1 / 211

计算机原理

计算机原理. 唐玉华. 国防科技大学计算机学院. 第六章. 输入输出( I/O) 控制. 第六章 输入输出( I/O) 控制. 6.1 外设简介. 6.2 I/O 控制的有关问题. 6.3 程序直接控制传送 6.4 中断系统及程序中断控制传送 6.5 直接内存存取 DMA 6.6 I/O 通道( I/O Channel). 第六章 输入输出( I/O) 控制. 何谓 I/O 控制 对 I/O 操作的软、硬件管理 本章主要从 硬件角度 讨论 I/O 控制 从 软件角度 讨论 I/O 控制是操作系统的主要内容之一 作业管理

carlos-armstrong
Télécharger la présentation

计算机原理

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. 计算机原理 唐玉华 国防科技大学计算机学院

  2. 第六章 输入输出(I/O)控制

  3. 第六章 输入输出(I/O)控制 6.1 外设简介 6.2 I/O控制的有关问题 6.3 程序直接控制传送 6.4 中断系统及程序中断控制传送 6.5 直接内存存取DMA 6.6 I/O通道(I/O Channel)

  4. 第六章 输入输出(I/O)控制 • 何谓I/O控制 • 对I/O操作的软、硬件管理 • 本章主要从硬件角度讨论I/O控制 • 从软件角度讨论I/O控制是操作系统的主要内容之一 • 作业管理 • 进程管理 • 存储管理 • 设备管理 • 文件管理

  5. 第六章 输入输出(I/O)控制 • 面临的挑战之一——I/O墙 • CPU性能：每年增长 > 60% • I/O系统的性能受到机械延迟的限制(磁盘I/O)，每年的性能增长 < 10% • I/O瓶颈 • 削减了高速CPU的性能 • 缩短了CPU执行程序的有效时间

  6. 第 6.0节 概 述

  7. 6.0 概 述 • 输入输出子系统是连接主处理机和I/O设备的子系统 • 是计算机系统中最具多样性和复杂性的组成部分 • 最典型地反映了软件与硬件的相互结合 • 其复杂性都隐藏在操作系统中

  8. MM CPU I/O 总线 主 机 接口 接口 …… 设备1 设备n 通道 I/O CPU MM 6.0 概 述 • 输入输出系统的发展概况 以CPU为中心 1. 早期阶段 分散连接 程序查询方式 CPU 和 I/O 串行 工作 2. 接口模块和 DMA 阶段 总线连接 中断方式 CPU 和 I/O 并行 工作 DMA 方式 3. 通道结构阶段 4. I/O 处理机阶段 以主存为中心

  9. I/O 指令 • 通道指令 操作码 命令码 设备码 多个设备控制器 多个设备 一个通道 6.0 概 述 • 输入输出系统的组成 1. I/O 软件 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、设备码 如 IBM/370 通道指令为 64 位 2. I/O 硬件 I/O设备 I/O 接口 如： IBM/360 的一个通道连接8个设备控制器，一个设备控制器连接8台I/O设备

  10. 6.0 概 述 • I/O 与主机的联系方式 1. I/O 编址方式 • 统一编址：存储器地址与I/O地址统一考虑，地址空间的一部分是存储器，另一部分是I/O，支持存储器操作的指令都可用于I/O操作 用取数、存数指令 • 独立编址：存储器地址与I/O地址分开，CPU具有专用的I/O指令，系统总线中具有区别存储器读写和I/O操作的控制信号，以此区别地址总线的地址是存储器地址还是I/O地址 有专门的 I/O 指令

  11. 6.0 概 述 • I/O 与主机的联系方式 2. 设备选址 用设备选择电路识别是否被选中 3. 传送方式 • 串行 • 并行

  12. I/O 接 口 I/O 设 备 CPU “Ready” “Strobe” 命令字 数据字 命令字 终止位 起始位 起始位 终止位 0 1 1 0 1 0 0 0 2×9.09ms 2×9.09ms 9.09ms 9.09ms 6.0 概 述 4. 联络方式 • 立即响应 • 异步工作采用应答信号 并行 串行 • 同步工作采用同步时钟

