华东师范大学_计算机组成原理8分析

§9外设与输入输出系统§9外设与输入输出系统9.1外围设备概述9.2外存储器设备9.3外围设备的定时方式与信息交换方式9.4程序查询方式和程序中断方式9.5DMA方式9.6通道方式§9外设与输入输出系统9.1外围设备概述9.1外围设备概述输入输出系统（I/O系统）是主机与外设传输数据的机构，包括：I/O设备I/O接口有关软件图8-1系统的可扩展性、兼容性和性能价格比都和I/O系统有密切关系9.1外围设备概述一、概述外围设备(简称外设)，是输入输出设备的总称。外围设备的功能是在计算机和其他机器之间，以及计算机与用户之间提供联系。一、概述·输入设备功能图8-2将人们要求计算机处理的各种形式的信息转换成计算机可接受的编码形式存入存储器。·输出设备功能将计算机处理后的信息以人们希望的形式表现出来。一、概述一般说来，外围设备由三个基本部分组成：①存储介质：具有保存信息的物理特征②驱动装置：用于移动存储介质③控制电路：向存储介质发送数据或从存储介质接受数据一、概述特性：①行为：输入(只读)、输出(只写，不能被读），或存储（可被重读和重写）②连接端：连接界面是人或是机器，是输入数据还是输出数据③数据速率：传输的峰值数据（反映设备能产生的最大需求一、概述I/O性能测评：I/O性能测评取决于具体应用，例：吞吐量、I/O带宽、响应时间、可靠性、成本等。两种测试I/O带宽的方法(根据实际工作环境)：①在某一时间内能从系统中传出多少数据？②在每个单位时间内能做多少I/O操作？一、概述响应时间：当I/O请求非常多时，响应时间严重依赖于带宽。大多数应用要求同时具备高吞吐量和快速响应时间。一般来说，台式机和嵌入式系统更注重响应时间和I/O设备的多样性；而服务器系统更关心吞吐量和I/O设备的可扩展性。9.1外围设备概述二、外围设备简介图8-2·输入设备———键盘、光笔、鼠标器、语音输入器、扫描仪、触摸屏、图像输入设备等；·输出设备———显示设备、打印机、音箱、绘图仪等；·外存设备———磁盘、磁带、光盘、优盘等·数据通信设备·过程控制设备二、外围设备简介1.鼠标器鼠标是一种手持的定位部件，输入的是一个相对坐标机电式：用一个球在物体表面滚动，以改变x、y计数器值，计数器的增减量表示鼠标移动的距离光电式：LED照亮鼠标下面的区域，摄像头对照亮的区域每秒采样1500次，图象传送到简单的光处理器，确定鼠标是否移动和移动的距离二、外围设备简介2.显示器·光栅阴极射线管显示器（CRT）·平板或液晶显示器（LCD）相关概念①分辨率分辨率指显示器所能表示的像素个数，像素越密，分辨率越高，图像越清晰。例：512×3401280×7681920×12802.显示器②灰度级灰度级指黑白显示器中所显示的像素点的亮暗差别，在彩色显示器中则表现为颜色的不同。灰度级越多，图像层次越清楚逼真。例：256色，每个像素需要8位表示颜色，三原色就需24位2.显示器③光栅刷新缓冲器（帧缓冲器）·用来存放显示图案的位图，提供电子束不断重复扫描屏幕，以保证稳定的图像显示。·刷新缓冲器的存取周期必须满足刷新频率的要求，所以需由高速DRAM组成。·刷新缓冲器的存储容量由图像分辨率和灰度级决定。分辨率越高，灰度级越多，刷新存储器的容量越大。P10图1-72.显示器④扫描频率每次扫描一幅图像的一行，一般刷新频率应大于30次/秒，人眼才不会感到闪烁，所以扫描频率为每秒30～75次。2.显示器⑤显示标准不同的显示标准所支持的最大分辨率和颜色数目是不同的。VGA扩展集——SuperVGA，除兼容了传统的MDA、CGA、EGA、VGA的显示方式外，还支持1280×1024分辨率，24位颜色，刷新频率可达75MHz。增加了图形加速器硬件的接口称为AVGA。2.显示器例1）刷新缓冲器的重要性能指标是它的带宽，实际工作时显示适配器的几个功能部分均要争用刷存的带宽。设总带宽的50%用于刷新屏幕，保留50%带宽用于其他部分的操作。