08计算机系统与网络维护--输入输出设备及系统

1、6 输入输出设备及系统输入输出设备及系统2014年年10月月计算机系统与网络维护学习目标学习目标 知道输入输出设备有哪些 能描述输入输出系统的构成 知道I/O设备与主机交换数据的几种控制方式 知道中断方式的工作原理 知道DMA方式的工作原理 知道通道方式的工作原理 知道总线的作用、有哪几种总线学习内容学习内容 6.1 输入输出设备概述 6.2 I/O接口 6.3 I/O控制方式 6.4 总线6.1 输入输出设备概述输入输出设备概述 概念概念：具有一定操作功能的比较完整和相对：具有一定操作功能的比较完整和相对独立的精密机械电子装置；独立的精密机械电子装置； 功能功能：进行人机交互，完成输入输出功

2、能；：进行人机交互，完成输入输出功能； 特点特点：种类繁多，功能多样，组成与运行原：种类繁多，功能多样，组成与运行原理各不相同；理各不相同； 发展发展：智能化、高可靠性、小型廉价。：智能化、高可靠性、小型廉价。常用的输入输出设备常用的输入输出设备输入设备输入设备输出设备输出设备键盘图形输入设备：鼠标器，图形板，操纵杆，光笔图象输入设备：扫描仪，传真机，摄像机，数码相机条形码阅读器语音与文字输入显示器（字符、图形、图像）打印机（针式、喷墨、激光）绘图仪语音输出6.2 I/O接口接口 I：Input O:Output 6.2.1 I/O接口的功能与结构 6.2.2 常用的I/O接口6.2.1 I/

3、O接口的功能与结构接口的功能与结构 接口基本功能 提供对主机识别（指定、找到）要用的 I/O设备的支持，为每个设备规定几个地址码或者编号。 建立主机和设备之间的控制与通信机制，接收处理器（主设备）的命令，并提交给外部设备，同时，为主设备提供外部设备的状态。 提供主机和设备之间信息交换过程中的数据缓冲机构，如输入数据缓冲寄存器和输出数据缓冲寄存器等。 提供主机和设备之间信息交换过程中的其他特别需求支持，屏蔽外部设备的差异。 I/O接口的结构接口的结构6.2.1 I/O接口的功能与结构接口的功能与结构 命令寄存器命令寄存器和命令译码器和命令译码器 设备选择设备选择 电路电路 设备状态设备状态 标记

4、标记 数据缓冲数据缓冲 寄存器寄存器DBR 控制逻辑电路控制逻辑电路I/O接口接口外外 部部 设设 备备数据线数据线命令命令状态状态数据线数据线命令线命令线状态线状态线CPU地址线地址线串行接口与并行接口 串行接口 只有一条数据线，某时刻只能传输1bit RS-232C标准 并行接口 有多条数据线。如8，某时刻可以传输8bits6.2.2常用的常用的I/O接口接口 USB接口接口 IDE、EIDE接口接口 SCSI接口接口 IEEE 1394串行接口串行接口 AGP 接口接口 PCMCIA接口接口USB接口接口 通用于串行总线通用于串行总线（Universal Serial Bus）USB由一

5、个插在由一个插在PCI总线上的根集线器组成，它的电缆接总线上的根集线器组成，它的电缆接口可以连接口可以连接I/O设备或者扩展集线器。设备或者扩展集线器。USB中有中有4根导线，两根数据线，一根电源，一根地线。根导线，两根数据线，一根电源，一根地线。V1.1总线带宽总线带宽12Mbps，V2.0总线带宽总线带宽400Mbps。 USB接口的一些特点接口的一些特点不必打开机箱来安装新的输入输出设备不必打开机箱来安装新的输入输出设备只需要一根电缆线就可以将所有设备连接起来只需要一根电缆线就可以将所有设备连接起来输入输入/输出设备可以从电缆上得到电源输出设备可以从电缆上得到电源单台计算机最多可以连接单