  13. 每台设备都配有一套 外设 Ⅰ 控制线路和一组信号线 主 外设 Ⅱ 机 CPU 外设 Ⅲ IOC 主存 外设 6.0 概 述 5. I/O 与主机的连接方式 • 辐射式连接 不便于增删设备 • 总线连接 便于增删设备

  14. 现行程序 CPU向I/O发 读指令 CPU读I/O状态 CPU读I/O状态 出错 未准备就绪 检查状态 已准备就绪 检查状态 从I/O接口中读 一个字到CPU 未准备就绪 出错 从CPU向主存 写入一个字 否 完成否 是 6.0 概 述 • I/O 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

  15. 6.0 概 述 1. 程序查询方式（Polling） • 特点 • 何时对何设备进行输入或输出操作完全受CPU控制 • CPU通过指令对设备进行测试才能知道设备的工作状态。设备空闲、准备就绪、正在忙等 • 数据的输入和输出都要经过CPU • 用于连接低速外围设备，如终端、打印机等 • 优点 • 灵活性好。可以很容易地改变各台外围设备的优先级 • 缺点 • 实现处理机与外围设备并行工作困难

  16. 自身准备 与主机交换信息 现行程序 … 启动 I/O 中断服务程序 没有踏步等待现象 … K 中断现行程序 K+1 …… 6.0 概 述 2. 程序中断方式 CPU 不查询 I/O 工作 CPU 暂停现行程序 CPU 和 I/O并行工作

  17. 6.0 概 述 2. 程序中断方式 • 特点 • CPU与外围设备能够并行工作 • 能够处理例外事件。例如，电源掉电、非法指令、地址越界、数据溢出、数据校验错、页面失效等 • 数据的输入和输出都要经过CPU • 灵活性好 • 用于连接低速外围设备 在现代计算机系统中，中断输入输出方式的作用已经远远超出了为外围设备服务的范畴，成为现代计算机系统中非常重要的一个组成部分。

  18. CPU I/O I/O 设备工作 CPU 做其他事情 中断请求 I/O CPU 出错 未错 I/O CPU 从 I/O 接口中读一个字到CPU CPU 主存 从 CPU 向主存写入一个字 否 是 • 程序中断方式流程 CPU 向 I/O 发读指令 准备就绪 CPU 读 I/O 状态 检查状态 完成否？

  19. CPU MM I/O 一个存取周期 CPU 执行现行程序 CPU 执行现行程序 存取周期结束 启动I/O DMA请求 I/O准备 I/O准备 实现I/O与主存之间的传送 6.0 概 述 3. 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

  20. 6.0 概 述 • 特点 • 外围设备访问请求直接发往主存储器 • 不需要CPU做保存现场和恢复现场等工作 • 在DMA控制器中，需要设置数据寄存器、设备状态或控制寄存器、主存地址寄存器、设备地址寄存器和数据交换个数计数器 • 在DMA方式开始和结束时，需要处理机进行管理 • 在DMA方式开始之前对DMA控制器进行初始化。传送主存缓冲区首地址、设备地址、数据块的长度等，并启动设备开始工作 • 在DMA方式结束之后，向CPU申请中断，对数据缓冲区进行后处理 • 数据的传送过程不需要CPU的干预

  21. 6.0 概 述 • DMA方式工作流程

  22. CPU 执行 现行程序 CPU执行 现行程序 CPU查询等待并传输I/O数据 启动I/O 启动I/O I/O 准备及传送 I/O 准备及传送 间 断 CPU 执行现行程序 CPU 执行现行程序 指令执行周期结束 启动I/O 启动I/O 中断请求 中断请求 I/O准备 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 一个存取周期 一个存取周期 CPU 执行现行程序 CPU 执行现行程序 存取周期结束 启动I/O 启动I/O DMA请求 DMA请求 实现I/O与主存 之间的传送 I/O准备 I/O准备 I/O准备 • 三种方式的 CPU 工作效率比较 程序 查询 方式 程序 中断 方式 DMA 方式

