[系统运维]计算机组成原理（七）——I/O系统

1. I/O系统基本概念

1.1 I/O系统演变过程

1.2 I/O系统的基本组成

• I/O软件：包括驱动程序、用户程序、管理程序、升级补丁等。
  通常采用I/O指令和通道指令实现CPU和I/O设备的信息交换。
  • I/O指令：CPU指令的一部分
  • 通道指令：通道自身的指令
    指出数据的首地址、传送字数、操作命令
    通道指令放在主存中
    由CPU执行启动I/O设备的指令，由通道代替CPU对I/O设备进行管理
• I/O硬件：包括外部设备、设备控制器和接口、IO总线等。
• I/O接口：可以看作是两个部件之问的交接部分。

2. 外部设备

外部设备也称外围设备，是除了主机以外的、能直接或间接与计算机交换信息的装置。

2.1 输入设备

用于向计算机系统输入命令和文本、数据等信息的部件。键盘和鼠标是最基本的输入设备。

• 键盘输入信息可分为3个步骤:
  ①查出按下的是哪个键;
  ②将该键翻译成能被主机接收的编码,如ASCII码
  ③将编码传送给主机。
• 鼠标是常用的定位输入设备，它把用户的操作与计算机屏幕上的位置信息相联系。常用的鼠标有机械式和光电式两种
  • 工作原理:
    当鼠标在平面上移动时，其底部传感器把运动的方向和距离检则出来，从而控制光标做相应运动。

2.2 输出设备

用于将计算机系统中的信息输出到计算机外部进行显示、交换等的部件。显示器和打印机是最基本的输出设备。

• 显示器
  • 屏幕大小：以对角线长度表示，常用的有12~29英寸等。
  • 分辨率：所能表示的像素个数,屏幕上的每一个光点就是一个像素，以宽、高的像素的乘积表示，例如，800×600、1024×768和1280×1024等。
  • 灰度级：灰度级是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，典型的有8位(256级)、16位等。n位可以表示$2^n$种不同的亮度或颜色。
  • 刷新：光点只能保持极短的时间使会消失，为此必须在光点消失之前再重新扫描显示一遍，这个过程称为刷新。
  • 刷新频率：单位时间内扫描整个屏幕内容的次数，按照人的视觉生理，刷新频率大于30Hz时才不会感到闪烁，通常显示器刷新频率在60~120Hz。
  • 显示存储器也称刷新存储器，为了不断提高刷新图像的信号，必须把一帧图像信息存储在刷新存储器中。其存储容量(VRAM)由图像分辨率和灰度级決定，分辨率越高，灰度级越多，刷新存储器容量越大。
    VRAM容量=分辨率×灰度级位数
    VRAM带宽=分辨率×灰度级位数×帧频
• 阴极射线管(CRT)显示器
  CRT显示器主要由电子枪、偏转线圈、荫罩、高压石墨电极和荧光粉涂层及玻璃外壳5部分组成。具有可视角度大、无坏点、色彩还原度高色度均匀、可调节的多分辨率模式、响应时间极短等目前LCD难以超过的优点。
• 液晶显示器(LCD)
  原理：利用液晶的电光效应，由图像信号电压直接控制薄膜晶体管，再间接控制液晶分子的光学特性来实现图像的显示
  特点：体积小、重量轻、省电、无辐射、绿色环保、画面柔、不伤眼等。
• LED(发光二极管)显示器
  原理：通过控制半导体发光二极管进行显示，用来显示文字、图形、图像等各种信息。
• 按显示信息内容不同可分为
  • 字符显示器。
    显示字符的方法以点阵为基础。
    点阵是指由mXn个点组成的阵列。
    点阵的多少取决于显示字符的质量和字符窗口的大小。
    字符窗口是指每个字符在屏幕上所占的点数，它包括字符显示点阵和字符间隔。
    将点阵存入由ROM构成的字符发生器中，在CRT进行光栅扫描的过程中，从字符发生器中依次读出某个字符的点阵，按照点阵中0和1代码不同控制扫描电子束的开或关，从而在屏幕上显示出字符。
    对应于每个字符窗口，所需显示字符的ASCII代码被存放在视频存储器VRAM中，以备刷新。
  • 图形显示器。
    将所显示图形的一组坐标点和绘图命令组成显际文件存放在缓冲存储器中。
    缓存中的显示文件传送给矢量(线段)产生器，产生相应的模拟电压，直接控制电子束在屏幕上的移动。为了在屏幕上保留持久稳定的图像，需要按定的频率对屏幕进行反复刷新。
    这种显示器的优点是分辯率高且显示的曲线平滑。
    目前高质量的图形显示器采用这种随机扫描方式。缺点是当显示复杂图形时，会有闪烁感。
  • 图像显示器
• 打印机

