输入输出系统课件

输入输出系统8.1概述一、输入输出系统的发展概况1.早期分散连接CPU运算

和I/O设备串行工作程序查询方式2.接口模块和DMA阶段总线连接CPU和I/O设备并行工作3.具有通道结构的阶段4.具有I/O处理机的阶段中断方式DMA方式，DMA总线接口有数据通路与控制通路，可缓冲早期大型机采用，从属于CPU的处理器专用处理机二、输入输出系统的组成1.I/O软件采用不同技术(1)

I/O指令(2)通道指令CPU指令的一部分通道自身的指令指出数组的首地址、传送字数、操作命令如IBM/370通道指令为64位2.I/O硬件接口模块I/O设备操作码命令码设备码三、I/O设备与主机的联系方式1.I/O设备编址方式(1)统一编址(2)不统一编址用取数、存数指令有专门的I/O指令2.设备寻址用设备选择电路识别是否被选中3.传送方式(1)串行(2)并行8.1数据字命令字命令字01101000起始位终止位9.09ms2×

9.09ms4.联络方式(1)立即响应简单设备如指示灯、开关(2)异步工作采用应答信号I/O设备与CPU不匹配

“Ready”“Strobe”I/O接口I/O设备CPU(3)同步工作采用同步时标8.1并行串行起始位终止位9.09ms2×

9.09ms5.I/O设备与主机的连接方式(1)辐射式连接(2)总线连接外设Ⅰ外设Ⅱ外设Ⅲ主机不便于增删设备每台设备都配有一套控制线路和一组信号线8.1便于增删设备四、I/O设备与主机信息传送的控制方式1.程序查询方式CPU和I/O串行工作踏步等待CPU读I/O状态检查状态未准备就绪出错从I/O接口中读数据到CPU从CPU向主存写入数据CPU向I/O发读指令CPU读I/O状态检查状态完成否未准备就绪现行程序是出错已准备就绪否8.12.程序中断方式I/O工作CPU不查询CPU暂停现行程序自身准备与主机交换信息CPU和I/O并行工作

启动I/O设备现行程序

……中断服务程序KK+1…没有踏步等待现象中断现行程序8.1程序中断方式流程CPU向I/O发读指令CPU读I/O状态检查状态完成否？CPU做其他事情I/O设备工作准备就绪CPUI/O从CPU向主存写入一个字CPU主存从I/O接口中读一个字到CPUI/OCPU中断请求I/OCPU出错是否未错8.13.DMA方式主存和I/O之间有一条直接数据通道不中断现行程序周期挪用（周期窃取）CPU和I/O并行工作存取周期结束CPU执行现行程序CPU执行现行程序DMA请求启动I/OI/O准备I/O准备一个存取周期实现I/O与主存之间的传送8.1三种方式的CPU工作效率比较存取周期结束CPU执行现行程序CPU执行现行程序DMA请求启动I/OI/O准备I/O准备一个存取周期实现I/O与主存之间的传送CPU

执行现行程序CPU查询等待并传输I/O数据CPU

执行现行程序启动I/OI/O准备及传送指令执行周期结束CPU执行现行程序CPU执行现行程序启动I/O中断请求I/O准备I/O准备CPU处理中断服务程序实现I/O与主机之间的传送间断启动I/O启动I/OI/O准备中断请求启动I/OI/O准备一个存取周期DMA请求程序查询方式程序中断方式DMA方式8.1I/O准备及传送间断I/O准备I/O准备8.4程序查询方式一、程序查询流程检查状态标记1设备1准备就绪？检查状态标记N设备N准备就绪？…处理设备1是否否处理设备N是1.查询流程检查状态标记交换数据准备就绪?是否单个设备查询多设备查询测试指令转移指令传送指令2.程序流程设置主存缓冲区首址设置计数值启动外设传送一个数据修改主存地址修改计数值结束I/O传送准备好？传送完？未完是完否8.4

