華東師范大學(xué)_計算機組成原理8

1、9 外設(shè)與輸入輸出系統(tǒng)外設(shè)與輸入輸出系統(tǒng)9 外設(shè)與輸入輸出系統(tǒng)外設(shè)與輸入輸出系統(tǒng)9.1 9.1 外圍設(shè)備概述外圍設(shè)備概述9.2 9.2 外存儲器設(shè)備外存儲器設(shè)備 9.3 9.3 外圍設(shè)備的定時方式與信息交換外圍設(shè)備的定時方式與信息交換 方式方式9 9. .4 4 程序查詢方式和程序中斷方式程序查詢方式和程序中斷方式9 9. .5 5 DMADMA方式方式9 9. .6 6 通道方式通道方式9 外設(shè)與輸入輸出系統(tǒng)外設(shè)與輸入輸出系統(tǒng)9.1 9.1 外圍設(shè)備概述外圍設(shè)備概述9.1 9.1 外圍設(shè)備概述外圍設(shè)備概述輸入輸出系統(tǒng)（輸入輸出系統(tǒng)（I/OI/O系統(tǒng)）是主機與外設(shè)傳輸系統(tǒng)）是主機與外設(shè)傳輸數(shù)據(jù)

2、的機構(gòu)，包括：數(shù)據(jù)的機構(gòu)，包括： I/O I/O設(shè)備設(shè)備 I/O I/O接口接口 有關(guān)軟件有關(guān)軟件 圖圖8-18-1系統(tǒng)的可擴展性、兼容性和性能價格比都和系統(tǒng)的可擴展性、兼容性和性能價格比都和I/OI/O系統(tǒng)有密切關(guān)系系統(tǒng)有密切關(guān)系9.1 9.1 外圍設(shè)備概述外圍設(shè)備概述 一、概述一、概述 外圍設(shè)備外圍設(shè)備(簡稱外設(shè)簡稱外設(shè))，是輸入輸出設(shè)備的總，是輸入輸出設(shè)備的總 稱。外圍設(shè)備的功能是在計算機和其他機器稱。外圍設(shè)備的功能是在計算機和其他機器 之間，以及計算機與用戶之間提供聯(lián)系。之間，以及計算機與用戶之間提供聯(lián)系。 一、概述一、概述 輸入設(shè)備功能輸入設(shè)備功能 圖圖8-28-2 將人們要求計算機

3、處理的各種形式的信息將人們要求計算機處理的各種形式的信息 轉(zhuǎn)換成計算機可接受的編碼形式存入存儲轉(zhuǎn)換成計算機可接受的編碼形式存入存儲 器。器。 輸出設(shè)備功能輸出設(shè)備功能 將計算機處理后的信息以人們希望的形式將計算機處理后的信息以人們希望的形式 表現(xiàn)出來。表現(xiàn)出來。一、概述一、概述 一般說來，外圍設(shè)備由三個基本部分組成：一般說來，外圍設(shè)備由三個基本部分組成： 存儲介質(zhì)：具有保存信息的物理特征存儲介質(zhì)：具有保存信息的物理特征 驅(qū)動裝置：用于移動存儲介質(zhì)驅(qū)動裝置：用于移動存儲介質(zhì) 控制電路：向存儲介質(zhì)發(fā)送數(shù)據(jù)或從存儲控制電路：向存儲介質(zhì)發(fā)送數(shù)據(jù)或從存儲 介質(zhì)接受數(shù)據(jù)介質(zhì)接受數(shù)據(jù) 一、概述一、概述特性：

4、特性： 行為：輸入行為：輸入( (只讀只讀) )、輸出、輸出( (只寫，不能被只寫，不能被 讀），或存儲（可被重讀和重寫）讀），或存儲（可被重讀和重寫） 連接端：連接界面是人或是機器，是輸入連接端：連接界面是人或是機器，是輸入 數(shù)據(jù)還是輸出數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)還是輸出數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)速率：傳輸?shù)姆逯禂?shù)據(jù)（反映設(shè)備能數(shù)據(jù)速率：傳輸?shù)姆逯禂?shù)據(jù)（反映設(shè)備能 產(chǎn)生的最大需求產(chǎn)生的最大需求一、概述一、概述I/OI/O性能測評：性能測評： I/O I/O性能測評取決于具體應(yīng)用，例：吞吐量、性能測評取決于具體應(yīng)用，例：吞吐量、I/OI/O帶寬、響應(yīng)時間、可靠性、成本等。帶寬、響應(yīng)時間、可靠性、成本等。兩種測試兩種測試I/OI

5、/O帶寬的方法帶寬的方法( (根據(jù)實際工作環(huán)境根據(jù)實際工作環(huán)境) )： 在某一時間內(nèi)能從系統(tǒng)中傳出多少數(shù)據(jù)？在某一時間內(nèi)能從系統(tǒng)中傳出多少數(shù)據(jù)？ 在每個單位時間內(nèi)能做多少在每個單位時間內(nèi)能做多少I/OI/O操作？操作？一、概述一、概述響應(yīng)時間：響應(yīng)時間： 當當I/OI/O請求非常多時，響應(yīng)時間嚴重依賴于請求非常多時，響應(yīng)時間嚴重依賴于帶寬。大多數(shù)應(yīng)用要求同時具備高吞吐量和快帶寬。大多數(shù)應(yīng)用要求同時具備高吞吐量和快速響應(yīng)時間。速響應(yīng)時間。 一般來說，臺式機和嵌入式系統(tǒng)更注重響一般來說，臺式機和嵌入式系統(tǒng)更注重響應(yīng)時間和應(yīng)時間和I/OI/O設(shè)備的多樣性；而服務(wù)器系統(tǒng)更關(guān)設(shè)備的多樣性；而服務(wù)器系統(tǒng)更

6、關(guān)心吞吐量和心吞吐量和I/OI/O設(shè)備的可擴展性。設(shè)備的可擴展性。 9.1 9.1 外圍設(shè)備概述外圍設(shè)備概述二、外圍設(shè)備簡介二、外圍設(shè)備簡介 圖圖8-28-2 輸入設(shè)備輸入設(shè)備鍵盤、光筆、鼠標器、語音鍵盤、光筆、鼠標器、語音 輸入器、掃描儀、觸摸屏、輸入器、掃描儀、觸摸屏、 圖像輸入設(shè)備等；圖像輸入設(shè)備等； 輸出設(shè)備輸出設(shè)備顯示設(shè)備、打印機、音箱、顯示設(shè)備、打印機、音箱、 繪圖儀等；繪圖儀等； 外存設(shè)備外存設(shè)備磁盤、磁帶、光盤、優(yōu)盤等磁盤、磁帶、光盤、優(yōu)盤等 數(shù)據(jù)通信設(shè)備數(shù)據(jù)通信設(shè)備 過程控制設(shè)備過程控制設(shè)備 二、外圍設(shè)備簡介二、外圍設(shè)備簡介1. 鼠標器 鼠標是一種手持的定位部件，輸入的是一個

7、相對 坐標 機電式：用一個球在物體表面滾動，以改變x、y 計數(shù)器值，計數(shù)器的增減量表示鼠標移 動的距離 光電式：LED照亮鼠標下面的區(qū)域，攝像頭對照 亮的區(qū)域每秒采樣1500次，圖象傳送到 簡單的光處理器，確定鼠標是否移動和 移動的距離二、外圍設(shè)備簡介二、外圍設(shè)備簡介2. 2. 顯示器顯示器 光柵陰極射線管顯示器（光柵陰極射線管顯示器（CRTCRT） 平板或液晶顯示器（平板或液晶顯示器（LCDLCD）相關(guān)概念相關(guān)概念 分辨率分辨率 分辨率指顯示器所能表示的像素個數(shù)，分辨率指顯示器所能表示的像素個數(shù)， 像素越密，分辨率越高，圖像越清晰。像素越密，分辨率越高，圖像越清晰。 例：例： 5125123

