基本概念
- 输入：信息从外部送到主机
- 输出：信息从主机送到外部
- 接口：外设和主机传输数据进行协调（比如速度匹配、电平和格式转换）的逻辑部件
- 外部设备：输入输出设备或通过输入输出接口才能访问的外存储设备
- 输入设备：键盘、鼠标
- 输出设备：打印机、显示器
- 外存设备：硬磁盘、光盘、U盘
- IO系统构成
- IO软件
- 包括：驱动程序、用户程序、管理程序、升级补丁
- 通过IO指令和通道指令（详见后面IO控制方式的通道方式）实现CPU和IO设备信息交换
- IO硬件：
- 包括：外部设备、设备控制器和接口、IO总线
- 设备控制器控制IO设备
- IO接口（或设备控制器、适配器）和总线相连
- IO端口是接口电路的一些寄存器，可被CPU访问；IO接口是主机和外部的交接面（详见IO接口小节）
- IO软件
- IO控制方式
- 程序查询方式：CPU通过程序查询IO设备是否可用
- 程序中断方式：IO设备可用时向CPU发出中断请求
- DMA方式：用于主存和IO设备的数据交换，无需调用中断服务程序
- 通道方式
- 系统设置通道控制部件，每个通道挂接若干外设
- 通道程序保存在主存，由通道执行通道指令
- 通道指令实现数据传送，即执行IO操作（包括读、写、磁盘走带、寻道等）
- IO指令实现启停IO设备、查询通道和IO设备状态、对通道进行控制等
外部设备
输入设备
- 键盘
- 矩阵形式排列按键
- 按下键电信号连通；松开键电信号断开
- 键盘输入信息步骤：查出按哪个键、翻译为ASCII码、编码传给主机
- 鼠标
- 控制光标位置的定位输入设备
- 分为机械式和光电式
- 鼠标底部有传感器，可能检测运动的方向和距离
输出设备
- 显示器
- 按器件分类
- 阴极射线管（CRT）显示器
- 液晶显示器（LCD）
- 发光二极管（LED）显示器
- 按信息内容分类
- 字符显示器
- 图形显示器
- 图像显示器
- 按扫描方式分类（CRT显示器）
- 光栅扫描显示器：只能按固定顺序扫描，比如一行一行扫描
- 随机扫描显示器：可以按随意方向扫描
- 显示器按点阵方式运行，主要参数有
- 屏幕大小：对角线长度，单位英寸
- 分辨率：长宽的像素乘积
- 灰度级：同一个像素的灰度个数，比如8位有256个灰度，是256级
- 刷新：在光点消失前重新扫描显示，一次刷新需要扫描整个屏幕（通常是按行扫描）
- 刷新频率：单位时间刷新的次数，通常是60-120HZ（大于30HZ人类视觉就感受不到闪烁）
- 显示存储器（VRAM）：即刷新存储器
- VRAM容量：分辨率
灰度级位数，单位比特 - VRAM带宽：VRAM容量
帧频（帧频是单位时间的画面数量，可以认为等于刷新频率）
- 按器件分类
- 打印机
- 按工作原理分类
- 击打式：比如针式打印机
- 非击打式：用物理化学方法印刷，比如喷墨式、激光打印机
- 按工作方式分类（都是点阵打印机）
- 针式打印机：多层复写，适合票据打印。原理简单、价格便宜；分辨率低、打印速度慢
- 喷墨式打印机：噪声小、高质量彩印、打印快；防水差
- 激光打印机：激光技术和电子显像技术结合，核心部件是感光鼓。打印质量高、速度快、噪声小；价格贵、不能复写打印
- 按工作原理分类
存储设备
基本介绍
- 目前主要使用磁表面存储器，如磁盘、磁带、磁鼓
- 容量大、可重复记录、可脱机存储、非破坏读出；存取慢、结构复杂
磁盘存储器
本节在第三章的外存储器中也有介绍，可以对应参考
- 组成
- 磁盘
- 磁头数：即盘面数，一个磁头对应一个盘面
- 柱面数：即一个盘面的磁道数
- 扇区数：即一个磁道的扇区个数。扇区又叫块，磁盘读写基本单位，磁盘按块存取。
- 磁盘驱动器：驱动磁盘转动并在盘面上通过磁头进行读写的装置，每个驱动器对应一个磁盘
- 磁盘控制器：属于磁盘面向计算机的接口设备，接受计算机命令，向磁盘驱动器发出控制信号
- 磁盘
- 原理
- 磁头和磁性介质相对运动完成读写操作
- 用存储介质的磁层磁化翻转状态表示二进制信息
- 性能指标
- 容量
- 非格式化容量：可利用的磁化单元总数
- 格式化容量：按某种格式能记录的信息总量
- 记录密度
- 道密度：半径方向单位长度磁道数
- 位密度：磁道单位长度的二进制代码位数
- 面密度：位密度乘以道密度，即单位面积二进制信息量
- 平均存取时间
- 寻道时间：半径方向定位，移动磁头到目标磁道的平均时间
- 旋转时间：角度定位，取盘面旋转半圈的时间
- 传输时间：定位后的传输时间
