《计算机组成原理》ch78输入输出系统课件.ppt

1、 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2022-9-267.1 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displayn显像管CRT液晶LCD等离子体Plasma Display Panelu2.打印设备printeru3.绘图仪plotter2022-9-26CRT显示器字符的显示2022-9-26CRT显示器光栅扫描偏转线圈显示屏荫罩电子枪2022-

2、9-26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2022-9-26液晶显示器2022-9-26等离子体显示器放电荧光体电极光线玻璃透明电极2022-9-262.打印设备n击打式impact串行、行式点阵针式、字模式非击打式non-impact喷墨激光热转印2022-9-26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2022-9-26喷墨式打印机气泡式气泡2022-9-26喷墨式打印机压电式供墨水导管喷嘴墨水压电体2022-9-26激光式打印机粉仓打印纸磁辊感光鼓转印辊定影辊清洁

3、刮充电激光2022-9-263.绘图仪n平台式n滚筒式2022-9-26二、输入设备二、输入设备键盘键盘+5V并行端口并 行 端 口keyboard2022-9-26二、输入设备二、输入设备光笔光笔光传感器件信号处理电路2022-9-26二、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mouse2022-9-26二、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cursor2022-9-26二、输入设备二、输入设备触摸屏触摸屏红外线屏幕接收头发射头Touchscreen2022-9-26电阻式触摸屏INT0#SS#SCKMISOMOS

4、IPENIRQ#Y+CS#X+DCLK Y-DOUT X-DINMotorola MMC2107ADS78462022-9-26Touchscreen LCD2022-9-26二、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scanner2022-9-26三、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SNSNSN2022-9-26磁性材料的磁滞回归线edcb0aBHH:外加磁场B:磁感应强度2022-9-26三、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t

5、rack扇区sector柱面cylinder:具有相同磁道的盘面组成形成一个圆柱2022-9-262022-9-26磁头2022-9-26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2022-9-26磁盘的技术指标：n存储密度dencityu位密度(linear density,recording density)u道密度(track density)u面密度(areal density)n存储容量capacityu记录面数每面磁道数每道

6、扇区数扇区容量2022-9-26磁盘的技术指标：n平均访问时间Average access timeu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 rateu连续从磁盘上读写数据的速率2022-9-26磁盘参数n Spindle Speed:7200rpm,10000rpmn 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

7、2022-9-263.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/1002022-9-26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

8、，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。2022-9-26 2022-9-26 2022-9-26 2022-9-26 2022-9-26 2022-9-263.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 7磁盘 8 (b)RAID-1 (c)RAID-2 (d)RAID-3a0b0c0d0a1b1c1d1a2b2c2d2a3b3c3d3d0c0a0b0b0a0d0c0a3a2a1a0d1c1b1a1d1c1b1a1b3b2b1b0d2c2b2a2d2c2b2a2c3c2c1c

9、0d3c3b3a3d3c3b3a3d3d2d1d0dpcpbpapdh0ch0bh0ah0a3a2a1a0dh1ch1bh1ah1b3b2b1b0dh2ch2bh2ah2c3c2c1c0d3d2d1d02022-9-263.磁盘阵列（续）磁盘 1 磁盘 2 磁盘 3 磁盘 4 磁盘 5 磁盘 6 (e)RAID-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

10、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 2022-9-26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 2022-9-264.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

11、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2022-9-264.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 ID 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 2022-9-264.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2022-9-267.2 基本的输入输出方式基本的输入输出方式 一、外设的

12、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2022-9-26外设的寻址外设的寻址地址空间存储器地址空间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2022-9-26统一编址法2022-9-26单独编址法两个地址空间的实现两套地址线一套地址线2022-9-26二、外设的定时二、外设的定时n异步u应答方式n同步u时钟定时n字设备与块设备2022-9-26三、程序查询方式三、程序查询方式由主机控制输

13、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：2022-9-26CPU处理过程：读外设状态完成?YYNNReady?传送数据启动外设2022-9-26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 2022-9-26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

