陈伟婷计算机组成原理ch7 8 输入输出系统

1、11/14/20211第一节第一节 输入输出设备的类型输入输出设备的类型第二节第二节 基本的输入输出方式基本的输入输出方式 第三节第三节 中断方式中断方式第四节第四节 dma方式方式第五节第五节 通道方式通道方式第六节第六节 输入输出接口与总线输入输出接口与总线11/14/202127.1 输入输出设备的类型输入输出设备的类型一、输出设备一、输出设备u1. 显示器display显像管crt液晶lcd等离子体plasma display panelu2. 打印设备printeru3. 绘图仪plotter11/14/20213crt显示器字符的显示11/14/20214crt显示器光栅扫描偏转线

2、圈显示屏荫罩电子枪11/14/20215液晶显示器光线扭转的光线液晶分子电极(b) 不透光状态(a) 透光状态(偏震光被扭转 90 度)偏光镜横向排列垂直排列纵向排列偏光镜电极玻璃面板玻璃11/14/20216液晶显示器11/14/20217等离子体显示器放电荧光体电极光线玻璃透明电极11/14/202182. 打印设备n击打式impact串行、行式点阵针式、字模式n非击打式non-impact喷墨激光热转印11/14/20219击打式打印机点阵针式滚筒打印纸色带打印针针管线圈铁心衔铁11/14/202110喷墨式打印机气泡式气泡11/14/202111喷墨式打印机压电式供墨水导管喷嘴墨水压电

3、体11/14/202112激光式打印机粉仓打印纸磁辊感光鼓转印辊定影辊清洁刮充电激光11/14/2021133. 绘图仪n平台式n滚筒式11/14/202114二、输入设备二、输入设备键盘键盘+5v并行端口并 行 端 口keyboard11/14/202115二、输入设备二、输入设备光笔光笔光传感器件信号处理电路11/14/202116二、输入设备二、输入设备鼠标器鼠标器滚球垂直轴水平轴支撑轮垂直轮水平轮转角计数转角计数mouse11/14/202117二、输入设备二、输入设备数字化仪数字化仪digitizer游标图形板电缆cursor11/14/202118二、输入设备二、输入设备触摸屏触摸

4、屏红外线屏幕接收头发射头touchscreen11/14/202119电阻式触摸屏int0#ss#sckmisomosipenirq# y+cs# x+dclk y-dout x-dinmotorola mmc2107ads784611/14/202120touchscreen lcd11/14/202121二、输入设备二、输入设备扫描仪扫描仪a/d 转换接口ccd被扫描纸张数据输出移动方向反射光光源scanner11/14/202122三、外存设备1. 磁记录原理与记录方式线圈写信号磁头读信号运动方向基片表面磁层snsnsn11/14/202123磁性材料的磁滞回归线edcb0abhh: 外

5、加磁场b: 磁感应强度11/14/202124三、外存设备2. 硬盘设备磁头浮起磁头在盘面上滑动盘片快速转动盘片慢速转动盘片静止时磁头降落在盘面上气流气流磁道track扇区sector柱面cylinder: 具有相同磁道的盘面组成形成一个圆柱11/14/20212511/14/202126磁头11/14/202127磁盘接口disk interfacescsi 接口 esdi 接口 st506 接口格式控制写放大器读放大器时钟产生数据译码数据编码串并转换并串转换数据缓存dma控制磁盘控制器主机接口设备接口磁盘适配器11/14/202128磁盘的技术指标：n存储密度dencity位密度(line

6、ar density, recording density)道密度(track density)面密度(areal density)n存储容量capacity记录面数每面磁道数每道扇区数扇区容量11/14/202129磁盘的技术指标：n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 delayn数据传输率data transfer rate连续从磁盘上读写数据的速率11/14/202130磁盘参数n spindle speed: 7200rpm, 1000

7、0rpmn form factor: 5.25”, 3.5”, 2.5”, 1,8”n 寻道时间：磁头移动到指定磁道的平均时间n 传输延迟：数据传输时间n 多个磁道连续读写的问题n 多个磁头读写的问题11/14/2021313. 磁盘阵列raidn redundant array of inexpensive disksn 目的：提高容量，提高可靠性n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 tl=100lmfff = 1/ l = 1/100l = mttf/10011/14/202

8、132磁盘阵列的类型n raid-0：非冗余的磁盘阵列。n raid-1：镜像磁盘冗余阵列。n raid-2：海明码纠错冗余的磁盘阵列，位交叉。n raid-3：奇偶校验冗余的磁盘阵列，位交叉。n raid-4：独立传送磁盘阵列，块交叉，校验盘是瓶颈。n raid-5：独立传送磁盘阵列，块交叉，分布的冗余校验。n raid-6：p+q冗余技术，增强纠错能力。11/14/202133 11/14/202134 11/14/202135 11/14/202136 11/14/202137 11/14/2021383. 磁盘阵列(a) 存储的数据磁盘 1磁盘 2磁盘 3磁盘 4磁盘 5磁盘 6磁盘

