第六章 计算机输入输出系统Word文档格式.docx

1、I/O设备可分为三大类：6.2.1数据表示设备这类I/O设备的主要功能是在计算机处理器和用户之间传递信息，它主要包括显示器，键盘等人-机交互设备，但也有一些用于控制其它电子设备的信号输出输入设备可归入此类。这些设备通常为计算机提供其运行时所需的大部分输入信息，同时输出计算机运行的最后结果，并反馈给用户。图6.1引出了一些最常用的数据表示设备和它们的数据速率（data rate）。设备传感器键盘通讯线CRT显示器行式打印机磁带机数据速率1B/s-1kB/s10B/s30B/s- 200kB/s2kB/s1.8kB/s0.5-2MB/s图6.1 常见数据表I/O设备及其数据率以前，数据表示设备常被

2、认为是非常慢速的设备，但随着计算机多媒体技术的发展，许多新的数据表示方法出现了，如图6.2，它们要求很高的速度，并对时延有着很高的要求，这些新的表示技术包括高速图形显示及视频显示，声音输入/输出。要达到满意的输出结果，需要计算数量庞大的数据，以至于不得不设计专用的处理器来处理诸如色彩显示，三维造型的动画这样一些图形的数据来源，而视频显示的主要问题来自于它的实时显示要求，因为视频显示两帧之间的时间不能大于1/30秒，否则会产生闪烁感。为了减轻对设备的压力，通常都采用数据压缩的方法，使数据量下降，但也产生了解压缩的问题。声音是又一种数据量很大的数据表示方式，它的实时输出和识别也是很费时的，这些新的

3、数据表示方法不仅对I/O系统提出了很高的要求，对处理器的速度也提出了新的要求。同时这样新的技术也扩展了计算机输入/输出设备的范畴，促进了I/O系统技术的发展。多媒体数据表示设备图形视频声音1MB/s100MB/s64kB/s最大允许时延1-5秒约20毫秒50-300毫秒图6.2 多媒体数据表示设备的参数一览6.2.2网络通讯设备网络通讯设备的功能是在处理器间传递数据。网络通讯设备的种类繁多，按连接处理器的距离分，可分为MPP网，局域网，广域网等；按采用的通讯介质分，又可分成铜线电信号设备和光纤设备等，按所采用的控制技术分，还可以分成以太网、ATM网，令牌环网等，随着计算机向网络化发展和网络并行

4、计算技术的产生，这类设备的地位正在变得日益重要，第十章网络并行计算体系结构中将对这类设备作详细介绍。6.2.3存贮设备这里存贮设备是指外存贮器，它的功能是作为计算机存贮器层次结构的一部分，存贮计算机处理时所需信息。这类设备由于经常与处理器协同工作而显得地位格外重要，作为海量的非易失的外存贮设备，这类I/O设备一方面担负存贮计算机后备数据的任务，一方面还往往作为虚存或操作系统交换区的一部分，直接参与计算机的处理。计算机外存贮器一般有以下几种：磁盘磁盘从60年代起一直是计算机的重要外存设备。它分为软盘和硬盘两种，软盘可灵活装卸，便于携带和交换，价格低廉但存储容量小，传输率低，使用寿命也短。硬盘是固

5、定式的密封盘片（Platter）组，由金属基片两面涂上或镀上磁性记录介质组成。盘片以每分钟3600转的速度旋转，磁头臂带着读写磁头在磁盘上作径向运动，写入或读取磁盘上信息，盘片大小以英寸计，从1.3英寸到8英寸不等，通常，硬盘越大则性能越好，越小则价格越低。磁盘的表面沿直线方向划分为不同的同心圆，称为磁道（track），一般硬盘每面有500到2500个磁道。在硬盘机中，磁盘片连在一起，读写磁盘各面信息的磁头也连在一块运动，从而每次读写磁头都停在各面的同一磁道上，故而也把各面的同一磁道连起来叫作柱面（Cylinder）。每条磁道再按切线方向划为几十个扇区（sector），扇区是磁盘存贮信息的最小