14、 2022-9-267.3 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2022-9-26二、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202

15、2-9-26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中断向量(interrupt vector)由设备主动向CPU发出识别信息2022-9-26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2022-9-26三、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IGIRIR:中断请求IG:中断许可CPU设备 n设备 12022-9-26S QRIR中断向量IGout向量地址延迟中断请求IGin2022-9-26三、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

16、u分组链式IR1IG1 .IRnIGnIRx:中断请求IGx:中断许可CPU设备 n设备 12022-9-26三、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.IRnIGnCPU设备设备设备设备2022-9-26四、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2022-9-26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I0I1I2I3yx

17、IE中断CPU2022-9-26中断屏蔽寄存器中断屏蔽寄存器321IE0321y中断 CPUIRx屏蔽寄存器中断寄存器优先编码器IR3IR2IR1IR00I0I1I2I3n用软件设置灵活的优先级2022-9-26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 2022-9-26程序控制方式输入输出数据传输途径CPU存储器接口外设2022-9-267.4 DMA(Direct Memory Acce

18、ss)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。方法方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2022-9-26DMA方式输入输出数据传输途径CPU存储器接口外设2022-9-26二、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2022-9-26DMA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？2022-9-26三、三、DMA控制器结构控制器结构基本结构 控制逻

19、辑 DS RS RD WR BR BG 中断机构 标志寄存器 字计数器 数据寄存器 地址计数器 系统总线 IG IR 命令寄存器 2022-9-26DMA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 2022-9-267.5 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

20、令，即通道命令，能够根据程序控制多个外部设备并提供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2022-9-26二、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C

21、PU。5.发出中断请求。2022-9-26三、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）外围处理机外围处理机(PPU)通用机（如双CPU服务器）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2022-9-267.6 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2022-9-262.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(3

22、)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2022-9-263.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位块地址）n 通信

23、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2022-9-26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2022-9-264.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）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2022-9-26SCSI消息（一）代码代码消息名消息名说明说明00Command Complete目标设备完成一个 I/O 操

24、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）2022-9-26SCSI

25、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 tag22Ordered queue tag23Ignore wide residue指明将在数据阶段最后一次传输中可忽略的字节数80Identify建立通路，或恢复一个 I/O 进程20

26、22-9-265.命令格式操作码逻辑单元号逻辑块地址长度控制字节2022-9-26SCSI的发展标准标准传输速率传输速率(MB/s)数据宽度数据宽度单端单端线路长度线路长度LVDHVD设备设备数数SCSI-1586-258Fast SCSI1083-258Fast Wide SCSI20163-2516Ultra SCSI2081.5-258Wide Ultra SCSI4016-2516Ultra2 SCSI408-12258Wide Ultra2 SCSI8016-122516Ultra3 SCSI16016-12-16Ultra32032016-12-162022-9-26连接器和电缆类

27、型连接器和电缆类型68 针 16 位 50 针 8 位1.9 英寸47 毫米2.7 英寸67 毫米高密度 68 针低密度 50 针1.7 英寸43 毫米2.5 英寸63 毫米68 针 16 位1.9 英寸47 毫米高密度 68 针1.7 英寸43 毫米50 欧姆欧姆90 欧姆欧姆SCSI-2+Fast SCSI-2Fast&WideSCSI-2/SCSIUltra Wide SCSI2022-9-26SCSI接口芯片:LSI53C10102022-9-26USB外设电话机Modem外设扫描仪扬声器操纵杆鼠标器外设打印机键盘主机n即插即用即插即用n自动配置自动配置n自动识别外围设备连接关系自动识别外围设备连接关系n4 4种数据传输方式种数据传输方式针对配置、命令以及状态信息的控制传输针对电话机和其他对时间极为敏感的事实传输针对操纵杆、鼠标器和键盘的中断传输针对打印机、扫描以及数字相机的批传输4 4针的接插件针的接插件2条信号线和2条电源线电源线采用5伏电压2022-9-26USB2022-9-26