陈伟婷《计算机组成原理》ch78输入输出系统.ppt

2019/6/17,1,第七章 输入输出系统,第一节 输入输出设备的类型 第二节 基本的输入输出方式 第三节 中断方式 第四节 DMA方式 第五节 通道方式 第六节 输入输出接口与总线,2019/6/17,2,7.1 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 Panel 2. 打印设备printer 3. 绘图仪plotter,2019/6/17,3,CRT显示器字符的显示,2019/6/17,4,CRT显示器光栅扫描,2019/6/17,5,液晶显示器,2019/6/17,6,液晶显示器,2019/6/17,7,等离子体显示器,2019/6/17,8,2. 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,2019/6/17,9,击打式打印机点阵针式,2019/6/17,10,喷墨式打印机气泡式,2019/6/17,11,喷墨式打印机压电式,2019/6/17,12,激光式打印机,2019/6/17,13,3. 绘图仪,平台式 滚筒式,2019/6/17,14,二、输入设备键盘,keyboard,2019/6/17,15,二、输入设备光笔,2019/6/17,16,二、输入设备鼠标器,mouse,2019/6/17,17,二、输入设备数字化仪digitizer,cursor,2019/6/17,18,二、输入设备触摸屏,Touchscreen,2019/6/17,19,电阻式触摸屏,INT0# SS# SCK MISO MOSI,PENIRQ# Y+ CS# X+ DCLK Y- DOUT X- DIN,Motorola MMC2107,ADS7846,2019/6/17,20,Touchscreen LCD,2019/6/17,21,二、输入设备扫描仪,scanner,2019/6/17,22,三、外存设备 1. 磁记录原理与记录方式,2019/6/17,23,磁性材料的磁滞回归线,H: 外加磁场 B: 磁感应强度,2019/6/17,24,三、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,2019/6/17,25,2019/6/17,26,磁头,2019/6/17,27,磁盘接口disk interface,磁盘控制器,主机接口,设备接口,磁盘适配器,2019/6/17,28,磁盘的技术指标：,存储密度dencity 位密度(linear density, 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,2019/6/17,29,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,2019/6/17,30,磁盘参数,Spindle Speed: 7200rpm, 10000rpm Form 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,2019/6/17,31,3. 磁盘阵列RAID,Redundant 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-100lt= e-l t l=100l MFFF = 1/ l = 1/100l = MTTF/100,2019/6/17,32,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。,2019/6/17,33,2019/6/17,34,2019/6/17,35,2019/6/17,36,2019/6/17,37,2019/6/17,38,3. 磁盘阵列,2019/6/17,39,3. 磁盘阵列（续）,2019/6/17,40,复合RAID,将多个RAID 类型结合成一个RAID。 例如RAID 0+1或称 RAID 0/1,2019/6/17,41,4. 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; 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,2019/6/17,42,4. 光盘存储设备（续）,2019/6/17,43,4. 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,2019/6/17,44,7.2 基本的输入输出方式,一、外设的寻址 统一编址法 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,2019/6/17,45,外设的寻址,地址空间,存储器地址空间,I/O地址空间,0,M-1,M+N-1,0,M-1,0,N-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,2019/6/17,46,统一编址法,2019/6/17,47,单独编址法 两个地址空间的实现,两套地址线,一套地址线,2019/6/17,48,二、外设的定时,异步 应答方式 同步 时钟定时 字设备与块设备,2019/6/17,49,三、程序查询方式 由主机控制输入输出过程,设备接口的结构：,2019/6/17,50,CPU处理过程：,2019/6/17,51,信号传输过程：,2019/6/17,52,接口例子：,2019/6/17,53,7.3 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(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,2019/6/17,54,二、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,2019/6/17,55,设备的识别问题1,CPU轮询(CPU polling) 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,2019/6/17,56,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,2019/6/17,57,三、中断裁决问题3,三种方式： 链式查询 独立请求 分组链式,2019/6/17,58,2019/6/17,59,三、中断裁决问题3,三种方式： 链式查询 独立请求 分组链式,2019/6/17,60,三、中断裁决问题3,三种方式： 链式查询 独立请求 分组链式,2019/6/17,61,四、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,2019/6/17,62,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,I0 I1 I2 I3,y,x,IE,中断CPU,2019/6/17,63,中断屏蔽寄存器,用软件设置灵活的优先级,2019/6/17,64,中断输入输出方式的接口,2019/6/17,65,程序控制方式输入输出数据传输途径,CPU,存储器,接口,外设,2019/6/17,66,7.4 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,2019/6/17,67,DMA方式输入输出数据传输途径,CPU,存储器,接口,外设,2019/6/17,68,二、DMA传送方式,问题 访存冲突 解决方法 CPU等待DMA DMA趁存储器空闲时访问存储器 周期挪用cycle stealing CPU与DMA交替访问存储器 透明方式,2019/6/17,69,DMA控制流程：,2019/6/17,70,三、DMA控制器结构基本结构,2019/6/17,71,DMA与CPU的连接：,2019/6/17,72,7.5 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,2019/6/17,73,二、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. 读取外设的状态信息，提供给CPU。 5. 发出中断请求。,2019/6/17,74,三、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,2019/6/17,75,7.6 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,2019/6/17,76,2. 信号定义,信号电平： 单端方式 差分方式,2019/6/17,77,3. 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位块地址） 通信协议：消息传递 八个阶段（操作状态）： 空闲，仲裁，选择，再选择， 命令，数据，状态，消息 两个异步条件： 注意（有消息发出），复位,2019/6/17,78,操作状态,2019/6/17,79,4. 消息系统,消息的作用： 传递操作信息（如设备执行情况以及操作控制） 消息类型： 单字消息 双字消息 多字消息,2019/6/17,80,SCSI消息（一）,2019/6/17,81,SCSI消息（二）,2019/6/