6、单位，扇区一般由扇区号，分隔用的空白区（gap），扇区数据信息三部分组成，扇区间也有用于分隔的空白区。通常，所有的磁道上的扇区数是一样的，所以处在外圈的磁道扇区密度小，数据也就存放得可靠些，而内圈的磁道短，存放的数据却不比外圈少，往往容易出错些。为了克服这个缺陷，可以使用一种叫常位密度 （constant bit density）的存储方式：在外圈长磁道上放更多的扇区。这样就使整个磁盘上扇区的密度也就是数据的密度一致，增加了可靠性。SCSI硬盘接口中就用了这种方法。在对磁道进行数据读写时，首先磁头臂要移到指定的位置，这个操作称为寻道（seek），该操作所需的时间称为寻道时间（seek time

7、）。寻道时间与磁头移动量有关，一般厂商给出最小值，最大值和均值三种参数。平均值是各种可能的寻道所需时间的平均，范围在12毫秒到20毫秒之间，实际值还与操作系统有关。在磁头移动到指定磁道上后，读写数据还需等待磁盘旋转到指定的扇区。这个操作所需的时间称为旋转延迟（rotation latency）大多数硬盘的旋转时间为每分钟3600转，平均旋转延迟是指磁盘旋转半圈的时间，等于0.50.6/3600秒=8.3毫秒。数据传输所需时间称为传输时间（transfer time），它与数据量、磁盘转速及记录密度有关，还与连接磁盘与计算机的传输线带宽有关系。目前，一般计算机磁盘的传输速度为1MB/s到4MB/

8、s，磁盘从收到读盘命令到启动磁盘臂移动之间的时间称为控制时间（controller time），它包括了等待上一次读写磁盘结束的时间，称做排队时间（queuing delay）。将控制时间，寻道时间，转旋延迟和传输时间加起来，才是一次读写磁盘所需的总时间存取时间（access time）。在磁盘和计算机之间，由一个叫磁盘控制器（disk controller）的部件负责控制磁盘的数据传输。前面提到的控制时间实际上就是花在磁盘控制器上的时间。磁盘控制器还完成一些其他的任务，如先读（read ahead），即为了减少每次启动读取的时间，由磁盘控制器在每次读时向前多读几个扇区，以便一旦要读这些扇区时

9、可以快速提供，鉴于数据保存的连续性，这样的方法还是很有效的。磁盘技术的发展方向是提高存储密度，降低成本和提高速度。磁盘的存储密度对提高其容量十分重要，同时密度提高也有利于速度提高。存贮密度的度量指标是盘片的面密度（area density），单位为每平方英寸的位数，用每英寸半径上磁道数乘以每英寸磁道中存储的位数衡量，前者又称道密度，单位为TPI（track per inch），后者又称位密度，单位为bpi（bit per inch），于是有面密度=每英寸磁道数每英寸道数。磁盘密度的增加速度到1988年止约为29%，即每年增长两倍。但此后每年的增长速度就达到60%，即有三年增长四倍，与DRAM密

10、度的增长大致相当。到1995年，产品化的磁盘最高面密度已达644兆位每平方英寸，实验产品中已有达3000兆位每平方英寸的。在降低成本方面，每兆字节的成本下降得和面密度的增长一样快，在1983年到1995年的十二年间，计算机磁盘的每兆字节价格下降了上百倍，实际上，在1992年至1995年间，磁盘的成本每年下降两倍左右，而以前的几年每年只下降1.3到1.4倍，图6.3画出了每兆字节价格随时间变化的关系。尽管磁盘技术在上述两项指标上取得了不小的进步，但它与DRAM的存取时间上的差异，始终是它作为次级存储器的一个缺憾，它的存取时间尽管比起十几年前已大大缩短，但仍比DRAM慢100,000倍，从而在现今

11、计算机的主存和次级存储器间造成了一个巨大的存取时间缺口（access time gap）许多新的设想和技术企图填补这一空缺，但至今还没有成功的例子。图6.3 每兆字节PC机磁盘价格随时间变化示意图光盘光盘的优点是存储容量大，成本低，存放期限长，存储密度高。因此近些年得到迅速发展，成为某些领域中磁盘的有力竞争者。光盘的面密度达108位/cm2，道密度1500TPI，其存储密度在现有的外存介质中是很高的。而且由于光盘用激光记录，读写时读写头与介质保持较大距离，不易磨损，故而信息保存寿命较长，目前5.25英寸光盘容量为600MB，平均寻道时间50-100ms，数据传输速率为1MB/s，广泛应用于文献