  • 击打式打印机：利用机械动作使印字机构与色带和纸相撞而打印字符
    优：设备成本低
    印字质量好
    缺：噪声大
    速度慢

  • 非击打式打印机：采用电、磁、光、喷墨等物理、化学方法来印刷字符
    优：速度快
    噪声小
    缺：成本高

  • 针式打印机
    原理：在联机状态下，主机发出打印命令，经接口、检测和控制电路，间歇驱动纵向送纸和打印头横向移动，同时驱动打印机间歇冲击色带，在纸上打印出所需内容。
    特点：针式打印机擅长“多层复写打印”，实现各种票据或蜡纸等的打印。它工作原理简单，造价低廉，耗材(色带)便宜，但打即分辨率和打印速度不够高

  • 喷式打印机
    原理：带电的喷墨雾点经过电极偏转后，直接在纸上形成所需字形。彩色喷墨打印机基于三基色原理,即分别喷射3种颜色墨滴，按一定的比例混合出所要求的颜色。
    特点：打印噪声小，可实现高质量彩色打印，通常打印速度比针式打印机快；但防水性差，高质量打印需要专用打印纸。

  • 激光打印机
    原理：计算机输出的二进制信息，经过调制后的激光束扫描，在感光鼓上形成潜像，再经过显影、转印和定影，便在纸上得到所需的字符或图像
    特点：打印质量高、速度快、噪声小、处理能力强；但耗材多、价格较贵、不能复写打印多份，且对纸张的要求高。激光打印机是将激光技术和电子显像技术相结合的产物。感光鼓(也称为硒鼓)是激光打印机的核心部件。

2.3 外存储器

是指除计算机内存及CPU缓存等以外的存储器。硬磁盘、光盘等是最基本的外存设备。外存储器既可以作为输入设备，也可以作为输出设备。

• 计算机的外存储器又称为辅助存储器，目前主要使用磁表面存储器。
  所谓“磁表面存储”，是指把某些磁性材料湾薄地涂在金属铝或塑料表面上作为载磁体来存储信息。磁存储器、磁带存储器和磁鼓存储器均属于磁表面存储器。
  • 磁表面存储器的优点：
    ①存储容量大，位价格低
    ②记录介质可以重复使用
    ③记录信息可以长期保存而不丢失，甚至可以脱机存档
    ④非破坏性读出，读出时不需要再生。
  • 磁表面存储器的缺点：
    ①存取速度慢
    ②机械结构复杂
    ③对工作环境要求较高。
• 磁盘存储器
  • 磁盘设备的组成
    • 存储区域
      一块硬盘含有若干个记录面，每个记录面划分为若干条磁道，而每条磁道又划分为若干个扇区，扇区(也称块)是磁盘读写的最小单位，也就是说磁盘按块存取。
      
