计算机外部设备概论(PPT 113页).ppt

1、第5章设备管理P160，计算机外部设备：除计算机系统的CPU和内部存储外，用于向计算机输入和输出信息的所有设备和设备。计算机外部设备，如键盘、鼠标、显示器、打印机等，也称为外围设备或I/O设备。现代计算机系统中的一些设备是I/O设备和存储设备。例如软盘、硬盘等。(存储设备：存储各种信息的设备，如软盘、硬盘、光盘、磁带等，称为存储设备。)、磁带机、硬盘、磁盘、绘图仪、扫描仪、键盘、打印机、常规外围设备和系统中的所有外部设备。设备管理、1、执行设备分配设备分配程序、2、实施实际I/O操作设备处理(驱动程序)程序、3、实施其他功能缓冲管理、通过缓冲匹配CPU和I/O设备的速度、根据设备类型和系统分配

2、策略分配和回收设备、为用户提供集成接口设备管理功能、以及高速设备：每秒超过数百千字节：磁带驱动器、磁盘驱动器、信息交换单元、块设备：信息传输用于以块(磁盘)为单位存储信息。 属于结构类型。磁盘：磁盘块大小为512B4KB的磁盘设备的基本特征是传输速度快，通常每秒几兆位。可寻址，即可以随机读取和写入。磁盘设备的I/O使用DMA方法。字符设备：信息传输用作数据输入和输出的字符单位(打印机)。非结构化类型。各种类型，例如交互式终端、打印机等。基本特征是传输速率低。通常从几个字节到数千字节。另一个特点是不能寻址。也就是说，输入/输出时不能指定数据的输入源地址和输出的目标地址。5.1.1 I/O设备分类

3、，5.1 I/O系统，5.1.1 I/O设备分类，5.1 I/O系统，2 .设备到控制器接口，图5-1设备到控制器接口输出是从设备控制器接收的比特流控制信号。设备控制器发送到设备以规定设备执行、读取或写入操作的信号状态信号。指示设备的当前状态。1，CPU和设备之间的设备控制器是什么？接收来自CPU的输入、输出命令，并控制特定设备实现任务。分为两个主要类别。控制字符设备的控制器微机械和小型机的控制器通常是打印电路卡(接口卡、5.1.2设备控制器、1、CPU和设备之间的设备控制器)。控制从CPU下载的输入、输出命令和特定设备实现操作。6.1.3设备控制器、接口、释放、字符和块控制、接口卡、CPU与

4、设备之间、CPU偏离I/O控制的格式、两个主要类别、2、设备控制器功能、命令控制寄存器接收和识别、数据交换数据寄存器2、设备控制器与设备之间的接口、以及I/O逻辑解码接收到的命令。，3，设备控制器配置，1，设备控制器可以显着减少CPU的I/O干扰，但是当主机配置了大量外围设备时，CPU的负担仍然很重。为此，请在CPU和设备控制器之间添加通道，以设置单独的I/O操作。数据传输可以独立于CPU进行，并且可以尽可能独立地配置、管理和关闭I/O活动。2、通道是能够执行I/O命令的特殊处理器。运行通道程序以控制I/O操作。3.通道与一般处理器不同。这意味着通道硬件相对简单，因此可以执行的命令主要仅限于与

5、I/O操作相关的命令。主要与I/O相关的指导通道没有自己的内存，与CPU共享内存。6.1.4 I/O通道，字节多路复用通道，包括未分配的子通道，数十到数百个。每个子通道连接I/O设备。子通道通过时间切片旋转共享主通道。第一个子通道是所有通道循环一周，然后返回的方法，例如，在该I/O设备完成单字节交换后，立即将字节多路复用通道(主通道)留空，以便用于第二个子通道。扫描每个通道的速度足够快，但连接到子通道的设备速度较小，则不会丢失数据。连接低速或中速设备时不会丢失信息。单字节多路复用通道，字节为单位；以“时分”方式，适用于多个I/O设备多路复用的服务、低数据传输速率、低速率或中速设备连接，通道类型

6、：可以根据信息交换方法分为以下三类：多个未分配的子通道，按时间切片共享主通道。可以以阵列为单位连接多个高速设备。只有一个分配子通道，设备独占通道，在一段时间内只能运行一个通道程序来控制数据传输。高数据传输速率、低通道利用率、2、阵列选择通道、“瓶颈”问题、I/O性能往往是系统的瓶颈(1)CPU性能不等于系统性能响应时间也是一个重要因素。(2)CPU性能越高，I/O差距越大，弥补就越多。解决瓶颈的最有效的方法是增加设备和主机之间的路径，而无需添加通道。“瓶颈”问题：单路径系统、多路径：“瓶颈”问题的解决方法(交叉连接)、5.1.5总线系统、计算机系统的各个子系统(CPU、内存、外围设备等)在徐璐

7、连接计算机系统中，每个功能部件通过总线交换数据。通常，主板上的某些标准扩展槽是我们可以看到的PC总线的形式，以扩展PC功能。优点：低成本(一线多用途)灵活性(可以轻松添加设备以在两个系统之间共享外围设备)；总线的缺点：自身形成通信瓶颈，限制I/O的吞吐量总线分类：定义为数据总线、地址总线本身能够达到的最大传输速率。单位为兆字节每秒(MB/s)，图6.1总线I/O系统结构、5.1.5总线系统、系统总线开发、总线速度对系统性能有很大影响。因此，公共汽车被称为计算机系统的神经中枢。但是，总线技术改进比CPU、图形卡、内存、硬盘等功能组件慢得多。PC发展的20多年里，公共汽车只进行了三次更新，但每次变

