网络教育学院

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,网络教育学院,计算机组成与系统结构,上海交通大学 网络教育学院,陈泽宇 博士 副教授,第,1,章 计算机系统概论,第,2,章 运算方法和运算器,第,3,章 存储系统,第,4,章 指令系统,第,5,章 中央处理器（,CPU,）,第,6,章 总线系统,第,7,章 输入输出（,I/O,）系统,第,8,章 并行计算机系统,2024/10/1,2,第,7,章 输入输出（,I/O,）系统,7.1,输入输出控制方式,7.2,程序中断方式,7.3 DMA,方式,7.4,通道方式,7.5,通用,I/O,接口,2024/10/1,3,输入输出设备,从功能上可以分为两类,完成输入输出操作的设备,作为,外部存储器,的设备,外部存储器的访问需要通过输入输出接口进行，因此也可以看作是一种输入输出设备,输入输出系统的,功能,各种外围设备通过输入输出接口与计算机主机相连，完成主机分配的任务并进行信息交换,输入输出接口需要连接各种不同类型、不同工作速度和数据传输速度的外围设备，因此产生了各种不同的输入输出控制方式,2024/10/1,4,7.1,输入输出控制方式,1.,程序查询方式,2.,程序中断方式,3. DMA,方式,4.,通道方式,5.,外围处理机方式,2024/10/1,5,CPU,管理外围设备的输入输出控制方式,程序查询方式,程序中断方式,DMA,方式,通道方式,外围处理机方式,前两种方式由,软件,实现,后三种方式由,硬件,实现,2024/10/1,6,1.,程序查询方式,早期计算机中使用的一种方式,CPU,与外围设备的,数据交换完全依赖于,计算机的,程序控制,在进行信息交换之前，,CPU,要设置传输参数、传输长度等，然后启动外设工作,与此同时，外设则进行数据传输的准备工作,相对于,CPU,来说，外设的速度是比较低的，因此外设准备数据的时间往往是一个漫长的过程,而在这段时间里，,CPU,除了循环检测外设是否已准备好之外，不能处理其他业务，,只能一直等待,直到外设完成数据准备工作，,CPU,才能开始进行信息交换,2024/10/1,7,优点,CPU,的操作和外围设备的操作能够完全同步,硬件结构也比较简单,缺点,外围设备的动作通常很慢，程序进行循环查询白白,浪费,了宝贵的,CPU,时间,数据传输效率低下,在当前的实际应用中，除了单片机之外，已经很少使用程序查询方式了,2024/10/1,8,2.,程序中断方式,中断是,外围设备,用来,“主动”通知,CPU,，准备发送或接收数据的一种方式,通常，当一个中断发生时，,CPU,暂停其现行程序，转而执行,中断处理程序,，完成数据,I/O,工作,当中断处理完毕后，,CPU,又返回到原来的任务，并,从暂停处继续执行,程序,程序中断这种方式,节省了,CPU,时间,，是管理,I/O,操作的一个比较有效的方法,中断方式一般,适用于随机出现的服务,，并且一旦提出要求，应立即执行,与程序查询方式相比，,硬件结构相对复杂一些，服务成本较大,2024/10/1,9,3. DMA,方式,DMA,方式就是直接存储器存取（,Direct Memory Access,）方式,是一种,完全由硬件执行,I/O,交换,的工作方式,在该方式中，,DMA,控制器,从,CPU,完全接管对总线的控制权,数据交换不经过,CPU,而直接在主存和外围设备之间进行，以便高速传送数据,主要,优点,数据传送速度很高,传送速率仅受限于主存的访问时间,与程序中断方式相比，,需要更多的硬件,适用于主存和高速外围设备之间,大批量数据交换,的场合,2024/10/1,10,4.,通道方式,DMA,方式的出现减轻了,CPU,对,I/O,操作的控制，使得,CPU,的效率显著提高，而通道的出现则进一步提高了,CPU,的效率,通道是一个具有特殊功能的处理器，又称为,输入输出处理器（,IOP,）,分担了,CPU,的一部分功能,可以实现,对外围设备,的,统一管理,完成外围设备与主存之间的数据传送,通道方式大大提高了,CPU,的工作效率,然而这种效率的提高是以增加更多的硬件为代价的,2024/10/1,11,5.,外围处理机方式,外围处理机（,Peripheral