計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第6章輸入輸出系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第6章輸入輸出系統(tǒng)輸入輸出系統(tǒng)概述輸入設(shè)備輸出設(shè)備輸入輸出接口輸入輸出控制方式輸入輸出系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)與優(yōu)化輸入輸出系統(tǒng)概述01將人類可讀的信息轉(zhuǎn)換為機(jī)器可讀的二進(jìn)制代碼，以供計(jì)算機(jī)處理。例如，鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀等。輸入設(shè)備將計(jì)算機(jī)處理后的二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換為人類可讀的信息，以供用戶查看或進(jìn)一步處理。例如，顯示器、打印機(jī)、音響等。輸出設(shè)備輸入輸出設(shè)備的作用I/O接口計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備之間的連接部分，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖、信號(hào)轉(zhuǎn)換和電平匹配等功能。I/O端口計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備通信的通道，通過(guò)端口可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入和輸出。I/O操作過(guò)程包括設(shè)備識(shí)別、數(shù)據(jù)傳輸和狀態(tài)檢測(cè)等步驟。在設(shè)備識(shí)別階段，計(jì)算機(jī)會(huì)檢測(cè)外部設(shè)備的類型和狀態(tài)；在數(shù)據(jù)傳輸階段，計(jì)算機(jī)會(huì)與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；在狀態(tài)檢測(cè)階段，計(jì)算機(jī)會(huì)檢查外部設(shè)備的狀態(tài)，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。輸入輸出操作的原理可維護(hù)性系統(tǒng)在發(fā)生故障時(shí)能夠迅速恢復(fù)正常運(yùn)行的能力，通常以平均修復(fù)時(shí)間（MTTR）表示。吞吐量單位時(shí)間內(nèi)處理的數(shù)據(jù)量，通常以字節(jié)/秒（B/s）或位/秒（b/s）表示。響應(yīng)時(shí)間從輸入設(shè)備發(fā)送請(qǐng)求到輸出設(shè)備產(chǎn)生響應(yīng)所需的時(shí)間，通常以毫秒（ms）表示?？煽啃韵到y(tǒng)在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力，通常以平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）表示。輸入輸出系統(tǒng)的性能指標(biāo)輸入設(shè)備02通過(guò)按鍵觸發(fā)電路信號(hào)，將字符、數(shù)字或控制命令輸入到計(jì)算機(jī)中。鍵盤的工作原理包括機(jī)械鍵盤、薄膜鍵盤、靜電容鍵盤等，各有不同的觸感和響應(yīng)速度。鍵盤的種類主要有PS/2接口、USB接口等，用于連接計(jì)算機(jī)并傳輸輸入信號(hào)。鍵盤的接口鍵盤鼠標(biāo)的工作原理通過(guò)檢測(cè)鼠標(biāo)在平面上的移動(dòng)和點(diǎn)擊動(dòng)作，將光標(biāo)定位和操作命令輸入到計(jì)算機(jī)中。鼠標(biāo)的種類包括機(jī)械鼠標(biāo)、光電鼠標(biāo)、激光鼠標(biāo)等，各有不同的精度和適用場(chǎng)景。鼠標(biāo)的接口主要有PS/2接口、USB接口等，用于連接計(jì)算機(jī)并傳輸輸入信號(hào)。鼠標(biāo)03020103掃描儀的接口主要有USB接口、網(wǎng)絡(luò)接口等，用于連接計(jì)算機(jī)并傳輸掃描數(shù)據(jù)。01掃描儀的工作原理通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)將文檔、照片等圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，輸入到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理。02掃描儀的種類包括平板掃描儀、饋紙式掃描儀等，各有不同的掃描速度和精度。掃描儀數(shù)碼相機(jī)的種類包括單反相機(jī)、卡片相機(jī)、手機(jī)相機(jī)等，各有不同的成像質(zhì)量和功能。數(shù)碼相機(jī)和攝像頭的接口主要有USB接口、HDMI接口等，用于連接計(jì)算機(jī)并傳輸圖像和視頻數(shù)據(jù)。