（1）若显示工作方式为：分辨率：1024×768；颜色深度：3B；帧频（刷新速率）：72Hz计算刷存总带宽应为多少？（2）为达到这样高的刷存带宽，应采取何种措施？例1）解：（1）∵刷新所需带宽=分辨率×每个像素点颜色深度×刷新速率∴1024×768×3B×72/s=165888KB/s=162MB/s刷存总带宽应为162MB/s×100/50=324MB/s§9外设与输入输出系统9.1外围设备概述9.2外存储器设备9.2外存储器设备一、磁记录原理与记录方式计算机的外存储器可使用磁表面存储设备所谓“磁表面存储”，是用某些磁性材料薄薄地涂在金属铝或塑料表面，以作为载磁体来存储信息的。一、磁记录原理与记录方式1．磁表面存储器的优点：·存储容量大，位价格低；·记录介质可以重复使用；·记录信息可以长期保存而不丢失，并可脱机存档；·非破坏性读出，读出时不需要再生信息磁表面存储器的缺点：·存取速度较慢；·机械结构复杂；·对工作环境要求较高。一、磁记录原理与记录方式2．磁记录原理：利用磁性材料的磁滞回线记录二进制信息。111000数据序列RZNRZ0NRZ1PMFMMFM记录方式：P253归零制（RZ）不归零制（NRZ0）1就翻不归零制（NRZ1）调相制（PM）调频制（FM）改进调频制（MFM）密度高，可用于双密度磁盘存储器2．磁记录原理：评价标准：·编码效率——指位密度与最大磁化翻转密度之比；·自同步能力——最小磁化翻转间隔与最大磁化翻转间隔的比值（R），R越大，自同步能力越高；·检读分辨率——指磁记录系统对读出信号的分辨能力；·信息相关性——指漏读或错读一位是否会导致传播误码，是衡量精度的标准。9.2外存储器设备二、硬磁盘存储设备图8-31．种类①可移动磁头固定盘片的磁盘机；②固定磁头磁盘机；③可移动磁头可换盘片的磁盘机；④温彻斯特磁盘机（简称温盘）为可移动磁头固定盘片的磁盘机，采用密封组合的方式，将磁头、盘片、电机等驱动部件，乃至读写电路都组装成一个整体，是最具代表性的硬磁盘存储器。二、硬磁盘存储设备2．磁盘控制器磁盘控制器是主机与磁盘驱动器之间的接口，如图所示：SCSI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ABC数据分离器硬盘数据控制器控制器与驱动器界面划分有多种方式，构成了不同接口标准ST506接口——磁盘驱动器只完成读写，其余工作都由磁盘控制器完成ESDI接口——磁盘驱动器包括了数据分离器功能，未得到广泛应用。后发展为IDE→EIDE，将控制器与盘体集成在一起SCSI接口——将磁盘控制器功能全部包含在磁盘驱动器中，主机与设备连接采用标准通用接口，为SCSI（小型计算机系统接口）。二、硬磁盘存储设备3．技术指标图8-4①存储密度：P371道密度：沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数，单位为：道/英寸；位密度：磁道单位长度上能记录的二进制代码位数，单位为：位/英寸；面密度：位密度和道密度的乘积②存储容量=盘面数每面磁道数每道扇区数每扇区存储容量ZBR(区域位记录)技术:每道拥有可变数目的扇区（保持位距不变）增加了外道的存储容量→提高了磁盘驱动器的容量3．技术指标③平均存取时间=控制延迟+寻道时间+旋转时延+传输时间磁盘控制器控制磁盘与内存的数据传输，传输控制时所花费的开销。寻道：把磁头定位到正确的磁道上。产品指标的平均寻道时间一般为3ms-14ms。实际情况仅为该指标的25%-33%。等待正确的扇区旋转到读写磁头下。平均时延是磁盘旋转半周所需的时间，为5.6-2.0ms。（0.5转/5400RPM=5.6ms）传输一块数据位所需的时间。一块数据一般是一个扇区，现在大多数磁盘以多个扇区为单位进行传输。加有内置缓存后传输速度在2004年就可达到320MB/s。企业用SAS硬盘传输最高可达6Gb/s。3．技术指标④数据传输率：指磁盘存储器在单位时间内向主机传送数据的字节数。