Processor Unit,，,PPU,）方式是通道方式的进一步发展,PPU,基本上,独立于主机工作,结构更接近于一般的处理机，甚至就是微小型计算机,在一些系统中，,设置了多台,PPU,，分别承担,I/O,控制、通信、维护诊断等任务,从某种意义上说，这种系统已经变成了,分布式多机系统,2024/10/1,12,计算机外围设备的输入,/,输出方式,CAI,演示,程序查询方式和程序中断方式,适用于数据传输率比较,低,的外围设备,DMA,方式、通道方式和外围处理机方式,适用于数据传输率比较,高,的外围设备,2024/10/1,13,7.2,程序中断方式,7.2.1,中断的基本概念,7.2.2,单级中断与多级中断,7.2.3,中断控制器,2024/10/1,14,7.2.1,中断的基本概念,程序查询方式要求,CPU,不断地用指令检测方法来获取外设工作状态，造成,CPU,的运行效率极低,20,世纪,50,年代中后期中断概念的出现，是计算机系统结构设计中的一项重大变革,在程序中断方式中，,某一外设的数据准备就绪后，它“主动”向,CPU,发出,中断请求,信号，请求,CPU,暂时中断目前正在执行的程序转而进行数据交换；,当,CPU,响应,这个,中断,时，便暂停运行主程序，自动转去执行该设备的,中断服务程序,；,当中断服务程序执行完毕（数据交换结束）后，,CPU,又回到原来的主程序继续执行,2024/10/1,15,中断处理示意图,CPU,只是在外围设备,A,、,B,、,C,的数据准备就绪后，才去执行对应的中断服务程序，进行数据交换；,而当低速的外围设备准备自己的数据时，,CPU,则照常执行自己的主程序,从这个意义上说，,CPU,和外设,的一些操作是,异步并行,进行的,因而与串行进行的程序查询方式相比，计算机系统的效率的确是大大提高了,2024/10/1,16,CPU,只有在当前一条指令执行完毕后，即转入,公操作,时，才会受理外围设备的中断请求,保存现场,操作,为了在中断服务程序执行完毕以后，能够正确地返回到原来主程序被中断的地方（,断点,）继续执行,把程序计数器,PC,的内容，以及当前指令执行结束后,CPU,的状态（包括寄存器的内容和一些状态标志位）都,保存到堆栈,中去,恢复现场,操作,在中断服务程序执行完毕后，,从堆栈中恢复,PC,内容和,CPU,状态，以便,从断点处继续执行,主程序,2024/10/1,17,中断处理过程是由,硬件和软件结合,来完成的,中断周期,由硬件实现,中断服务程序,由机器指令序列实现,计算机的中断过程类似于子程序调用，但在本质上又有所区别,子程序的调用是事先安排好的，而中断则是,随机产生,的,子程序的执行往往与主程序有关，而中断服务程序则可能与主程序毫无关系,比如发生电源掉电等异常情况,2024/10/1,18,7.2.2,单级中断与多级中断,根据计算机系统对中断处理策略的不同，中断系统可以分为,单级,中断系统和,多级,中断系统,单级中断系统是中断结构中最基本的形式,2024/10/1,19,单级,中断系统,所有的中断源都属于同一级，所有中断源触发器排成一行，其优先次序是离,CPU,越近优先级越高,当响应某一中断请求时，,CPU,执行该中断源的中断服务程序,在此过程中，,中断服务程序不允许被其他中断源所打断,，即使优先级比它高的中断源也不例外,只有当该中断服务程序执行完毕之后，才能响应其他中断,2024/10/1,20,多级,中断系统,计算机系统中的多个中断源，根据中断事件的轻重缓急程度不同而分成若干个级别，每一个中断级分配一个优先级,优先级高的中断级可以打断优先级低的,中断服务程序,，以程序嵌套方式进行工作,中断嵌套,当一个中断服务程序正在执行时，一个,优先级比它更高的中断源发出中断请求,CPU,暂停当前中断服务程序的执行，转,而执行优先级更高的中断服务程序,图中，,CPU,嵌套响应了系统中的两个中断服务程序。