保存寄存器内容②设备选择电路DBRQQ&数据线准备就绪启动命令地址线SEL输入数据启动设备设备工作结束①③④⑤⑥DB二、程序查询方式的接口电路①②③⑤1010④8.4以输入为例⑥8.5程序中断方式一、中断的概念…KK+1QQ+1……中断服务程序1中断服务程序2入口1入口2二、中断服务程序流程1.中断服务程序的流程(1)保护现场(2)中断服务(3)恢复现场(4)中断返回对不同的I/O设备具有不同内容的设备服务中断返回指令2.单重中断和多重中断不允许中断现行的中断服务程序单重中断多重中断允许级别更高的中断源中断现行的中断服务程序中断隐指令完成进栈指令出栈指令程序断点的保护寄存器内容的保护8.5三、程序中断接口芯片8259A的内部结构8.5内部总线缓冲器读/写逻辑级联缓冲器/比较器优先权判别器(PR)中断服务寄存器(ISR)

中断

请求

寄存

器(IRR)中断屏蔽寄存器（IMR）控制逻辑INTINTAD7~D0A0RDWRCSCAS0CAS1CAS2SP/ENIR0IR1IR2IR3IR4IR5IR6IR7内部总线8.6DMA方式一、DMA方式的特点1.DMA和程序中断两种方式的数据通路CPU主存ACC中断接口DMA接口I/O设备中断方式数据传送通路输入指令输出指令DMA方式数据传送通路2.DMA与主存交换数据的三种方式(1)停止CPU访问主存DMA控制器向CPU接管总线请求，控制简单CPU处于不工作状态或保持状态未充分发挥CPU对主存的利用率主存工作时间CPU不执行程序DMA不工作DMA不工作DMA工作CPU控制并使用主存DMA控制并使用主存t8.6(2)周期挪用（或周期窃取）DMA访问主存有三种可能

CPU此时不访存

CPU正在访存，等待CPU访存结束

CPU与DMA同时请求访存此时CPU将总线控制权让给DMA，DMA控制器挪用一个或几个存取周期主存工作时间CPU控制并使用主存DMA控制并使用主存t8.6(3)DMA与CPU交替访问主存工作时间DMA控制并使用主存CPU控制并使用主存tCPU工作周期C1专供DMA访存C2专供CPU

访存所有指令执行过程中的一个基准时间8.6不需要申请建立和归还总线的使用权主存比CPU快C1C2C1C1C1C1C2C2C2C2二、DMA接口的功能和组成1.DMA接口功能(1)向CPU申请

DMA传送(2)处理总线控制权的转交(3)管理系统总线、控制数据传送(4)确定数据传送的首地址和长度(5)DMA传送结束时，给出操作完成信号修正传送过程中的数据地址和长度8.6(通过中断实现)DMA接口主存CPU2.DMA接口组成DMA控制逻辑