6、台计算机最多可以连接127个设备个设备系统能支持实时设备（声卡、电话）系统能支持实时设备（声卡、电话）可在计算机运行时安装设备，不必重新启动可在计算机运行时安装设备，不必重新启动IDE、EIDE接口接口 IDE：Integrated Drive Electronics 广泛应用于广泛应用于PC机中，机中，IDE最多连接最多连接2个个IDE设备，设备，EIDE最多连接最多连接4个个IDE设备；设备； IDE读写磁盘的数据传输率一般不超过读写磁盘的数据传输率一般不超过1.5MB/s，EIDE可达可达1218MB/s； IDE接口连接的磁盘设备容量不超过接口连接的磁盘设备容量不超过528M，EIDE

7、无此限制无此限制 EIDE接口通常接在接口通常接在PCI总线上，数据传送带宽由总线上，数据传送带宽由IDE的的8位扩展到位扩展到32位。位。SCSI接口接口 SCSI：Small Computer System Interface应用于工作站和应用于工作站和PC服务器中，成为主机和智能外服务器中，成为主机和智能外设连接的统一设连接的统一I/O接口，可以控制磁盘驱动器、磁接口，可以控制磁盘驱动器、磁带机、光盘、打印机、扫描仪等外设；带机、光盘、打印机、扫描仪等外设；SCSI使用使用50芯或芯或68芯电缆，插座体积较大；芯电缆，插座体积较大； SCSI的发展以及相关标准见下页列表。的发展以及相关标

8、准见下页列表。SCSI接口标准标准总线宽度最高数据传输率（MB/S）连接设备数量SCSI858Fast SCSI8108Wide SCSI16108Fast Wide SCSI162016Ultra SCSI8208Wide Ultra SCSI164016Ultra2 SCSI8408Wide Ultra2 SCSI168016Ultra3 SCSI1616016Ultra3201632016IEEE 1394串行接口串行接口 高速率，实时性好：1394-1995规定200Mbps 400Mbps，1394b规定800Mbps 3.2Gbps； 体积小易安装，连接方便。1394使用6芯电缆，

9、直径约6mm，插座也小； 最多可以连接63个设备，即插即用，支持热插拔。AGP与与PCMCIA接口接口AGP 接口接口 把主存和显存通过芯片组（北桥）直接连接，把主存和显存通过芯片组（北桥）直接连接，提高数据传输率；总线宽度为提高数据传输率；总线宽度为32位，时钟频率位，时钟频率为为66MHz，最高传输率为，最高传输率为528MbpsPCMCIA接口接口 广泛应用于笔记本电脑的接口，广泛应用于笔记本电脑的接口，I、II、III三种三种类型插槽（厚度不同，长宽相同）。类型插槽（厚度不同，长宽相同）。 通常用来插上存储器（通常用来插上存储器（Flash Memory）卡）卡 或或 Fax /Mod

10、em /Network卡等。卡等。6.3 I/O控制方式控制方式 基本概念基本概念 在计算机主机和在计算机主机和 I/O设备之间采用不同的控制方式进行设备之间采用不同的控制方式进行数据传送；数据传送； 各种方式的性能、价格、解决问题的重点不同。各种方式的性能、价格、解决问题的重点不同。 常用的控制方式常用的控制方式 程序直接控制方式程序直接控制方式 程序中断传送方式程序中断传送方式 直接存储器存取方式直接存储器存取方式 I/O通道控制方式通道控制方式6.3.1 程序直接控制方式程序直接控制方式 用户程序直接使用用户程序直接使用 I/O 指令完成输入输出操作。指令完成输入输出操作。 存在问题存在

11、问题 缺点是严重影响系统缺点是严重影响系统性能，性能，CPU与外设只能与外设只能串行工作，串行工作，CPU资源浪资源浪费，降低系统效率。费，降低系统效率。 如果设备出现故障，如果设备出现故障，CPU无法获取正确的设无法获取正确的设备状态信息，则计算机备状态信息，则计算机将可能进入将可能进入“死机死机”局面。局面。6.3.2程序中断传送方式程序中断传送方式 中断系统 中断装置和中断处理程序统称为中断系统中断系统 。 中断过程CPU中断控制装置中断源1中断源2中断源n中断信号内存堆栈 保存当前状态，如地址、寄存器 跳转至中断服务程序6.3.2程序中断传送方式程序中断传送方式 基本概念 通常在程序中