,多级中断的出现，扩大了系统中断功能，进一步加强了系统处理紧急事件的能力,2024/10/1,21,为了能够及时处理最为紧迫的中断，必须判断多级中断中哪个中断的优先级更高,通常可采用以下两种处理方法：,1.,软件查询法,采用程序查询技术来确定发出中断请求的中断源及其中断优先级,最先查询的中断具有最高优先级，最后查询的中断则为最低优先级,因此，查询的先后顺序决定了中断优先级的高低,如果中断请求正好来源于最后查询的那个中断，那么就浪费了此前的大量查询时间,因此，软件查询的效率很低,2.,硬件处理法,为了提高处理效率，通常采用硬件处理方法,采用优先级排队电路或专用中断控制器等硬件电路来管理中断,2024/10/1,22,7.2.3,中断控制器,中断控制器是一块专用的集成电路芯片,将中断接口与优先级判断等功能集于一身,中断控制器,在,80x86,的早期系统中，采用一片,8259A,芯片作为中断控制器,到了,80386,系统中，则采用,可编程中断控制器,PIC,（,Programmable Interrupt Controller,），,也就是两块,8259A,芯片的级联,在,Pentium,以及后来的,CPU,中，集成了,高级可编程中断控制器,APIC,（,Advanced Programmable Interrupt Controller,）,可用于多处理器,2024/10/1,23,7.3 DMA,方式,7.3.1 DMA,基本概念,7.3.2,基本的,DMA,控制器,7.3.3,选择型和多路型,DMA,控制器,2024/10/1,24,7.3.1 DMA,基本概念,DMA,方式是一种,完全由硬件执行,I/O,交换,的工作方式,DMA,控制器从,CPU,完全,接管对总线的控制,数据交换不经过,CPU,，而直接在主存和,I/O,设备之间进行,DMA,控制器向主存发出地址和控制信号,修改主存地址，对传送的字的个数进行计数，并且,以中断方式向,CPU,报告传送操作的结束,DMA,方式控制简单，适用于高数据传输率设备进行,成组传送,2024/10/1,25,DMA,方式的,优点,速度快,由于,CPU,不参加传送操作，因此省去了,CPU,取指令、取数、送数等操作，也没有保存现场、恢复现场之类的工作,主存地址的修改、传送字个数的计数等不由软件实现，而是用硬件线路直接实现,所以，,DMA,方式能够满足高速,I/O,设备的要求，也有利于,CPU,效率的发挥,一般用于,高速传送成组数据,2024/10/1,26,DMA,方式的,工作过程,首先,，当要求通过,DMA,方式传输数据时，,DMA,控制器向,CPU,发出请求，,CPU,释放总线控制权，交由,DMA,控制器管理,然后,，,DMA,控制器向外设返回一个应答信号，外设与主存开始进行数据交换,最后,，当数据传输完毕后，,DMA,控制器把总线控制权交还给,CPU,2024/10/1,27,在这种方式下，,DMA,控制器与,CPU,分时使用总线,时间图,在,DMA,方式中，,批量数据传送前的准备工作，以及传送结束后的处理工作，仍由,CPU,通过执行管理程序来承担,DMA,控制器只负责具体的数据传送工作,2024/10/1,28,7.3.2,基本的,DMA,控制器,1. DMA,控制器的基本组成,2. DMA,数据传送过程,2024/10/1,29,1. DMA,控制器的基本组成,一个,DMA,控制器，实际上是采用,DMA,方式的外围设备与系统总线之间的接口电路,在中断接口的基础上加上,DMA,机构而组成的,包括以下逻辑部件：,1,）主存地址计数器,2,）字计数器,3,）数据缓冲寄存器,4,）“,DMA,请求”标志,5,）“控制,/,状态”逻辑,6,）中断机构,2024/10/1,30,2. DMA,数据传送过程,一次,DMA,数据块传送过程可分为三个阶段,CAI,演示,传送前预处理,正式传送,传送后处理,2024/10/1,31,1,）,预处理,阶段,CPU,执行几条输入输出指令,测试设备状态,向,DMA,控制器的设备地址寄存器中送入设备号并启动设备,向主存地址计数器中送入起始地址,向字计数器中送入交换数据字个数,在这些工作完成后，,CPU,继续执行原来的主程序,当外设准备好发送数据（输入）或接收数据（输出）时，,它发出,DMA,请求，由,DMA,控制器向,CPU,发出总线使用权请求,2024/10/1,32,2,）,正式传送,阶段,当外围设备发出,DMA,请求时，,CPU,在本机器周期执行结束后响应该请求，并使,CPU,的总线驱动器处于第三态（高阻状态）,之后，,CPU,与系统总线相脱离，而,DMA,