  23. 第 6.1节 外围设备简介

  24. 6.1 外围设备简介 • 知识点 • 理解外围设备分类 • 了解外设在计算机系统中的地位与作用 • 重点 • 掌握外围设备分类

  25. 3. 机 机通信设备 6.1 外围设备简介 • 外围设备亦称I/O设备，简称外设PD/PE(Peripheral Device/Equipment) • 何谓外设：安装在主机周围，实现主机与外界联系的设备 • 外部设备大致分三类 1. 人机交互设备 键盘 鼠标 打印机 显示器 2. 计算机信息驻留设备 磁盘 光盘 磁带 调制解调器等

  26. (1) 字符显示 (2) 图形显示 (3) 图像显示 (1) 击打式 (2) 非击打式 6.1 外围设备简介 • 外设分类 1.按功能分(5类) • 输入设备 • 键盘 • 鼠标 • 触摸屏、扫描仪等 • 输出设备 • 显示器 • 打印机 • 记录仪、绘图机等 判断哪个键按下并翻译成 ASCII 码 (编码键盘法) 机械式、光电式 字符发生器 主观图像 客观图像 点阵式（逐字、逐行） 喷墨（逐字） 激光（逐页）

  27. 6.1 外围设备简介 • 外设分类 1.按功能分(5类) • 外存储器：硬盘、光盘、软盘、磁带等 • 模数转换设备 • A/D、D/A • 网络通信及终端设备 • 数传机、调制解调器、网络桥接器、路由器、网关 • 各种终端设备 模拟/数字（数字/模拟）转换器 完成显示控制与存储 键盘管理及通信控制 汉字输入、汉字存储、汉字输出 • 汉字处理 由键盘和显示器组成

  28. 6.1 外围设备简介 • 外设分类 • 2.按终端设备分(2类) • 终端设备：用户与计算机通信的I/O设备 • 通用终端 • 简单终端：具有人机对话和简单I/O功能 • 通常配有键盘、显示器、打印机 • 智能终端：除具有简单终端的功能外，还具有数据处理功能 • 通常配有键盘、显示器、打印机和处理机，配备管理软件和用户程序 • 专用终端：专作某种工作，完成单一功能 • 订票终端、银行取款机等

  29. 6.1 外围设备简介 • 外设在计算机系统中的地位与作用 • 1. 外设是计算机系统重要组成部分，相当于 计算机的五官四肢 • 没有，计算机不能运转 • 不全或性能不好，计算机效率低 第一代计算机中，外设在整机中的造价比重不到5％，第二代机中迅速上升至30～40％。第三代机中已超过50％，而现在达80％以上 • 2. 人机通信和对话的工具 • 了解机器运行状态，进行故障诊断检测，控制、 命令计算机，都要通过外设。如：键盘、鼠标、 显示器 • 3. 不同媒体间信息变换的装置 • 4. 系统软件及信息资源的驻留地 • 5. 推广应用的桥梁 计算机的普及应用促进了外设的发展，而新型外设的出现又推动了计算机在不同领域的推广应用

  30. 第 6.2节 I/O控制的有关问题

  31. 6.2 I/O控制的有关问题 • 知识点 • 理解I/O设备和I/O操作的特点 • 了解四级I/O及三级I/O子系统 • 理解I/O控制的类型 • 了解输入输出(I/O)接口 • 了解输入输出(I/O)指令 • 重点 • 掌握I/O设备和I/O操作的特点以及I/O控制的类型

  32. 6.2.1 I/O设备和I/O操作的特点 • I/O设备的特点 • 1. 慢速性 • I/O是机电、机械设备装置，其速度为ms/μs，甚至为s(秒)级 • 主机， 如CPU却是ns级 • 两者速度差异很大，所以I/O是影响计算机系统工作效率的两大瓶颈之一

  33. 6.2.1 I/O设备和I/O操作的特点 • I/O设备的特点 • 2. 多样性 • 品种多、功能强、涉及学科领域多，如机械、光电、磁、声、自动控制、通信等 • 3. 复杂性 • 传输速率差异大 • 传输方式不同 • 工作原理相差极大 • 简单到鼠标，复杂到磁盘、光盘、激光打印机