8、40340 1280 1280768768 1920 1920128012802. 2. 顯示器顯示器 灰度級灰度級 灰度級指黑白顯示器中所顯示的像素點的灰度級指黑白顯示器中所顯示的像素點的 亮暗差別，在彩色顯示器中則表現(xiàn)為顏色亮暗差別，在彩色顯示器中則表現(xiàn)為顏色 的不同?；叶燃壴蕉啵瑘D像層次越清楚逼的不同?；叶燃壴蕉?，圖像層次越清楚逼 真。真。 例：例：256256色，每個像素需要色，每個像素需要8 8位表示顏色，位表示顏色， 三原色就需三原色就需2424位位 2.2.顯示器顯示器 光柵刷新緩沖器（幀緩沖器）光柵刷新緩沖器（幀緩沖器） 用來存放顯示圖案的位圖，用來存放顯示圖案的位圖，提供電子

9、束不斷提供電子束不斷重復(fù)掃描屏幕，以保證穩(wěn)定的圖像顯示。重復(fù)掃描屏幕，以保證穩(wěn)定的圖像顯示。 刷新緩沖器的存取周期必須滿足刷新頻率的刷新緩沖器的存取周期必須滿足刷新頻率的要求，所以需由要求，所以需由高速高速DRAMDRAM組成。組成。 刷新緩沖器的刷新緩沖器的存儲容量由圖像分辨率和灰度存儲容量由圖像分辨率和灰度級決定。級決定。分辨率越高，灰度級越多，刷新存分辨率越高，灰度級越多，刷新存 儲器的容量越大。儲器的容量越大。 P10P10圖圖1-71-72. 2. 顯示器顯示器 掃描頻率掃描頻率 每次掃描一幅圖像的一行，每次掃描一幅圖像的一行，一般刷新頻率一般刷新頻率 應(yīng)大于應(yīng)大于30次次/秒，人眼

10、才不會感到閃爍，所秒，人眼才不會感到閃爍，所 以掃描頻率為以掃描頻率為每秒每秒30307575次。次。2. 2. 顯示器顯示器 顯示標準顯示標準 不同的顯示標準所支持的最大分辨率和顏色不同的顯示標準所支持的最大分辨率和顏色 數(shù)目是不同的。數(shù)目是不同的。 VGAVGA擴展集擴展集Super VGASuper VGA，除兼容了傳統(tǒng)的，除兼容了傳統(tǒng)的MDAMDA、CGACGA、EGAEGA、VGAVGA的顯示方式外，還支持的顯示方式外，還支持1280128010241024分辨率，分辨率，2424位顏色，刷新頻率可位顏色，刷新頻率可達達7575MHzMHz。 增加了圖形加速器硬件的接口稱為增加了圖形

11、加速器硬件的接口稱為AVGAAVGA。 2. 2. 顯示器顯示器例例1 1）刷新緩沖器的重要性能指標是它的帶寬，）刷新緩沖器的重要性能指標是它的帶寬，實際工作時顯示適配器的幾個功能部分均要實際工作時顯示適配器的幾個功能部分均要爭用刷存的帶寬。設(shè)總帶寬的爭用刷存的帶寬。設(shè)總帶寬的50%50%用于刷新用于刷新屏幕，保留屏幕，保留50%50%帶寬用于其他部分的操作。帶寬用于其他部分的操作。（1 1）若顯示工作方式為：若顯示工作方式為： 分辨率：分辨率：10241024768768；顏色深度：；顏色深度：3 3B B； 幀頻（刷新速率）：幀頻（刷新速率）：7272HzHz 計算刷存總帶寬應(yīng)為多少？計算

12、刷存總帶寬應(yīng)為多少？（2 2）為達到這樣高的刷存帶寬，應(yīng)采取何種）為達到這樣高的刷存帶寬，應(yīng)采取何種 措施？措施？例例1）解解：（：（1 1）刷新所需帶寬刷新所需帶寬= =分辨率每個像素點顏色深度分辨率每個像素點顏色深度 刷新速率刷新速率102410247687683 3B B72/72/s=165888KB/s=162MB/ss=165888KB/s=162MB/s 刷存總帶寬應(yīng)為刷存總帶寬應(yīng)為162162MB/sMB/s100/50=324100/50=324MB/sMB/s9 外設(shè)與輸入輸出系統(tǒng)外設(shè)與輸入輸出系統(tǒng)9.1 9.1 外圍設(shè)備概述外圍設(shè)備概述9.2 9.2 外存儲器設(shè)備外存儲器

13、設(shè)備 9.2 9.2 外存儲器設(shè)備外存儲器設(shè)備一、一、 磁記錄原理與記錄方式磁記錄原理與記錄方式 計算機的外存儲器可使用磁表面存儲設(shè)備計算機的外存儲器可使用磁表面存儲設(shè)備 所謂所謂“磁表面存儲磁表面存儲”，是用某些磁性材料，是用某些磁性材料薄薄 薄地涂在金屬鋁或塑料表面，以作為載磁薄地涂在金屬鋁或塑料表面，以作為載磁 體來存儲信息的。體來存儲信息的。一、磁記錄原理與記錄方式一、磁記錄原理與記錄方式1 1磁表面存儲器的優(yōu)點：磁表面存儲器的優(yōu)點： 存儲容量大，位價格低；存儲容量大，位價格低； 記錄介質(zhì)可以重復(fù)使用；記錄介質(zhì)可以重復(fù)使用； 記錄信息可以長期保存而不丟失，并可記錄信息可以長期保存而不丟

14、失，并可 脫機存檔；脫機存檔； 非破壞性讀出，讀出時不需要再生信息非破壞性讀出，讀出時不需要再生信息 磁表面存儲器的缺點：磁表面存儲器的缺點： 存取速度較慢；存取速度較慢； 機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜；機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜； 對工作環(huán)境要求較高。對工作環(huán)境要求較高。一、磁記錄原理與記錄方式一、磁記錄原理與記錄方式2 2磁記錄原理：利用磁性材料的磁滯回線記磁記錄原理：利用磁性材料的磁滯回線記 錄二進制信息。錄二進制信息。 1 1 1 0 0 0 數(shù) 據(jù) 序 列 R Z N R Z 0 N R Z 1 P M F M M F M 記錄方式：記錄方式： P253P253歸零制（歸零制（RZRZ） 不歸零制（不歸零制（NR

15、Z0NRZ0） 1 1就翻不歸零制（就翻不歸零制（NRZ1NRZ1） 調(diào)相制（調(diào)相制（PMPM） 調(diào)頻制（調(diào)頻制（FMFM） 改進調(diào)頻制（改進調(diào)頻制（MFMMFM）密度高，密度高，可用于雙可用于雙密度磁盤密度磁盤存儲器存儲器2磁記錄原理：磁記錄原理： 評價標準：評價標準： 編碼效率編碼效率指位密度與最大磁化翻轉(zhuǎn)密度指位密度與最大磁化翻轉(zhuǎn)密度 之比；之比； 自同步能力自同步能力最小磁化翻轉(zhuǎn)間隔與最大磁最小磁化翻轉(zhuǎn)間隔與最大磁 化翻轉(zhuǎn)間隔的比值（化翻轉(zhuǎn)間隔的比值（R R），），R R 越大，自同步能力越高；越大，自同步能力越高； 檢讀分辨率檢讀分辨率指磁記錄系統(tǒng)對讀出信號的指磁記錄系統(tǒng)對讀出信號的