控制器则,接管数据总线与地址总线,的控制，并向主存提供地址,于是在主存与外围设备之间进行数据交换,每交换一个字，地址计数器和字计数器加“,1”,当字计数器溢出时，,DMA,操作结束，,DMA,控制器向,CPU,发出,中断报告,2024/10/1,33,DMA,数据传送是以,数据块,为基本单位进行的,每次,DMA,控制器占用总线后，无论是数据输入操作，还是输出操作，都是通过循环来实现的,当进行输入操作时，外围设备的数据（一次一个字或一个字节）传向主存,当进行输出操作时，主存的数据传向外围设备,2024/10/1,34,3,）,后处理,阶段,一旦,DMA,的中断请求得到响应，,CPU,停止主程序的执行，转去执行,中断服务程序,，完成,DMA,结束处理工作,包括校验送入主存的数据是否正确，决定继续,DMA,传送还是结束，测试传送过程中是否发生错误等等,基本,DMA,控制器与系统的连接方式有两种,一种是公用的,DMA,请求方式,另一种是独立的,DMA,请求方式,2024/10/1,35,7.3.3,选择型和多路型,DMA,控制器,简单的,DMA,控制器，一个控制器只控制一个,I/O,设备,在实际应用中情况要复杂得多,因此通常采用选择型,DMA,控制器和多路型,DMA,控制器,1.,选择型,DMA,控制器,2.,多路型,DMA,控制器,2024/10/1,36,1.,选择型,DMA,控制器,选择型,DMA,控制器,在物理上,可以,连接多个设备,，而,在逻辑上只允许连接一个设备,换句话说，在某一个时间段内只能为一个设备提供服务,选择型,DMA,控制器,工作原理,数据传送以数据块为单位进行,在每个数据块传送之前的预置阶段，除了用程序中的,I/O,指令给出数据块的传送个数、起始地址、操作命令外，还要给出所选择的设备号,从预置开始，一直到这个数据块传送结束，,DMA,控制器只为所选的设备提供服务,下一次预置时再根据,I/O,指令指出的设备号，为所选择的另一设备提供服务,2024/10/1,37,选择型,DMA,控制器相当于一个,逻辑开关,根据,I/O,指令来控制此开关与某个设备连接,选择型,DMA,控制器只增加了少量的硬件就达到为多个外围设备提供服务的目的,特别适合于,数据传输率很高,甚至接近于主存存取速度的设备,在高速传送完一个数据块后，控制器又可为其他设备提供服务,2024/10/1,38,2.,多路型,DMA,控制器,多路型,DMA,不仅在物理上,可以,连接多个外围设备,，而且,在逻辑上也允许,这些,外围设备同时工作,各个设备以,字节交叉,方式通过,DMA,控制器进行数据传送,多路型,DMA,控制器适合于同时为,多个慢速外围设备,提供服务,2024/10/1,39,多路型,DMA,控制器可以对多个独立的,DMA,通路进行控制,当某个外围设备请求,DMA,服务时，,操作过程,如下：,DMA,控制器接到设备发出的,DMA,请求，将请求转送到,CPU,CPU,在适当的时刻响应,DMA,请求,若,CPU,不需要占用总线则继续执行指令；,若,CPU,需要占用总线则进入等待状态,DMA,控制器接到,CPU,的响应信号后，进行以下工作：,对现有,DMA,请求中优先权最高的请求予以响应；,选择相应的地址寄存器的内容来驱动地址总线；,根据所选设备操作寄存器的内容，向总线发出读、写信号,外围设备向数据总线传送数据，或从数据总线接收数据；,每个字节传送完毕后，,DMA,控制器使相应的地址寄存器和长度寄存器加“,1”,或减“,1”,在一批数据传送过程中，要多次重复上述过程，直到外围设备表示一个数据块已传送完毕，或该设备的长度控制器判定传送长度已满,2024/10/1,40,7.4,通道方式,7.4.1,通道的功能,7.4.2,通道的工作过程,7.4.3,通道的类型,2024/10/1,41,7.4.1,通道的功能,DMA,方式解决了快速外设和主机成批交换信息的难题，简化了,CPU,对数据传送的控制，提高了主机与外设并行工作的程度，提高了系统的效率,但是，在,DMA,方式下，,CPU,仍然摆脱不了管理和控制外设的沉重负担，难以充分发挥高速运算的能力,通道方式将控制,I/O,操作和信息传送的功能从,CPU,中独立出来,，代替,CPU,管理和调度外设与主机的信息交换，从