中断机构设备HLDAARWCDARHRQ中断请求数据线地址线+1+1溢出信号DREQDACKBR8.6设备地址寄存字计数器缓冲寄存三、DMA的工作过程1.DMA传送过程预处理、数据传送、后处理(1)预处理通过几条输入输出指令预置如下信息通知DMA控制逻辑传送方向（入/出）设备地址DMA的DAR主存地址DMA的AR传送字数DMA的WC8.6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CPU(2)DMA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）修改主存地址修改字计数器数据块传送结束？向CPU申请程序中断DMA请求否否是是数据传送8.6BR设备DMA控制逻辑中断机构ARWCDARDMA接口主存CPU+1+1(3)数据传送过程（输入）DREQ②HRQ③HLDA④地址线⑤DACK⑥①数据线⑦溢出信号中断请求ARWC+1+18.6BRBRBRBRBRBR设备DMA控制逻辑中断机构ARWCDARDMA接口主存CPU+1+1BRDREQ②HRQ③HLDA④地址线⑤DACK⑥①数据线⑦溢出信号中断请求ARWC+1+1(4)数据传送过程（输出）8.6BRBRBRBR(5)后处理校验送入主存的数是否正确是否继续用DMA测试传送过程是否正确，错则转诊断程序由中断服务程序完成8.62.DMA接口与系统的连接方式DMA接口1DMA接口2DMA接口nCPU…主存DMA响应I/O总线数据线地址线DMA请求(1)具有公共请求线的DMA请求8.6(2)独立的DMA请求DMA接口1DMA接口2DMA接口3CPU主存DMA响应1DMA请求1DMA响应2DMA请求2DMA响应3DMA请求3I/O总线数据线地址线8.63.DMA方式与程序中断方式的比较(1)数据传送(2)响应时间(3)处理异常情况(4)中断请求(5)优先级中断方式DMA方式程序硬件指令执行结束存取周期结束能不能低高传送数据后处理8.68.7通道大型机有多I/O，若用中断则中断源过多；若DMA则DMA控制器也过多，因而用通道给I/O归类，每个通道处理器管理多个I/O。通道是一种比DMA更高级的I/O控制部件,有更强的独立处理数据输入输出的功能,能同时控制多台同类型或不同类型的设备。它在一定的硬件基础上利用通道程序实现对I/O的控制,更多地免去了CPU的介入,使系统的并行性更高。1.通道的概念2.通道的功能⑴接受CPU的I/O指令,确定要访问的子通道及外设；⑵根据CPU给出的信息,从内存(或专用寄存器)中读取子通道的通道指令,并分析该指令,向设备控制器和设备发送工作命令；⑶对来自各子通道的数据交换请求,按优先次序进行排队，实现分时工作；⑷根据通道指令给出的交换代码个数和内存始址以及设备中的区域,实现外设和内存之间的代码传送；⑸将外设的中断请求和子通道的中断请求进行排队,按优先次序送往CPU并报告传送情况；⑹控制外部设备执行某些非信息传送的控制操作,如磁带机的引带等；⑺接收外设的状态信息,保存通道状态信息,并可根据需要将这些信息传送到主存指定单元中。3.通道的分类按照输入输出输出的传送方式，通道可分成以下三类：(1)字节多路通道（multiplexorchannel）(2)选择通道（selectorchannel）(3)数组多路通道(Arraymultiplexorchannel)34(1)字节多路通道

A1A2…B1B2C1C2……通道A1B1C1A2B2…C2字节多路通道传送方式示意图字节多路通道是一种简单的低速共享通道，在时间分割的基础上，服务于多台低速和中速外部设备。它包括多个子通道，每个子通道服务于一个设备控制器，可独立地执行通道指令。字节多路通道要求每种设备轮流占用一个很短的时间片,不同的设备在各自分得的时间片内与通道在逻辑上建立不同的传输连接，实现数据的传送。(2)选择通道A1A2…B1B2C1C2……通道A1A2…B2B2C1…图选择通道传送方式C2选择通道是一种高速通道,在物理上它可连接多个设备,但它们不能同时工作。每次只能从中选择一台I/O设备的通道程序,此刻该通道程序独占了整个通道,当它与内存交换完数据后,才能转去执行另一个设备的通道程序,为另一台设备服务。选择通道的信息传送以成组方式高速传送，适合于高速外设，如固定头磁盘等。(3)数组多路通道寻址AA1A2…An寻址BB1B2…Bm寻址B寻址CC1C2…Cp设备A设备B设备C设备C图数组多路通道的传输过程数组多路通道是把字节多路通道和选择通道结合起来一种通道结构,是对选择通道的改进。基本思想是当某设备进行数据传送时,通道只为该设备服务;当设备在执行寻址等辅助操作时,通道暂时断开与这个设备的连接,挂起设备的通道程序为其他设备服务。8.2I/O设备一、概述主机设备控制器机、电磁、光部分I/O接口外部设备外部设备大致分三类键盘、鼠标、打印机、显示器磁盘、光盘、磁带1.人机交互设备2.计算机信息存储设备3.机机通信设备调制解调器等二、输入设备1.键盘2.鼠标3.触摸屏按键判断哪个键按下将此键翻译成ASCII码（编码键盘法）机械式金属球电位器8.2光电式光电转换器三、输出设备1.显示器(1)字符显示(2)图形显示(3)图像显示字符发生器主观图像客观图像2.打印机(1)击打式(2)非击打式点阵式（逐字、逐行）喷墨（逐字）激光（逐页）8.2四、其他1.A/D、D/A2.终端3.汉字处理五、多媒体技术完成显示控制与存储、键盘管理及通信控制模拟/数字（数字/模拟）转换器汉字输入、汉字存储、汉字输出1.什么是多媒体2.多媒体计算机的关键技术8.2由键盘和显示器组成六、外存储器概述磁表面存储器光存储器磁芯磁盘磁带-----