12、档案的存贮，图书馆管理，多媒体应用等各方面。光盘分为只读型，WORM（一次写 多次读）型和可擦写型三种，只读型也称CD-ROM，成本低，但只能进行读出操作，通常用于软件发行。可擦写型可多次写入，但成本较高。且因为光驱读写头份量重，体积大，寻道时间长，再加上可擦写光盘本身技术问题，写入速度很低，因此只能用于数据备份，而不能作为次级存储器，这是光盘一时难以代替磁盘的主要原因。光盘技术应用于磁盘上，产生了磁盘（floptical disk）技术，磁光盘便于携带，存储容量大，可与硬盘相比较，存取时间也较短。磁带磁带作为计算机I/O设备的时间与磁盘一样长，磁带和磁盘的存储技术及原理有不少是相似的，磁盘与

13、磁带的不同主要是磁盘在一个有限大小的面积上进行读写，以加快存取速度，而磁带存储面积是个无限的带，虽然在其上只能串行存取，速度慢，但容量可以很大，所以磁带常作为磁盘的后备介质使用。磁带的一个问题是容易缠带或断裂，一种叫螺旋扫描带（helical scan tapes）的技术可以解决这一问题，这项技术是让磁带以一固定速度旋转，而沿着磁带的对斜线，用一个转得比磁带快得多的读写头记录数据，这项技术可以使记录密度增加约20到50倍，已在摄像机中获得广泛的使用，并降低了磁带和读写头的成本。螺旋扫描带技术的缺点是损耗很快，传统的磁带可用上几千到几百万遍，而螺旋扫描带只能用几百遍，写头也只能连续用上2000小

14、时。此外，螺旋扫描带的倒带，退带，装带和旋转准备时间也长得多，当然这样的缺点对于数据后备来说倒是无关紧要的。磁带的好处是其成本随存储容量的增长而下降，因而就产生了一种叫作自动磁带库（automatic tape library）的设备，它通常具有很大的容量，如存储技术公司（storage Technologies corporation， STC）的 Power Horn自动磁带库机有6000盘磁带，总容量达到60TB，而到1995年为止世界最大图书馆之一的美国国会图书馆的藏书总量如转化为ASC字符，也只有30TB，自动磁带库还能自动装带和退带，查找数据，在九十秒钟内存取TB的信息而不需人工干

15、预。6.2.4 廉价磁盘冗余阵列RAID磁盘I/O系统中比较引人注目的是廉价磁盘冗余阵列（Redundant array of inexpensive disk，RAID ）的发展。它的基本思想是使用多个磁盘存贮数据，并行地读写， 提高数据传输带宽。为了提高系统的可靠性，数据是冗余存贮的，当一个磁盘坏了时，数据可以从冗余信息中恢复，不影响磁盘的正常使用，RAID还具有容量大，数据传输快，功耗低，体积小，成本低的便于维护等优点，其发展前景十分光明。RAID中的数据并行存贮操作对计算机的CPU是透明的。多个磁盘驱动器在逻辑上构成一个磁盘，系统的数据分布在各磁盘上的操作由磁盘控制器完成（图6.4）。

16、6.4 RAID结构框图图6.4中，控制处理器是RAID的控制中心，功能包括接收和分析主机操作命令，调度和管理磁盘阵列数据通道，组织和执行设备命令等。控制处理器运行一个控制软件，执行初始化、接口规范处理、命令序列优化处理、地址转换、数据通道管理等功能。数据通道在控制处理器控制下，实现数据的分配与集中、缓冲、奇偶校验、数据校正和通道重构等工作，数据通道中一般还包括数据缓冲器、多路开关、DMA电路等。此外，控制接口是阵列与主机接口，实现主机和磁盘阵列的通信，数据传送和控制信号的传递;设备接口是直接连磁盘驱动器的接口，一般采用工业标准，如SCSI等。RAID有几种实现功能，分成六个级别，分别称RAI

17、D1-RAID6，图6+2列出了非冗余磁盘阵列和各RAID级别的实现特性。RAID级别最多允许失败的磁盘数数据盘数校验盘个数0,冗余861,镜象12,海明码纠错的冗余阵列43,位奇偶校验4,块奇偶校验5,块奇偶校验，分布存贮6,P+Q冗余2图6.5 RAID的分级实现的可靠性RAID1，即镜象（mirroring）法，又称影象（Shadowing）法，是传统的冗余磁盘组织法。使用两倍的盘，要存数据时，将每一数据同样写入数据盘和校验盘上，以改善磁盘的可靠性，由于一个盘坏了可以从它的镜象校验盘中读，所以可靠性好，但由于冗余度100%，有效容量只有原先的一半，开销很大。这是RAID的简单形式。RAI