攝像頭的種類包括網(wǎng)絡(luò)攝像頭、監(jiān)控?cái)z像頭等，用于捕捉視頻信號(hào)并輸入到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理。數(shù)碼相機(jī)的工作原理通過(guò)光學(xué)鏡頭和圖像傳感器捕捉圖像，將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)介質(zhì)中。數(shù)碼相機(jī)和攝像頭輸出設(shè)備03顯示器的分類根據(jù)顯示技術(shù)，顯示器可分為陰極射線管（CRT）顯示器、液晶（LCD）顯示器、等離子（PDP）顯示器、有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）顯示器等。顯示器的性能指標(biāo)分辨率、刷新率、色域覆蓋率、亮度、對(duì)比度等是衡量顯示器性能的重要指標(biāo)。顯示器的接口常見(jiàn)的顯示器接口有VGA、DVI、HDMI、DisplayPort等，不同接口具有不同的傳輸帶寬和特性。010203顯示器打印機(jī)的分類根據(jù)打印技術(shù)，打印機(jī)可分為噴墨打印機(jī)、激光打印機(jī)、熱轉(zhuǎn)印打印機(jī)等。打印機(jī)的性能指標(biāo)打印速度、打印分辨率、打印成本、支持紙張類型等是衡量打印機(jī)性能的重要指標(biāo)。打印機(jī)的接口常見(jiàn)的打印機(jī)接口有USB、并行接口（LPT）、網(wǎng)絡(luò)接口等，不同接口具有不同的傳輸速度和特性。打印機(jī)根據(jù)使用場(chǎng)景和音質(zhì)要求，音響設(shè)備可分為家用音響、專業(yè)音響、汽車音響等。音響設(shè)備的分類頻率響應(yīng)范圍、失真度、信噪比、輸出功率等是衡量音響設(shè)備性能的重要指標(biāo)。音響設(shè)備的性能指標(biāo)常見(jiàn)的音響設(shè)備接口有3.5mm音頻接口、RCA接口、光纖接口、HDMI接口等，不同接口具有不同的傳輸質(zhì)量和特性。音響設(shè)備的接口音響設(shè)備將計(jì)算機(jī)輸出的視頻信號(hào)投影到大屏幕上，適用于會(huì)議、教學(xué)等場(chǎng)景。投影儀高精度輸出圖形的設(shè)備，適用于CAD、GIS等領(lǐng)域。繪圖儀將計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的三維模型打印成實(shí)體，適用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、藝術(shù)創(chuàng)作等領(lǐng)域。3D打印機(jī)其他輸出設(shè)備輸入輸出接口04接口的作用進(jìn)行信息格式的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的緩沖和鎖存接口的作用和分類接口的作用和分類010203聯(lián)絡(luò)和定時(shí)接口的分類傳遞控制命令按數(shù)據(jù)傳送方式并行接口和串行接口按功能選擇的靈活性可編程接口和不可編程接口按通用性通用接口和專用接口接口的作用和分類并行接口和串行接口01并行接口02數(shù)據(jù)的各位同時(shí)傳送傳輸速度快，但傳輸線多，傳輸距離短03并行接口和串行接口并行接口和串行接口串行接口傳輸速度慢，但傳輸線少，傳輸距離長(zhǎng)數(shù)據(jù)一位一位地順序傳送適用于遠(yuǎn)距離、低速率的數(shù)據(jù)傳輸，如RS-232C標(biāo)準(zhǔn)等中斷和DMA技術(shù)中斷技術(shù)02當(dāng)I/O設(shè)備與CPU交換數(shù)據(jù)時(shí)，由I/O設(shè)備向CPU發(fā)出請(qǐng)求，CPU響應(yīng)請(qǐng)求并暫停現(xiàn)行程序，轉(zhuǎn)而執(zhí)行中斷服務(wù)程序，處理完中斷后再返回原程序繼續(xù)執(zhí)行03中斷技術(shù)提高了CPU的利用率，實(shí)現(xiàn)了CPU與I/O設(shè)備的并行工作01輸入標(biāo)題02010403中斷和DMA技術(shù)DMA技術(shù)DMA方式提高了數(shù)據(jù)傳輸速率，降低了CPU的占用率在DMA方式下，主存與I/O設(shè)備之間有一條數(shù)據(jù)通路，主存與I/O設(shè)備交換信息時(shí)，無(wú)需調(diào)用中斷服務(wù)程序，主存也可與CPU交換信息DMA（DirectMemoryAccess）即直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)，是一種高速的數(shù)據(jù)傳輸方式I/O端口地址譯碼01I/O端口地址譯碼的作用是將I/O設(shè)備的端口地址翻譯成對(duì)應(yīng)的內(nèi)存地址或設(shè)備選擇信號(hào)，以便CPU能夠正確地訪問(wèn)I/O設(shè)備02I/O端口地址譯碼的方法有固定譯碼和可選譯碼兩種03固定譯碼：將I/O設(shè)備的端口地址固定地映射到內(nèi)存地址空間中的某一段地址上，優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是地址空間利用率低、不靈活04可選譯碼：通過(guò)編程選擇I/O設(shè)備的端口地址映射到內(nèi)存地址空間中的任意位置，優(yōu)點(diǎn)是靈活、地址空間利用率高，缺點(diǎn)是編程復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)難度較大輸入輸出控制方式05123CPU通過(guò)I/O指令向設(shè)備控制器發(fā)出讀/寫命令，然后等待并輪詢檢查設(shè)備狀態(tài)，直到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好或操作完成。