16、 分辨能力；分辨能力； 信息相關(guān)性信息相關(guān)性指漏讀或錯讀一位是否會導(dǎo)指漏讀或錯讀一位是否會導(dǎo) 致傳播誤碼，是衡量精度的致傳播誤碼，是衡量精度的 標準。標準。 9.2 9.2 外存儲器設(shè)備外存儲器設(shè)備二、硬磁盤存儲設(shè)備二、硬磁盤存儲設(shè)備 圖圖8-38-31 1種類種類 可移動磁頭固定盤片的磁盤機；可移動磁頭固定盤片的磁盤機； 固定磁頭磁盤機；固定磁頭磁盤機； 可移動磁頭可換盤片的磁盤機；可移動磁頭可換盤片的磁盤機； 溫徹斯特磁盤機（簡稱溫盤）溫徹斯特磁盤機（簡稱溫盤） 為可移動磁頭固定盤片的磁盤機，采用為可移動磁頭固定盤片的磁盤機，采用 密封組合的方式，將磁頭、盤片、電機密封組合的方式，將磁頭、

17、盤片、電機 等驅(qū)動部件，乃至讀寫電路都組裝成一等驅(qū)動部件，乃至讀寫電路都組裝成一 個整體，是最具代表性的硬磁盤存儲器。個整體，是最具代表性的硬磁盤存儲器。 二、硬磁盤存儲設(shè)備二、硬磁盤存儲設(shè)備 2 2磁盤控制器磁盤控制器磁盤控制器是主機與磁盤驅(qū)動器之間的接口，磁盤控制器是主機與磁盤驅(qū)動器之間的接口，如圖所示：如圖所示： SCSI接接口口 ESDI接接口口 ST506接接口口 格式 控制 寫放 大器 讀放 大器 時鐘 產(chǎn)生 數(shù)據(jù) 譯碼 數(shù)據(jù) 編碼 串并 轉(zhuǎn)換 并串 轉(zhuǎn)換 數(shù)據(jù) 緩存 DMA 控制 A B C 數(shù)據(jù)分離器 硬盤數(shù)據(jù)控制器 控制器與驅(qū)動器界面劃分有多種方式，構(gòu)成了不同接口標準控制器與

18、驅(qū)動器界面劃分有多種方式，構(gòu)成了不同接口標準 ST506ST506接口接口磁盤驅(qū)動器磁盤驅(qū)動器只完成讀寫，其余工作都由只完成讀寫，其余工作都由磁盤控制器完成磁盤控制器完成 ESDIESDI接口接口磁盤驅(qū)動器包括了數(shù)據(jù)分離磁盤驅(qū)動器包括了數(shù)據(jù)分離器功能，未得到廣泛應(yīng)用。后發(fā)展為器功能，未得到廣泛應(yīng)用。后發(fā)展為IDEEIDEIDEEIDE，將控制器與盤體集成在一起將控制器與盤體集成在一起 SCSISCSI接口接口將磁盤控制器功能全部包含在磁盤將磁盤控制器功能全部包含在磁盤驅(qū)動器中，主機與設(shè)備連接采用標準通用接口，驅(qū)動器中，主機與設(shè)備連接采用標準通用接口，為為SCSISCSI（小型計算機系統(tǒng)接口）。

19、小型計算機系統(tǒng)接口）。 二、硬磁盤存儲設(shè)備二、硬磁盤存儲設(shè)備 3 3技術(shù)指標技術(shù)指標 圖圖8-48-4 存儲密度：存儲密度： P371P371 道密度：沿磁盤半徑方向單位長度上的磁道道密度：沿磁盤半徑方向單位長度上的磁道 數(shù)，單位為：道數(shù)，單位為：道/ /英寸；英寸； 位密度：磁道單位長度上能記錄的二進制代位密度：磁道單位長度上能記錄的二進制代 碼位數(shù)，單位為：位碼位數(shù)，單位為：位/ /英寸；英寸； 面密度：位密度和道密度的乘積面密度：位密度和道密度的乘積 存儲容量存儲容量= =盤面數(shù)盤面數(shù) 每面磁道數(shù)每面磁道數(shù) 每道扇區(qū)數(shù)每道扇區(qū)數(shù) 每扇區(qū)存儲容量每扇區(qū)存儲容量 ZBR(區(qū)域位記錄區(qū)域位記錄

20、)技術(shù)技術(shù): 每道擁有可變數(shù)目的扇區(qū)（保持位距不變）每道擁有可變數(shù)目的扇區(qū)（保持位距不變） 增加了外道的存儲容量增加了外道的存儲容量提高了磁盤驅(qū)動器的容量提高了磁盤驅(qū)動器的容量3技術(shù)指標技術(shù)指標 平均存取時間平均存取時間 = = 控制延遲控制延遲+ +尋道時間尋道時間+ +旋轉(zhuǎn)時延旋轉(zhuǎn)時延+ +傳輸時間傳輸時間 磁盤控制器控磁盤控制器控制磁盤與內(nèi)存制磁盤與內(nèi)存的數(shù)據(jù)傳輸，的數(shù)據(jù)傳輸，傳輸控制時所傳輸控制時所花費的開銷?；ㄙM的開銷。尋道：尋道： 把磁頭定位到正把磁頭定位到正確的磁道上。確的磁道上。產(chǎn)品指標的平均產(chǎn)品指標的平均尋道時間一般為尋道時間一般為3ms-14ms。實。實際情況僅為該指際情況

21、僅為該指標的標的25%-33%。等待正確的扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到讀等待正確的扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到讀寫磁頭下。寫磁頭下。平均時延是磁盤旋轉(zhuǎn)半周平均時延是磁盤旋轉(zhuǎn)半周所需的時間，為所需的時間，為5.6-2.0ms。（0.5轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/5400RPM=5.6ms）傳輸一塊數(shù)據(jù)位所需的時間。傳輸一塊數(shù)據(jù)位所需的時間。一塊數(shù)據(jù)一般是一個扇區(qū)，一塊數(shù)據(jù)一般是一個扇區(qū)，現(xiàn)在大多數(shù)磁盤以多個扇區(qū)現(xiàn)在大多數(shù)磁盤以多個扇區(qū)為單位進行傳輸。為單位進行傳輸。加有內(nèi)置緩存后傳輸速度在加有內(nèi)置緩存后傳輸速度在2004年就可達到年就可達到320MB/s。企業(yè)用企業(yè)用SAS硬盤傳輸最高可硬盤傳輸最高可達達6Gb/s。 3技術(shù)指標技術(shù)指標 數(shù)據(jù)傳輸率：指

22、磁盤存儲器在單位時間內(nèi)向數(shù)據(jù)傳輸率：指磁盤存儲器在單位時間內(nèi)向 主機傳送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。主機傳送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。 D Dr r = rN = Dv= rN = Dv（字節(jié)字節(jié)/ /秒）秒） 其中：其中：r r為磁盤轉(zhuǎn)速；為磁盤轉(zhuǎn)速； N N為每個磁道的容量；為每個磁道的容量； D D為位密度；為位密度； V V為磁盤旋轉(zhuǎn)的線速度為磁盤旋轉(zhuǎn)的線速度二、硬磁盤存儲設(shè)備二、硬磁盤存儲設(shè)備例例2 2）對于一個轉(zhuǎn)速為）對于一個轉(zhuǎn)速為10 00010 000轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/ /分的磁盤，讀分的磁盤，讀 寫一個寫一個512512字節(jié)的扇區(qū)所需的平均時間是字節(jié)的扇區(qū)所需的平均時間是 多少（設(shè)磁盤空閑）？該磁盤給出的技多少（

23、設(shè)磁盤空閑）？該磁盤給出的技 術(shù)指標是：平均尋道時間術(shù)指標是：平均尋道時間6ms6ms；傳輸速度；傳輸速度 50MB/s 50MB/s；控制器開銷；控制器開銷0.2ms0.2ms。解：平均存取時間解：平均存取時間 = = 控制延遲控制延遲+ +尋道時間尋道時間+ +旋轉(zhuǎn)時延旋轉(zhuǎn)時延+ +傳輸時間傳輸時間 = 0.2ms + 6ms + 0.5= 0.2ms + 6ms + 0.5轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/ /（1000010000轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/ /分）分） + 0.5KB/50MB/s + 0.5KB/50MB/s = 0.2 + 6 + 3 + 0.01 = 9.2ms = 0.2 + 6 + 3 + 0.01 = 9