18、D2是采用海明码纠错的，它把数据按位交叉（bit interleaved）写入几个盘，并用另几个盘实现按位出错检查。这种方法比镜象磁盘阵列的冗余度小，但数据的读写操作涉及到阵列中的每个盘，影响了小文件的传输速度，因而只适于大量数据的顺序访问，它的开销也较大。RAID3只用一个盘进行校验。数据写入时按位写到几个磁盘上，并将各位的奇偶校验数据写到校验盘。当阵列中一个盘出错时，可以按奇偶校验位和其他正常磁盘上的各位，反推出错磁盘上原先的数据。前提条件是假设出错是很少的，且只有一个盘会出错。这种RAID好处是冗余度小，可扩展。由于采用数据位交叉，对读写大量顺序数据有利。RAID4与RAID3的区别在于

19、它按块交叉（block interleaved）存贮。这就意味着，在读数据时，不必访问所有磁盘，只要访问有此块数的磁盘，从而在不冲突时，多个磁盘能并行进行磁盘读写。当然，在写入时，由于必须写奇偶校验，仍然牵涉到几个盘的数据，但为了减少写入时访问盘的个数，可以只读与写入值共用一个校验位的那几位数据，看新写入值对校验位中生了什么影响，如真的改变了，再按情况写入，从而可以少牵涉几个盘，提高速度。RAID4的其他特点和RAID3相似，这样的RAID适于小块数据读写，它的小块数据传输速度比RAID3快。但RAID4在写入时仍有一个问题：无论使用什么技巧，校验盘在写入时是一定要涉及的，在大量读写时，校验盘

20、就成为一个瓶颈。为解决这个问题，采用RAID5。它与RAID 4的区别在于它的校验区不是集中在一个校验盘中，而是分布式地存在各个盘上（图6.6），这样就可以使不牵涉到同一个盘的操作可以并行进行。比如，如图6.6，对第8块的写入必须存取到校验块P2，从而要牵涉盘一和盘三;此时如有另一个操作，写第五块，要存取校验块P1，牵涉盘二和盘四，由于两项 操作互不妨碍，从而可并行进行。而如果在RAID4中进行这些操作，无论如何都要牵涉到校验盘五，使得任何并行写入都无法进行，因而RAID5比RAID4有更高的读写吞吐量。图6.6 RAID4与RAID5数据与校验信息存放方式图6.3 I/O子系统的控制方式6.

21、3.1 程序控制在早期，计算机I/O子系统的控制直接由CPU来完成。如图6.7（a）所示，由CPU执行启动，测试I/O设备，进行数据传送。这种方式不需专门的硬件，简单的计算机系统都用这种方式。但I/O设备的工作速度比CPU慢得多，CPU多数时间是在等待，因而这种方式的效率很低。在程序控制方式中，计算机CPU实时地（又称轮询方式）进入I/O控制操作处理外设的I/O事务，而不管该外设此时是否需要进行I/O处理，而CPU一旦进入I/O控制操作就不能再做其他工作，从而大大降低了CPU效率。为了解决这个问题，采用中断驱动的I/O控制。如图6.7（b），只有在I/O设备需要CPU的控制操作时，才向CPU发

22、出中断请求，使其转入为I/O系统服务，而平时CPU可以处理其他工作。中断方式不仅提高了CPU效率，而且使CPU可同时控制多个I/O设备。但是中断方式的缺点是仍然要CPU的干预，并且中断处理时CPU与I/O间传递数据速度还不够快。具有戏剧性的是，中断方式是作为程序控制方式的“改进”而出现的，但随着I/O设备速度的提高，对于中断方式的评价也有了新的变化。如果I/O设备的速度足够快，采用中断方式时I/O设备就会不停地向CPU发出中断，此时，中断引起的保存现场等开销问题就很严重了，反倒不如由程序控制CPU轮询操作为好，因此目前的看法是，采用中断或程序轮询方式控制CPU是一个与I/O设备速度的有关的问题