    • 硬盘存储器
      硬盘存储器由磁盘驱动器、磁盘控制器和盘片组成。
      磁盆驱动器：核心部件是磁头组件和盘片组件，温彻斯特盘是一种可移动头固定盘片的硬盘存储器。
      磁盘控制器：是硬盘存储器和主机的接口，主流的标准有IDE、SCSl、 SATA等。
  • 磁盘的性能指标
    • ①磁盘的容量：一个磁盘所能存储的字节总数称为磁盘容量。磁盘容量有非格式化容量和格式化容量之分。
      非格式化容量是指磁记录表面可以利用的磁化单元总数。
      格式化容量是指按照某种特定的记录格式所能存储信息的总量。
    • ②记录密度：记录密度是指盘片单位面积上记录的二进制的信息量，通常以道密度、位密度和面密度表示。
      道密度是沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数；
      位密度是磁道单位长度上能记录的二进制代码位数；
      面密度是位密度和道密度的乘积
      注意：磁盘所有磁道记录的信息量一定是相等的，并不是圆越大信息越多，故每个磁道的位密度都不同。
    • ③平均存取时间
      平均存取时间=寻道时间(磁头移动到目的磁道) + 旋转延迟时间(磁头定位到所在扇区) + 传输时间(传输数据所花费的时间)
    • ④数据传输率：磁盘存储器在单位时间内向主机传送数据的字节数，称为数据传输率。
      假设磁盘转数为r(转/秒)，每条磁道容量为N个字节，则数据传输率为D=r*N
  • 磁盘地址
    
    硬盘的主要操作是寻址、读盘、写盘。每个操作都对应一个控制字，硬盘工作时，第一步是取控制
    字，第二步是执行控制字。
    硬盘属于机械式部件，其读写操作是串行的，不可能在同一时刻既读又写，也不可能在同一时刻读
    两组数据或写两组数据。
• 磁盘阵列
  RAID(廉价冗余磁盘阵列)是将多个独立的物理磁盘组成一个独立的逻辑盘，数据在多个物理盘上分割交叉存储、并行访问，具有更好的存储性能、可靠性和安全性。
  • RAID0：无冗余和无校验的磁盘阵列
  • RAID1：镜像磁盘阵列。
  • RAID2：采用纠错的海明码的磁盘阵列。
  • RAID3：位交叉奇偶校验的磁盘阵列。
  • RAID4：块交叉奇偶校验的磁盘阵列。
  • RAID5：无独立校验的奇偶校验磁盘阵列。

RAID通过同时使用多个磁盘，提高了传输率；通过在多个磁盘上并行存取来大幅提高存储系统的数据吞吐量；通过镜像功能，可以提高安全可靠性；通过数据校验，可以提供容错能力

• 光盘存储器
  光盘存储器是利用光学原理读/写信息的存储装置，它采用聚焦激光東对盘式介质以非接触的方式记录信息。
• 光盘的类型如下:
  CD-ROM：只读型光盘，只能读出其中内容，不能写入或修改
  CD-R：只可写入一次信息，之后不可修改
  CD-RW：可读可写光盘，可以重复读写。
  DVD-ROM：高容量的CD-ROM，DVD表示通用数字化多功能光盘。
• 光盆的类型如下:
  CD-ROM:只读型光盘,只能读出其中内容,不能写入或修改
  CD-R:只可写入一次信息,之后不可修改
  CD-RW:可读可写光盘,可以重复读写。
  DVD-ROM:高容量的CD-ROM,DVD表示通用数字化多功能光盘。
• 固态硬盘
  在微小型高档笔记本电脑中，采用高性能 Flash Memory作为硬盘来记录数据，这种“硬盘”称固态硬盘。
  固态硬盘除了需要 Flash Memory外，还需要其他硬件和软件的支持。
  注意：闪存( Flash Memory)是在E2PROM的基础上发展起来的，本质上是只读存储器。