24、.2ms 若考慮實際尋道時間為給出指標的若考慮實際尋道時間為給出指標的25%25%，則：，則： = 0.2 + 6= 0.2 + 625% + 3 + 0.01 = 4.7ms25% + 3 + 0.01 = 4.7ms9.2 9.2 外存儲器設(shè)備外存儲器設(shè)備三、三、RAIDRAID（廉價磁盤冗余陣列）（廉價磁盤冗余陣列）利用冗余增加磁盤存儲的可用性利用冗余增加磁盤存儲的可用性RAIDRAID用多個小容量磁盤替代單個大容量磁盤在提高可用多個小容量磁盤替代單個大容量磁盤在提高可靠性和可用性方面更有優(yōu)勢?？啃院涂捎眯苑矫娓袃?yōu)勢。RAIDRAID采用的各種級別：采用的各種級別： 圖圖8-68-6R

25、AID 0RAID 0 把數(shù)據(jù)分散到多個磁盤，采用條帶化方式，把數(shù)據(jù)分散到多個磁盤，采用條帶化方式， 使得這一組磁盤對軟件來說就是一個大磁盤使得這一組磁盤對軟件來說就是一個大磁盤1.1. RAID 0RAID 0實際上并沒有冗余實際上并沒有冗余三、三、RAIDRAID2. RAID 12. RAID 1（鏡像）（鏡像） 使用比使用比RAID 0RAID 0多一倍的磁盤。數(shù)據(jù)寫入多一倍的磁盤。數(shù)據(jù)寫入某個盤時，同時也寫入其冗余盤。某個盤時，同時也寫入其冗余盤。 若一個磁盤發(fā)生故障，系統(tǒng)就轉(zhuǎn)向其鏡若一個磁盤發(fā)生故障，系統(tǒng)就轉(zhuǎn)向其鏡像盤繼續(xù)工作。像盤繼續(xù)工作。 鏡像鏡像1 1是最昂貴的是最昂貴的RA

26、IDRAID方案。方案。3. RAID 23. RAID 2（錯誤檢測和糾錯碼）（錯誤檢測和糾錯碼） 采用了主存常用的錯誤檢查和恢復(fù)技術(shù)，已采用了主存常用的錯誤檢查和恢復(fù)技術(shù)，已不用。不用。三、三、RAIDRAIDRAID 3RAID 3（位交叉奇偶校驗）（位交叉奇偶校驗） 不像不像RAID 1RAID 1一樣為每個磁盤作一個原始數(shù)據(jù)一樣為每個磁盤作一個原始數(shù)據(jù)的拷貝，而只需要加入足夠的冗余信息以便的拷貝，而只需要加入足夠的冗余信息以便在出錯的時候恢復(fù)丟失的信息。每個保護組在出錯的時候恢復(fù)丟失的信息。每個保護組N N設(shè)置一個冗余盤。設(shè)置一個冗余盤。 奇偶校驗就是這樣一個策略奇偶校驗就是這樣一個

27、策略 優(yōu)點：開銷減至優(yōu)點：開銷減至1/N1/N 缺點：恢復(fù)錯誤時間長（必須讀很多磁盤才缺點：恢復(fù)錯誤時間長（必須讀很多磁盤才 能確定丟失的數(shù)據(jù)）能確定丟失的數(shù)據(jù)）三、三、RAIDRAID5. RAID 45. RAID 4（塊交叉奇偶校驗）（塊交叉奇偶校驗） RAID 4 RAID 4使用同使用同RAID 3RAID 3一樣的數(shù)據(jù)盤和校一樣的數(shù)據(jù)盤和校驗盤比率，但采用不同的數(shù)據(jù)訪問方式。驗盤比率，但采用不同的數(shù)據(jù)訪問方式。 奇偶校驗碼以塊為單位存儲，與一組數(shù)奇偶校驗碼以塊為單位存儲，與一組數(shù)據(jù)塊相關(guān)。據(jù)塊相關(guān)。 小數(shù)據(jù)量訪問在保護組中的一個磁盤中小數(shù)據(jù)量訪問在保護組中的一個磁盤中發(fā)生，而大數(shù)據(jù)

28、量訪問需要用到保護組中的發(fā)生，而大數(shù)據(jù)量訪問需要用到保護組中的所有磁盤。所有磁盤。 比較：比較：RAID 3RAID 3每次訪問要用到所有磁盤每次訪問要用到所有磁盤 RAID 4RAID 4減少了訪問磁盤數(shù)減少了訪問磁盤數(shù) 例：小數(shù)據(jù)量的寫操作例：小數(shù)據(jù)量的寫操作 圖圖8-78-7 三、三、RAIDRAID6. RAID 56. RAID 5（分布式塊交叉奇偶校驗）（分布式塊交叉奇偶校驗） RAID 4 RAID 4有效支持了大數(shù)據(jù)量讀有效支持了大數(shù)據(jù)量讀/ /寫、小數(shù)寫、小數(shù)據(jù)量讀據(jù)量讀/ /寫的混合操作。寫的混合操作。問題：每次寫操作都要更新校驗盤，造成了校驗問題：每次寫操作都要更新校驗盤

29、，造成了校驗 盤連續(xù)寫操作的瓶頸盤連續(xù)寫操作的瓶頸解決方案：將校驗信息分布到所有盤上，支持多解決方案：將校驗信息分布到所有盤上，支持多 個寫操作同時發(fā)生。個寫操作同時發(fā)生。例例 圖圖8-88-8：連續(xù)向第：連續(xù)向第8 8塊，第塊，第5 5塊寫入數(shù)據(jù)塊寫入數(shù)據(jù) RAID 4 RAID 4因二次寫操作都需對同一個校驗盤操作，不因二次寫操作都需對同一個校驗盤操作，不能同時進行；能同時進行； RAID 5 RAID 5二次寫操作對應(yīng)的校驗盤不為同一個盤，二二次寫操作對應(yīng)的校驗盤不為同一個盤，二次寫操作可同時進行。次寫操作可同時進行。 三、三、RAIDRAID7. RAID 67. RAID 6（P+Q

30、P+Q冗余）冗余） 采用二次校驗塊機制，可使系統(tǒng)從二次錯誤采用二次校驗塊機制，可使系統(tǒng)從二次錯誤中恢復(fù)過來。中恢復(fù)過來。 優(yōu)點：可靠性更高優(yōu)點：可靠性更高 缺點：存儲開銷是缺點：存儲開銷是RAID 5RAID 5的兩倍的兩倍 目前還很少使用目前還很少使用三、三、RAIDRAIDRAIDRAID小結(jié)：小結(jié)： RAID 1 RAID 1RAID 5RAID 5廣泛用于服務(wù)器系統(tǒng)。廣泛用于服務(wù)器系統(tǒng)。 支持熱交換：支持熱交換： 在系統(tǒng)運行時，替換某一部件，保證不間在系統(tǒng)運行時，替換某一部件，保證不間斷操作。斷操作。 配有應(yīng)急備用配有應(yīng)急備用 一旦檢測出錯誤，數(shù)據(jù)即可重建。一旦檢測出錯誤，數(shù)據(jù)即可重建

31、。9 外設(shè)與輸入輸出系統(tǒng)外設(shè)與輸入輸出系統(tǒng)9.1 9.1 外圍設(shè)備概述外圍設(shè)備概述9.2 9.2 外存儲器設(shè)備外存儲器設(shè)備 9.3 9.3 外圍設(shè)備的定時方式與信息交換外圍設(shè)備的定時方式與信息交換 方式方式9.3 外圍設(shè)備的定時方式與信息交換方式外圍設(shè)備的定時方式與信息交換方式一、一、 外圍設(shè)備的定時方式外圍設(shè)備的定時方式外圍設(shè)備的多樣性外圍設(shè)備的多樣性 形式：機、電、磁、光形式：機、電、磁、光 信號：模擬量、數(shù)字量；電壓、電流信號：模擬量、數(shù)字量；電壓、電流 工作時序、速率都有很大差異工作時序、速率都有很大差異問題：問題： 如何使高速工作的主機與不同速度工作如何使高速工作的主機與不同速度工作