查詢流程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，對(duì)硬件要求低。優(yōu)點(diǎn)CPU利用率低，等待時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)法處理并發(fā)I/O操作。缺點(diǎn)程序查詢方式設(shè)備控制器在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好或操作完成時(shí)，向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求。CPU響應(yīng)中斷，保存現(xiàn)場(chǎng)，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)程序，處理完中斷后恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)并繼續(xù)執(zhí)行原程序。中斷處理流程提高了CPU利用率，實(shí)現(xiàn)了I/O操作的并發(fā)處理。優(yōu)點(diǎn)中斷處理需要消耗一定的CPU時(shí)間，且中斷次數(shù)過(guò)多可能導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。缺點(diǎn)中斷方式優(yōu)點(diǎn)大大減少了CPU的干預(yù)，實(shí)現(xiàn)了高速I/O數(shù)據(jù)傳輸。缺點(diǎn)需要額外的DMA控制器和接口電路，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性。DMA傳輸流程CPU向DMA控制器發(fā)出讀/寫命令和傳輸參數(shù)。DMA控制器接管總線控制權(quán)，直接與內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，完成后通知CPU。DMA方式通道工作原理優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)通道方式通道是一種特殊的處理器，可以執(zhí)行一組I/O操作。CPU向通道發(fā)出命令和參數(shù)，通道獨(dú)立地執(zhí)行I/O操作，完成后通知CPU。進(jìn)一步減少了CPU的干預(yù)，提高了I/O操作的并行性和效率。需要額外的通道硬件和復(fù)雜的通道程序，增加了系統(tǒng)成本和復(fù)雜性。輸入輸出系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)與優(yōu)化06吞吐量從輸入請(qǐng)求發(fā)出到系統(tǒng)響應(yīng)的時(shí)間，體現(xiàn)系統(tǒng)反應(yīng)速度。響應(yīng)時(shí)間CPU利用率設(shè)備利用率01020403輸入輸出設(shè)備忙碌時(shí)間與總時(shí)間的比例，體現(xiàn)設(shè)備使用效率。單位時(shí)間內(nèi)完成的輸入輸出操作數(shù)量，反映系統(tǒng)處理速度。CPU處理輸入輸出操作的時(shí)間占比，反映系統(tǒng)資源利用效率。性能評(píng)價(jià)指標(biāo)緩沖技術(shù)允許輸入輸出設(shè)備在完成任務(wù)后主動(dòng)通知CPU，減少CPU等待時(shí)間，提高CPU利用率。中斷技術(shù)DMA技術(shù)通道技術(shù)通過(guò)增設(shè)緩沖區(qū)，緩解CPU與輸入輸出設(shè)備速度不匹配的問(wèn)題，提高系統(tǒng)吞吐量。設(shè)立專門負(fù)責(zé)輸入輸出操作的通道，實(shí)現(xiàn)CPU與輸入輸出設(shè)備的并行工作，進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能。允許輸入輸出設(shè)備直接與內(nèi)存交換數(shù)據(jù)，減輕CPU負(fù)擔(dān)，提高數(shù)據(jù)傳輸速度。性能優(yōu)化方法案例一采用緩沖技術(shù)優(yōu)化磁盤讀寫性能。通過(guò)在內(nèi)存中設(shè)置磁盤緩沖區(qū)，將磁盤讀寫操作轉(zhuǎn)化為對(duì)緩沖區(qū)的操作，減少了對(duì)磁盤的直接訪問(wèn)次數(shù)，提高了磁盤讀寫速度。案例三運(yùn)用DMA技術(shù)加速網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，利用DMA技術(shù)將數(shù)據(jù)直接從網(wǎng)卡傳輸?shù)絻?nèi)存，無(wú)需CPU