9、7磁盘 8 (b) raid-1 (c) raid-2 (d) raid-3a0b0c0d0a1b1c1d1a2b2c2d2a3b3c3d3d0c0a0b0b0a0d0c0a3a2a1a0d1c1b1a1d1c1b1a1b3b2b1b0d2c2b2a2d2c2b2a2c3c2c1c0d3c3b3a3d3c3b3a3d3d2d1d0dpcpbpapdh0ch0bh0ah0a3a2a1a0dh1ch1bh1ah1b3b2b1b0dh2ch2bh2ah2c3c2c1c0d3d2d1d011/14/2021393. 磁盘阵列（续） 磁盘 1 磁盘 2 磁盘 3 磁盘 4 磁盘 5 磁盘 6 (e) r

10、aid-4 (f) raid-5 (g) raid-6 各种磁盘阵列中数据和校验信息存放位置 a3 a2 a1 a0 a3 a2 a1 a0 a3 a2 a1 a0 p3 b2 b1 b0 p3 b2 b1 b0 b3 b2 b1 b0 q3 p2 c1 c0 b3 p2 c1 c0 c3 c2 c1 c0 b3 q2 p1 d0 c3 c2 p1 d0 d3 d2 d1 d0 c3 c2 q1 p0 d3 d2 d1 p0 p3 p2 p1 p0 d3 d2 d1 q0 11/14/202140复合raidn将多个raid 类型结合成一个raid。n例如raid 0+1或称 raid 0/1

11、 11/14/2021414. 光盘存储设备n 类型：只读型、worm型、可擦写型。n (1) 只读型u凹坑信息记录载体，压制形成，边界代表1，平面代表0u光道螺旋形，恒线速u通道码(2, 10; 8, 14, 1)rll编码， 14位代码表示8位数据u帧记录24字节有效数据，circ编码，共32字节u扇区98个帧，2352字节有效数据，2048字节用户数据 1 0 0 0 0 00 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0凹坑铝泊密封基片记录数11/14/2021424. 光盘存储设备（续） (a) 帧的结构 (b) 扇区的结构 光盘的数据结构 ecc 数据 i

12、d 同步 同步 子码 p 校验 数据 q 校验 数据 288b 4 12 4 4 12 12 1 3 2048 11/14/2021434. 光盘存储设备（续）n(2) worm型强激光烧灼出凹坑n(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11/14/2021447.2 基本的输入输出方式基本的输入输出方式 一、外设的寻址一、外设的寻址u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u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11/14/202145外设的寻址外设的寻址地址空间存储器地址

13、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11/14/202146统一编址法11/14/202147单独编址法两个地址空间的实现两套地址线一套地址线11/14/202148二、外设的定时二、外设的定时n异步应答方式n同步时钟定时n字设备与块设备11/14/202149三、程序查询方式三、程序查询方式由主机控制输入输出过程地址译码器数据寄存器命令寄存器rdwe地址有效总线数据线地址线外设接口外设控制信号外设数据外设状态状态寄存器设备接口的结构：11/14/202150cpu处理过程：读外设状态完成?yynnready?传送

14、数据启动外设11/14/202151信号传输过程： 状态寄存器 数据寄存器 2 控制器 alu 数据寄存器 1 地址寄存器 命令寄存器 数据寄存器 地址译码器 设备接口 cpu 11/14/202152接口例子： 内部总线 wr rd rs1 rs0 控制电路 数据总线 状态 控制 i/o 数据 i/o 数据 选寄存器 选寄存器 写 读 选片 cs 状态寄存器 控制寄存器 b端寄存器 a端寄存器 总线缓冲 11/14/2021537.3 程序中断方式程序中断方式interrupt一、基本概念一、基本概念n 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。n 中断服务程

15、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。n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11/14/202154二、中断响应过程二、中断响应过程n简单的中断处理过程：l 关中断（屏蔽中断）l 保存现场context savingl 识别中断interrupt recognitionl 形成服务程序入口地址l 执行服务程序l 恢复现场l 开中断11/14/202155设备的识别问题1ncpu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n中断向量(interrupt vector)

16、由设备主动向cpu发出识别信息11/14/202156入口地址形成问题2n根据轮询结果形成n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11/14/202157三、中断裁决三、中断裁决问题3n三种方式：链式查询独立请求分组链式igirir: 中断请求ig: 中断许可cpu设备 n设备 111/14/202158s qrir中断向量igout向量地址延迟中断请求igin11/14/202159三、中断裁决三、中断裁决问题3n三种方式：u链式查询u独立请求u分组链式ir1ig1 .irnignirx: 中断请求igx: 中断许可cpu设备 n设备 111/14/202160三、中断裁决三、中

