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计算机原理 第七章 输入输出系统 本讲简要说明 目的与要求：了解I/O系统的基本概念，理解 I/O设备的寻址；了解磁盘的工作原理，掌握磁盘的主要性能指标 授课重点： I/O设备的寻址，磁盘性能指标 授课难点：如何计算磁盘性能指标 阅读章节：《Computer Organization and Design》第8章第1、2节，《计算机原理和设计》第5章第5节、第6章第1、2节 作业安排：《计算机原理和设计》 P312 5.38、5.40题，《Computer Organization and Design》 P612 8.5、8.8（选做）题 主要内容 I/O系统概述 I/O系统的性能 I/O系统的功能 I/O设备概述 I/O设备的通用模型 I/O接口的分类 I/O控制器的结构 I/O端口的概念 I/O设备的寻址 I/O设备、I/O总线、I/O接口、I/O控制器的连接 磁盘存储器 磁盘存储器的读写原理 磁盘存储器的性能指标 冗余磁盘阵列 (RAID) I/O System的性能 两个常用的性能指标： Throughput: I/O bandwidth ( 吞吐率，即：I/O带宽) 单位时间内从系统输入/输出多少数据？ 单位时间内实现了多少次输入/输出操作？ (服务器更关注) Response time: Latency ( 响应时间，即：等待延迟)： 在多长时间内完成请求的任务？ (台式机和嵌入式更关注) 不同的任务对性能的要求不同： 要求吞吐量高的场合： 如：多媒体应用（音/视频的播放要流畅！） 要求响应时间短的场合： 如：事务处理系统（存/取款的速度要快！） 要求吞吐率高且响应时间短的场合： 如：ATM、文件服务器、Web服务器等 I/O System的功能 输入/出系统的功能 解决各种形式信息的输入和输出 即：用户如何将所需的信息(文字、图表、声音、视频等)通过不同的外设输入到计算机中，以及计算机内部处理的结果信息如何通过相应的外设输出给用户 要实现上述功能需解决以下一系列的问题 怎样在CPU、主存和外设间建立一个信息传输 “通路” 怎样将用户的I/O请求转换成设备的命令 如何对外设进行编址 怎样使CPU方便地寻找到要访问的外设 I/O硬件和操作系统如何协调完成主机和外设之间的数据传送， 等等 外设的分类 从交互方式上来分，外设分为： 人-机交互设备 输入/输出的信息是人可读的 如：键盘、鼠标、扫描仪、打印机、显示器等 机器可读设备 输入/输出的信息是机器可读的，人无法读取 如：网络、D/A、A/D、磁盘、声音输入设备等 从功能行为来分，外设分为： 输入/输出设备 用于信息的输入/输出 输入设备：键盘、鼠标、扫描仪等 输出设备：打印机、显示器等 外部存储设备 用于信息的存储(其输入/出的信息是机器可读的) 如：磁盘、磁带、光盘等 常用外部设备 输入设备： 键盘、触摸屏 图形输入设备(鼠标、图形板、跟踪球、操纵杆、光笔) 图像输入设备(摄像机、扫描仪、传真机) 条形码阅读机、光学字符识别设备(OCR) 音、视频输入设备 输出设备： 显示器(字符、汉字、图形、图像) 打印设备(点阵、激光、喷墨) 绘图仪 (平板式、滚筒式) 声音输出设备 其它： 终端设备(键盘+显示器) 外存储器(磁盘、磁带、光盘) 外部设备的通用模型 通过电缆与计算机内部I/O接口进行数据、状态和控制信息的传送 控制逻辑根据控制信息控制设备的操作，并检测设备状态 缓冲器用于保存交换的数据信息 变换器用于在电信号形式（内部数据）和其他形式的设备数据之间进行转换 关于I/O接口 并行口 I/O设备接口 I/O总线,I/O控制器,I/O接口与I/O设备的关系 I/O设备通常都是物理上相互独立的设备，它们一般通过I/O接口与I/O控制器连接 I/O控制器通过扩展卡或者南桥芯片与I/O总线连接 I/O总线经过北桥芯片与内存、CPU连接 I/O总线,I/O控制器,I/O接口与I/O设备的关系 I/O接口（I/O控制器）的职能 数据缓冲 提供数据缓冲寄存器，以达到主机和外设工作速度的匹配 错误或状态检测 提供状态寄存器，以保存各种错误或状态信息供CPU查用 控制和定时 提供控制和定时逻辑，以接受从系统总线来的控制定时信号 数据格式转换 提供数据格式转换部件使通过外部接口得到的数据转换为内部接口需要的格式，或在相反的方向进行数据格式转换 与主机和设备通信 上述功能通过I/O接口与主机之间、I/O接口与设备之间的通信来完成 I/O接口（I/O控制器）的结构 I/O控制器的一般结构 I/O设备的寻址方式 （1）统一编址方式（内存映射方式） 与主存统一编址，将主存空间分出一部分地址给I/