23、，必须具体分析。上述两种方式的共同特点是必须借助CPU完成I/O设备的控制工作，为了减轻CPU的负担，可以采用一个名为“直接存储器访问”（direct memory access，简称DMA）的部件协助CPU进行数据传输方面的操作（参见图6.7（c）。在CPU完成必要的I/O控制之后，不是由通用CPU来传递I/O数据，而由DMA根据CPU传递的参数（起始地址，长度等），直接在I/O设备与存储器之间快速传递大量数据，传完之后再通过中断通知CPU。图6.7 I/O系统的三种管理方式6.3.2 I/O处理器（通道）DMA管理的I/O系统的主要问题，是它在传送时仍要占用总线，故而与CPU产生冲突，此外

24、CPU仍须完成一些控制工作，为此，使用一个叫I/O处理器（I/O Processor）或称I/O通道（I/O channel）的设备来代替CPU来控制I/O设备，这样的I/O子系统有更强的功能，它执行自己的程序，除了完成数据传送外还可以进行数据的变换，装配校验等工作，使CPU进一步摆脱输入输出操作的负担，I/O通道管理着I/O总线，这是将I/O设备与I/O处理器连起来的总线，而计算机内部总线则是一条在一个总线控制器控制下的高速同步总线。当I/O处理器要传数据到内存时，它的总线控制器发送使用内部送线请求，由其统一安排总线的使用，I/O处理器一般就是一个通用处理器，与计算机的中央处理器CPU协同工

25、作，也可以是专门为I/O设备设计的专用处理器。有时候，把多进程操作系统里的I/O管理进程也称为软件意义上的I/O处理器。为适应兼容性方面的要求，这样的软件处理器通常分为几个层次如用户界面层、设备无关层、设备驱动器中断处理等，其中，设备无关软件将用户界面符号命令转换为I/O操作的高层逻辑使用，包括把设备转换为设备代码，将逻辑数据块转换成物理数据块，分配管理等，设备驱动器是与设备有关的程序，它将高层的逻辑命令转换为低层的设备控制命令，包括命令格式转换，地址转换，操作调度和出错处理等。下面我们只研究硬件通道的情况，图6.8是典型的具有通道的计算机系统结构图，这种结构有两种总线，正如我们前面已讲过的，

26、存储总线（内部总线）和通道总线（I/O总线）。图6.8 I/O通道结构框一条通道总线可以连几个设备控制器，一个设备控制器又可以连几个设备。从逻辑结构讲，有了I/O通道后，I/O设备连接可分为四层：CPU通道处理器设备控制器设备对于同一系列的机器，通道与设备控制器间有统一标准接口，设备控制器与具体设备间专用接口，大中型计算机系统一般都接有多个通道，对不同类型的I/O设备可以进行分类管理。事实上，通道这个词原先也是从大中型计算机体系结构中产生的，只是后来由于大中型计算机的一些体系结构上优点为小型计算机所吸取，特别是SCSI接口（后面会讲到）的出现，才使这个概念影响到计算机I/O系统的整个领域。存储

27、管理部件（对应图6.8中的总线适配器）示是存储总线的控制部件，它的主要任务是根据事先确定的优先次序（由硬件设定或软件决定）决定下个周期，由哪个部件使用存储总线，由于大多为数I/O设备读写信号有实时性，不及时处理将丢失数据，所以通道的优先权一般高于通道，高速设备的通道高于一般的设备的通道通道的基本功能是执行通道命令，组织外国设备和内存进行数据传输，按I/O指令要求启动I/O设备的CPU报告中断等，具体有以下五项任务： 接收CPU的I/O指令，按指令要求与指定的I/O设备进行通讯从内存选取属于通道程序的通道指令，经译码后的设备控制器和设备发送各种命令组织外围设备和内存间进行数据传递并根据需要提供给

28、数据中间缓存的空间，以及提供数据存入内存的地址和传送的数据量从外围设备得到设备的状态信息，形成并保存通道本身的状态信息，根据要求将这些状态信息达到内存指定单元供CPU使用，将外围设备的中断请求和通道本身的中断请求按次序报告给CPU。CPU对通道的管理通过进行I/O指令和处理来自通道的中断而实现，一般把CPU运行操作系统的核心，管理程序的状态称管态，而把CPU执行目标程序的状态称目态，一般多用户操作系统均只允许在管态下对通道进行操作，以使I/O资源能为各用户共享，并保证操作系统安全通道通过指令使用设备控制器进行数据传送操作，并以通道状态字（channel state word，CSW），接收设备控制器反映的I/O设备状态，因此设备控制是通道对I/O设备实现传输控制的执行机构。这的任务是接收通道指令，控制I/O设备完成要求的操作，向通道反