《計算機組成原理》ch7-8-輸入輸出系統(tǒng)

1、計算機組成原理ch7-8-輸入輸出系統(tǒng)計算機組成原理ch7-8-輸入輸出系統(tǒng)7.1 輸入輸出設(shè)備的類型一、輸出設(shè)備1. 顯示器display顯像管CRT液晶LCD等離子體Plasma Display Panel2. 打印設(shè)備printer3. 繪圖儀plotter2022/9/2127.1 輸入輸出設(shè)備的類型一、輸出設(shè)備2022/9/214CRT顯示器字符的顯示2022/9/213CRT顯示器字符的顯示2022/9/215CRT顯示器光柵掃描2022/9/214CRT顯示器光柵掃描2022/9/216液晶顯示器2022/9/215液晶顯示器2022/9/217液晶顯示器2022/9/216液晶

2、顯示器2022/9/218等離子體顯示器2022/9/217等離子體顯示器2022/9/2192. 打印設(shè)備擊打式impact串行、行式點陣針式、字模式非擊打式non-impact噴墨激光熱轉(zhuǎn)印2022/9/2182. 打印設(shè)備擊打式impact2022/9/2110擊打式打印機點陣針式2022/9/219擊打式打印機點陣針式2022/9/2111噴墨式打印機氣泡式2022/9/2110噴墨式打印機氣泡式2022/9/2112噴墨式打印機壓電式2022/9/2111噴墨式打印機壓電式2022/9/2113激光式打印機2022/9/2112激光式打印機2022/9/21143. 繪圖儀平臺式滾筒

3、式2022/9/21133. 繪圖儀平臺式2022/9/2115二、輸入設(shè)備鍵盤keyboard2022/9/2114二、輸入設(shè)備鍵盤keyboard2022/9/2116二、輸入設(shè)備光筆2022/9/2115二、輸入設(shè)備光筆2022/9/2117二、輸入設(shè)備鼠標(biāo)器mouse2022/9/2116二、輸入設(shè)備鼠標(biāo)器mouse2022/9/2118二、輸入設(shè)備數(shù)字化儀digitizercursor2022/9/2117二、輸入設(shè)備數(shù)字化儀digitizercursor202二、輸入設(shè)備觸摸屏Touchscreen2022/9/2118二、輸入設(shè)備觸摸屏Touchscreen2022/9/2電阻式

4、觸摸屏INT0#SS#SCKMISOMOSIPENIRQ# Y+CS# X+DCLK Y-DOUT X-DINMotorola MMC2107ADS78462022/9/2119電阻式觸摸屏INT0#PENIRQ# Y+MotorolTouchscreen LCD2022/9/2120Touchscreen LCD2022/9/2122二、輸入設(shè)備掃描儀scanner2022/9/2121二、輸入設(shè)備掃描儀scanner2022/9/2123三、外存設(shè)備1. 磁記錄原理與記錄方式2022/9/2122三、外存設(shè)備1. 磁記錄原理與記錄方式2022/9/21磁性材料的磁滯回歸線H: 外加磁場B:

5、 磁感應(yīng)強度2022/9/2123磁性材料的磁滯回歸線H: 外加磁場2022/9/2125三、外存設(shè)備2. 硬盤設(shè)備磁道track扇區(qū)sector柱面cylinder: 具有相同磁道的盤面組成形成一個圓柱2022/9/2124三、外存設(shè)備2. 硬盤設(shè)備磁道track2022/9/22022/9/21252022/9/2127磁頭2022/9/2126磁頭2022/9/2128磁盤接口disk interface磁盤控制器主機接口設(shè)備接口磁盤適配器2022/9/2127磁盤接口disk interface磁盤控制器主機接口設(shè)備磁盤的技術(shù)指標(biāo)：存儲密度dencity位密度(linear densi

