§ 9 外设与输入输出系统

1. §9 外设与输入输出系统 华东师范大学计算机科学技术系

2. §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 华东师范大学计算机科学技术系

3. §9 外设与输入输出系统 9.1 外围设备概述 华东师范大学计算机科学技术系

4. 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 华东师范大学计算机科学技术系

5. 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。 华东师范大学计算机科学技术系

6. 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。 华东师范大学计算机科学技术系

7. 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 华东师范大学计算机科学技术系

8. 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 华东师范大学计算机科学技术系

9. 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？ 华东师范大学计算机科学技术系

10. 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。 华东师范大学计算机科学技术系

11. 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 华东师范大学计算机科学技术系

12. 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 华东师范大学计算机科学技术系

13. 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： 512×340 • 1280×768 • 1920×1280 华东师范大学计算机科学技术系

14. 2. 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 华东师范大学计算机科学技术系

15. 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1-7 华东师范大学计算机科学技术系

16. 2. 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。 华东师范大学计算机科学技术系

17. 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——Super VGA，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。 华东师范大学计算机科学技术系

18. 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？ 华东师范大学计算机科学技术系

19. 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 华东师范大学计算机科学技术系

20. §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 华东师范大学计算机科学技术系

21. 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。 华东师范大学计算机科学技术系

22. 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。 华东师范大学计算机科学技术系

23. 一、磁记录原理与记录方式 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） • 2．磁记录原理：利用磁性材料的磁滞回线记 • 录二进制信息。 密度高，可用于双密度磁盘存储器 华东师范大学计算机科学技术系

24. 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。 华东师范大学计算机科学技术系

25. 9.2 外存储器设备 • 二、硬磁盘存储设备 图8-3 • 1．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。 华东师范大学计算机科学技术系

26. 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 二、硬磁盘存储设备 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）。 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 • 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： 华东师范大学计算机科学技术系

27. 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 二、硬磁盘存储设备 • 3．技术指标 图8-4 • ① 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 华东师范大学计算机科学技术系

28. 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 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。 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） 华东师范大学计算机科学技术系

29. 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 华东师范大学计算机科学技术系

30. 二、硬磁盘存储设备 • 例2）对于一个转速为10 000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 = 4.7ms 华东师范大学计算机科学技术系

31. 9.2 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8-6 • RAID 0 • 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 • RAID 0实际上并没有冗余 华东师范大学计算机科学技术系

32. 三、RAID • 2. RAID 1（镜像） • 使用比RAID 0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。 • 镜像是最昂贵的RAID方案。 • 3. RAID 2（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。 华东师范大学计算机科学技术系

33. 三、RAID • RAID 3（位交叉奇偶校验） • 不像RAID 1一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） 华东师范大学计算机科学技术系

34. 三、RAID • 5. RAID 4（块交叉奇偶校验） • RAID 4使用同RAID 3一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：RAID 3每次访问要用到所有磁盘 • RAID 4减少了访问磁盘数 • 例：小数据量的写操作 图8-7 华东师范大学计算机科学技术系

35. 三、RAID • 6. RAID 5（分布式块交叉奇偶校验） • RAID 4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 • · RAID 4因二次写操作都需对同一个校验盘操作，不能同时进行； • · RAID 5二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。 华东师范大学计算机科学技术系

36. 三、RAID • 7. RAID 6（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RAID 5的两倍 • 目前还很少使用 华东师范大学计算机科学技术系

37. 三、RAID • RAID小结： • RAID 1～RAID 5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。 华东师范大学计算机科学技术系

38. §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 华东师范大学计算机科学技术系

39. 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 华东师范大学计算机科学技术系

40. 一、 外围设备的定时方式 • 分析： • · 输入过程 • ① CPU把访问的地址值放在地址总线上， • 以选择某一设备； • ② CPU等候输入设备的数据有效； • ③ CPU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？ 华东师范大学计算机科学技术系