12、安排一条指令，启动外设，然后CPU继续执行程序。当外设完成信号，在结束一条指令执行过程、下一条指令尚未开始的时刻，停下正在运行的程序，保存好运行的现场信息，转去完成数据传送工作，通常传送一个字节或字，传送完毕之后返回原来的程序继续执行。 工作特点 系统在启动外设后到数据准备完成这段时间内CPU一直在执行程序，而不是处于等待状态，一定程度上实现了CPU与外设的并行工作。 多台外设启动后可以同时进行数据交换的准备工作，若多台外设同时发出中断请求信号，CPU可以按照一定的优先顺序进行处理，从而实现了外设的并行工作。IO中断产生：以打印机为例中断产生：以打印机为例发中断请求发中断请求 空闲空闲接收接收

13、数据数据接收接收数据数据准备准备发中断请求发中断请求打印打印打印打印打印机打印机执行主程序执行主程序继续执行主程序继续执行主程序继续执行主程序继续执行主程序响应中断响应中断中断返回中断返回响应中断响应中断中断返回中断返回 启动启动打印机打印机传送传送数据数据传送传送数据数据CPUCPU 与打印机并行工作与打印机并行工作6.3.3直接存储器存取方式直接存储器存取方式 DMA：Direct Memory Access 主要应用于快速I/O设备和主存储器进行快速成批交换数据的场合。 数据的传输过程交由一块专用的DMA接口卡来控制，让DMA卡代替CPU控制。 DMA接口组成：见下页DMA接口接口主主存

14、存CPUDMA 接口组成接口组成DMA 控控 制制 逻逻 辑辑 中中 断断 逻逻 辑辑设备设备HLDAARWCDARHRQ中断请求中断请求数据线数据线地址线地址线+1- 1溢出信号溢出信号DREQDACKBRDMA传送数据的过程传送数据的过程 传送前预处理：传送前预处理：由CPU完成，向DMA卡送入设备识别信号，启动设备，测试设备运行状态，送入内存地址初值，传送数据的数量，DMA的功能控制信号等，然后，CPU继续执行原来的程序。 数据传送：数据传送：在DMA卡控制下自动完成，准备好一个数据，取得总线控制权，进行数据传送，修改卡上主存地址，修改字数计数器内容且检查其值是否为0，不为0则继续传送，

15、若已为0则结束本次数据传送过程。 传送结束后处理：传送结束后处理：数据数量计数器为0，则向CPU发中断请求，CPU响应之后进行相应处理。预处理：主存起始地址设备地址 传送数据个数启动设备DMADMADMA数据传送：继续执行主程序同时完成一批数据传送后处理：中断服务程序做 DMA 结束处理继续执行主程序CPUDMA 传送过程示意允许传送？主存地址送总线数据送I/O设备（或主存 ）主存地址 加 1传送个数 减 1 数据块传送结束？向CPU申请 程序中断DMA请求否否是是数据传送6.3.4 I/O通道控制方式通道控制方式 基本概念基本概念 I/O通道是计算机系统中代替通道是计算机系统中代替CPU管理

16、控制外设的独立部件，是一管理控制外设的独立部件，是一种能执行有限种能执行有限 I/O 指令集合指令集合通道命令的通道命令的 I/O 处理机。处理机。 一对多的连接关系，适应不同速度、不同种类的外部设备，可并一对多的连接关系，适应不同速度、不同种类的外部设备，可并行工作。行工作。 通道功能通道功能 根据根据CPU要求选择某一指定外设与系统相连，向该外设发出操作要求选择某一指定外设与系统相连，向该外设发出操作命令，进行初始化命令，进行初始化 指出外设读指出外设读/写信息的位置以及与外设交换信息的主存缓冲区地址写信息的位置以及与外设交换信息的主存缓冲区地址 控制外设与主存之间的数据交换控制外设与主存