而进一步提高了,CPU,的效率,2024/10/1,42,通道是一个特殊功能的处理器，是计算机系统中,代替,CPU,管理控制外设,的独立部件,它有自己的指令和程序，专门负责数据输入输出的传输控制，而,CPU,在将“传输控制”功能下放给通道后只负责“数据处理”功能,这样，,通道与,CPU,分时使用主存，实现了,CPU,内部运算与,I/O,设备的并行工作,2024/10/1,43,通道方式具有以下,特点,：,具有两种类型的总线,一种是存储总线，承担通道与主存、,CPU,与主存之间的数据传输任务；,另一种是通道总线，即,I/O,总线，承担外围设备与通道之间的数据传送任务,这两类总线可以分别按照各自的时序同时工作,一条通道总线可以连接多个设备控制器，一个设备控制器可以连接多个设备,系统设有存储管理部件，是主存的控制部件,主要任务是根据事先确定的优先次序，决定下一周期由哪个部件使用存储总线来访问主存,2024/10/1,44,通道的,基本功能,执行通道指令,组织外围设备和主存进行数据传输,按,I/O,指令要求启动外围设备,向,CPU,报告中断等,CPU,通过执行,I/O,指令以及处理来自通道的中断，实现对通道的管理,来自通道的中断有两种，一种是数据传送结束中断，另一种是故障中断,通道使用通道指令控制设备控制器进行数据传送操作，并以通道状态字接收设备控制器反映的外围设备的状态,因此，设备控制器是通道对,I/O,设备实现传输控制的执行机构,2024/10/1,45,7.4.2,通道的工作过程,系统在进行一次通道操作之前，,CPU,要完成准备通道程序、安排数据缓冲区、给通道和外设发起命令等工作,在通道接到启动命令后，便到指定点取通道地址,指定点是系统设计好的，由通道硬件实现,通道根据指定点提供的主存地址，从主存中取出,CPU,为它准备的通道程序,在执行第一条通道程序之前，通道首先要选择外设，启动外设的设备号，看其是否有响应,总线上的外设都有自己的地址译码器，用于判断总线上的呼叫地址是否是本设备地址,2024/10/1,46,选择设备后，通道向外设接口发出命令，外设接口接到命令后返回状态码，通道便以条件码形式回答,CPU,，表示这次启动成功,于是,CPU,便可以转去执行其他程序，而通道程序则由通道独立完成,当通道与外设之间的信息交换完成后，通道向,CPU,发出中断信号，,CPU,根据通道状态字分析这次通道操作的执行情况,2024/10/1,47,7.4.3,通道的类型,根据通道的工作方式，通道分为字节多路通道、选择通道、数组多路通道三种类型,一个系统可以兼有多种类型的通道，也可以只有其中一、二种,1.,字节多路通道,2.,选择通道,3.,数组多路通道,2024/10/1,48,1.,字节多路通道,字节多路通道是一种简单的共享通道，主要用于,连接控制多台低速外设,，以,字节交叉,方式传送数据,例如，某个外设的数据传输率只有,1000B/s,，即传送,1,个字节的时间间隔是,1ms,，而通道从设备接收或发送一个字节只需要几百,ns,因此，通道在传送两个字节之间有很多空闲时间，字节多路通道正是利用这个空闲时间为其他设备提供服务,每个设备分时占用一个很短的,时间片,，不同的设备在各自分得的时间片内与通道建立连接，实现数据的传输,2024/10/1,49,2.,选择通道,选择通道又称高速通道，,在物理上,它可以,连接多个设备,，但是这些设备不能同时工作，,在某一个时间段内,通道,只能选择一个设备进行工作,选择通道在一段时间内只允许执行一个设备的通道程序，只有当这个设备的通道程序全部执行完毕后，才能执行其他设备的通道程序,2024/10/1,50,选择通道主要用于,连接高速外围设备,，如磁盘、磁带等，信息以,成组,方式高速传输,由于数据传输率很高，如达到,1.5MB/s,，通道在传送两个字节之间只有很少的空闲时间,所以，在数据传送期间只为一台设备服务是合理的,但是，这类设备的寻址等辅助操作的时间往往很长，在这样长的时间里通道一直处于等待状态，因此，整个通道的利用率还不是很高,2024/10/1,51,3.,数组多路通道,连接控制多个高速外设,并以,成组交叉,方式传送数据的通道称为数组多路通道,数组多路通道是对选择通道的一种改进,当某个设备进行,数据传送时,