32、的外圍設(shè)備同步的外圍設(shè)備同步一、一、 外圍設(shè)備的定時方式外圍設(shè)備的定時方式分析：分析： 輸入過程輸入過程 CPU把訪問的地址值放在地址總線上，把訪問的地址值放在地址總線上， 以選擇某一設(shè)備；以選擇某一設(shè)備； CPU等候輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)有效；等候輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)有效； CPU從數(shù)據(jù)總線讀入數(shù)據(jù)，并送入相應(yīng)從數(shù)據(jù)總線讀入數(shù)據(jù)，并送入相應(yīng) 的寄存器。的寄存器。關(guān)鍵：關(guān)鍵：什么時候數(shù)據(jù)有效，什么時候數(shù)據(jù)有效，CPU可讀?。靠勺x?。恳?、一、 外圍設(shè)備的定時方式外圍設(shè)備的定時方式 輸出過程輸出過程 CPU把訪問的地址值放在地址總線上，把訪問的地址值放在地址總線上， 選擇某一設(shè)備；選擇某一設(shè)備； CPU把數(shù)據(jù)放

33、在數(shù)據(jù)總線上；把數(shù)據(jù)放在數(shù)據(jù)總線上； 輸出設(shè)備認為數(shù)據(jù)有效，從而把數(shù)據(jù)取輸出設(shè)備認為數(shù)據(jù)有效，從而把數(shù)據(jù)取 走。走。關(guān)鍵：關(guān)鍵：什么時候什么時候CPU才能送第二個數(shù)據(jù)？才能送第二個數(shù)據(jù)？一、一、 外圍設(shè)備的定時方式外圍設(shè)備的定時方式結(jié)論：由于輸入結(jié)論：由于輸入 / 輸出設(shè)備本身的速度差異輸出設(shè)備本身的速度差異 很大，因此，對于不同速度的外圍設(shè)很大，因此，對于不同速度的外圍設(shè) 備，需要有不同的定時方式備，需要有不同的定時方式具體分類：具體分類： 速度極慢或簡單的外圍設(shè)備速度極慢或簡單的外圍設(shè)備 慢速或中速的外圍設(shè)備慢速或中速的外圍設(shè)備 高速的外圍設(shè)備高速的外圍設(shè)備一、一、 外圍設(shè)備的定時方式外圍

34、設(shè)備的定時方式1. 速度極慢或簡單的外圍設(shè)備速度極慢或簡單的外圍設(shè)備 如機械開關(guān)、發(fā)光二極管、數(shù)碼顯示管等等如機械開關(guān)、發(fā)光二極管、數(shù)碼顯示管等等 這類設(shè)備總處于就緒狀態(tài)，可采用無條件傳這類設(shè)備總處于就緒狀態(tài)，可采用無條件傳送方式，需要時，送方式，需要時，CPU只要接收或發(fā)送數(shù)據(jù)只要接收或發(fā)送數(shù)據(jù)就可以了。就可以了。CPU不必查詢外設(shè)工作狀態(tài)，而直接進行信不必查詢外設(shè)工作狀態(tài)，而直接進行信息傳輸，稱為息傳輸，稱為無條件傳送方式。無條件傳送方式。一、一、 外圍設(shè)備的定時方式外圍設(shè)備的定時方式2. 慢速或中速的外圍設(shè)備慢速或中速的外圍設(shè)備 由于這類設(shè)備的速度和由于這類設(shè)備的速度和CPU的速度并不在

35、的速度并不在一個數(shù)量級，或者由于設(shè)備一個數(shù)量級，或者由于設(shè)備(如鍵盤如鍵盤)本身是本身是在不規(guī)則時間間隔下操作的，因此，在不規(guī)則時間間隔下操作的，因此，CPU與這類設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換通常采用與這類設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換通常采用異步異步定時方式。定時方式。 采用應(yīng)答式同步兩者工作，完成數(shù)據(jù)傳輸。采用應(yīng)答式同步兩者工作，完成數(shù)據(jù)傳輸。2. 慢速或中速的外圍設(shè)備慢速或中速的外圍設(shè)備輸入的工作過程：輸入的工作過程： CPUCPU復(fù)位接口狀態(tài)標志，啟動外設(shè)工作，接著不斷讀取復(fù)位接口狀態(tài)標志，啟動外設(shè)工作，接著不斷讀取 狀態(tài)位，判斷外設(shè)是否工作就緒；狀態(tài)位，判斷外設(shè)是否工作就緒； 若外設(shè)數(shù)據(jù)未準備好，若外設(shè)數(shù)

36、據(jù)未準備好，CPUCPU進入循環(huán)，不斷查詢；進入循環(huán)，不斷查詢； 外設(shè)數(shù)據(jù)準備好，置位接口的狀態(tài)觸發(fā)器，并將數(shù)據(jù)外設(shè)數(shù)據(jù)準備好，置位接口的狀態(tài)觸發(fā)器，并將數(shù)據(jù) 打入接口的數(shù)據(jù)緩沖器；打入接口的數(shù)據(jù)緩沖器； CPUCPU檢測到檢測到ReadyReady狀態(tài)，讀取接口數(shù)據(jù)緩沖器數(shù)據(jù)，并狀態(tài)，讀取接口數(shù)據(jù)緩沖器數(shù)據(jù)，并 復(fù)位接口狀態(tài)標志復(fù)位接口狀態(tài)標志 接口接口讀入狀態(tài)位讀入狀態(tài)位讀入數(shù)據(jù)讀入數(shù)據(jù)置位狀態(tài)位置位狀態(tài)位數(shù)據(jù)準備好數(shù)據(jù)準備好數(shù)據(jù)未準備好數(shù)據(jù)未準備好CPU外設(shè)外設(shè)ReadyBusy數(shù)據(jù)緩沖器數(shù)據(jù)緩沖器打入數(shù)據(jù)打入數(shù)據(jù)NOYes復(fù)位狀態(tài)標志復(fù)位狀態(tài)標志特點：不受特點：不受CPU時鐘信號控制，

37、采用應(yīng)答方式實現(xiàn)時鐘信號控制，采用應(yīng)答方式實現(xiàn)CPU 與外設(shè)的同步，完成信息交換。與外設(shè)的同步，完成信息交換。一、一、 外圍設(shè)備的定時方式外圍設(shè)備的定時方式3. 高速的外圍設(shè)備高速的外圍設(shè)備 外設(shè)以相等的時間間隔進行操作，可與外設(shè)以相等的時間間隔進行操作，可與CPU匹配。匹配。 CPU和外設(shè)同步后，靠時鐘脈沖控制傳輸。和外設(shè)同步后，靠時鐘脈沖控制傳輸。 特點：其數(shù)據(jù)傳輸由特點：其數(shù)據(jù)傳輸由CPU時鐘控制，操作時時鐘控制，操作時 間必須與其同步，可取時鐘的整數(shù)倍。間必須與其同步，可取時鐘的整數(shù)倍。 優(yōu)點：傳輸速度快優(yōu)點：傳輸速度快 缺點：控制復(fù)雜缺點：控制復(fù)雜 ，需傳送時鐘，需傳送時鐘9.3 外

38、圍設(shè)備的定時方式與信息交換方式外圍設(shè)備的定時方式與信息交換方式二、信息交換方式二、信息交換方式舉例：幼兒園一個阿姨帶舉例：幼兒園一個阿姨帶10個孩子，要給每個孩子，要給每 個孩子分個孩子分4塊水果糖，并假設(shè)孩子們需塊水果糖，并假設(shè)孩子們需 把這把這4塊糖都吃完，那么她可采用什么塊糖都吃完，那么她可采用什么 方法進行分糖？方法進行分糖？二、信息交換方式二、信息交換方式 每次分一粒，不斷詢問，吃完再發(fā)第每次分一粒，不斷詢問，吃完再發(fā)第2粒粒 每次分一粒，吃完報告，再發(fā)第每次分一粒，吃完報告，再發(fā)第2粒粒 批處理每人發(fā)批處理每人發(fā)4粒，吃完報告粒，吃完報告 權(quán)利下放，發(fā)糖交給其他人管理權(quán)利下放，發(fā)糖

