7-1输入/输出系统-概念&外设&接口

一.I/O系统基本概念

（一）输入/输出系统

1.概念
输入/输出系统解决对各种形式的信息进行输入和输出的控制
输入：外设到主机
输出：主机到外设
（1）输入设备
键盘、鼠标
（2）输出设备
显示器、打印机
（3）外存设备/辅存
如硬盘存储器、磁盘阵列、光盘
（4）外部设备/外设/I/O设备
外部设备=输入设备+输出设备+外存设备（通过输入/输出接口才能访问的外存储设备）
（5）I/O接口/I/O控制器/设备控制器
负责协调主机与外部设备之间的数据传输（协调：速度匹配、电平转换）。如USB接口

注：I/O接口≠I/O端口，I/O端口一般指I/O接口中的各种寄存器，包括数据端口，状态端口和控制端口

2.组成
输入/输出系统分为I/O软件和I/O硬件两部分
（1）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指令和通道指令来实现CPU与I/O设备的信息交换
①I/O指令
I/O指令是CPU指令的一部分，其格式与其他通用指令不同，地址格式（操作码，命令码，设备码），操作码识别I/O指令类型，命令确定具体操作，设备码指明操作设备
②通道指令
通道指令是通道能识别的指令。通道程序提前编制好放到主存中，在含有通道的计算机中，CPU执行I/O指令对通道发出命令，由通道执行一系列通道指令，代替CPU对I/O设备进行管理，且只能在具有通道的I/O系统中执行
（2）I/O硬件
I/O硬件包括外部设备、设备控制器和接口、I/O总线等，通过设备控制器来控制I/O设备的具体动作，通过I/O接口与主机（总线）相连

（二）I/O控制方式

①程序查询方式：CPU轮询
②程序中断方式：中断时响应
③DMA方式：直接数据通路
④通道方式：小型CPU

①②主要用于数据传输率较低的外部设备，数据流向：键盘→I/O接口的数据寄存器→数据总线→CPU某寄存器→主存

二.外部设备

1.显示存储器VRAM

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。
VRAM容量（一帧图像的大小）=分辨率（像素点个数）×灰度级位数（每个像素点需要用的比特位数）
VRAM带宽=VRAM容量×帧频（显示器刷新率，每秒刷新帧数）

2.字符显示器

显示字符的方法以点阵为基础。点阵是指由m×n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。

主机想要显示信息的ASCII码写入显示存储器，在阴极射线管CRT控制器的控制下，显存的字符会逐个用电信号的方式将点阵存入由ROM构成的字符发生器中，字符发生器中的ROM存放每个ASCII码对应的字形码，即点阵信息。

根据字符的ASCII码和CRT的控制信息，选中指定字符的字形码对应的ROM存储单元，即可找到要显示字符的字形信息。将字形信息送到输出缓冲寄存器，按照点阵中0和1代码不同，通过电路控制（点阵时钟）扫描电子束的开或关，将电子射出，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。

3.外储存器

详见操作系统3-2存储系统-主存与CPU的连接&外部存储器-二.外部存储器

三.I/O接口

I/O接口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。

1.I/O接口的功能

（1）实现主机和外设的通信联络控制：解决时序配合问题，保证协调工作
（2）进行地址译码和设备选择：CPU送来选择外设的地址码后，接口对地址进行译码以产生设备选择信息，使主机能和指定外设交换信息
（3）实现数据缓冲：速度不匹配的问题，为消除速度差异，设置数据缓冲寄存器
（4）信号格式的转换：电平转换、并串联转换
（5）传送控制命令和状态信息：启动命令、准备就绪命令、中断请求

2.I/O接口的基本结构

在主机侧，I/O接口（内部接口）通过I/O总线与内存、CPU相连；在设备侧，I/O接口（外部接口）通过接口电缆与外设相连。一个I/O接口可以接多个设备。

图：I/O接口内部图。控制寄存器、状态寄存器在使用时间上是错开的，因此有的I/O接口中可将二者合二为一

地址总线指明I/O端口（往哪个寄存器中写/读数据）

控制总线用于指明读/写I/O端口的信号（指明对当前端口读还是写）、中断请求信号

数据总线用于读写数据、状态字、控制字、中断类型号（工作完成中断信号类型、故障中断信号类型）

如何确定要操作的设备：每个设备对应一组寄存器，操作不同的寄存器就是在操作不同的设备

3.I/O接口的工作原理

①发命令：CPU发送命令字到控制寄存器，向设备发送命令（需要驱动程序的协助）
②读状态：CPU从状态寄存器读取状态字，获得设备或I/O控制器的状态信息。如设备是否已就绪，工作是否已完成
③读/写数据：从数据缓冲寄存器发送或读取数据，完成主机与外设的数据交换。CPU通过数据总线往数据缓冲寄存器中写入想要打印的数据，在控制逻辑的控制下，把数据逐个输出到打印机中。打印机完成后给I/O接口一个状态反馈，I/O接口检测到设备工作已完成后，修改状态寄存器中相应的的比特位。CPU即可通过状态寄存器了解设备的情况。

