《输入输出与中断》课件

输入输出与中断计算机系统的重要组成部分。处理来自外部世界的数据，并向外部世界输出信息。中断机制用于处理异步事件，提高系统效率。课程概述输入输出系统计算机系统与外界进行信息交换的桥梁，通过输入设备接收指令和数据，通过输出设备将结果呈现给用户。中断机制计算机系统响应外部事件的机制，例如键盘输入、鼠标点击或硬件错误，中断机制可以提高系统效率。磁盘存储器计算机系统的核心存储设备，用于存储操作系统、应用程序和数据文件，影响系统性能的关键因素。网络接口计算机系统连接到网络的接口，用于数据传输和网络通信，影响系统性能和数据传输效率。计算机系统结构计算机系统结构是计算机系统中硬件和软件之间交互关系的描述，包括系统各部分的组成、功能和工作原理。它关注系统层面的设计和实现，为软件提供硬件的抽象模型。主要包括：指令集体系结构（ISA）、存储器组织、总线结构、输入输出系统、中断系统等。输入输出系统概述11.数据交换输入输出系统是计算机系统与外部世界进行信息交换的桥梁，负责数据输入和输出。22.设备管理管理和控制连接到计算机的各种外部设备，例如键盘、鼠标、显示器、打印机、硬盘等。33.驱动程序提供软件接口，使操作系统能够与不同的硬件设备进行交互，实现数据传输。44.中断处理当外部设备需要与CPU交互时，会发出中断请求，系统会暂停当前程序执行，转而处理中断请求。输入输出接口接口卡连接CPU、内存和外设的桥梁，提供数据传输通道。控制逻辑管理数据传输，控制外设工作，处理数据流。数据缓冲器临时存储数据，保证数据传输速度，避免CPU等待。寄存器存储控制信息和状态信息，用于CPU访问和控制外设。程序与输入输出1数据传输程序向设备发送数据，或接收数据。2控制指令程序控制设备的行为，例如启动、停止、调节参数等。3状态信息程序获取设备状态信息，用于判断设备运行状况。4数据格式程序和设备之间的数据格式必须一致，才能保证数据传输的正确性。程序与输入输出设备的交互是通过指令和数据进行的。程序需要向设备发送控制指令和数据，并接收设备反馈的状态信息和数据。这种交互方式使程序能够有效地控制和利用外部设备，完成各种任务。程序与中断1程序执行正常执行指令2中断事件外部事件发生3中断处理执行中断处理程序4恢复程序返回原程序执行中断是计算机系统中重要的机制，用于处理外部事件或异常情况。程序执行过程中，当发生中断事件时，CPU会暂停当前程序执行，并转去执行中断处理程序。处理完成后，CPU再返回原程序继续执行。中断的类型可屏蔽中断可屏蔽中断可以通过设置中断屏蔽位来禁止，例如键盘中断、鼠标中断等。不可屏蔽中断不可屏蔽中断是必须处理的紧急事件，例如系统错误、硬件故障等。外部中断外部中断由外部设备触发，例如键盘按下、鼠标移动等。内部中断内部中断由CPU内部事件触发，例如算术溢出、除零错误等。中断处理过程中断请求当发生中断事件时，设备会向CPU发送中断请求信号，请求CPU的服务。中断响应CPU接收到中断请求后，会停止当前正在执行的指令，并保存当前程序的执行状态，例如程序计数器、寄存器等信息。中断向量表CPU根据中断类型，从中断向量表中查找相应的中断处理程序地址。中断处理程序CPU跳转到中断处理程序地址，执行中断处理程序代码，完成相应的中断处理工作。恢复现场中断处理程序执行完毕后，CPU会恢复之前保存的程序执行状态，并继续执行被中断的程序。中断响应时间中断响应时间是指从中断发生到处理器开始执行中断处理程序的时间间隔。此时间越短，系统响应中断的能力就越强，性能也越好。中断响应时间主要受以下因素影响：1中断源不同的中断源可能需要不同的时间来传递中断信号。2中断优先级高优先级的中断需要优先处理，因此响应时间会更短。3处理器速度处理器的速度越快，中断响应时间也越短。4硬件设计硬件设计可以影响中断信号的传递效率，从而影响响应时间。中断处理程序编写1中断向量表中断处理程序的入口地址保存在中断向量表中。处理器通过中断号找到对应程序入口地址。2中断处理程序保存现场，执行中断处理，恢复现场。3返回指令中断处理程序执行完毕后，通过返回指令将控制权交回主程序。中断屏蔽与嵌套中断屏蔽中断屏蔽是指暂时禁止某个中断源发出中断请求。它可以用来避免多个中断源同时请求处理，导致系统混乱，从而实现更有效的资源分配。嵌套中断嵌套中断是指在处理一个中断请求的过程中，又发生了另一个中断请求。CPU会根据中断优先级，先处理优先级更高的中断请求，再处理之前的中断请求。应用场景中断屏蔽和嵌套中断在操作系统、实时系统和嵌入式系统中都有广泛的应用，它们可以有效地提高系统效率，保障系统稳定性。输入输出设备输入设备键盘、鼠标、扫描仪和麦克风等设备用于将数据输入到计算机系统中。输出设备显示器、打印机、扬声器和绘图仪等设备用于将计算机处理的结果输出到外部世界。磁盘存储器磁盘存储器是计算机系统中主要的辅助存储器。磁盘存储器用于存储大量数据，可用于长期保存数据。磁盘存储器包含磁盘控制器和磁盘驱动器，提供数据访问和数据传输功能。磁盘与文件系统文件系统为磁盘上的数据组织提供了一种层次结构。