计算机组成原理-第5章-输入输出系统

计计算算机机组组成成原原理理唐朔飞唐朔飞第版第版高高 等等 教教 育育 出出 版版 社社高高等等教教育育电电子子音音像像出出版版社社第第章章 输入输出系统输入输出系统5.6 DMA方式方式5.5 程序中断方式程序中断方式5.4 程序查询方式程序查询方式5.3 I/O接口接口5.2 外部设备外部设备5.1 概述概述5.1 概概 述述一、输入输出系统的发展概况一、输入输出系统的发展概况1.早期早期分散连接分散连接CPU 和和 I/O设备设备 串行串行 工作工作程序查询方式程序查询方式2.接口模块和接口模块和 DMA 阶段阶段总线连接总线连接CPU 和和 I/O设备设备 并行并行 工作工作3.具有通道结构的阶段具有通道结构的阶段4.具有具有 I/O 处理机的阶段处理机的阶段中断方式中断方式DMA 方式方式二、输入输出系统的组成二、输入输出系统的组成1.I/O 软件软件(1)I/O 指令指令(2)通道指令通道指令CPU 指令的一部分指令的一部分通道自身的指令通道自身的指令指出数组的首地址、传送字数、操作命令指出数组的首地址、传送字数、操作命令如如 IBM/370 通道指令为通道指令为 64 位位2.I/O 硬件硬件设备设备I/O 接口接口设备设备设备控制器设备控制器通道通道操作码操作码命令码命令码设备码设备码5.1三、三、I/O 设备与主机的联系方式设备与主机的联系方式1.I/O 设备编址方式设备编址方式(1)统一编址统一编址(2)不统一编址不统一编址用取数、存数指令用取数、存数指令有专门的有专门的 I/O 指令指令2.设备选址设备选址用设备选择电路识别是否被选中用设备选择电路识别是否被选中3.传送方式传送方式(1)串行串行(2)并行并行5.1数据字数据字命令字命令字命令字命令字0 1 1 0 1 0 0 0起起始始位位终终止止位位9.09 ms2 9.09 ms4.联络方式联络方式(1)立即响应立即响应(2)异步工作采用应答信号异步工作采用应答信号“Ready”“Strobe”I/O 接接 口口I/O 设设 备备CPU(3)同步工作采用同步时标同步工作采用同步时标5.1并行并行串行串行起起始始位位终终止止位位9.09 ms2 9.09 ms5.I/O 设备与主机的连接方式设备与主机的连接方式(1)辐射式连接辐射式连接(2)总线连接总线连接 外设外设 外设外设 外设外设 主主机机不便于增删设备不便于增删设备每台设备都配有一套每台设备都配有一套控制线路和一组信号线控制线路和一组信号线5.1便于增删设备便于增删设备四、四、I/O设备与主机信息传送的控制方式设备与主机信息传送的控制方式1.程序查询方式程序查询方式CPU 和和 I/O 串行工作串行工作踏步等待踏步等待CPU读读I/O状态状态检查状态检查状态未准备就绪未准备就绪出错出错从从I/O接口中读接口中读 一个字到一个字到CPU从从CPU向主存向主存 写入一个字写入一个字CPU向向I/O发发 读指令读指令CPU读读I/O状态状态检查状态检查状态 完成否完成否未准备就绪未准备就绪现行程序现行程序是是出错出错已准备就绪已准备就绪否否5.12.程序中断方式程序中断方式I/O 工作工作CPU 不查询不查询CPU 暂停现行程序暂停现行程序自身准备自身准备与主机交换信息与主机交换信息CPU 和和 I/O 并行工作并行工作 启动启动 I/O设备设备现行程序现行程序 中中断断服服务务程程序序KK+1没有踏步等待现象没有踏步等待现象中断现行程序中断现行程序5.1程序中断方式流程程序中断方式流程CPU 向向 I/O 发读指令发读指令CPU 读读 I/O 状态状态检查状态检查状态完成否？完成否？