6、ty, recording density)道密度(track density)面密度(areal density)存儲容量capacity記錄面數(shù)每面磁道數(shù)每道扇區(qū)數(shù)扇區(qū)容量2022/9/2128磁盤的技術(shù)指標(biāo)：存儲密度dencity2022/9/2130磁盤的技術(shù)指標(biāo)：平均訪問時間Average access time每次磁盤訪問時間的平均值控制延遲controller delay尋道時間seek time旋轉(zhuǎn)延遲latency傳輸延遲transfer delay數(shù)據(jù)傳輸率Data transfer rate連續(xù)從磁盤上讀寫數(shù)據(jù)的速率2022/9/2129磁盤的技術(shù)指標(biāo)：平均訪問時間Ave

7、rage access t磁盤參數(shù)Spindle Speed: 7200rpm, 10000rpmForm factor: 5.25”, 3.5”, 2.5”, 1,8”尋道時間：磁頭移動到指定磁道的平均時間傳輸延遲：數(shù)據(jù)傳輸時間多個磁道連續(xù)讀寫的問題多個磁頭讀寫的問題2022/9/2130磁盤參數(shù)Spindle Speed: 7200rpm, 103. 磁盤陣列RAIDRedundant Array of Inexpensive Disks目的：提高容量，提高可靠性每個磁盤MTTF為20萬小時，100個無容錯陣列的MTTF為2000小時。R(t) = R100(t)=(e-lt)100= e

8、-100lt= e-l tl=100lMFFF = 1/ l = 1/100l = MTTF/1002022/9/21313. 磁盤陣列RAIDRedundant Array of磁盤陣列的類型RAID-0：非冗余的磁盤陣列。RAID-1：鏡像磁盤冗余陣列。RAID-2：海明碼糾錯冗余的磁盤陣列，位交叉。RAID-3：奇偶校驗冗余的磁盤陣列，位交叉。RAID-4：獨立傳送磁盤陣列，塊交叉，校驗盤是瓶頸。RAID-5：獨立傳送磁盤陣列，塊交叉，分布的冗余校驗。RAID-6：P+Q冗余技術(shù)，增強糾錯能力。2022/9/2132磁盤陣列的類型RAID-0：非冗余的磁盤陣列。2022/9/ 2022/

9、9/2133 2022/9/2134 2022/9/2135 2022/9/2136 2022/9/2137 3. 磁盤陣列2022/9/21383. 磁盤陣列2022/9/21403. 磁盤陣列（續(xù)）2022/9/21393. 磁盤陣列（續(xù)）2022/9/2141復(fù)合RAID將多個RAID 類型結(jié)合成一個RAID。例如RAID 0+1或稱 RAID 0/1 2022/9/2140復(fù)合RAID將多個RAID 類型結(jié)合成一個RAID。20224. 光盤存儲設(shè)備類型：只讀型、Worm型、可擦寫型。(1) 只讀型凹坑信息記錄載體，壓制形成，邊界代表1，平面代表0光道螺旋形，恒線速通道碼(2, 10;

10、 8, 14, 1)RLL編碼， 14位代碼表示8位數(shù)據(jù)幀記錄24字節(jié)有效數(shù)據(jù)，CIRC編碼，共32字節(jié)扇區(qū)98個幀，2352字節(jié)有效數(shù)據(jù)，2048字節(jié)用戶數(shù)據(jù)2022/9/21414. 光盤存儲設(shè)備類型：只讀型、Worm型、可擦寫型。2024. 光盤存儲設(shè)備（續(xù)）2022/9/21424. 光盤存儲設(shè)備（續(xù)）2022/9/21444. 光盤存儲設(shè)備（續(xù)）(2) WORM型強激光燒灼出凹坑(3) 可擦寫型相變型：晶態(tài)與非晶態(tài)轉(zhuǎn)換磁光型：激光與磁場調(diào)制記錄，克爾效應(yīng)讀取2022/9/21434. 光盤存儲設(shè)備（續(xù)）(2) WORM型2022/9/217.2 基本的輸入輸出方式 一、外設(shè)的尋址統(tǒng)一