3. I/O接口(I/O控制器)

接口可以看作是两个部件之间的交接部分。
I/O接口(I/O控制器)是主机和外设之间的交接界面，通过接口可以实现主机和外设之间的信息交换。

3.1 I/O接口的功能

• 1.设备选址
• 2.传送命令
• 3.传送数据
• 4.反映 I/O 设备的工作状态

3.2 I/O基本结构

3.3 I/O端口及其编址

• I/O端口是指接口电路中可以被CPU直接访问的寄存器。
  
• 统一编址
  把I/O端口当做存储器的单元进行地址分配，用统一的访存指令就可以访问/O端口，又称存储器映射方式
  靠不同的地址码区分内存和I/O设备，I/O地址要求相对固定在地址的某部分。
  • 优点：
    不需要专门的输入/输出指令，可使CPU访问I/O的操作更灵活、更方便,还可使端口有较大的编址空间
  • 缺点：
    端口占用了存储器地址，使内存容量变小，而且利用存储器编址的I/O设备进行数据输入/输出操作，执
    行速度较慢。
• 独立编址
  I/O端口地址与存储器地址无关，独立编址CPU需要设置专门的输入输出指令访问端口，又称I/O映射方式。靠不同的指令区分内存和I/O设备
  • 优点：
    输入/输出指令与存储器指令有明显区别，程序编制清晰，便于理解。
  • 缺点：
    输入/输出指令少，一般只能对端口进行传送操作，尤其需要CPU提供存储器读/写、I/O设备读/写两组控制信号，增加了控制的复杂性。

3.4 I/O接口的类型

• 按数据传送方式可分：
  • 并行接口：一个字节或一个字所有位同时传送。
  • 串行接口：一位一位地传送。
    注：这里所说的数据传送方式指的是外设和接口一侧的传送方式，而在主机和接口一侧，数据总是并行传送的。接口要完成数据格式转换。
• 按主机访问/O设备的控制方式可分为：
  • 程序查询接口
  • 中断接口
  • DMA接口
• 按功能选择的灵活性可分为：
  • 可编程接口
  • 不可编程接口

4. I/O方式

4.1 程序查询方式

• 程序查询方式流程图
  
  一次传送一个字是由于会存放放在CPU寄存器中。
• 程序查询方式接口结构
  

4.2 程序中断方式

4.2.1 中断系统

• 中断的基本概念
  程序中断是指在计算机执行现行程序的过程中，出现某些急需处理的异常情況或特殊请求，CPU暂时中止现行程序，而转去对这些异常情况或特殊请求进行处理，在处理完毕后CPU又自动返回到现行程序的断点处，继续执行原程序。

• 中断分类
  
  

• 中断请求标记

  • 每个中断源向CPU发出中断请求的时间是随机的。
    为了记录中断事件并区分不同的中断源，中断系统需对每个中断源设置中断请求标记触发器INTR
    当其状态为“1"时，表示中断源有请求。
  • 对于外中断，CPU是在统一的时刻即每条指令执行阶段结束前向接口发出中断査询信号，以获取I/O的中断请求，也就是说，CPU响应中断的时问是在每条指令执行阶段的结束时刻。
    对于执行时间很长的指令，可在执行过程中设置若干个“查询断点”

• CPU响应中断必须满足以下3个条件：
  ①中断源有中断请求。
  ②CPU允许中断即开中断。
  ③一条指令执行完毕，且没有更紧迫的任务。

• 工作流程

  • 中断请求
    中断源向CPU发送中断请求信号。

  • 中断响应
    响应中断的条件。

    • 中断判优：多个中断源同时提出请求
      中断判优既可以用硬件实现，也可用软件实现：
      硬件实现是通过硬件排队器实现的，它既可以设置在CPU中，也可以分散在各个中断源中
      软件实现是通过查询程序实现的。
    • 优先级设置：
      1.硬件故障中断属于最高级，其次是软件中断；
      2.非屏蔽中断优于可屏蔽中断；
      3.DMA请求优于I/O设备传送的中断请求；
      4.高速设备优于低速设备；
      5.输入设备优于输出设备；
      6.实时设备优于普通设备。