CPU 做其他事情做其他事情I/O 设备工作设备工作准备就绪准备就绪CPU I/O从从 CPU 向主存写入一个字向主存写入一个字CPU 主存主存从从 I/O 接口中读一个字到接口中读一个字到CPUI/O CPU中断请求中断请求I/O CPU出错出错是是否否未错未错5.13.DMA 方式方式主存和主存和 I/O 之间有一条直接数据通道之间有一条直接数据通道不中断现行程序不中断现行程序周期挪用（周期窃取）周期挪用（周期窃取）CPU 和和 I/O 并行工作并行工作存取周期结束存取周期结束CPU 执行现行程序执行现行程序CPU 执行现行程序执行现行程序DMA请求请求启动启动I/OI/O准备准备I/O准备准备一个存取周期一个存取周期实现实现I/O与主存之间的传送与主存之间的传送5.1三种方式的三种方式的 CPU 工作效率比较工作效率比较存取周期结束存取周期结束CPU 执行现行程序执行现行程序CPU 执行现行程序执行现行程序DMA请求请求启动启动I/OI/O准备准备I/O准备准备一个存取周期一个存取周期实现实现I/O与主存与主存之间的传送之间的传送CPU 执行执行现行程序现行程序CPU查询等待并传输查询等待并传输I/O数据数据CPU 执行执行现行程序现行程序启动启动I/OI/O 准备及传送准备及传送指令执行周期结束指令执行周期结束CPU 执行现行程序执行现行程序CPU 执行现行程序执行现行程序启动启动I/O中断请求中断请求I/O准备准备I/O准备准备CPU 处理中断服务程序处理中断服务程序实现实现 I/O 与主机之间的传送与主机之间的传送间间断断启动启动I/O启动启动I/OI/O准备准备中断请求中断请求启动启动I/OI/O准备准备一个存取周期一个存取周期DMA请求请求程序程序查询查询方式方式程序程序中断中断方式方式DMA 方式方式5.1I/O 准备及传送准备及传送间间断断I/O准备准备I/O准备准备补充：输入输出系统的功能补充：输入输出系统的功能1.对指定外部设备进行编址；对指定外部设备进行编址；2.连接好主存与指定外部设备之间的信息通路；连接好主存与指定外部设备之间的信息通路；3.完成在指定外部设备编址区和操作系统指定的主存之完成在指定外部设备编址区和操作系统指定的主存之间进行所要求的信息传输；间进行所要求的信息传输；4.对所传输的信息进行格式变换与校验；对所传输的信息进行格式变换与校验；5.外部设备之间的协调工作外部设备之间的协调工作目的：目的：解决慢速的解决慢速的I/O系统与高速的系统与高速的CPU的匹配问题的匹配问题（1）I/O系统日益成为计算机系统性能的瓶颈；系统日益成为计算机系统性能的瓶颈；（2）计算机系统的差距主要是）计算机系统的差距主要是I/O系统的差距；系统的差距；（3）I/O系统的三个标准：成本、性能、容量；系统的三个标准：成本、性能、容量；（4）定量指标：可连接性、容量、吞吐率、响应时间定量指标：可连接性、容量、吞吐率、响应时间（5）定性指标：可连接性、可靠性、可用性、可行性）定性指标：可连接性、可靠性、可用性、可行性补充：输入输出系统的有关问题补充：输入输出系统的有关问题补充：输入输出系统的性能补充：输入输出系统的性能l响应时间响应时间：I/O处理时间处理时间+CPU处理时间处理时间l连接特性：可连接设备种类连接特性：可连接设备种类l容容 量：可连接设备数量量：可连接设备数量l吞吐率：单位时间内吞吐率：单位时间内I/O信息量信息量 l可靠性：持续服务能力可靠性：持续服务能力l可用性：可用性：MTTF/(MTTF+MTTR)l可信性：服务质量可信性：服务质量QoS补充：输入输出系统的故障、错误和失效补充：输入输出系统的故障、错误和失效l故障：不正确引起问题故障：不正确引起问题l错误：故障引起错误错误：故障引起错误l失效：错误引起失效失效：错误引起失效l故障原因：故障原因：1）硬件故障：设备失效产生的故障）硬件故障：设备失效产生的故障 2）设计故障：大部分是软件引起的）设计故障：大部分是软件引起的 3）操作故障：操作失误引起的）操作故障：操作失误引起的 