11、編址法存儲器映像的外設(shè)尋址memory mapped addressing用不同的地址值區(qū)分內(nèi)存與外設(shè)單獨編址法兩個地址空間用不同的地址空間區(qū)分內(nèi)存與外設(shè)2022/9/21447.2 基本的輸入輸出方式 一、外設(shè)的尋址2022/9/2外設(shè)的尋址地址空間存儲器地址空間I/O地址空間0M-1M+N-10M-10N-1設(shè)備0設(shè)備1設(shè)備n-1設(shè)備0設(shè)備1設(shè)備n-1統(tǒng)一編址法單獨編址法2022/9/2145外設(shè)的尋址地址空間存儲器地址空間I/O地址空間0M-1M+N統(tǒng)一編址法2022/9/2146統(tǒng)一編址法2022/9/2148單獨編址法兩個地址空間的實現(xiàn)兩套地址線一套地址線2022/9/2147單獨編

12、址法兩個地址空間的實現(xiàn)兩套地址線一套地址線20二、外設(shè)的定時異步應(yīng)答方式同步時鐘定時字設(shè)備與塊設(shè)備2022/9/2148二、外設(shè)的定時異步2022/9/2150三、程序查詢方式由主機控制輸入輸出過程設(shè)備接口的結(jié)構(gòu)：2022/9/2149三、程序查詢方式由主機控制輸入輸出過程設(shè)備接口的結(jié)CPU處理過程：2022/9/2150CPU處理過程：2022/9/2152信號傳輸過程：2022/9/2151信號傳輸過程：2022/9/2153接口例子：2022/9/2152接口例子：2022/9/21547.3 程序中斷方式interrupt一、基本概念中斷是一種在發(fā)生了一個異常事件時調(diào)用相應(yīng)的處理程序(

13、或稱服務(wù)程序)的過程。中斷服務(wù)程序與中斷時CPU正在運行的程序是相互獨立的，相互不傳遞數(shù)據(jù)。中斷處理中的問題：(1) 設(shè)備識別方式(2) 中斷處理程序入口地址的形成(3) 中斷裁決(4) 中斷屏蔽2022/9/21537.3 程序中斷方式interrupt一、基本概念2022二、中斷響應(yīng)過程簡單的中斷處理過程： 關(guān)中斷（屏蔽中斷） 保存現(xiàn)場context saving 識別中斷interrupt recognition 形成服務(wù)程序入口地址 執(zhí)行服務(wù)程序 恢復(fù)現(xiàn)場 開中斷2022/9/2154二、中斷響應(yīng)過程簡單的中斷處理過程：2022/9/2156設(shè)備的識別問題1CPU輪詢(CPU poll

14、ing) CPU依次發(fā)出不同設(shè)備的識別號，相應(yīng)的設(shè)備做出回答中斷向量(interrupt vector) 由設(shè)備主動向CPU發(fā)出識別信息2022/9/2155設(shè)備的識別問題1CPU輪詢(CPU polling)20入口地址形成問題2根據(jù)輪詢結(jié)果形成中斷向量表根據(jù)識別號檢索入口地址通常位于內(nèi)存起始處2022/9/2156入口地址形成問題2根據(jù)輪詢結(jié)果形成2022/9/2158三、中斷裁決問題3三種方式：鏈?zhǔn)讲樵儶毩⒄埱蠓纸M鏈?zhǔn)?022/9/2157三、中斷裁決問題3三種方式：2022/9/21592022/9/21582022/9/2160三、中斷裁決問題3三種方式：鏈?zhǔn)讲樵儶毩⒄埱蠓纸M鏈?zhǔn)?0

15、22/9/2159三、中斷裁決問題3三種方式：2022/9/2161三、中斷裁決問題3三種方式：鏈?zhǔn)讲樵儶毩⒄埱蠓纸M鏈?zhǔn)?022/9/2160三、中斷裁決問題3三種方式：2022/9/2162四、中斷屏蔽問題4多重中斷中斷服務(wù)程序也可以被中斷中斷嵌套實現(xiàn)方法多級中斷中斷屏蔽響應(yīng)過程：關(guān)中斷保存現(xiàn)場識別中斷形成服務(wù)程序入口地址開中斷執(zhí)行服務(wù)程序關(guān)中斷恢復(fù)現(xiàn)場開中斷2022/9/2161四、中斷屏蔽問題4多重中斷響應(yīng)過程：2022/9/216多級中斷給CPU及中斷請求都設(shè)置優(yōu)先級由硬件根據(jù)優(yōu)先級確定響應(yīng)哪一個中斷優(yōu)先編碼器I0I1I2I3yxIE中斷CPU2022/9/2162多級中斷給CPU及中