它将磁盘划分为多个逻辑块，并将其组织成目录和文件。这些目录和文件可以包含其他目录和文件，形成树状结构。1文件系统提供文件组织2目录文件和目录的组织结构3文件数据存储单位4磁盘物理存储设备磁盘是计算机系统中常用的存储设备，它使用磁性介质来存储数据。文件系统是磁盘上的数据组织方式，它将磁盘划分为不同的逻辑块，并将数据存储在这些逻辑块中。文件系统为应用程序提供了一个抽象层，方便应用程序访问和管理磁盘上的数据。磁盘I/O操作1数据读取磁盘控制器根据寻址信息定位目标扇区。数据从扇区中读取到缓冲区，再传递到内存。2数据写入数据从内存传递到缓冲区，再写入到磁盘目标扇区。控制器负责数据校验和扇区管理。3DMA操作直接内存访问(DMA)技术可直接将数据传输到内存或从内存传输到磁盘，无需CPU干预。块设备驱动程序数据传输块设备驱动程序负责管理数据传输，将数据从主存复制到磁盘或反之。文件系统接口驱动程序与文件系统交互，处理文件读写操作。设备管理驱动程序管理磁盘设备，包括扇区分配、错误处理等。字符设备驱动程序11.概述字符设备驱动程序是为字符设备设计的，用于处理单个字符的输入和输出。22.数据传输字符设备驱动程序通过字符流的方式进行数据传输，通常一次处理一个字符。33.例子常见的字符设备包括键盘、鼠标、串口、终端等。44.功能字符设备驱动程序主要负责控制设备，处理中断，并将数据传递给应用程序。设备管理器管理设备提供统一的设备管理机制，简化应用程序对设备的访问。分配资源管理系统资源，如中断、内存和I/O端口，以确保不同设备间高效使用。驱动程序管理加载、卸载和更新设备驱动程序，确保设备与系统协调工作。错误处理检测和处理设备错误，例如设备故障或驱动程序问题，维护系统稳定运行。终端设备键盘键盘是用户输入文本和指令的主要设备。鼠标鼠标是用户控制光标和选择对象的指向设备。显示器显示器是计算机输出显示信息的设备。打印机打印机是计算机将信息打印到纸张上的输出设备。串行通信接口串行数据传输数据一位一位地依次传输，速度较慢，适合远距离通信。应用广泛常见于RS-232标准，广泛应用于计算机、外设、网络设备之间的通信。异步通信数据传输不需要同步时钟信号，接收方根据起始位和停止位识别数据帧。并行通信接口并行通信接口并行通信接口使用多条线路同时传输数据位，速度快，传输距离短，适用于高速数据传输，例如打印机、硬盘等。特点并行通信接口采用多条数据线，一次传输多位数据，数据传输速度快，适用于高数据速率的设备，如打印机，扫描仪等。应用并行通信接口广泛应用于计算机系统内部的设备连接，例如硬盘驱动器、光驱等。优势与劣势并行通信接口传输速度快，成本低，但接口复杂，传输距离短。网络接口卡连接网络NIC连接计算机与网络，实现数据传输。关键组件NIC包含MAC地址，物理层协议支持。驱动程序NIC需要驱动程序管理硬件操作。总线技术数据传输总线是计算机系统中连接各个组件的关键部分，用于传输数据、地址和控制信号。类型多样常见的总线类型包括内部总线、外部总线和系统总线，它们负责不同级别的连接和通信。带宽影响总线带宽和速度对计算机系统性能有直接影响，决定了数据传输效率。标准规范总线技术遵循行业标准，例如PCI、USB和SATA，以确保不同组件的互操作性。PCI总线高性能总线PCI总线是计算机系统中常用的外部总线，以高性能和可靠性著称。广泛连接它可以连接各种外围设备，如网卡、声卡、显卡等。数据传输PCI总线采用并行数据传输，速度快，支持多种数据传输模式。USB总线通用串行总线USB是一种广泛应用于计算机和外围设备的通信标准。它以其易用性和通用性而闻名。数据传输USB可以用于连接多种设备，例如键盘、鼠标、打印机、扫描仪和存储设备。它还支持数据传输和供电。扩展连接USB总线允许将多个设备连接到一台计算机，并通过USB集线器扩展连接。Firewire总线高速数据传输Firewire总线也称为IEEE1394，是一种串行总线，提供高速数据传输。多设备连接它允许将多个设备连接到同一总线上，例如硬盘驱动器、数码相机和打印机。热插拔功能这意味着可以在系统运行时添加或删除设备，而无需关闭系统。应用领域Firewire总线广泛应用于视频编辑、音频制作和数码摄影领域。输入输出系统性能指标描述吞吐率单位时间内传输的数据量响应时间从请求发出到响应返回的时间间隔延迟数据传输过程中发生的延迟时间利用率设备实际使用时间占总时间的比例输入输出瓶颈磁盘I/O网络I/OCPU内存其他输入输出瓶颈是指系统在处理数据时，由于输入输出设备的性能限制，导致系统性能下降。例如，磁盘I/O瓶颈是指磁盘读写速度跟不上系统处理数据的速度，导致系统出现延迟。输入输出系统优化提高数据传输速度优化驱动程序和设备接口，提高数据传输效率。降低延迟采用高速缓存技术，减少数据访问延迟。平衡负载合理分配任务，避免系统瓶颈，提高整体性能。课程总结本课程介绍了计算机系统的输入输出原理和实践。从基本概念、系统结构、设备驱动程序、总线技术到性能优化，全面阐述了输入输出系统的重要组成部分和关键技术。思