计算机组成知识点 - 辅助存储器,I/O设备与系统

该部分不考解答题。

辅助存储器

种类与技术指标

种类

  • 磁表面存储器:磁性材料沉积在盘片(或带)的基体上形成记录介质
  • 光存储器:利用激光束在具有感光特性的表面上存储信息
  • 半导体存储器

技术指标

存储密度单位长度或单位面积磁层表面所存储的二进制信息量

道密度:沿磁盘半径方向单位长度的磁道数

位密度线密度单位长度磁道所能记录二进制信息的位数。单位是位/英寸(bpi)

  • 磁盘存储器:用道密度位密度表示;面密度=道密度×位密度
  • 磁带存储器:用位密度表示

磁道:存储在介质表面上的信息的磁化轨迹。(磁盘表面上的许多同心圆)

柱面:在有多个盘片构成的盘组中,由处于同一半径磁道组成的一个圆柱面

道宽:磁道的宽度

道距:为避免干扰,磁道与磁道之间需保持一定距离,相邻两条磁道中心线之间的距离叫道距

存储容量:磁表面存储器所能存储的二进制信息总量。一般用字节为单位。

  • 格式化容量:按照某种特定的记录格式所能存储信息的总量,也就是用户真正可以使用的容量
  • 非格式化容量:磁记录表面可以利用的磁化单元总数

格式化容量一般约为非格式化容量的60%~70%。

寻址时间找道时间 + 等待时间 (磁盘采取直接存取方式)

  • ts:磁头寻找目标磁道所需的找道时间
  • tw:找到磁道以后,磁头等待所需要读写的区段旋转到它的下方所需要的等待时间

平均寻址时间:由平均找道时间Tsa和平均等待时间Twa组成。
Ta = Tsa + Twa=(Tsmax + Tsmin)/2 + (Twmax + Twmin)/2

  • 硬磁盘存储器比软磁盘存储器的平均寻址时间
  • 磁带存储器采取顺序存取方式,不需要寻找磁道,但需要考虑磁头寻找记录区的等待时间。

数据传输率Dr:磁表面存储器在单位时间内主机之间传送数据的位数或字节数。与存储设备主机接口逻辑两者有关。Dr = 记录密度D × 记录介质的运动速度V。

误码率:从辅存读出时,出错信息位数读出的总信息位数之比。是衡量磁表面存储器出错概率的参数。

价格:通常用位价格(设备价格除以容量)来比较各种存储器。磁表面存储器和光盘存储器的位价格低。

磁记录原理与记录方式

原理:磁表面存储器通过磁头和记录介质的相对运动完成写入和读出,是电磁转换过程。

磁记录方式:一种编码方法,指的是按照某种规律将一连串二进制数字信息变换成存储介质磁层的相应磁化翻转形式,并经读写控制电路实现这种转换规律。

磁盘存储器

种类

磁盘存储器硬盘存储器软盘存储器

根据磁头的工作方式分类:移动头磁盘存储器和固定头磁盘存储器。

根据磁盘可换与否分类:可换盘存储器和固定盘存储器两种。

温彻斯特磁盘(温盘),是一种可移动磁头固定盘片的磁盘存储器,它是目前应用最广,最有代表性的硬磁盘存储器。

基本结构

磁盘存储器由驱动器(hard disk drive,简称HDD)和控制器(hard disk controller,简称HDC)组成。

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  • 磁道(track):一系列的同心圆
  • 扇区(Sector):磁道组成的扇形表面。扇区包括了固定数量的字节

数据储存在盘片表面的扇区磁道里。

磁盘格式化

  • 低级格式化:在盘片上建立扇区和磁道,每个扇区的开始和结束部分都被写到了盘片上,这个处理使硬盘准备开始以byte的形式保持数据。
  • 高级格式化:写入文件储存的结构,例如把文件分配表写入到扇区,这个过程使硬盘准备保持文件。

磁盘cache:增强相对慢速存储设备存取速度的暂存存储器,弥补慢速磁盘和主存之间的速度差异。

磁盘阵列存储器

廉价冗余磁盘阵列(Redundent Array Of Inexpensive Disk,简称RAID):用多台磁盘存储器组成的大容量外存储子系统。

数据分块技术:在多个磁盘上交错存放数据,使之可以并行存取

可以利用冗余信息重建用户数据。

RAID分为8级(0–7)是表示具有下列3个共同特性的不同设计结构:

  1. RAID是一组物理磁盘驱动器,在OS下被视为一个单逻辑驱动器
  2. 数据分布在一组物理磁盘上;
  3. 冗余磁盘容量用于存储校验信息,保证磁盘万一损坏时能恢复数据。(RAID 0不支持该特性)
  • RAID 0级(无冗余和无校验的数据分块)
  • RAID 1级(镜像磁盘阵列)
  • RAID 2级(具有纠错海明码的磁盘阵列)
  • RAID 3级(采用奇偶校验码和位交叉存取的磁盘阵列)
  • RAID 4级(采用奇偶校验码和扇区交叉的磁盘阵列)
  • RAID 5级(无专用校验盘的奇偶校验磁盘阵列)
  • RAID 6级(采用分块交叉技术和双磁盘容错的磁盘阵列)
  • RAID 7级(独立接口的磁盘阵列)
  • RAID 10级(RAID 0级+RAID 1级)

位交叉存取:将一个数据字中的各分别存储在不同的磁盘上,以同步方式进行读写,最小访问数据单位是每个磁盘的扇区,适合传送大批量数据

块交叉存取:以数据块为单位,将连续的数据块分别存储在不同的磁盘上,最小访问数据单位是一个磁盘的扇区,适合传送小批量数据

磁带存储器

记录方式:开盘式磁带,数据流磁带

磁带和磁盘的区别

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光盘存储器

种类

  • CR-ROM 只读
  • WORM 一次写入
  • 可擦写型

CD-ROM的数据传输率:单倍速 150 KB/s,n倍速 n×150 KB/s

读写原理

  • 光存储技术:应用激光在某种介质上写入信息,然后再利用激光读出信息的技术
  • 磁光存储:光存储使用的介质是磁性材料,亦即利用激光在磁记录介质上存储信息

记录原理:形变、相变和M-O存储等。

CD-ROM块格式:Sync + ID + Data + L.ECC

固态盘

固态盘(SSD):采用半导体存储介质传统磁盘接口的存储器。

存储介质:DRAM或NVRAM(非易性随机存储器)或NAND闪存。

DRAM、NAND、硬盘速度分别以ns、us、ms计算。

I/O设备

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输入设备

键盘:由一组排列成阵列形式的按键开关组成的,每按下一个键,产生一个相应的字符代码(每个按键的位置码),然后将它转换成ASCII码或其他码,送主机。常用的标准键盘有101个键。

ASCII码:每个字符是用7位二进制代码表示的,其排列次序为b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0。一个字符在计算机内实际是用8位表示。

  • 正常情况下,最高一位b7为“0”。
  • 奇偶校验时,这一位可用于存放奇偶校验的值

光笔、图形板和画笔:游动标

鼠标器、跟踪球和操作杆输入相对坐标。世界上最早的鼠标诞生于1964年,由美国人道格·恩格尔巴特发明(获得1997年图灵奖)。

触摸屏系统包括 触摸屏控制器(卡)和触摸检测装置

图像输入设备:摄像机与摄像头;数字照相机

条形码:由一组宽度和反射率不同的平行相邻的“条”(反射率较)和“空”(反射率较),按照预先规定的编码规则组合起来,用以表示一组数据的符号。这组数据可以是数字、字母或某些符号。

光学字符识别(OCR)技术:识别技术是其核心内容,还包括图形文本的扫描输入,光电信号变换,电信号的数字化处理,版面分析与理解,字的切分处理以及输入信息载体(页)的自动传送技术等。

输出设备

显示器

  • 图形(graphics)最初是指没有亮暗层次变化的线条图(用线条的有无来表示简单的图形)
  • 图像(image)则最初就是指具有亮暗层次的图(将图片上连续的亮暗变化变换为离散的数字量,并以点阵列的形式显示输出)。