39、交給其他人管理程序查詢方式程序查詢方式程序中斷方式程序中斷方式直接內(nèi)存訪問直接內(nèi)存訪問(DMA)方式方式通道方式通道方式 外圍處理機方式外圍處理機方式CPUCPU與外設(shè)進行數(shù)據(jù)交換的幾種方式與外設(shè)進行數(shù)據(jù)交換的幾種方式二、信息交換方式二、信息交換方式1. 程序查詢方式（輪詢）程序查詢方式（輪詢） 數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)在CPU和外圍設(shè)備之間的傳送完全靠計和外圍設(shè)備之間的傳送完全靠計算機程序控制算機程序控制 特點：特點： 利用查詢使利用查詢使CPU與外設(shè)操作同步與外設(shè)操作同步 接口電路簡單接口電路簡單 CPU與外設(shè)串行工作，效率低與外設(shè)串行工作，效率低 實際使用中，由查詢程序定時輪流實際使用中，由查詢程序定

40、時輪流 詢問各外設(shè)狀態(tài)，可適當提高效率。詢問各外設(shè)狀態(tài)，可適當提高效率。軟件軟件1. 程序查詢方式程序查詢方式程序查詢方式實例：程序查詢方式實例：CPUI/O接口接口地址總線地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線R/W狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)緩沖器數(shù)據(jù)緩沖器P1:P1:ININAX, 21H AX, 21H ；讀狀態(tài)端口讀狀態(tài)端口ANDANDAX, 01H AX, 01H ；判就緒狀態(tài)判就緒狀態(tài)JZJZP1 P1 ；未就緒，繼續(xù)查詢未就緒，繼續(xù)查詢ININDX, 22H DX, 22H ；數(shù)據(jù)準備好，讀數(shù)據(jù)端口數(shù)據(jù)準備好，讀數(shù)據(jù)端口二、信息交換方式二、信息交換方式2. 程序中斷方式程序中斷方式 中斷是外圍設(shè)

41、備用來中斷是外圍設(shè)備用來“主動主動”通知通知CPU，準備送出輸入數(shù)據(jù)或接收輸出數(shù)據(jù)的一種準備送出輸入數(shù)據(jù)或接收輸出數(shù)據(jù)的一種方法。方法。 通常，當一個中斷發(fā)生時，通常，當一個中斷發(fā)生時，CPU暫停它的暫停它的現(xiàn)行程序，而轉(zhuǎn)向中斷處理程序，完成輸現(xiàn)行程序，而轉(zhuǎn)向中斷處理程序，完成輸入或輸出一個數(shù)據(jù)的操作。入或輸出一個數(shù)據(jù)的操作。 當中斷處理完畢后，當中斷處理完畢后，CPU又返回到它原來又返回到它原來的任務(wù)，并從原斷點處繼續(xù)執(zhí)行程序。的任務(wù)，并從原斷點處繼續(xù)執(zhí)行程序。軟硬件軟硬件中斷方式中斷方式計算機在執(zhí)行正常程序的過程中，出現(xiàn)某些計算機在執(zhí)行正常程序的過程中，出現(xiàn)某些異常事件或某種請求時，處理機

42、暫停執(zhí)行當前程序，轉(zhuǎn)而異常事件或某種請求時，處理機暫停執(zhí)行當前程序，轉(zhuǎn)而執(zhí)行更緊急的程序，并能在執(zhí)行結(jié)束后自動恢復(fù)執(zhí)行原程執(zhí)行更緊急的程序，并能在執(zhí)行結(jié)束后自動恢復(fù)執(zhí)行原程序的過程。序的過程。2. 程序中斷方式程序中斷方式特點：特點： 主程序與外設(shè)并行工作，主程序與外設(shè)并行工作，CPU效率提高；效率提高； 具有實時響應(yīng)的能力。具有實時響應(yīng)的能力。缺點：缺點： 硬件結(jié)構(gòu)需增加中斷控制電路；硬件結(jié)構(gòu)需增加中斷控制電路； 服務(wù)開銷時間較大。服務(wù)開銷時間較大。二、信息交換方式二、信息交換方式3. 直接內(nèi)存訪問（直接內(nèi)存訪問（DMA）方式）方式 由由DMA控制器控制，能直接在外設(shè)和主存控制器控制，能直接

43、在外設(shè)和主存 之間進行數(shù)據(jù)傳輸之間進行數(shù)據(jù)傳輸 DMAC從從CPU完全接管對總線的控制，數(shù)完全接管對總線的控制，數(shù) 據(jù)交換不經(jīng)過據(jù)交換不經(jīng)過CPU，而直接在主存和外圍，而直接在主存和外圍 設(shè)備之間進行，以高速傳送數(shù)據(jù)設(shè)備之間進行，以高速傳送數(shù)據(jù)特點：數(shù)據(jù)傳送速度很高，傳送速率僅受到特點：數(shù)據(jù)傳送速度很高，傳送速率僅受到 主存訪問時間的限制主存訪問時間的限制 CPU效率高（非傳輸數(shù)據(jù)開銷低）效率高（非傳輸數(shù)據(jù)開銷低）缺點：硬件電路更復(fù)雜缺點：硬件電路更復(fù)雜硬件硬件DMA方式適用于主存和高速外圍設(shè)備之間大批數(shù)方式適用于主存和高速外圍設(shè)備之間大批數(shù)據(jù)交換的場合據(jù)交換的場合二、信息交換方式二、信息交換

44、方式4. 通道方式通道方式 DMA方式減輕了方式減輕了CPU對對I/O操作的控制，提操作的控制，提高了高了CPU的效率，而通道的出現(xiàn)則進一步的效率，而通道的出現(xiàn)則進一步提高了提高了CPU的效率的效率 通道是一個具有特殊功能的處理器，也稱通道是一個具有特殊功能的處理器，也稱輸入輸出處理器輸入輸出處理器(IOP)，可以實現(xiàn)對外圍設(shè)，可以實現(xiàn)對外圍設(shè)備的統(tǒng)一管理和外圍設(shè)備與內(nèi)存之間的數(shù)備的統(tǒng)一管理和外圍設(shè)備與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳送據(jù)傳送 這種提高這種提高CPU效率的辦法是以花費更多硬效率的辦法是以花費更多硬件為代價的件為代價的硬件硬件二、信息交換方式二、信息交換方式5. 外圍處理機方式外圍處理機方式 外

45、圍處理機外圍處理機(PPU)方式是通道方式的進一步方式是通道方式的進一步 發(fā)展發(fā)展 由于由于PPU基本上獨立于主機工作，它的結(jié)基本上獨立于主機工作，它的結(jié)構(gòu)更接近一般處理機構(gòu)更接近一般處理機 在一些系統(tǒng)中，設(shè)置了多臺在一些系統(tǒng)中，設(shè)置了多臺PPU，分別承，分別承擔擔I/O控制、通信、維護診斷等任務(wù)控制、通信、維護診斷等任務(wù), 從某種意義上說，這種系統(tǒng)已成為分布式的從某種意義上說，這種系統(tǒng)已成為分布式的多機系統(tǒng)多機系統(tǒng)硬件硬件二、信息交換方式二、信息交換方式輸入輸入/輸出方式：輸出方式：I/O/O控制方式控制方式主要由程序?qū)崿F(xiàn)主要由程序?qū)崿F(xiàn)主要由附加硬件實現(xiàn)主要由附加硬件實現(xiàn)程序查程序查詢方式詢