41. 一、 外围设备的定时方式 • · 输出过程 • ① CPU把访问的地址值放在地址总线上， • 选择某一设备； • ② CPU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？ 华东师范大学计算机科学技术系

42. 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 华东师范大学计算机科学技术系

43. 一、 外围设备的定时方式 • 1. 速度极慢或简单的外围设备 • 如机械开关、发光二极管、数码显示管等等 • 这类设备总处于就绪状态，可采用无条件传送方式，需要时，CPU只要接收或发送数据就可以了。 CPU不必查询外设工作状态，而直接进行信息传输，称为无条件传送方式。 华东师范大学计算机科学技术系

44. 一、 外围设备的定时方式 • 2. 慢速或中速的外围设备 • 由于这类设备的速度和CPU的速度并不在一个数量级，或者由于设备(如键盘)本身是在不规则时间间隔下操作的，因此，CPU与这类设备之间的数据交换通常采用异步定时方式。 • 采用应答式同步两者工作，完成数据传输。 华东师范大学计算机科学技术系

45. 特点：不受CPU时钟信号控制，采用应答方式实现CPU特点：不受CPU时钟信号控制，采用应答方式实现CPU 与外设的同步，完成信息交换。 ① CPU复位接口状态标志，启动外设工作，接着不断读取 状态位，判断外设是否工作就绪； 若外设数据未准备好，CPU进入循环，不断查询； ② 外设数据准备好，置位接口的状态触发器，并将数据 打入接口的数据缓冲器； ③ CPU检测到Ready状态，读取接口数据缓冲器数据，并 复位接口状态标志 2. 慢速或中速的外围设备 外设 CPU Ready 置位状态位 数据准备好 读入状态位 打入数据 复位状态标志 数据缓冲器 NO 数据未准备好 Busy Yes 读入数据 输入的工作过程： 接口 华东师范大学计算机科学技术系

46. 一、 外围设备的定时方式 • 3. 高速的外围设备 • 外设以相等的时间间隔进行操作，可与CPU匹配。 • CPU和外设同步后，靠时钟脉冲控制传输。 • 特点：其数据传输由CPU时钟控制，操作时 • 间必须与其同步，可取时钟的整数倍。 • 优点：传输速度快 • 缺点：控制复杂 ，需传送时钟 华东师范大学计算机科学技术系

47. 9.3 外围设备的定时方式与信息交换方式 • 二、信息交换方式 • 举例：幼儿园一个阿姨带10个孩子，要给每 • 个孩子分4块水果糖，并假设孩子们需 • 把这4块糖都吃完，那么她可采用什么 • 方法进行分糖？ 华东师范大学计算机科学技术系

48. 二、信息交换方式 • ① 每次分一粒，不断询问，吃完再发第2粒 • ② 每次分一粒，吃完报告，再发第2粒 • ③ 批处理每人发4粒，吃完报告 • ④ 权利下放，发糖交给其他人管理 ——程序查询方式 ——程序中断方式 ——直接内存访问(DMA)方式 ——通道方式 外围处理机方式 华东师范大学计算机科学技术系 CPU与外设进行数据交换的几种方式

49. 二、信息交换方式 软件 • 1. 程序查询方式（轮询） • 数据在CPU和外围设备之间的传送完全靠计算机程序控制 • 特点：· 利用查询使CPU与外设操作同步 • · 接口电路简单 • · CPU与外设串行工作，效率低 • 实际使用中，由查询程序定时轮流 • 询问各外设状态，可适当提高效率。 华东师范大学计算机科学技术系

50. P1: IN AX, 21H ；读状态端口 AND AX, 01H ；判就绪状态 JZ P1 ；未就绪，继续查询 IN DX, 22H ；数据准备好，读数据端口 1. 程序查询方式 状态寄存器 地址总线 CPU I/O 接口 数据总线 R/W 数据缓冲器 • 程序查询方式实例： 华东师范大学计算机科学技术系