  • 中断处理过程
    进入中断服务程序的方法是把该程序第一条指令的地址放入PC
    回到主程序的方法是把K+1放入PC

    • 中断隐指令的主要任务：
      ①关中断。在中断服务程序中，为了保护中断现场(即CPU主要寄存器中的内容)期间不被新的
      中断所打断，必须关中断，从而保证被中断的程序在中断服务程序执行完毕之后能接着正确地执行下去。
      ②保存断点。为了保证在中断服务程序执行完毕后能正确地返回到原来的程序，必须将原来程序
      的断点(即程序计数器(PC)的内容)保存起来。可以存入堆栈，也可以存入指定单元。
      中断服务程序。
      ③引出中断服务程序。引出中断服务程序的实质就是取出中断服务程序的入口地址并传送给程序计数器(PC)。
    • 中断服务程序的主要任务:
      ①保护现场。
      是保存程序断点(PC)，已由中断隐指令完成；
      是保存通用寄存器和状态寄存器的内容，由中断服务程序完成。
      可以使用堆栈，也可以使用特定存储单元。
      ②中断服务(设备服务)
      主体部分，如通过程序控制需打印的字符代码送入打印机的缓冲存储器中。
      ③恢复现场
      通过出栈指令或取数指令把之前保存的信息送回寄存器中。
      ④中断返回
      通过中断返回指岭回到原程序断点处。

• 单重中断与多重中断

  • 单重中断：执行中断服务程序时不响应新的中断请求。
  • 多重中断：又称中断嵌套，执行中断服务程序时可响应新的中断请求。
    

• 中断屏蔽技术主要用于多重中断，CPU要具备多重中断的功能，须满足下列条件
  ①在中断服务程序中提前设置开中断指令。
  ②优先级别高的中断源有权中断优先级别低的中断源。
  每个中断源都有一个屏蔽触发器，1表示屏蔽该中断源的请求，0表示可以正常申请，所有屏
  蔽触发器组合在一起，便构成一个屏蔽字寄存器，屏蔽字寄存器的内容称为屏蔽字。

4.2.2 程序中断方式

4.3 DMA方式

• DMA控制器
  在DMA方式中，当/O设备需要进行数据传送时，通过DMA控制器(DMA接口)向CPU提出DMA传送请求，CPU响应之后将让出系统总线，由DMA控制器接管总线进行数据传送。其主要功能有:
  (1) 接受外设发出的DMA请求，并向CPU发出总线请求。
  (2) CPU响应此总线请求，发出总线响应信号，接管总线控制权，进入DMA操作周期。
  (3) 确定传送数据的主存单元地址及长度，并能自动修改主存地址计数和传送长度计数。
  (4) 规定数据在主存和外设间的传送方向，发出读写等控制信号，执行数据传送操作。
  (5)向CPU报告DMA操作的结束。
  

• 传送过程
  
  

• 传送方式

  • 停止CPU访问主存:：需要数据传送时，停止CPU访存，总线控制权交给DMA控制器
    控制简单
    CPU处于不工作状态或保持状态，未充分发挥CPU对主存的利用率
    
  • DMA与CPU交替访存: 将CPU周期分为DMA访存和PU访存两个部分
    不需要总线使用权的申请、建立和归还过程
    硬件逻辑更为复杂
    
  • 周期挪用(周期窃取)：I/O设备需要访存时，揶用一个或几个存取周期
    DMA访问主存有三种可能：
    ①CPU此时不访存(不冲突)
    ②CPU正在访存(存取周期结束让出总线)
    ③CPU与DMA同时请求访存(I/O访存优先)

• DMA方式的特点
  ①它使主存与CPU的固定联系脱钩主存既可被CPU访问又可被外设访问。
  ②在数据块传送时，主存地址的确定、传送数据的计数等都由硬件电路直接实现。
  ③主存中要开辟专用缓冲区,及时供给和接收外设的数据。
  ④DMA传送速度快，CPU和外设并行工作，提高了系统效率。
  ⑤DMA在传送开始前要通过程序进行预处理，结束后要通过中断方式进行后处理。

• 与中断方式的区别