主存的后备和扩充，也称外存。分类:磁表面存储原理1.记录介质在磁表面存储器中，信息是记录在一薄层磁性材料的表面上，这个薄层称为磁层。磁层与所附着的载体被称为记录介质或记录媒体。2.磁头磁头是磁记录设备的关键部件之一，它是一种电磁转换元件，能把电脉冲表示的二进制代码转换成磁记录介质上的磁化状态，即电－磁转换；反过来，能把磁记录介质上的磁化状态转换成电脉冲，即磁－电转换。磁表面存储器的读写原理在读写过程中，记录介质与磁头之间相对运动，一般是记录介质运动而磁头不动。磁头在磁表面存储信息原理图I运动方向1I0硬盘的信息分布在硬盘中信息分布呈如下层次：记录面、圆柱面、磁道、信息块/扇区。1.记录面硬盘驱动器中可有多个盘片（数量为1~20片），每个盘片有两个记录面，每个记录面对应一个磁头。2.磁道在读/写时，磁头固定不动，盘片高速旋转，磁化区构成一个闭合圆环，称为磁道。在盘面上，一条条磁道形成一组同心圆，最外圈的磁道为0号，往内则磁道号逐步增加。（每个盘片可有500~2500条磁道）3.圆柱面

在一个盘组中，各记录面上相同编号（位置）的诸磁道构成一个圆柱面。0n4.信息块/扇区

一条磁道上可存储大约几十KB的信息，往往划分为若干个信息块。按磁道记录格式，硬盘有定长信息块与不定长信息块格式两类。在微型计算机中大多采用定长信息块格式，相应地将一条磁道划分为若干扇区，每个扇区存放一个定长信息块。传统硬盘驱动器的每个磁道上记录的扇区数是相同的，因而存储的信息量也是相同。由于外圈磁道比内圈磁道更长一些，但存储的信息量却相同，所以外圈磁道上明显地存在着浪费。

采用分区域记录（等位密度）技术可以增加硬盘驱动器的容量。由于外圈磁道有更长的周长，所以外层磁道要比内层磁道包含更多的扇区，即外圈磁道上保存的信息比内圈磁道多。

分区域记录的另一个影响是数据传输率随磁头所处的区域而变化。分区域驱动器还是以恒定速度旋转，可是，由于外层区域每磁道有更多的扇区，所以数据传输速度要更快一些。这就是当今驱动器标注最小和最大连续传输速率的原因，因为传输速率取决于磁头读/写的位置。分区域记录技术的使用，大大地提高了硬盘利用率，与采用每磁道固定扇区的硬盘比较，使驱动器增加了20～50％的硬盘容量。

3.平均寻址时间Ta平均找道时间tsa平均等待时间twa(转半周的时间)Ta=Tsa+Twa当磁头接到读/写命令，从原来的位置移动到指定位置，并完成读/写操作的时间叫存取时间。

磁表面存储器在单位时间内与主机之间传送数据的位数或字节数，叫数据传输率Dr。4.数据传输率Dr=D*V记录密度记录介质的运动速度例题:

磁盘组有6片磁盘，每片有两个记录面，最上最下两面不用。存储区域内直径22cm，外直径33cm,道密度为40道/cm,位密度400位/cm,转速2400转/分，问：1、共有多少柱面？2、盘组总存储容量是多少？3、数据传输率多少？4、采用定长数据块记录格式，直接寻址的最小单位是什么?寻址命令中如何表示磁盘地址？5、如果某文件长度超过一个磁道的容量，应将它记录在同一个存储面上，还是记录在同一个柱面上？

1、有效存储区域=33/2-22/2=16.5-11=5.5cm

柱面数=道密度*有效区域=40道/cm*5.5cm=220道，即220个圆柱面。2、内道周长=3.14*22=69.08cm

道信息量N=400位/cm*69.08cm=27632位=3454B

面信息量=3454B*220=759880B

盘组容量=759880B*10=7598800B≈7.25MB3、磁盘数据传输率=转数r*道容量N=（2400转/60秒）*3454B=40*3454=13816B/S=13.492K/S4、最小单位是一个记录块（一个扇区），其编址方式可为如下格式：

5、记录在同一个柱面上，因为不需要重新找道，数据读写速度快。台号

柱面号

盘面号扇区号例：设有一个盘面直径为18in的磁盘组，有20个记录面，每面有5in的区域用于记录信息，记录密度为100道/in（TPI）和1000b/in（bpi），转速为2400r/min，道间移动时间为0.2ms，试计算该盘组的容量、数据传送率和平均存取时间。每一记录面的磁道数N为

N＝5in/面×100道/in＝500道/面最内圈磁道的周长为L=

×(18-2×5)in=25.12in以最内圈磁道的周长当作每条磁道的长度，故该盘组的存储容量（非格式化容量）为

C=1000b/in×25.12in/道×500道/面×20面=251.2×106b=31.4×106B

磁盘旋转一圈的时间为

t=1/2400(r/min)×60s/min=0.025s=25ms

数据传送率为

Dr=每一道的容量/旋转一圈的时间

=25120/25=1004.8b/ms=1.0048×106b/s=0.1256×106B/s=0.1256MB/s

平均存取时间为

Ta≈[(0+0.2*499)/2+(0+25)/2]ms≈60ms磁表面存储器的技术指标1、记录密度道密度(TPI)：磁盘半径方向单位长度包含的磁道数单位：道/英寸（TPI）或道/毫米（TPM）位密度(BPI)：在每一个磁道内单位长度内所能记录的二进制信息数。单位：位/英寸（bpi）或位/毫米（bpm）。2、存储容量

存储容量是指整个磁表面存储器所能存储的二进制信息的总量，一般用位或字节为单位表示，它与存储介质尺寸和记录密度直接相关。非格式化容量是指磁记录表面上可全部利用的磁化单元数；格式化容量是指用户实际可以使用的存储容量。格式化容量一般约为非格式化容量的60～70％左右。

分析：其格式化容量为：

512*18*80*2≈1.44MB

该软磁盘机的转速为每分钟360转,则

旋转一圈的时间为：60／360=0.167s；例:IBMPC机3.5英寸高密度软磁盘存储器共有2个记录面、每面80个磁道、每个磁道18个记录扇区、每个扇区可记录信息512个字节。

（1）归零制（RZ）

写入线圈的正脉冲电流表示写如“1”，负脉冲表示记录“0”。在两位信息之间要保持线圈中的电流为零。（2）不归零制（NRZ）

磁头线圈中始终有电流，不是正向电流（代表1）就是反向电流（代表“0”），其抗干扰能力强。

7.3磁记录方式磁记录方式是一种编码方式，即按照某种规律将一连串的二进制数字信息变换成记录介质上相应磁化翻转形式。(3)见1就翻不归零制（NRZ1)记录“0”时电流方向不变，只有遇到“1”时才改变方向。（4）调相制（PM）