在显示屏幕上,图形和图像都是由称作像素的光点组成的。

  • 分辨率:(光点的多少)显示设备所能表示的像素个数。像素越密,分辨率越高,图像越清晰。
  • 灰度级:光点的深浅变化 (在黑白显示器上表现为灰度级,在彩色显示器上表现为颜色)

分辨率灰度级决定了所显示图的质量。

4位一个像素:16级灰度或颜色

  • 刷新(refresh):在图像消失之前使电子束不断地重复扫描整个屏幕
  • 刷新频率或扫描频率:每秒刷新的次数。刷新频率应大于30次/秒,人眼才不会感到闪烁。
  • 帧存储器(VRAM):存储图像的存储器
  • 亮度:单位是坎德拉每平方米(cd/m2)
  • 对比度:显示器画面上最大亮度和最小亮度的比值

分类:阴极射线管(CRT)显示器、液晶显示器(LCD)、等离子显示器等(PDP)

打印机

按印字原理分类,分为击打式非击打式两大类。击打式设备成本低,缺点是噪音大,速度慢。非击打式设备速度快,噪音低,印字质量比击打式好,但价格较贵。

按工作方式划分,可分为串行打印机行式打印机两种。所谓串行打印机,是逐字打印的。行式打印机的速度比串行打印机,它一次就可以输出一行。

  • 点阵针式打印机:由打印针印出的n(横)×m(纵)个点阵组成字符图形。点越多,印字质量越高。西文字符的点阵有5×7,7×7,7×9等,打印汉字需要16×16点阵或24×24点阵。
  • 激光打印机:输出速度快,印字质量高,而且可以使用普通纸张。普通激光印字机的印字分辨率都能达到300DPI(每英寸300个点)或 400DPI,甚至600DPI。
    激光打印机是逐页输出的,称为“页式输出设备”,而普通击打式打印机是逐字或逐行输出
    页式输出设备的输出速度用每分钟输出的页数(PPM)来表示。
  • 喷墨打印机:直接将墨水喷射到普通纸上实现印刷。

汉字处理技术

汉字输入编码:数字编码、拼音码、字形码

汉字交换编码:GB2312,GBK等

汉字内码:用于汉字信息的存储、检索等操作的机内代码,一般采用两个字节表示。常以国标码为基础的编码,如将国标码两字节的最高位置1后形成。

I/O系统

输入输出系统包括:外部设备(输入输出设备和辅助存储器)及其与主机(CPU和存储器)之间的控制部件(设备控制器,设备适配器或接口)。

设备控制器:控制并实现主机与外部设备之间的数据传送

设备代码(设备号):对每一台I/O设备进行编址。

寻址方法专设I/O指令利用访存(取数/存数)指令完成I/O功能(主存的地址空间中分出一部分地址码作为I/O的设备代码)

设备控制器的基本功能

  1. 实现主机和外围设备之间的数据传送控制。(同步控制、设备选择和中断控制)
  2. 实现数据缓冲,以达到主机同外围设备之间的速度匹配。(数据缓冲寄存器)
  3. 接受主机的命令,提供设备接口的状态,并按照主机的命令控制设备。

输入输出接口类型

  1. 按照数据传送的宽度可分为并行接口串行接口
    1. 并行接口设备和接口是将一个字节(或字)的所有位同时传送
    2. 串行接口设备和接口间的数据是一位一位串行传送的,而接口和主机之间是按字节或字并行传送。接口要完成数据格式的串—并变换
  2. 按照数据传送的控制方式可分成程序控制输入输出接口,程序中断输入输出接口和直接存储器存取(DMA)接口等。

I/O设备数据传送控制方式

  1. 程序直接控制方式(PDC):完全通过程序来控制主机和外围设备之间的信息传送。
  2. 程序中断传送方式:发出START信号启动外围设备,然后机器继续执行程序。当外围设备完成数据传送的准备后,便向CPU发“中断请求”(INT)信号。一定程度上实现了CPU和外围设备的并行工作,大大提高了计算机系统的工作效率。
  3. 直接存储器存取方式(DMA):在外围设备和主存之间开辟直接的数据传送通路。无需CPU的频繁干预。
  4. I/O通道控制方式:通道能独立地执行用通道命令编写的输入输出控制程序。
  5. 外围处理机方式(PPU)