- 数据传输率：单位时间传输到主机的字节数，等于每秒转圈数
一个磁道的容量
- 容量
- 磁盘地址
- 驱动器号
- 磁道号（柱面号）
- 盘面号
- 扇区号
- 磁盘工作过程
- 操作为：寻址、读盘、写盘
- 每个操作对应一个控制字，具体操作是取控制字、执行控制字
- 硬盘的所有读写操作都是串行，不能同时进行
磁盘阵列
- RAID（廉价冗余磁盘阵列）：把多个物理磁盘组成一个独立逻辑磁盘，数据交叉存储，并行访问
- RAID按可靠性等级从低到高分为
- RAID0：无冗余、无校验
- RAID1：采用磁盘镜像
- RAID2：采用纠错海明码
- RAID3：采用位交叉奇偶校验
- RAID4：采用块交叉奇偶校验
- RAID5：采用无独立校验的奇偶校验
- RAID0容量大、并行存取、速度快；没有容错能力
- RAID1用两个磁盘同时读写，相互备份；容量减半
- 特点总结：使用多个磁盘并行存取，速度快；通过镜像和校验提高可靠性和容错能力
光盘存储器
- 利用光学原理，非接触方式记录信息
- 组成：驱动器、控制器、光盘片、驱动软件
- 特点：存储密度高、轻便、便宜、容量大、存储期限久、易保存
- 分类
- CD-ROM：只读型光盘
- CD-R：只可写入一次信息
- CD-RW：可重复读写的光盘
- DVD-ROM（DVD是通用数字化多功能光盘）：高容量CD-ROM
固态硬盘
- 详见第三章ROM存储器小节的固态硬盘内容
IO接口
IO接口是主机和外设的交接面，解决主机和外设信息形式和工作速度的差异问题
功能
- 控制主机和外设的通信，协调工作速度不同的问题
- 对CPU送来的地址码进行译码并选择设备
- 实现数据缓冲，也是为了解决速度不匹配问题
- 信号格式转换，解决信息形式不一致问题。比如电平转换、并-串或串-并转换、模-数或数-模转换
- 传送CPU控制命令、反馈外设的状态信息
结构
- IO接口的外部，主机侧通过IO总线连接内存、CPU等主机的设备，外设侧连接着各个外部设备
- IO接口内部包括
- 数据缓冲寄存器
- 双向的保存缓冲数据
- 连接数据总线
- 状态寄存器
- 从外设到主机传送状态信息
- 连接数据总线和IO控制逻辑部件
- 控制寄存器
- 从主机到外设传送控制信息
- 连接数据总线和IO控制逻辑部件
- IO控制逻辑部件
- 地址译码、传送控制信号到外设控制逻辑、传送状态到状态寄存器、发送或接收缓冲寄存器数据
- 连接地址总线、控制总线、控制寄存器、状态寄存器、数据缓冲寄存器
- 外设界面控制逻辑
- 接收或发送数据到外设，接受外设的状态发给IO控制逻辑，把IO控制逻辑发来的控制发送给外设
- 连接外设、连接IO控制逻辑部件
- 数据缓冲寄存器
- 对IO接口里的寄存器的访问通过操作系统的IO特权指令
- IO接口的这些可读写寄存器叫做IO端口
类型
- 按IO接口外设侧的传送数据方式分类
- 并行接口：多个位同时传
- 串行接口：一位一位的传
- 按主机的IO控制方式分类
- 程序查询接口
- 中断接口
- DMA接口
- 按功能的灵活性分类
- 可编程接口
- 不可编程接口
IO端口
- 指的是接口电路被CPU可直接访问的寄存器
- 分为数据端口（CPU可读写）、状态端口（CPU可读）、控制端口（可写）
- IO端口加上一些控制逻辑组成IO接口
- IO端口被CPU访问需要进行编址，编址方式有
- 统一编址
- 又叫存储器映射方式，把IO当作存储器的单元进行地址分配
- 优点是不需要专门的IO指令，方便；缺点是内存容量变小，执行速度慢
- 独立编址
- 又叫IO映射方式，IO端口的地址空间和主存地址空间是两个独立的空间
- 地址码形式相同，需要设置专门的IO指令来访问IO端口
- 优点是编程清晰、容易理解；缺点是需要CPU提高存储器读写、IO设备读写两组控制信号，复杂
- 统一编址
IO方式
程序查询
- 由主机程序实现信息交换
- 工作流程如下
- CPU初始化程序，设置传送参数
- 向IO接口发出命令，启动IO设备
- 取外设状态，不断查询外设状态，直至就绪
- 传送一次数据
- 修改地址，计数器（记录还需要传送几次数据）减1
- 当计数器大于0则返回第三步，否则程序结束
- 优点是设计简单、设备量少；缺点是CPU查询等待耗费时间（CPU踏步等待现象），且一段时间只能和一台设备交换信息
程序中断
- 详见计组笔记第五章的异常和中断机制
- 补充一个IO接口角度的中断驱动方式工作流程
- 接收CPU读命令
- 从外部设备读数据到数据寄存器