假定记录“0’时规定磁化翻转的方向由负变为正，当连续出现两个或两个以上‘1’或‘0”时，在位周期起始处也要翻转一次。

（6）改进调频制（MFM）记录数据‘1’时在位周期中心翻转一次，记录数据‘0’时不翻转。下图给出几种常见的磁记录方式的写入电流波形。（5）调频制（FM）

记录‘1’时不仅在位周期的中心产生磁化翻转，在位与位之间也必须翻转。记录“0’时，位周期中心不产生磁化翻转，但位与位之间的边界处要翻转一次。计算机组成原理63

不同的磁记录方式特点不同，性能各异。评定一种记录方式的优劣标准主要是编码效率、自同步能力等。自同步能力是指从单个磁道读出的脉冲序列中提取同步时钟脉冲的难易程度。从磁表面存储器读出信号时，为了分离出数据信息必须要有时间基准信号，称为同步信号。同步信号可以从专门设置用来记录同步信号的磁道中取得，这种方法称为外同步。但对于高密度的记录系统来说，还希望能直接从磁盘读出的信号中提取同步信号，这种方法称为自同步。如果说某种编码方法具有自同步能力，就是指能从读出数据(脉冲序列)中提取同步信号自同步能力的大小可以用最小磁化翻转间隔与最大磁化翻转间隔的比值尺来衡量。比值R越大，自同步能力越强。例如:NRZ和NRZl制记录方式是没有自同步能力的，因为当连续记录“1”时，NRZ制记录方式磁层不发生磁化翻转，而当连续记录“0”时，NRZ和NRZl制记录方式的磁层不发生磁化翻转。PM，FM，MFM记录方式是有自同步能力的。FM记录方式的最大磁化翻转间隔是位周期T，而它的最小磁化翻转间隔是T／2，因此RFM＝0．5。编码效率V是指位密度与最大磁化翻转密度之比：编码效率高低是指每次磁层状态翻转所存储的数据信息位的多少。例如，FM，PM记录方式中记录一位数字信息的最大磁化翻转次数为2，因此编码效率为50％。而MFM，NRZ，NRZl三种记录方式的编码效率为100％，因为它们记录一位数字信息磁化翻转最多一次。7.4硬磁盘存储器（硬盘机）磁盘存储器是计算机系统中最主要的外存设备硬磁盘存储器指的是记录介质为硬质圆形盘片的辅助存储器系统。它以铝合金等金属作为盘基，盘面敷有磁性记录层，磁层可以采用甩涂工艺制成，此时磁粉呈不连续的颗粒存在；也可以用电镀、化学镀和溅射等方法制取连续膜磁盘。计算机组成原理69硬磁盘存储器种类很多，结构各异，性能差别很大.1．根据磁头的工作方式分类可分成移动头磁盘存储器和固定头磁盘存储器。移动头硬盘存储器存取数据时磁头在磁盘盘面上径向移动，磁头与盘面不接触，且随气流浮动，称为浮动磁头。这种存储器可以由一个盘片或多个盘片组成，装在主轴上。盘片的每面都有一个磁头。这种结构的硬磁盘存储器应用很广，其典型结构为温彻斯特磁盘固定头磁盘存储器的磁头位置固定，磁盘的每一个磁道都对应一个磁头，盘片也不可更换。其特点是存取速度快，省去了磁头沿盘片径向运动找磁道的时间，磁头处于工作状态即可开始读写2．根据磁盘可换与否分类按此法分类有可换盘存储器和固定盘存储器两种。可换盘存储器是指磁盘不用时可以从驱动器中取出脱机保存。根据可换磁盘存储器每轴盘片数目的不同，通常把每轴装有一至四片的存储器称为盒式磁盘存储器；六片以上的称为盘组固定盘存储器是指磁盘不能从驱动器中取出，更换时要把整个“头盘组合体”一起更换。这种结构的磁盘存储器称为温彻斯特磁盘(WinchesterDisk)。温盘机的磁头采用接触启停式。读/写操作时磁头浮空，不与盘面