挑战408——操作系统(25)——I/O系统及其设备

这部分内容是结合组成原理一起总结的,因为这部分内容两个科目的重叠度还是很高的。于是放在这里一起总结。

I/O系统的发展阶段

早期阶段

早期的I/O系统,I/O设备比较少,所以大部分的I/O设备都是直接跟Cpu交互的:
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显然这种模式下是以串行方式进行的,且和浪费CPU的时间,再者这种直接与CPU交互的方式使得I/O设备的扩展或者移除不具有灵活性。

接口模块与DAM阶段

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通常,接口中设有数据通路,控制通路。数据通过接口时既可以起到缓冲作用又可以完成串-并变换,采用接口技术,还可以使得多台I/O设备分时占用总线,使得多台I/O设备之间可以实现并行工作。
主机与I/O交换信息的时候,CPU要中断现行的程序,无法做到绝对的并行,为了进一步提高CPU工作效率,于是出现了DAM技术,DAM技术的特点是:I/O设备与主存间有一条直接数据通路,I/O设备可以与主存直接交换信息。
缺点

  • 随着DAM接口的不断增多,硬件成本在不断上升
  • 多个DMA接口可能同时访问主存,造成冲突
  • CPU对DMA接口进行管理也会影响效率
通道结构(彻底解放CPU)

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通道是用来负责管理I/O设备以及实现主存与I/O设备之间交换信息的部件,通道中有专用通道指令能独立运行通道指令所编写的I/O程序,因此它只依据CPU的I/O指令行事。CPU不直接参与管理。

I/O的组成

I/O系统主要由I/O软件和I/O硬件组成。
一般来说,采用接口模块方式时,应用机器指令系统中的I/O指令以及系统软件中的管理程序,便可使得I/O设备与主机协调工作。(通道方式还应该有通道指令和相应的OS)。

  1. I/O指令
    机器指令的一类,但其格式有所不同。
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  2. 通道指令
    通道指令用于执行I/O操作(读,写,磁盘寻道等),由通道自身控制,而I/O指令是CPU指令系统中的一部分,是由CPU来控制输入输出操作的指令。通道指令由通道从主存中取出并执行。
  3. I/O硬件
    在带有接口的I/O系统中,一般包括接口模块以及I/O设备两大类。
I/O设备(外部设备)

CPU和主存构成了主机,除了主机外,大部分的硬件设施都可以称为I/O设备或者外部设备(简称外设)。
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I/O设备主要可以进行以下分类:

  • 人机交互设备:实现操作者与计算机之间互相交流信息的设备。如键盘,鼠标,手写板等等。将计算机处理结果转换成人们可以识别信息,比如打印机,显示器等等
  • 存储设备:辅存,光盘,磁带
  • 机 -机通信设备:主要表现在网络,两台主机相互通信。如modem,A/D,D/A转换设备。
  1. 输入设备
  • 键盘:最常用的输入设备,每一个键相当于一个开关,按下时,电信号联通,松开时电信号断开。
  • 鼠标:最常用的定位输入设备,当鼠标在平面上移动的时候,底部传感器把运动方向和距离检测出来,从而控制光标做相应运动。
  • 触摸屏:是一种对物体的接触或靠近能产生反应的定位设备,任何一种触摸屏都是通过某种物理现象来测得触及屏幕上各点的位置。从而通过CPU对比做成响应,由显示屏再现所需的位置。
  • 其他
  1. 输出设备
  • 显示器:以可见光的形式,传递或者处理信息的设备成为显示设备。它是应用最广的人机通信设备,按显示器划分可以分为:阴极射线管(CRT,应用最广泛),液晶显示器(LCD),等离子显示器(PD)
  • 打印机
  • 其他

显示器的参数主要有以下几种:

  • 屏幕大小:以对角线长度表示,单位为英寸
  • 分辨率:所能表示的像素的个数。分辨率越高,图片越清晰。屏幕上每一个光点就是一个像素,用宽,高的像素乘积表示:800x600,1024x768,1280x1024等等。
  • 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,则表现为颜色不同,灰度级越多,图像层次越清楚越逼真。
  • 刷新:为了使人眼能看到稳定的图像,电子束必须在图像变化前不断进行整个屏幕的重复扫描。此过程称为刷新,一般来说,刷新频率>30次/S时候,人眼就不会感到闪烁。
  • 显示存储器:又称刷新存储器,为了不断刷新,必须把瞬时图像保存在存储器中,这种存储器,称为帧存储器(VRAM)。
    VRAM容量 = 分辨率 x 灰度级位数
    VRAM带宽 = 分辨率 x 灰度级位数 x 帧数。

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