- 提供控制线给CPU发送中断信号
- 接收CPU取数据请求
- 把数据放到数据总线，传到CPU的寄存器中
DMA方式
DMA方式特点
- 外设和内存有直接数据通路，全称是直接存储器存取方式
- 数据不经过CPU，IO和CPU并行工作，不需要保存恢复CPU现场等操作，传送速度快
- 数据块传送时，主存地址、传送数据计数由硬件电路实现
- 主存开辟专门的缓冲区，接收和供给外设数据
- 开始前：通过程序进行预处理
- 结束后：通过中断方式进行后处理
DMA控制器
- 又叫DMA接口
- 组成为
- 主存地址计数器：存放数据主存地址
- 传送长度计数器：存放数据长度，计数溢出时即传送完毕（减到长度为0时）
- 数据缓冲寄存器：缓存传送的数据
- DMA请求触发器：接收IO设备的就绪控制信号
- 控制/状态逻辑：协调同步DMA请求信号和CPU响应信号、指定传送方向、修改传送参数
- 中断机构：传送完毕后向CPU提出中断请求
- 以单总线结构为例（即主存、CPU和IO接口都挂在一组总线上），DMA控制器功能如下（可结合后面的传送过程部分进行理解）
- 接受外设的DMA请求DRQ，向CPU发出总线请求HRQ
- CPU发出总线响应信号HLDA，让出系统总线控制权（地址总线、数据总线、控制总线）给DMA控制器，进入DMA周期
- 确定传送数据的主存地址和长度，自动修改主存地址计数器和传送长度计数器
- 规定传送方向，发出读写控制信号，执行数据传送
- 向CPU报告DMA操作完成
传送方式
CPU和IO设备同时访问主存时会发生冲突，本节介绍解决冲突的方式
- 块传送方式（停止CPU访存）
- 由DMA控制器向CPU发送停止信号，总线控制权交给DMA控制器
- 工作完成后向CPU发出操作完成信号，总线控制器归还给CPU
- 适合高速IO
- 单字传送方式（周期挪用、周期窃取）
- 当CPU不在访存：此时无冲突
- 当CPU正在访存：待存取周期结束再让出总线控制器给DMA控制器
- 当CPU正在申请访存：IO访存的优先级更高，因为IO不立刻访存会丢失数据
- 适合低速IO
- DMA和CPU交替访存
- 要求主存存取周期不到CPU工作周期的一半
- CPU工作周期分成两个部分，分别供CPU访存和DMA访存
- 不需要总线使用权的申请、建立、归还，而是通过分时控制
传送过程
可结合前面的DMA控制器功能的部分进行理解
- 预处理阶段
- CPU执行IO指令
- 测试IO设备状态
- 设置DMA控制器的传送长度计数器和主存地址计数器的初值
- 设置传送方向
- 启动IO设备
- IO设备准备好后向DMA控制器发送DMA请求
- DMA控制器向CPU发送总线请求（上一条的DMA请求和总线请求可以统称为DMA请求）
- CPU执行IO指令
- 数据传送阶段
- 基本传送单位：单字节、单字或数据块
- 本阶段完全由DMA硬件控制。比如基本传送单位为数据块的情况（比如硬盘），循环由DMA控制器实现而不是CPU
- 本阶段流程细化为（按单总线结构）
- 判断是否允许传送
- 是则把主存地址送总线，数据根据传送方向送IO设备或主存，修改主存地址计数器和传送长度计数器
- 判断是否结束传送。不结束则返回第一步，结束则进入后处理阶段
- 后处理阶段
- DMA控制器向CPU发送中断请求
- CPU执行中断服务程序做DMA结束处理
- 校验数据传输是否正确
- 错误需要转入诊断程序
- 决定是否继续用DMA传送数据块
和中断方式的区别
- 中断方式是程序的切换，需要保存、恢复现场；DMA方式数据传送阶段不占用CPU任何资源
- 中断响应在指令执行周期后；DMA响应可以在各个机器周期后（取指、间址、执行周期后），CPU不需占用总线时，便可以进行响应
- 中断传送需要CPU干预；DMA传送不需要CPU干预，适合高速外设成组数据传送
- DMA请求优先级高于中断请求，因为DMA传送几乎不占用CPU资源
- 中断方式还可以处理异常；DMA方式仅用于数据IO传送
- 中断方式靠程序传送；DMA方式靠硬件传送
通道控制方式
流程
- CPU向IO通道发送IO指令
- IO指令给出了通道程序首地址、要访问的IO设备
- 通道接收IO指令，执行通道程序
- 执行完成后通道向CPU发送中断请求
特点
- 通道程序保存在内存，即和CPU共享内存
- 通道自己控制数据块大小、传输的内存位置
- DMA方式在预处理阶段由CPU设置这些信息
- 一个通道可以控制多台设备和内存的数据交换
- DMA方式只能是一台设备