  34. 6.2.1 I/O设备和I/O操作的特点 • I/O操作的特点 • 1.异步性 • 主机与外设、外设与外设速度差异很大，导致CPU对外设的控制，外设对CPU的请求都将是随机的、异步的 • I/O设备通常不使用统一的中央时钟，各个设备按照自己的时钟工作，但又要在某些时刻接受处理机的控制 • 处理机与I/O设备之间、 I/O设备与I/O设备之间能够并行工作

  35. 6.2.1 I/O设备和I/O操作的特点 • I/O操作的特点 • 2.实时性 • 外设速度慢，但一经启动，则以固定速率工作，要求主机在规定的时间内完成信息交换 • 对于一般外部设备：可能丢失数据，或造成外围设备工作的错误 • 对于实时控制计算机系统，如果处理机提供的服务不及时，可能造成巨大的损失，甚至造成人身伤害 • 对于处理机本身的硬件或软件的错误：如，电源故障、数据校验错、非法指令、地址越界等，处理机也必须及时地给予处理

  36. 6.2.1 I/O设备和I/O操作的特点 • I/O操作的特点 • 3.I/O操作的实现与设备的无关性 • 外设虽多种多样，但I/O操作应尽量标准化，使I/O 操作的实现与设备无关 • 通过简单的命令即可使用外设并完成I/O操作 • 尽可能少地考虑外设的内部细节，让外设的特殊性隐藏在各自的设备控制器和接口的某些可变部分中 • 计算机系统的使用者，在需要更换外设时，各种不同型号、不同生产厂家的设备都可以直接通过标准接口与计算机系统连接 • 外设已经越来越多地采用了即插即用技术

  37. 6.2.2 四级I/O及三级I/O子系统 • 何谓I/O子系统：完成I/O操作的所有软件和硬件 • I/O子系统设计的基本方法 • 自治控制 • 层次结构 • 分类处理

  38. 6.2.2 四级I/O及三级I/O子系统 1、自治控制（针对异步性） • 功能分散化，使I/O功能从CPU中分离出来，由专门部件完成 • I/O子系统是一个独立于处理机之外的自治系统 • 处理机与外设之间需要有恰当的分工

  39. 6.2.2 四级I/O及三级I/O子系统 2、层次结构（针对实时性） • 功能按不同的层次分布 • 标准的操作及控制功能放在与CPU及主存相连的层次上——系统级接口 • 最靠近处理机的是输入输出处理机或输入输出通道等 • 中间层是标准接口 • 标准接口通过设备控制器与输入输出相连接 • 非标准的操作及控制功能放在与设备相连的层次上——设备级接口 • 由设备控制器控制外设工作

  40. 6.2.2 四级I/O及三级I/O子系统 3、分类处理（针对设备无关性） • 根据不同性质的外设，分类组织I/O控制 • 面向字符的设备（Character-oriented device）。主要是指工作速度比较低的机电类设备。例如，字符终端、打字机等 • 面向数据块的设备。主要指工作速度比较高的外围设备。例如，磁盘、磁带、光盘的辅助存储器，行式打印机等

  41. 主 机 I/O 通 道 设备 控制器 外 围 设 备 6.2.2 四级I/O及三级I/O子系统 • 四级I/O子系统(独立型通道)的结构 • 1.主机 • 只和I/O通道打交道 • 功能 • 发出查询通道或 外设的I/O指令 • 发出启停通道的 I/O指令 • 处理I/O通道的请求

  42. 主 机 I/O 通 道 设备 控制器 外 围 设 备 6.2.2 四级I/O及三级I/O子系统 • 2. I/O 通道：它是系统级接口的一种 • 功能：代替CPU调度、管理和控制外设工作。即启停I/O、接收并寄存I/O状态、向CPU提出I/O通道请求 3. 设备控制器DC • 控制一台或多台外设实现I/O的操作(如:读、写、打印等)和I/O的辅助操作(如:定位、走纸、寻道、归零等) • 不同设备的DC不同但都以标准的方式与I/O通道连接 4. 外设PD/PE(Peripheral Device/Equipment) 外设可为1台I/O设备、1个终端用户或另1台计算机