，通道只为该设备提供服务；,当设备在,执行寻址等控制性动作时,，通道暂时断开与该设备的连接，挂起该设备的通道程序，而转去为其他设备提供服务，即执行其他设备的通道程序,2024/10/1,52,对于磁盘一类的高速外设，采用数组多路通道，可在其中一个外设占用通道进行数据传送时，让其他外设进行寻址等辅助操作,使一个设备的数据传送操作与其他设备的寻址操作彼此重叠，实现成组交叉方式的数据传送,从而使通道具备多路并行工作的能力，充分发挥通道高速信息交换的效能,数组多路通道既保留了选择通道,高速传送数据,的优点，又充分,利用控制性操作的时间间隔为其他设备提供服务,通道的效率得到充分的发挥,因此，数组多路通道在实际系统中得到较多的应用,2024/10/1,53,字节多路通道和数组多路通道,相同,之处,都是多路通道,在一段时间内均能交替执行多个设备的通道程序，使这些设备同时工作,不同,之处,数组多路通道允许多个设备同时工作，但只允许一个设备进行传输型操作，其他设备进行控制型操作；,而字节多路通道不仅允许多个设备同时操作，而且也允许它们同时进行传输型操作,数组多路通道与设备之间进行数据传送的基本单位是,数据块,而字节多路通道与设备之间进行数据传送的基本单位则是,字节,2024/10/1,54,7.5,通用,I/O,接口,7.5.1 RS-232,接口,7.5.2 IDE,接口,7.5.3 SATA,接口,7.5.4 USB,接口,7.5.5 SCSI,接口,7.5.6 IEEE-1394,接口,2024/10/1,55,7.5.1 RS-232,接口,RS-232,接口是一种常用的,串行通信接口,是在,1970,年由美国电子工业协会（,EIA,）制定的串行通信标准,全名是“数据终端设备（,DTE,）和数据通信设备（,DCE,）之间串行二进制数据交换接口技术标准”,RS-232,接口用于在计算机与其外围设备或终端之间建立近距离的连接,由于这个接口在诸如信号功能、电器特性和机械特性上都进行了明确细致的规定，加上通信接口与设备制造厂商生产的通信设备均与,RS-232,兼容,因此，,RS-232,接口在计算机系统中成为一种用来实现与打印机、,CRT,终端、键盘、调制解调器等外围设备进行异步串行数据通信的标准硬件接口,2024/10/1,56,7.5.2 IDE,接口,IDE,接口是一种用于在,PC,机中,连接硬盘驱动器,的接口,其英文全称为“,Integrated Drive Electronics”,，即“电子集成驱动器”,其本意是指把“硬盘控制器”与“盘体”集成在一起的硬盘驱动器，代表着硬盘的一种类型,1. IDE,的系统结构,2. IDE,模式的发展,2024/10/1,57,1. IDE,的系统结构,IDE,接口硬盘的控制电路集成在硬盘上，与,IDE,驱动器通信所需的软件程序则存储在,PC,机主板的,BIOS,芯片中,IDE,接口用一个,40,针电缆连接硬盘与主板,电源由另外的电缆提供,2024/10/1,58,2. IDE,模式的发展,IDE,硬盘接口的数据传输模式经历了三次技术变化,由最初的,PIO,模式，到,DMA,模式，直到,UltraDMA,模式,1,）,PIO,模式,2,）,DMA,模式,3,）,UltraDMA,模式,2024/10/1,59,1,）,PIO,模式,PIO,（,ProgrammingInput/OutputModel,）模式是一种通过,CPU,执行,I/O,端口指令来进行数据读写的交换模式,数据传输速率低下，,CPU,占用率很高,大量传输数据时会因为占用过多的,CPU,资源而导致系统停顿,受限于传输速率低下和极高的,CPU,占用率，这种数据传输模式很快就被淘汰了,2024/10/1,60,2,）,DMA,模式,DMA,是一种不经过,CPU,而直接从主存存取数据的数据交换模式,CPU,只须向,DMA,控制器下达指令，让,DMA,控制器来处理数据的传送，数据传送完毕再把信息反馈给,CPU,在很大程度上,降低了,CPU,资源占用率,2024/10/1,61,3,）,UltraDMA,模式,UltraDMA,（,UltraDMA,，一般简写为,UDMA,）的含义是高级直接主存访问,在包含,DMA,模式优点的基础上，增加了,CRC,（,CyclicRedundancyCheck,，循环冗余码校验）技术，以提高数据传输过程的准确性、安全性,在以往的硬盘数据传输模式下，一个时钟周期只传输一次数据,而在,UDMA,模式中逐渐应用了,DoubleDataRate,（,双倍数据传输,）技术，因此数据传输速度有了很大的提高,此技术就是在时钟的上升期和下降期各进行一次数据传输，可以使数据传输速度成倍增长,IDE,接口最终被新一代的,SATA,接口所取代,2024/10/1,62,7.5.3 