4）环境故障：外界因素引起的）环境故障：外界因素引起的补充：输入输出系统的故障、补充：输入输出系统的故障、错误和失效的关系错误和失效的关系l一个故障可能会导致一个或多个错误一个故障可能会导致一个或多个错误l错误有潜在状态和有效状态；潜在状态错误有潜在状态和有效状态；潜在状态错误可被激活为有效状态错误；有效状错误可被激活为有效状态错误；有效状态错误具有可逆性和传递性；态错误具有可逆性和传递性；l如果错误影响到部件正常服务时，部件如果错误影响到部件正常服务时，部件就发生了失效；就发生了失效；l系统中所有部件的故障、错误和失效都系统中所有部件的故障、错误和失效都存在这种关系存在这种关系补充：输入输出系统的设计lI/O系统设计的目标：系统设计的目标：满满足足性性能能价价格格比比的的目目标标，避避免免I/O中中的的瓶瓶颈颈，在在存存储储器器与与I/O设设备备之之间间带带宽宽要要平平衡衡，因因为为在在从从I/O设设备备、存存储储器器、到到CPU的信息通道上，性能由最差的设备决定。的信息通道上，性能由最差的设备决定。补充：输入输出系统的设计 I/O系统设计的六个步骤：系统设计的六个步骤：（1）列出计算机需要连接的）列出计算机需要连接的I/O设备的类型，或者列设备的类型，或者列出机器将要支持的标准总线出机器将要支持的标准总线（2）列出每种）列出每种I/O设备的指标，如容量、功耗、接口、设备的指标，如容量、功耗、接口、总线槽等；总线槽等；（3）列出每种）列出每种I/O设备的价格，包括这种设备所需要设备的价格，包括这种设备所需要的专用控制器的价格；的专用控制器的价格；（4）记录每个）记录每个I/O设备对系统资源的要求，包括：设备对系统资源的要求，包括：初始化、设备操作和完成初始化、设备操作和完成I/O等需要的指令时钟周期数；等需要的指令时钟周期数；（5）列出每种）列出每种I/O设备所需要的存储器和设备所需要的存储器和I/O总线资总线资源，即在源，即在CPU不使用存储器的情况下，主存与不使用存储器的情况下，主存与I/O总总线之间的带宽也是受限的；线之间的带宽也是受限的；（6）最后一步是要分析和评价这些）最后一步是要分析和评价这些I/O设备不同连接设备不同连接方法的性能。方法的性能。补充：输入输出系统的设计 I/O系统设计的六个步骤：系统设计的六个步骤：（4）记录每个）记录每个I/O设备对系统资源的要求，包括：设备对系统资源的要求，包括：初始化、设备操作和完成初始化、设备操作和完成I/O等需要的指令时钟周期；等需要的指令时钟周期；（5）列出每种）列出每种I/O设备所需要的存储器和设备所需要的存储器和I/O总线资源，总线资源，即在即在CPU不使用存储器的情况下，主存与不使用存储器的情况下，主存与I/O总线之间总线之间的带宽也是受限的；的带宽也是受限的；（6）最后一步是要分析和评价这些）最后一步是要分析和评价这些I/O设备不同连接方设备不同连接方法的性能。法的性能。5.2 I/O设备设备一、概述一、概述主主机机 设备设备控制器控制器机、电机、电磁、光磁、光部分部分I/O接接口口外部设备外部设备外部设备大致分三类外部设备大致分三类键盘、鼠标、打印机、显示器键盘、鼠标、打印机、显示器 磁盘、光盘、磁带磁盘、光盘、磁带1.人机交互设备人机交互设备2.计算机信息存储设备计算机信息存储设备3.机机 机通信设备机通信设备调制解调器等调制解调器等二、输入设备二、输入设备1.键盘键盘2.鼠标鼠标3.触摸屏触摸屏按键按键判断哪个键按下判断哪个键按下将此键翻译成将此键翻译成 ASCII 码码（编码键盘法）（编码键盘法）机械式机械式 金属球金属球 电位器电位器5.2光电式光电式 光电转换器光电转换器三、输出设备三、输出设备1.显示器显示器(1)字符显示字符显示(2)图形显示图形显示(3)图像显示图像显示字符发生器字符发生器主观图像主观图像客观图像客观图像2.打印机打印机(1)击打式击打式(2)非击打式非击打式点阵式（逐字、逐行）点阵式（逐字、逐行）喷墨（逐字）喷墨（逐字）激光（逐页）激光（逐页）5.2四、其他四、其他1.A/D、D/A2.终端终端3.汉字处理汉字处理五、多媒体技术五、多媒体技术