  43. 主 机 I/O 接 口 设备及其控制器 6.2.2 四级I/O及三级I/O子系统 • 三级I/O子系统(组合型通道)的结构 • 1.主机 • 发出启停、查询、使用外设的I/O的指令 • 接收并处理接口请求 • 2.I/O接口（指程序直接控制传送、程序中断控制传送和DMA传送接口） • 将CPU启停、查询、使用外设的I/O指令送PD • 控制数据交换 • 接收、寄存I/O状态和请求并送CPU • 3.外设及其控制器PD • 控制一台外设实现I/O操作及辅助操作 此子系统中DC被分割：标准公共的部分在I/O接口中， 非标准的部分在PD中。

  44. 6.2.2 四级I/O及三级I/O子系统 • 小结 • 四级I/O子系统与三级I/O子系统在功能上相似 • 性能不同：前者比后者独立性强、效率高 • 四级I/O子系统中的外设是通过I/O通道与CPU连接的。I/O通道代替CPU管理、控制和使用外设，通道通过执行通道程序完成数据传送。四级I/O子系统对CPU打扰很小 • 三级I/O子系统中的外设是通过I/O接口与CPU连接的。CPU通过I/O接口实现对外设的管理、控制和使用，三级I/O子系统对CPU打扰较多

  45. 6.2.3 I/O控制的类型 • 程序直接控制方式PDC • (Program Direct Control) • 完全通过程序控制主机和外设之间的信息传送 • 是一种以CPU为中心的系统结构 • 采用无条件传送方式或程序查询传送方式 • 程序中断传送方式PIT • (ProgramInterrput Transfer) • 也是一种以CPU为中心的系统结构 • 借助于I/O中断控制数据传送

  46. 6.2.3 I/O控制的类型 • 直接内存存取方式DMA(Direct Memory Access) • 在主存和外设间开辟直接的数据交换通路 • 窃取或挪用一个访存周期，完成主存和外设之间直接交换数据 • 是一种以主存为中心的系统结构 • I/O通道控制方式I/O CH(I/O CHannel control) • 也是一种以主存为中心的系统结构 • 利用I/O通道控制多台外设和主存直接交换数据

  47. 6.2.3 I/O控制的类型 • 外围处理机方式PPU(Peripheral Processor Unit) • 用具有丰富的指令系统和相当容量主存的小型机作I/O控制，称该小型机为PPU • 特点 • 主机专用于高速运算，PPU专伺于I/O控制 • PPU除完成I/O控制外，还进行码制变换、数据纠检错、控制通信、维护分析 • 完全独立于主处理机工作，计算机系统结构由功能集中的集中式系统发展为分布式系统 • 如 YH2使用三台小型机：两台VAX—11/780用于管理I/O，一台 VAX—II用于维护诊断I/O

  48. 输入输出系统接口 输入输出设备 设备控制器 主 机 6.2.4 输入输出(I/O)接口 • 外设与主机的连接方式 • 何谓I/O接口：亦称输入输出系统接口，是连接主机和外围设备之间的接口，包括一个硬件电路及其相应的软件控制

  49. 6.2.4　输入输出(I/O)接口 • 外部设备并不直接挂接在系统总线上，而是通过I/O接口作为桥梁实现与系统总线的连接 • 各种外设使用不同的操作方法，由CPU来直接控制不同的外设，不切实际 • 外设的数据传送速度比存储器和处理器的速度慢得多，使用高速的系统总线与慢速的外设直接连接，不切实际 • 外设经常使用与处理器不同的数据格式和字长

  50. 6.2.4　输入输出(I/O)接口 • 外部设备与系统总线连接 系统总线 I/O接口 标准化I/O接口 提高计算机系统的灵活性、可靠性和可扩展性 利于外设系列化、标准化与多样化 控制 状态 数据 外部设备

More Related