17、断裁决问题3n三种方式：u链式查询u独立请求u分组链式ir1ig1.irnigncpu设备设备设备设备11/14/202161四、中断屏蔽四、中断屏蔽问题4n 多重中断多重中断中断服务程序也可以被中断中断嵌套n 实现方法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开中断执行服务程序关中断关中断恢复现场开中断11/14/202162多级中断多级中断n给cpu及中断请求都设置优先级n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cpu11/14/202163中断屏蔽寄存器中断屏蔽寄存器321ie0321y中断 cpuirx屏蔽寄存器中

18、断寄存器优先编码器ir3ir2ir1ir00i0i1i2i3n用软件设置灵活的优先级11/14/202164中断输入输出方式的接口 数据缓存 中断判优电路 接口 控制 数据寄存器 地址寄存器 中断屏蔽寄存器 中断请求寄存器 接口控制 电路 cpu 外设 接口 we rd ig ir 地址 数据 数据 完成 启动 状态寄存器 地址译码 命令寄存器 ram 11/14/202165程序控制方式输入输出数据传输途径cpu存储器接口外设11/14/2021667.4 dma (direct memory access)方式方式一、基本概念一、基本概念n目的目的减少大批量数据传输时cpu的开销。n方法方

19、法采用专用部件生成访存地址并控制访存过程。n传输过程传输过程预处理数据传输后处理11/14/202167dma方式输入输出数据传输途径cpu存储器接口外设11/14/202168二、二、dma传送方式传送方式n问题访存冲突n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 stealingucpu与dma交替访问存储器 透明方式11/14/202169dma控制流程：dma请求dma响应发送内存地址内存地址加 1传送一个数据n结束？11/14/202170三、三、dma控制器结构控制器结构基本结构 控制逻辑 ds rs rd wr br bg 中断机构 标志寄存器 字

20、计数器 数据寄存器 地址计数器 系统总线 ig ir 命令寄存器 11/14/202171dma与cpu的连接： ds rs br bg ir 外设 dma 响应 dma 请求 dma ram cpu rd wr add data rd wr add data rd wr add data br bg ir 地址选择 ig ig 11/14/2021727.5 通道方式通道方式 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

21、了多个外部设备并提供了dma共享的功能。共享的功能。一、通道的类型一、通道的类型1. 选择通道2. 数组多路通道3. 字节多路通道11/14/202173二、通道的功能二、通道的功能n 性能指标：流量（吞吐率）n 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。送速率最大的设备。n 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。11

22、/14/202174三、通道结构的发展三、通道结构的发展n通道结构的通道结构的i/o处理机处理机(iop)专用处理机（如网卡、显卡上的处理机）n外围处理机外围处理机(ppu)通用机（如双cpu服务器）n功能功能数据转换、数据搜索、数据格式转换、检错纠错、编码/译码，打包/解包11/14/2021757.6 输入输出接口与总线输入输出接口与总线scsi总线1. 特点n从通道发展而来n传输速度快n灵活性好（适用于各种外设）n设备独立性n采用高级命令系统11/14/2021762. 信号定义线号信号名线号信号名 1gnd 2db(0) 3gnd 4db(1) 5gnd 6db(2) 7gnd 8db

23、(3) 9gnd10db(4)11gnd12db(5)13gnd14db(6)15gnd16db(7)17gnd18db(p)19gnd20gnd21gnd22gnd23保留24保留25开路26termpwr27保留28保留29gnd30gnd31gnd32atn33gnd34gnd35gnd36bsy37gnd38ack39gnd40rst41gnd42msg43gnd44sel45gnd46c/d47gnd48req49gnd50i/o信号电平：单端方式差分方式11/14/2021773. 总线控制n 地址构成：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

24、地址）n 通信协议：通信协议：消息传递n 八个阶段（操作状态）：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n 两个异步条件：两个异步条件：注意（有消息发出），复位11/14/202178操作状态消息阶段状态阶段数据阶段命令阶段消息阶段再选阶段仲裁阶段选择阶段空闲阶段11/14/2021794. 消息系统n 消息的作用：消息的作用：传递操作信息（如设备执行情况以及操作控制）n 消息类型：消息类型： 单字消息 双字消息 多字消息01 (扩展消息)n (消息长度)x (消息码)消息参数11/14/202180scsi消息（一）代码代码消息名消息名说明说明00command

25、 complete目标设备完成一个 i/o 操作02save data pointer保存当前活动指针03restore pointers恢复命令指针、数据指针和状态指针04disconnect断开连接05initiator detected error始发设备发现错误06abort撤销操作，使总线进入空闲阶段07message reject不支持刚才发出的消息08no operation空操作09message parity error上一个消息字奇偶错误0alinked command complete链接命令完成0blinked command complete(with flag)链接命令完成（产生中断）11/14/202181scsi消息（二）0dabort tag撤销操作（支持排队标号）0cbus device reset清除目标设备的所有 i/o 进程0eclear queue清除队列0finitiator recovery将进入扩展意外通信条件10release recovery终止扩展偶然通信条件11terminate i/o process终止当前 i/o 进程20simple queue tag21head of queue tag22or