46、方式程序中程序中斷方式斷方式DMADMA方式方式通道通道方式方式PPUPPU方式方式 程序查詢方式和程序中斷方式適用于數(shù)據(jù)傳輸率比較低程序查詢方式和程序中斷方式適用于數(shù)據(jù)傳輸率比較低 的外圍設(shè)備；而的外圍設(shè)備；而DMADMA方式、通道方式和方式、通道方式和PPUPPU方式適用于數(shù)方式適用于數(shù) 據(jù)傳輸率比較高的設(shè)備；據(jù)傳輸率比較高的設(shè)備； 目前，單片機和微型機中多采用程序查詢方式、程序中目前，單片機和微型機中多采用程序查詢方式、程序中 斷方式和斷方式和DMADMA方式；通道方式和方式；通道方式和PPUPPU方式大都在中、大型方式大都在中、大型 計算機中采用計算機中采用9 外設(shè)與輸入輸出系統(tǒng)外設(shè)與

47、輸入輸出系統(tǒng)9.1 9.1 外圍設(shè)備概述外圍設(shè)備概述9.2 9.2 外存儲器設(shè)備外存儲器設(shè)備 9.3 9.3 外圍設(shè)備的定時方式與信息交換外圍設(shè)備的定時方式與信息交換 方式方式9 9. .4 4 程序查詢方式和程序中斷方式程序查詢方式和程序中斷方式指接口中能與指接口中能與CPU交交換信息的寄存器換信息的寄存器9 9. .4 4 程序查詢方式和程序中斷方式程序查詢方式和程序中斷方式一、一、設(shè)備編址方式和設(shè)備編址方式和I/O指令指令1. 設(shè)備編址方式：統(tǒng)一編址法（內(nèi)存映射設(shè)備編址方式：統(tǒng)一編址法（內(nèi)存映射I/O） 獨立編址法（特殊獨立編址法（特殊I/O指令）指令） 統(tǒng)一編址：利用同一個地址空間編址

48、主統(tǒng)一編址：利用同一個地址空間編址主 存單元和存單元和I/O端口端口 獨立編址：主存和獨立編址：主存和I/O端口為兩個獨立的端口為兩個獨立的 地址空間地址空間1. 設(shè)備編址方式：設(shè)備編址方式： 統(tǒng)一編址法統(tǒng)一編址法(又稱存儲器映像編址方式又稱存儲器映像編址方式)把每一個外設(shè)端口視為一個存儲單元，與存把每一個外設(shè)端口視為一個存儲單元，與存儲器統(tǒng)一編排地址，即外設(shè)和存儲器使用的儲器統(tǒng)一編排地址，即外設(shè)和存儲器使用的是同一個地址空間。訪問時，可由地址區(qū)分是同一個地址空間。訪問時，可由地址區(qū)分訪問主存或訪問主存或I/O。優(yōu)點：優(yōu)點： 可利用訪內(nèi)指令去訪問可利用訪內(nèi)指令去訪問I/O端口，而不端口，而不

49、需要專門的需要專門的I/O 指令，指令系統(tǒng)簡單。指令，指令系統(tǒng)簡單。缺點：缺點：I/O端口占用主存地址空間；端口占用主存地址空間； 訪問訪問I/O的指令碼長，速度慢。的指令碼長，速度慢。例：例：M6800; PDP-11; Apele等等 統(tǒng)一編址法統(tǒng)一編址法統(tǒng)一編址法示意圖統(tǒng)一編址法示意圖CPU內(nèi)存內(nèi)存外設(shè)外設(shè)地址譯碼地址譯碼地址地址地址地址1地址地址2 訪問存儲器或訪問存儲器或I/OI/O設(shè)備均采用存儲器讀寫控制信號設(shè)備均采用存儲器讀寫控制信號 ( (如：如：MEMRMEMR、MEMW)MEMW)，由地址譯碼區(qū)分訪問存儲器，由地址譯碼區(qū)分訪問存儲器 還是訪問還是訪問I/OI/O設(shè)備。設(shè)備。

50、1. 設(shè)備編址方式：設(shè)備編址方式： 獨立編址法獨立編址法 ( (又稱單獨編址方式又稱單獨編址方式) ) I/O I/O設(shè)備的地址空間和存儲器地址空間是設(shè)備的地址空間和存儲器地址空間是兩兩個獨立的地址空間個獨立的地址空間 CPU CPU使用專門的使用專門的IN(IN(輸入輸入) )和和OUT(OUT(輸出輸出) )等等I/OI/O指令來實現(xiàn)指令來實現(xiàn)I/OI/O設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送，即由指令設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送，即由指令區(qū)分訪問主存還是訪問區(qū)分訪問主存還是訪問I/OI/O端口端口 優(yōu)點：主存地址空間大優(yōu)點：主存地址空間大 缺點：需設(shè)置專門的缺點：需設(shè)置專門的I/O指令，指令系統(tǒng)復(fù)雜指令，指令系統(tǒng)復(fù)雜 例：例

51、：Intel x86; z80; Pentium等等 獨立編址法獨立編址法獨立編址法示意圖：獨立編址法示意圖：由于，存儲器和由于，存儲器和I/OI/O設(shè)備為獨立的地址空間，訪問地址可設(shè)備為獨立的地址空間，訪問地址可能出現(xiàn)重復(fù)，因此，無法由地址信號區(qū)分兩者的操作。能出現(xiàn)重復(fù)，因此，無法由地址信號區(qū)分兩者的操作。所以必須增設(shè)所以必須增設(shè)I/OI/O指令，訪問時，指令，訪問時，CPUCPU通過指令譯碼，給出通過指令譯碼，給出操作控制信號，操作控制信號，（例如：給出（例如：給出M/IOM/IO信號），信號），以區(qū)分是存以區(qū)分是存儲器讀寫操作，儲器讀寫操作，還是還是I/OI/O讀寫操作讀寫操作CPU內(nèi)存

52、內(nèi)存外設(shè)外設(shè)地址地址地址地址地址地址M/IO選擇選擇選擇選擇一、一、設(shè)備編址方式和設(shè)備編址方式和I/O指令指令2. I/O指令指令 要求要求I/O指令應(yīng)具有如下功能：指令應(yīng)具有如下功能： 置位置位/復(fù)位某些控制觸發(fā)器復(fù)位某些控制觸發(fā)器 控制設(shè)備進行某些動作控制設(shè)備進行某些動作 測試設(shè)備的某些狀態(tài)測試設(shè)備的某些狀態(tài) 以便決定下一步的操作以便決定下一步的操作 輸入輸入/輸出數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù) 主機與設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸主機與設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸 不同機器其不同機器其I/O指令功能是不同的指令功能是不同的8.2 8.2 程序查詢方式和程序中斷方式程序查詢方式和程序中斷方式二、程序查詢方式二、程序查詢方式 由程序控

53、制輸入輸出過程，分為：由程序控制輸入輸出過程，分為： 無條件傳送方式無條件傳送方式 條件傳送方式條件傳送方式二、程序查詢方式二、程序查詢方式1. 無條件傳送方式無條件傳送方式 所謂無條件，就是假設(shè)外設(shè)已處于就緒狀態(tài)，所謂無條件，就是假設(shè)外設(shè)已處于就緒狀態(tài)， 數(shù)據(jù)傳送時，程序不必再去查詢外設(shè)的狀態(tài)，數(shù)據(jù)傳送時，程序不必再去查詢外設(shè)的狀態(tài)， 而直接執(zhí)行而直接執(zhí)行I/O指令進行數(shù)據(jù)傳輸指令進行數(shù)據(jù)傳輸 適用于數(shù)據(jù)傳送不太頻繁的情況，如對機械適用于數(shù)據(jù)傳送不太頻繁的情況，如對機械 開關(guān)、數(shù)碼顯示器等一些簡單外設(shè)的操作。開關(guān)、數(shù)碼顯示器等一些簡單外設(shè)的操作。 這種方式是最簡單的傳送方式，程序編制與接這種