17、之间的数据交换 指定数据传送结束时的操作内容，检查外设状态指定数据传送结束时的操作内容，检查外设状态6.4 总线总线 6.4.1 总线概述 6.4.2 总线的连接方式 6.4.3 常用的总线6.4.1 总线概述总线概述 总线（BUS）是计算机各个部件之间传输信息的公共通路，在任何时刻，只可以有一个部件向总线上发送信息，但却可以有一个或多个部件同时接收信息。 计算机总线由三组信号线组成： 数据总线 地址总线 控制总线存存储储器器I/O接接口口输输入入设设备备I/O接接口口数据总线数据总线 DB控制总线控制总线 CB地址总线地址总线 AB输输出出设设备备 CPU总线周期以及相关概念总线周期以及相关

18、概念 总线周期：通过总线完成一次内存读写操作或者完成一次I/O设备读写操作所需的时间，一般由地址时间和数据时间两个时间段组成： 地址时间：CPU向内存或IO设备送地址信息到地址总线 数据时间：CPU完成数据读写 周期类型：一般分为内存读周期、内存写周期、 I/O读周期、 I/O写周期四种类型 总线的等待状态：由于被读写的部件或设备速度慢，一次数据时间内不能完成读写操作，就要增加一个或多个数据时间继续完成读写操作，在这增加的数据时间里，称总线处于等待状态。它影响系统运行效率，降低系统的性能。信息传送信息传送寻址寻址数据线数据线地址线地址线总线占用期间总线占用期间地址地址数据数据单周期数据传输方式

19、单周期数据传输方式寻址寻址数据数据n地址地址数据数据3数据数据1数据数据2数据线数据线地址线地址线.信息传送信息传送总线占用期间总线占用期间无效无效 猝发数据传输方式猝发数据传输方式总线周期以及相关概念总线周期以及相关概念正常总线周期：每次数据传输都由一次地址时间和一次数据时间组成。（单周期数据传输方式）Burst总线周期：数据传输由一次地址时间和多次数据时间组成，即给出一次地址信息，连续传送多个数据。（猝发数据传输方式）6.4.2 总线的连接方式总线的连接方式 在计算机系统中，根据使用目的和系统设计的不同，总线的连接方式可以有三种： 单总线结构 双总线结构 三总线结构。单总线结构单总线结构

20、早期的计算机，如美国 DEC 公司PDP-11 机只使用一组总线，所有的部件和设备都接在这唯一的总线上，包括数据总线，地址总线，控制总线，其优点是结构简单，成本低廉，缺点是运行效率低输入输入设备设备CPU主存主存输出输出设备设备总线总线双总线结构双总线结构 在CPU和内存之间增加了一组内存总线，专门解决CPU和内存之间数据交换。内存内存CPUI/O接口接口 I/O接口接口 系统总线系统总线内存总线内存总线例：早期的例：早期的PC机机CPU主存主存扩展总线扩展总线控制线路控制线路I/O设备设备1I/O设备设备2处理机总线处理机总线33MHz 4B8BISA / EISA8.33MHz 1 , 2

21、 , 4 B 双总线结构双总线结构 . . . 三总线结构三总线结构 在双总线结构的基础上增加了I/O总线。内存内存CPUI/O接口接口 I/O接口接口 系统总线系统总线内存总线内存总线IOP（通道）（通道）I/O总线总线例：CPU主存主存PCI桥桥I/O设备设备1I/O设备设备2处理机总线处理机总线66MHz4B8BISA / EISA8.33MHz 1 , 2 , 4 B 三总线结构三总线结构 . . . PCI BUS 33MHz 4B扩展总线扩展总线控制线路控制线路I/O设备设备3I/O设备设备4接快速设备接快速设备接慢速设备接慢速设备550MHzIDE2Pentium III北桥北桥440BXAGP南桥南桥PIIX4ECMOS & RTCUSB超级超级I/OIDE1COM1COM2LPT1550MHzL1CacheL2Cache处理机总线处理机总线 100MHz100MHzPCI 总线总线 33MHzPCI 插槽插槽ISA 插槽插槽ISA总线总线 8MHz内存条内存条ROM BIOS显显示示器器硬盘硬盘光驱光驱软驱软驱键盘鼠标键盘鼠标打印机打印机MODEM66MHz显卡显卡6.4.