4.I/O接口的类型

（1）按数据传送方式分
①并行接口：一字节或一个字的所有位同时传送
②串行接口：一位一位的传送。如USB
（2）按主机访问I/O设备的控制方式分
程序查询接口、中断接口、DMA接口
（3）按功能选择的灵活性分
可编程接口、不可编程接口

5.I/O端口及其编址

I/O端口是指接口电路中可被CPU直接访问的寄存器，主要有数据端口（CPU可读写）、状态端口（CPU只能读）和控制端口（CPU只能写）。
接口=端口+控制逻辑电路

对各个端口进行编号，才能被CPU访问，每个端口对应一个端口地址。
I/O端口的编址方式如下

（1）统一编址/存储器映射方式

指把I/O端口当作存储器的单元进行地址分配，这种方式CPU不需要设置专门的I/O指令，用统一的访存指令就可以访问I/O端口。靠不同的地址码区分内存和I/O设备，访存类的指令都可以访问I/O端口。常用于RISC机器
①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
②缺点：端口占用存储器地址，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（地址位数多，寻址时间长）。

（2）独立编址/I/O映射方式

I/O端口的地址空间与主存地址空间是两个独立的地址空间，因而无法从地址码的形式上区分，需要设置专门的I/O指令来访问I/O端口。靠不同的指令区分内存和I/O设备，只能用专门的I/O指令访问I/O端口
①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；I/O端口地址位数少，地址译码速度快；I/O端口的地址不占用主存地址空间
②缺点：I/O指令类型少，一般只能对端口进行简单的传送操作；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。

• I/O有哪些编址方式？各有何特点？
  常用的I/O编址方式有两种： I/O与内存统一编址和I/O独立编址
  ①I/O与内存统一编址方式的I/O地址采用与主存单元地址完全一样的格式，I/O设备和主存占用同一个地址空间，CPU可像访问主存一样访问I/O设备，不需要安排专门的I/O指令
  ②I/O独立编址方式时机器为I/O设备专门安排一套完全不同于主存地址格式的地址编码，此时I/O地址与主存地址是两个独立的空间，CPU需要通过专门的I/O指令来访问I/O地址空间
• 简述I/O接口的功能和基本组成
  （1）功能：传送数据、传送命令、反映设备状态、数据缓冲等。详：①实现主机和外设的通信联络控制②进行地址译码和设备选择③实现数据缓冲④信号格式的转换⑤传送控制命令和状态信息
  （2）组成：数据缓冲寄存器、状态/控制寄存器、地址译码和I/O控制逻辑、外设界面控制逻辑。详：
  ①状态/控制寄存器：CPU发送命令字到控制寄存器，向设备发送命令；CPU从状态寄存器读取状态字，获得设备或I/O控制器的状态信息（是否就绪）（检查状态信息如轮询检查、中断等，详见下节）
  ②数据缓冲寄存器：从数据缓冲寄存器发送或读取数据
  ③地址译码和I/O控制逻辑：在I/O控制逻辑的指挥下，根据CPU发来的命令字，给对应设备发出一系列控制信号（电信号），以此启动设备（如打印机）
• 简述磁盘阵列RAID
  RAID廉价冗余磁盘阵列，指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，具有更好的性能、可靠性和安全性。
  RAID分级如下：
  ①RAID0：无冗余和无校验（没有容错能力）的磁盘阵列。类似于低位交叉编址的多体存储器，并行访问，速度提升
  ②RAID1：镜像磁盘阵列，存两份相同数据，可以按要求选择磁盘访问，提升速度；当某磁盘数据损坏时也可找到备份。但有冗余，容量减少一半，存在空间浪费
  ③RAID2：采用纠错的海明码的磁盘阵列。类似于低位交叉编址的多体存储器，并行访问，速度提升
  ④RAID3：位交叉奇偶校验的磁盘阵列
  ⑤RAID4：块交叉奇偶校验的磁盘阵列。与RAID2类似，仅数据分割单位不同。
  ⑥RAID5：无独立校验的奇偶校验磁盘阵列，数据块级别的分布式校验条带存储。多块磁盘组合为RAID5后，数据将以块为单位同步式分别存储在不同的硬盘上，并对数据进行海明码运算，与其他级别不同的是，该级别的海明码会被写入不同的磁盘
  ⑦RAID10：镜像与条带存储。它由RAID0余RAID1结合而成，RAID10继承了RAID0的快速与高效，同时也继承了RAID1的数据安全，RAID10至少需要四块硬盘

回顾：低位交叉编址（双通道）：多体低位交叉编址可以有效的提高存储速度。可以在不改变每个模块的存取周期的前提下，采用流水线的方式并行存储，可以提高存储器的带宽。低位地址表示为体号，高位地址为体内地址。在此方式下，总是把高位的体内地址送到由低位体号确定的模块内进行译码。确定某地址属于哪个存储体：模块号=单元地址%模块数m

设存取周期为T=4r，存取时间为r，恢复周期为3r
若连续访问00000、00001、00010…
对于高位交叉编址，这些地址都属于M0存储体，下一次访问前都需要等待M0进行恢复，则连续存储n个存储字需要nT

详见3-1存储系统-存储器概述&主存储器-二.主存储器-（四）双端口RAM和多模块存储器-2.多模块存储器-（2）多体并行存储器-②低位交叉编址（双通道）