54、方式是最簡單的傳送方式，程序編制與接 口電路設(shè)計都較為簡單。口電路設(shè)計都較為簡單。1. 無條件傳送方式無條件傳送方式 當簡單外設(shè)作為輸入設(shè)備時，其輸入數(shù)當簡單外設(shè)作為輸入設(shè)備時，其輸入數(shù) 據(jù)的保持時間相對據(jù)的保持時間相對CPU的處理時間要長的處理時間要長 得多，所以可直接使用三態(tài)緩沖器與系得多，所以可直接使用三態(tài)緩沖器與系 統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連；統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連； 當簡單外設(shè)作為輸出設(shè)備時，由于外設(shè)當簡單外設(shè)作為輸出設(shè)備時，由于外設(shè) 的速度較慢，的速度較慢，CPU送出的數(shù)據(jù)必須在接送出的數(shù)據(jù)必須在接 口中保持一段時間，以適應(yīng)于外設(shè)的動口中保持一段時間，以適應(yīng)于外設(shè)的動 作，因此輸出必須采用鎖存器。作，

55、因此輸出必須采用鎖存器。1. 無條件傳送方式無條件傳送方式輸入：輸入：CPUCPU執(zhí)行輸入指令執(zhí)行輸入指令指令譯碼：選擇信號指令譯碼：選擇信號M/IOM/IO、讀命令讀命令RDRD有效有效 地址譯碼有效：選中輸入緩沖器地址譯碼有效：選中輸入緩沖器使能輸入緩沖器，外設(shè)數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線使能輸入緩沖器，外設(shè)數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線 CPUCPU讀取。讀取。輸出：輸出：CPUCPU執(zhí)行輸出指令執(zhí)行輸出指令指令譯碼：選擇信號指令譯碼：選擇信號M/IOM/IO、寫命令寫命令WRWR有效有效 地址譯碼有效：選中輸出鎖存器地址譯碼有效：選中輸出鎖存器使能輸出鎖存器，使能輸出鎖存器，CPUCPU數(shù)據(jù)打入輸出鎖存器數(shù)據(jù)打

56、入輸出鎖存器外設(shè)外設(shè)讀取。讀取。二、程序查詢方式二、程序查詢方式 2. 程序查詢方式（條件傳送方式）程序查詢方式（條件傳送方式）CPU通過執(zhí)行程序不斷讀取并測試外設(shè)的通過執(zhí)行程序不斷讀取并測試外設(shè)的狀態(tài)，當輸入設(shè)備處于準備好狀態(tài)或輸出狀態(tài)，當輸入設(shè)備處于準備好狀態(tài)或輸出設(shè)備處于空閑狀態(tài)時，設(shè)備處于空閑狀態(tài)時，CPU執(zhí)行輸入或輸執(zhí)行輸入或輸出指令與外設(shè)交換數(shù)據(jù)出指令與外設(shè)交換數(shù)據(jù)查詢方式接口電路除了數(shù)據(jù)端口外，還應(yīng)查詢方式接口電路除了數(shù)據(jù)端口外，還應(yīng)有傳送狀態(tài)信息的端口有傳送狀態(tài)信息的端口2. 程序查詢方式程序查詢方式（1）程序查詢方式接口電路框圖：）程序查詢方式接口電路框圖：設(shè)備選擇電路：每個

57、設(shè)備設(shè)備選擇電路：每個設(shè)備均設(shè)定一段端口地址碼，均設(shè)定一段端口地址碼，以選擇該設(shè)備接口中的各以選擇該設(shè)備接口中的各個寄存器個寄存器數(shù)據(jù)緩沖寄存器：數(shù)據(jù)緩沖寄存器：CPU與與設(shè)備交換的數(shù)據(jù)都需經(jīng)過設(shè)備交換的數(shù)據(jù)都需經(jīng)過數(shù)據(jù)緩沖寄存器，對數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)緩沖寄存器，對數(shù)據(jù)起緩沖的作用。起緩沖的作用。狀態(tài)標志寄存器：寄存外設(shè)狀態(tài)標志寄存器：寄存外設(shè)當前工作的狀態(tài)，供當前工作的狀態(tài)，供CPU查查詢，以協(xié)調(diào)工作。詢，以協(xié)調(diào)工作。命令寄存器：存放控制外設(shè)命令寄存器：存放控制外設(shè)工作的命令。工作的命令。2. 程序查詢方式程序查詢方式（2）程序查詢方式工作原理）程序查詢方式工作原理 輸入：輸入： 程序不斷查詢程序不斷

58、查詢“就緒就緒”觸發(fā)器狀態(tài)，以觸發(fā)器狀態(tài)，以便便 正確讀取輸入數(shù)據(jù)正確讀取輸入數(shù)據(jù) 輸出：輸出： 程序不斷查詢程序不斷查詢“忙忙”觸發(fā)器狀態(tài)，以便觸發(fā)器狀態(tài)，以便繼繼 續(xù)輸出下一個數(shù)據(jù)續(xù)輸出下一個數(shù)據(jù)2. 程序查詢方式程序查詢方式操作流程圖：操作流程圖： CPU CPU 和外設(shè)的操作能和外設(shè)的操作能 通過狀態(tài)信息得到同通過狀態(tài)信息得到同 步；步； CPUCPU效率較低；傳輸效率較低；傳輸 完全在完全在CPUCPU控制下完控制下完 成，對外部出現(xiàn)的異成，對外部出現(xiàn)的異 常事件無實時響應(yīng)能常事件無實時響應(yīng)能 力。力。 由程序決定優(yōu)先級，由程序決定優(yōu)先級， 高優(yōu)先級先查詢。高優(yōu)先級先查詢。 （2）程

59、序查詢方式工作原理）程序查詢方式工作原理 查詢式輸入：查詢式輸入：查詢式輸入的接口電路框圖：查詢式輸入的接口電路框圖： 輸入設(shè)備將數(shù)據(jù)準備好，向接口發(fā)送一個選通信號。輸入設(shè)備將數(shù)據(jù)準備好，向接口發(fā)送一個選通信號。 由選通信號作為打入脈沖將數(shù)據(jù)打入接口的數(shù)據(jù)鎖存由選通信號作為打入脈沖將數(shù)據(jù)打入接口的數(shù)據(jù)鎖存 器，同時置位狀態(tài)位器，同時置位狀態(tài)位“READYREADY”( (使使D D觸發(fā)器置為觸發(fā)器置為“1 1” ) )。 至此，數(shù)據(jù)與狀態(tài)送入接口的不同端口。至此，數(shù)據(jù)與狀態(tài)送入接口的不同端口。 CPUCPU要從外設(shè)輸入數(shù)據(jù)時，首先執(zhí)行輸入指令要從外設(shè)輸入數(shù)據(jù)時，首先執(zhí)行輸入指令(M/IO(M/

60、IO、 RD RD信號有效，且地址選中狀態(tài)端口信號有效，且地址選中狀態(tài)端口) )通過三態(tài)緩沖器通過三態(tài)緩沖器 讀取狀態(tài)字，即查詢讀取狀態(tài)字，即查詢“READYREADY”是否有效。是否有效。 無效，無效，CPUCPU不斷查詢，等待外設(shè)將數(shù)據(jù)準備好；不斷查詢，等待外設(shè)將數(shù)據(jù)準備好； 有效，表明數(shù)據(jù)已在接口的數(shù)據(jù)端口中，有效，表明數(shù)據(jù)已在接口的數(shù)據(jù)端口中，CPUCPU執(zhí)行輸執(zhí)行輸 入指令入指令( (M/IOM/IO、RDRD信號有效，且地址選中數(shù)據(jù)端口信號有效，且地址選中數(shù)據(jù)端口) ) 讀取數(shù)據(jù)；同時清除狀態(tài)觸發(fā)器，將狀態(tài)信息讀取數(shù)據(jù)；同時清除狀態(tài)觸發(fā)器，將狀態(tài)信息 “READYREADY”復(fù)位，