 选择通道2. 数组多路通道3. 字节多路通道2022/9/21727.5 通道方式 通道是一个具有输入输出处理器控制的输入二、通道的功能性能指标：流量（吞吐率）字节多路通道的极限流量应大于所接外设的字节传送速率之和；其他两种通道的极限流量应大于所接外设中字节传送速率最大的设备。通道的功能：1. 接受CPU的指令。2. 读取并执行通道程序。3. 控制数据传送。4

19、. 读取外设的状态信息，提供给CPU。5. 发出中断请求。2022/9/2173二、通道的功能性能指标：流量（吞吐率）2022/9/2175三、通道结构的发展通道结构的I/O处理机(IOP)专用处理机（如网卡、显卡上的处理机）外围处理机(PPU)通用机（如双CPU服务器）功能数据转换、数据搜索、数据格式转换、检错纠错、编码/译码，打包/解包2022/9/2174三、通道结构的发展通道结构的I/O处理机(IOP)2022/7.6 输入输出接口与总线SCSI总线1. 特点从通道发展而来传输速度快灵活性好（适用于各种外设）设备独立性采用高级命令系统2022/9/21757.6 输入输出接口与总线SCSI总线1. 2. 信号定义信号电平：单端方式差分方式2022/9/21762. 信号定义信号电平：2022/9/21783. 总线控制地址构成：设备地址(8个)逻辑单元号（逻辑设备号）逻辑分区地址（16到32位块地