程序中断输入输出方式

中断”是由I/O设备或其他非预期的急需处理的事件引起的,它使CPU暂时中断现在正在执行的程序,而转至另一服务程序(中断处理程序)去处理这些事件,处理完后再返回原程序

中断的作用

  1. CPU与I/O设备并行工作image-20210703005318923
  2. 硬件故障处理
  3. 实现人机联系:用户要干预机器
  4. 实现多道程序和分时操作(时钟中断)
  5. 实现实时处理
  6. 实现应用程序和操作系统(管态程序)的联系
  7. 多处理机系统各处理机间的联系

概念

中断源:引起中断的事件,即发出中断请求的来源

中断源的种类:(前面两种中断则是随机发生的)

  • 外中断I/O设备定时钟等来自处理机外部设备的中断
  • 内中断:处理器硬件故障或程序“出错”引起的中断
  • 软中断:由“Trap”指令产生的中断,在程序中预先安排好的。

中断触发器:中断源发生引起中断的事件时,先将它保存在设备控制器的“中断触发器”中,即将“中断触发器”置“1”。当中断触发器为“1”时,向CPU发出“中断请求”信号。

每个中断源有一个中断触发器。全机的多个中断触发器构成中断寄存器。其内容称为中断字(中断码)。

优先权:有多个中断同时发生时,对各个中断响应的优先次序

中断级:把所有中断按不同的类别分为若干级。在同一级中还可以有多个中断源。

首先按中断级确定优先次序,然后在同一级内再确定各个中断源的优先权

禁止中断:产生中断源后,由于某种条件的存在,CPU不能中止现行程序的执行。

“中断允许”触发器:只有该触发器为“1”状态时,才允许处理机响应中断;如果该触发器被清除,则不响应所有中断源申请的中断。通过“开中断”或“关中断”指令来置位、复位。

中断屏蔽:当产生中断请求后,用程序方式有选择地封锁部分中断,而允许其余部分中断仍得到响应。

中断屏蔽触发器:用程序方法将该触发器置“1”,则对应的设备中断被封锁,若将其置“0”,才允许该设备的中断请求得到响应。由各设备的中断屏蔽触发器组成中断屏蔽寄存器

有些中断请求是不可屏蔽的:不管中断系统是否开中断,这些中断源的中断请求一旦提出,CPU必须立即响应。

中断处理过程

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  1. 关中断:进入不可再次响应中断的状态。由硬件实现。
  2. 保存断点和现场:把当前的程序计数器PC中的内容(断点),程序状态字、中断屏蔽寄存器、CPU中某些寄存器的内容(现场状态)保存起来。由硬件、软件实现。
  3. 判别中断源,转向中断服务程序。由硬件或软件实现。
  4. 开中断:允许更高级中断请求得到响应,实现中断嵌套。由硬件实现。
  5. 执行中断服务程序。由软件实现。
  6. 退出中断:关中断,恢复现场、恢复断点,开中断,返回原程序执行。由硬件、软件实现。
  • 判别中断源方法:查询法(软件)、串行排队链法(硬件)
  • 转向中断服务程序入口地址的方法:设一条专门接收终端设备码的指令INTA(取到设备号后,再通过主存的跳转表产生中断服务程序入口地址);向量中断(为每一个中断源设置一个中断向量,中断向量包括了该中断源的中断服务程序入口地址)

多重中断(中断嵌套):在处理某一个中断过程又发生了新的中断请求,从而中断该服务程序的执行,又转去进行新的中断处理。

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  • 在处理某级中的某个中断时,与它同级的或比它低级的新中断请求应不能中断它的处理,而在处理完该中断返回主程序后,再去响应和处理这些新中断。
  • 而比它优先级高的新中断请求却能中断它的处理。

DMA输入输出方式

DMAI/O设备主存储器之间由硬件组成的直接数据通路,用于高速I/O设备与主存之间的成组数据传送。

数据传送是在DMA控制器控制下进行的,由DMA控制器给出当前正在传送的数据字的主存地址,并统计传送数据的个数以确定一组数据的传送是否已结束。在主存中要开辟连续地址的专用缓冲器,用来提供或接收传送的数据。在数据传送前和结束后要通过程序中断方式对缓冲器和DMA控制器进行预处理和后处理。