8、化，计算机的面貌都焕然一新。传统PC总线和ISA总线PCI/AGP总线当前主流PCI Express、HyperTransport高速串行总线、传统PC总线和ISA总线、PC总线是最古老的总线之一，首次出现在IBM 1981年推出的PC/XT计算机上。PC总线使用了三年多，直到1984年IBM发布基于16位英特尔80286处理器的PC/AT PC时，才被16位PC/AT总线替换。此时，PC行业已经具备了规模，IBM允许第三方供应商开发兼容产品，PC/AT总线规范也逐渐标准化，创建了著名的行业标准体系结构(ISA bus)。ISA总线的最大数据速率为8MBps和16MBps。今天，这些性能惊人地

9、低，但当时8MBps的速度足以满足多个CPU孔刘系统资源的需要。ISA总线贯穿了286和386SX时代，当时16位X86系统对总线性能的要求并不高。但是，在32位386DX处理器出现后，16位宽度的ISA总线出现了问题，总线数据传输速度慢，处理器性能也受到严重限制。Compaq、HP、AST、爱普生等9家公司合作将ISA总线扩展到32位宽度，扩展行业标准体系结构(EISA)总线诞生了。PCI/AGP总线英特尔推出了486处理器。此时，EISA总线成为瓶颈，因为CPU速度比总线速度快得多。为了解决这个问题，英特尔提出了32位PCI总线的概念，并迅速被公认为新的行业标准。1996年出现了3D视频卡

10、，拉开了3D时代的序幕。3D显卡需要频繁地与CPU交换数据，图形数据往往更大，因此PCI总线看起来没有力量。英特尔基于PCI开发了图形专用总线标准，即著名的AGP总线(加速图形接口，加速图形端口)。随着PC系统的巨大变化，每个设备的接口速度急剧上升，添加了千兆网卡、磁盘阵列卡等高性能设备，原始带宽已经成为严重的瓶颈。服务器领域的千兆位NIC、SCSI硬盘或SCSI RAID系统带宽密集型，PCI总线完全不符合要求。在这种背景下，开发完全取代PCI的下一代总线是必要的。服务器供应商和PC供应商徐璐有不同的看法，这导致PCI-X和PCI Express两个主要标准同时面向服务器/工作站领域，通过无

11、缝升级获得高性能，这可以说是对PCI技术的改进。后者是一种创新的高速串行总线技术，主要用于PC系统，PCI Express、HyperTransport高速串行总线和PCI Express改善了基础架构，完全抛弃了落后的孔刘结构，开始了新的时代。PCI Express与并行系统的PCI不相似。由于以串行方式传输数据并依靠高频率获得高性能，PCI Express一度被称为“串行PCI”，已成功达到2.5GHz的超高工作频率。第二，PCI Express使用全双工操作模式。第三，PCI Express不遵循现有孔刘结构，而是采用点对点操作模式(也称为Peer to Peer或P2P)，每个PCI

12、Express设备都有其自己的专用连接，无需在整个总线上请求带宽，从而避免多个设备争用带宽。Hyper Transport是AMD针对高速芯片间内部连接而设计的自身企业标准在基本工作原理中，HyperTransport与PCI Express一样，可以通过串行传输、高频操作获得超高性能，但是HyperTransport技术早、5.2 I/O控制方法和计算机技术的发展使I/O控制方法也在不断发展。早期的计算机系统使用程序I/O方法。在系统中引入中断机制后，I/O方法将发展为中断驱动方式。随着DMA控制器的出现，传输单位的I/O已扩大到区块单位，区块装置的I/O效能已大幅提升。通道的引入使组织能够

13、独立执行I/O操作的数据传输，而无需CPU干预。在I/O控制方法的整个发展过程中，必须最大限度地减少主机对I/O控制的干预，将主机从复杂的I/O控制事务中解放出来，以便进一步实现数据处理任务的目的。5.2 I/O控制方法、5.2.1程序I/O方法、程序I/O方法中CPU的速度和I/O设备的低速导致CPU的大部分时间在等待I/O设备完成数据I/O的周期测试中发生，因为CPU的无中断机制阻止CPU向CPU报告一个字符输入已完成，因此I，图5-7程序I/O和中断驱动程序进程，5.2.2中断驱动程序I/O控制方法，在I/O设备输入每个数据的同时不需要CPU干预，因此CPU可以与I/O设备并行工作。CP

14、U只有在丢失一个数据的情况下才需要很短的时间来处理中断。这提高了整个系统的资源利用率和吞吐量，因为CPU和I/O设备都在使用中。例如，在端子上输入文字的时间大约为100毫秒，将文字发送到端子缓冲区的时间小于0.1毫秒。使用程序I/O方法时，CPU等待大约99.9毫秒的时间。使用中断驱动方法，CPU可以利用此99.9毫秒的时间执行其他任务，仅0.1毫秒的时间处理发送到控制器的中断请求。中断驱动方式表明，CPU利用率可以提高100倍。中断驱动程序I/O比程序I/O更有效。I/O仍以单词(部分)为单位，每次完成一个单词(部分)的I/O时，控制器都会请求CPU中断。中断驱动I/O方式的CPU以单词(部分)为单位进行干预。此方法对块设备的I/O效率显着降低。示例：从磁盘读取1KB的数据块需要中断CPU1K。引入了直接存储访问方法，以进一步减少CPU的I/O干预。5.2.2中断驱动器I/O控制方法，5.2.3直接内存访问(DMA)I/O控制方法，1 .引入直接内存访问(DMA)控制方法传输的数据直接从设备传输到内存，反之亦然。CPU干预仅在传输一个或多个数据块的开始和结束时需要，整个数据传输在控制器的控制下进行。与中断驱动方法相比，DMA方法将CPU的I/O干预减少了100倍，并进一步提高了CPU和I/O设备的并行运行水平。2 .DMA控制器的配置