国防科技大学非计算机专业计算机原理课件第七章 输入输出系统.ppt

第七章 输入输出系统;本讲简要说明;内容提要;面临的挑战之一——I/O墙;面临的挑战之一——I/O墙 CPU性能：每年增长 60% I/O系统的性能受到机械延迟的限制(磁盘I/O)，每年的性能增长 10% I/O瓶颈 削减了高速CPU的性能 缩短了CPU执行程序的有效时间;I/O系统是连接CPU和I/O设备的子系统 ; I/O控制：CPU对I/O设备的软、硬件管理 本章主要从硬件角度讨论I/O控制 从软件角度讨论I/O控制是操作系统的主要内容之一 作业管理 进程管理 存储管理 设备管理 文件管理; I/O系统的发展概况;I/O设备的基本介绍 1.1 概述;1.2 I/O设备的分类 输入设备 键盘、扫描仪、字符识别设备 输出设备 打印机、显示器、绘图仪 外存储设备 磁带、磁盘、光盘、Flash固态盘 模/数转换设备 网络通信设备 网卡、调制解调器; 1.3 I/O设备在计算机系统中的地位与作用 (1) I/O设备是计算机系统重要组成部分，相当于计算机的五官四肢 没有，计算机不能运转 不全或性能不好，计算机效率低; 2. I/O设备的工作特点 2.1 I/O设备的特点 (1) 慢速性 I/O是机电、机械设备装置，其速度为ms/μs，甚至为s(秒)级。而主机， 如CPU却是ns级 两者速度差异很大，所以I/O是影响计算机系统工作效率的两大瓶颈之一; 2.1 I/O设备的特点 (2) 多样性 品种多、功能强、涉及学科领域多，如机械、光电、磁、声、自动控制、通信等 (3)复杂性 传输速率差异大 传输方式不同 工作原理相差极大 简单到鼠标，复杂到磁盘、光盘、激光打印机; 2.2 I/O操作的特点 (1) 异步性 原因1： I/O设备速度远远低于主机 原因2： I/O设备与主机间信息交换是随机的 I/O设备通常不使用统一的中央时钟，各个设备按照自己的时钟工作，但又要在某些时刻接受处理机的控制 处理机与I/O设备之间、 I/O设备与I/O设备之间能够并行工作; 2.2 I/O操作的特点 (2) 实时性 I/O设备速度慢，但一经启动，则以固定速率工作，要求主机在规定的时间内完成信息交换 对于一般I/O设备：可能丢失数据，或造成外围设备工作的错误 对于实时控制计算机系统，例如，工业过程控制，导弹、卫星的控制等，如果处理机提供的服???不及时，可能造成巨大的损失，甚至造成人身伤害 对于处理机本身的硬件或软件的错误：如，电源故障、数据校验错、非法指令、地址越界等，处理机也必须及时地给予处理; 2.2 I/O操作的特点 (3) I/O操作的实现与设备的无关性 I/O设备虽多种多样，但I/O操作应尽量标准化，使I/O 操作的实现与设备无关 通过简单的命令即可使用I/O设备并完成I/O操作 尽可能少地考虑I/O设备的内部细节，让外设的特殊性隐藏在各自的设备控制器和接口的某些可变部分中 计算机系统的使用者，在需要更换I/O设备时，各种不同型号、不同生产厂家的设备都可以直接通过标准接口与计算机系统连接 I/O设备已经越来越多地采用了即插即用技术;数据交换的复杂与多样性 数据交换的对象种类繁杂 所传输的数据类型不一 数据传输的速率相差巨大 所传输的数据格式千差万别 信号性质不一致 ……;2.3 I/O设备的特点要求专门的连接机制 主机与I/O设备之间必须有一层“界面” 满足I/O工作上的异步、实时、设备无关等特性 屏蔽数据交换的复杂性与多样性所带来巨大差异 这个“界面”实际上是一个非常重要的中间处理环节 ― I/O接口;为什么I/O设备不直接挂接在系统总线上，而是通过I/O接口作为桥梁实现与系统总线的连接？;7.2 输入输出接口;I/O接口的基本组成 2.1 I/O接口的逻辑结构 ; 2.2 实例分析——向打印机写数据 Step 1. 主机完成待打印数据的输出 将打印机对应的编码发送到“地址线” 将待打印的数据通过“数据线”写入I/O接口的“数据缓冲器”，并通过“控制线”发出启动写入数据的命令 Step 2. 接口完成数据到打印机的传递，并反馈打印的状态 I/O接口将数据通过“数据线#”传送至打印机，并通过“控制线#”触发打印机开始工作 通过“状态线#”将打印机状态通知I/O接口(主机);;Step 1. 处理器发出地址信号以选择目标I/O设备，同时给出启动设备操作的命令 Step 2. 设备在启动命令的作用下开始工作 Step 3.设备经过一段时间后，完成所需的工作，并将作为工作结果的数据输入到I/O接口的数据缓冲寄存器中 Step 4. I/O设备将自身的状态报告给I/O接口 Step 5. I/O设备就绪状态信号传