DMA三种工作方式

  1. CPU暂停方式:主机响应DMA请求后,让出存储总线直到一组数据传送完毕后,DMA控制器才把总线控制权交还给CPU。
  2. CPU周期窃取方式:DMA控制器与主存储器之间传送一个数据,占用(窃取)一个CPU周期,即CPU暂停工作一个周期,然后继续执行程序。
  3. 直接访问存储器工作方式标准的DMA工作方式,如传送数据时CPU正好不占用存储总线,则对CPU不产生任何影响。如DMA和CPU同时需要访问存储总线,则DMA的优先级高于CPU

DMA控制器组成

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  1. 主存地址寄存器(MAR):初始值为主存缓冲区的首地址,在传送前由程序送入
  2. 外围设备地址寄存器(ADR):存放I/O设备的设备码,或者表示设备信息存储区的寻址信息
  3. 字数计数器(WC):对传送数据的总字数进行统计
  4. 控制与状态寄存器(CSR):存放控制字和状态字
  5. 数据缓冲寄存器(DBR):暂存I/O设备与主存传送的数据。

总线结构

总线:各模块之间传送信息的通路

总线类型

  • 内总线(连接计算机内部各模块的总线)和外总线(系统之间或系统与外部设备之间连接的总线)
  • 单总线(所有模块都连接到单一总线上)和多总线(将速度较低的 I/O 设备从总线上分出去,而形成系统总线与 I/O 总线分开的双总线结构)

总线组成:总线是从两个或两个以上源部件传送信息一个或多个部件的一组传输线

如一根传输线仅用于连接一个源部件(输出)和一个或多个目的部件(输入),则不称为总线。

总线控制线路:总线判优或仲裁逻辑、驱动器和中断逻辑等。

总线判优控制:存在多个设备或部件同时申请对总线的使用权,为保证在同一时间内只能有一个申请者使用总线,需要设置总线判优控制机构。

  • 主控器或主设备:可以控制总线启动数据传送的任何设备
  • 受控器或从设备:能够响应总线主控器发出的总线命令的任何设备

通常 CPU 为主设备,存储器为从设备,I/O 设备可以为主设备或从设备。

总线判优控制按其仲裁控制机构的设置可分为集中式控制(总线控制逻辑基本上集中于一个设备)和分布式控制(总线控制逻辑分散在连接总线的各个部件或设备中)两种。

常用的优先权仲裁方式串行链接方式。优先次序是由“总线可用”线所接部件的位置决定的,离总线控制器越近的部件其优先权越高。

总线通信

  • 同步通信统一的时钟控制数据的传送)和异步通信(数据发送部件和接收部件之间的相互“握手”信号)
  • 并行通信和串行通信
    • 并行通信:数据的各位同时进行传送。距离较短,限制在一个机柜内使用
    • 串行通信:数据一位一位地顺序传送。线路简单,适合于远距离通信
    • 相同频率的作用下,并行通信则传输率高。但频率提高到一定程度并行通信会受到信号时滞、串扰和散热问题的困扰。

出错处理:自动纠正错误/发现错误 -> 发出“数据出错”信号

总线驱动:总线上可连接多个部件,具有扩充灵活的优点,但总线的驱动能力总是有限制的,因此在扩充时要加以注意。通常一个模块或一个部件限制在1~2个负载以内。

总线举例:ISA 总线 / EISA总线,PCI总线 【即插即用】

即插即用(P&P):解决总线上卡与卡之间以及卡与主板之间的资源冲突问题,达到不需人为干预的系统资源分配。

热插拔:具有P&P功能的总线和I/O设备控制器有相应的硬件和操作系统在计算机正式工作之前自动完成配置,在插拔卡时也不需要关电源。

外设接口 ▲

  • ATA(IDE) / 并行ATA
  • 串行ATA(SATA)和eSATA
  • SCSI、SAS和iSCSI接口
  • 光纤通道和InfiniBand
  • PCMCIA
  • 串口通信接口USB(通用串行总线)和IEEE 1394