Dr=rN=Dv（字节/秒）其中：r为磁盘转速；N为每个磁道的容量；D为位密度；V为磁盘旋转的线速度二、硬磁盘存储设备例2）对于一个转速为10000转/分的磁盘，读写一个512字节的扇区所需的平均时间是多少（设磁盘空闲）？该磁盘给出的技术指标是：平均寻道时间6ms；传输速度50MB/s；控制器开销0.2ms。解：平均存取时间=控制延迟+寻道时间+旋转时延+传输时间=0.2ms+6ms+0.5转/（10000转/分）+0.5KB/50MB/s=0.2+6+3+0.01=9.2ms若考虑实际寻道时间为给出指标的25%，则：=0.2+6×25%+3+0.01=4.7ms9.2外存储器设备三、RAID（廉价磁盘冗余阵列）利用冗余增加磁盘存储的可用性——RAID用多个小容量磁盘替代单个大容量磁盘在提高可靠性和可用性方面更有优势。RAID采用的各种级别：图8-61.RAID0把数据分散到多个磁盘，采用条带化方式，使得这一组磁盘对软件来说就是一个大磁盘RAID0实际上并没有冗余三、RAID2.RAID1（镜像）使用比RAID0多一倍的磁盘。数据写入某个盘时，同时也写入其冗余盘。若一个磁盘发生故障，系统就转向其镜像盘继续工作。镜像1是最昂贵的RAID方案。3.RAID2（错误检测和纠错码）采用了主存常用的错误检查和恢复技术，已不用。三、RAID4.RAID3（位交叉奇偶校验）不像RAID1一样为每个磁盘作一个原始数据的拷贝，而只需要加入足够的冗余信息以便在出错的时候恢复丢失的信息。每个保护组N设置一个冗余盘。奇偶校验就是这样一个策略优点：开销减至1/N缺点：恢复错误时间长（必须读很多磁盘才能确定丢失的数据）三、RAID5.RAID4（块交叉奇偶校验）RAID4使用同RAID3一样的数据盘和校验盘比率，但采用不同的数据访问方式。奇偶校验码以块为单位存储，与一组数据块相关。小数据量访问在保护组中的一个磁盘中发生，而大数据量访问需要用到保护组中的所有磁盘。比较：RAID3每次访问要用到所有磁盘RAID4减少了访问磁盘数例：小数据量的写操作图8-7三、RAID6.RAID5（分布式块交叉奇偶校验）RAID4有效支持了大数据量读/写、小数据量读/写的混合操作。问题：每次写操作都要更新校验盘，造成了校验盘连续写操作的瓶颈解决方案：将校验信息分布到所有盘上，支持多个写操作同时发生。例图8-8：连续向第8块，第5块写入数据·RAID4因二次写操作都需对同一个校验盘操作，不能同时进行；·RAID5二次写操作对应的校验盘不为同一个盘，二次写操作可同时进行。三、RAID7.RAID6（P+Q冗余）采用二次校验块机制，可使系统从二次错误中恢复过来。优点：可靠性更高缺点：存储开销是RAID5的两倍目前还很少使用三、RAIDRAID小结：RAID1～RAID5广泛用于服务器系统。·支持热交换：在系统运行时，替换某一部件，保证不间断操作。·配有应急备用一旦检测出错误，数据即可重建。§9外设与输入输出系统9.1外围设备概述9.2外存储器设备9.3外围设备的定时方式与信息交换方式9.3外围设备的定时方式与信息交换方式一、外围设备的定时方式外围设备的多样性形式：机、电、磁、光信号：模拟量、数字量；电压、电流工作时序、速率都有很大差异问题：如何使高速工作的主机与不同速度工作的外围设备同步一、外围设备的定时方式分析：·输入过程①CPU把访问的地址值放在地址总线上，以选择某一设备；②CPU等候输入设备的数据有效；③CPU从数据总线读入数据，并送入相应的寄存器。关键：什么时候数据有效，CPU可读取？一、外围设备的定时方式·输出过程①CPU把访问的地址值放在地址总线上，选择某一设备；②CPU把数据放在数据总线上；③输出设备认为数据有效，从而把数据取走。关键：什么时候CPU才能送第二个数据？一、外围设备的定时方式结论：由于输入/输出设备本身的速度差异很大，因此，对于不同速度的外围设备，需要有不同的定时方式具体分类：速度极慢或简单的外围设备慢速或中速的外围设备高速的外围设备一、外围设备的定时方式1.速度极慢或简单的外围设