16、斷請求都設(shè)置優(yōu)先級I0yxIE中斷CPU中斷屏蔽寄存器用軟件設(shè)置靈活的優(yōu)先級2022/9/2163中斷屏蔽寄存器用軟件設(shè)置靈活的優(yōu)先級2022/9/2165中斷輸入輸出方式的接口2022/9/2164中斷輸入輸出方式的接口2022/9/2166程序控制方式輸入輸出數(shù)據(jù)傳輸途徑CPU存儲器接口外設(shè)2022/9/2165程序控制方式輸入輸出數(shù)據(jù)傳輸途徑CPU存儲器接口外設(shè)20227.4 DMA (Direct Memory Access)方式一、基本概念目的減少大批量數(shù)據(jù)傳輸時CPU的開銷。方法采用專用部件生成訪存地址并控制訪存過程。傳輸過程預(yù)處理數(shù)據(jù)傳輸后處理2022/9/21667.4 DMA

17、 (Direct Memory AccessDMA方式輸入輸出數(shù)據(jù)傳輸途徑CPU存儲器接口外設(shè)2022/9/2167DMA方式輸入輸出數(shù)據(jù)傳輸途徑CPU存儲器接口外設(shè)2022/二、DMA傳送方式問題訪存沖突解決方法CPU等待DMADMA趁存儲器空閑時訪問存儲器周期挪用cycle stealingCPU與DMA交替訪問存儲器透明方式2022/9/2168二、DMA傳送方式問題2022/9/2170DMA控制流程：2022/9/2169DMA控制流程：2022/9/2171三、DMA控制器結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)2022/9/2170三、DMA控制器結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)2022/9/2172DMA與CPU的連接：20

18、22/9/2171DMA與CPU的連接：2022/9/21737.5 通道方式 通道是一個具有輸入輸出處理器控制的輸入輸出部件。通道控制器有自己的指令，即通道命令，能夠根據(jù)程序控制多個外部設(shè)備并提供了DMA共享的功能。一、通道的類型1. 選擇通道2. 數(shù)組多路通道3. 字節(jié)多路通道2022/9/21727.5 通道方式 通道是一個具有輸入輸出處理器控制的輸入二、通道的功能性能指標(biāo)：流量（吞吐率）字節(jié)多路通道的極限流量應(yīng)大于所接外設(shè)的字節(jié)傳送速率之和；其他兩種通道的極限流量應(yīng)大于所接外設(shè)中字節(jié)傳送速率最大的設(shè)備。通道的功能：1. 接受CPU的指令。2. 讀取并執(zhí)行通道程序。3. 控制數(shù)據(jù)傳送。4

19、. 讀取外設(shè)的狀態(tài)信息，提供給CPU。5. 發(fā)出中斷請求。2022/9/2173二、通道的功能性能指標(biāo)：流量（吞吐率）2022/9/2175三、通道結(jié)構(gòu)的發(fā)展通道結(jié)構(gòu)的I/O處理機(IOP)專用處理機（如網(wǎng)卡、顯卡上的處理機）外圍處理機(PPU)通用機（如雙CPU服務(wù)器）功能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)搜索、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、檢錯糾錯、編碼/譯碼，打包/解包2022/9/2174三、通道結(jié)構(gòu)的發(fā)展通道結(jié)構(gòu)的I/O處理機(IOP)2022/7.6 輸入輸出接口與總線SCSI總線1. 特點從通道發(fā)展而來傳輸速度快靈活性好（適用于各種外設(shè)）設(shè)備獨立性采用高級命令系統(tǒng)2022/9/21757.6 輸入輸出接口與總線SCSI總線1. 2. 信號定義信號電平：單端方式差分方式2022/9/21762. 信號定義信號電平：2022/9/21783. 總線控制地址構(gòu)成：設(shè)備地址(8個)邏輯單元號（邏輯設(shè)備號）邏輯分區(qū)地址（16到32位塊地