SATA,接口,1. SATA,的物理结构,2. SATA,的特点,2024/10/1,63,SATA,（,Serial ATA,，串行,ATA,）是一种,连接存储设备,（大多为硬盘）的,串行接口,，用于,取代,传统的,并行,ATA,接口,SATA,接口使用嵌入式时钟信号，具备了更强的纠错能力,最大的改进在于能对传输指令（不仅仅是数据）进行检查，并且在发现错误后可以自动矫正,这在很大程度上提高了数据传输的可靠性,SATA,接口还具有结构简单、支持热插拔等优点,2024/10/1,64,1. SATA,的物理结构,SATA,的物理设计以,Fibre Channel,（光纤通道）作为蓝本,采用四芯电缆,所需电压从传统,ATA,接口的,5V,大幅减低至,250mV,（最高,500mV,）,由此可以给,SATA,硬盘附加上热插拔（,Hot Swapping,）等高级功能,在连接形式上，除了传统的点对点（,Point-to-Point,）形式之外，,SATA,还支持星型连接,为,RAID,等高级应用提供了设计上的便利,2024/10/1,65,在实际使用中，,SATA,的主机总线适配器（,Host Bus Adapter,，,HBA,）可以以通道形式与每个硬盘单独通信,即,每个,SATA,硬盘都可独占一个传输通道,所以不存在像,ATA,那样的主,/,从控制问题,SATA,以连续串行的方式传送数据，一次只传送,1,位数据,能够减少,SATA,接口的针脚数目，使连接电缆数目变少，效率更高,SATA,仅用四个针脚就能完成所有工作,分别用于连接电缆、连接地线、发送数据和接收数据,这样的架构还能降低系统的复杂性和能耗,2024/10/1,66,2. SATA,的特点,在硬件方面，,SATA,标准允许使用转换器提供与,ATA,设备的兼容性,在软件方面，,SATA,和,ATA,保持了,软件兼容性,这意味着厂商不必为了使用,SATA,而重写任何驱动程序和系统代码,SATA,接线较传统的,ATA,接线简单得多，而且容易收放，能够明显改善机箱内的气流及散热,SATA,硬盘的扩充性很强，可以置于机箱之外,外置式机柜不但可以提供更好的散热及插拔功能，也可以用多重连接来防止单点故障,2024/10/1,67,由于,SATA,与光纤通道的设计如出一辙，所以其传输速度可以用独立通道的形式得到保证,这在服务器和网络存储上具有重要的意义,SATA 1.0,定义的数据传输率可达,150MB/s,，而,SATA 2.0,的数据传输率则达到,300MB/s,，最终,SATA,将实现,600MB/s,的最高数据传输率,2024/10/1,68,7.5.4 USB,接口,USB,（,Universal Serial Bus,，通用串行总线）接口是由,Compaq,、,DEC,、,IBM,、,Intel,、,Microsoft,、,NEC,等公司为简化,PC,与外设之间的互连而共同研究开发的一种标准化接口,支持各种,PC,与外设之间的连接,还可实现数字多媒体集成,USB,接口的主要特点是,即插即用，允许热插拔,USB,连接器将各种各样的外设,I/O,端口合而为一，使之可以热插拔，并具有自动配置能力,用户只要简单地将外设插入到,USB,连接器上，,PC,机就能自动识别和配置,USB,设备,2024/10/1,69,近年来，,USB,总线标准由,1.1,版升级到了,2.0,版，传输率由,12Mbps,增加到了,480Mbps,，连接距离也由原来的,5,米增加到近百米,USB,设计者尽其所能地在,USB,接口上体现出未来计算机对接口的需求标准：,易用性、稳定性、兼容性、扩展性、完备性、网络性、低耗性,USB,总线结构简单，信号定义仅由,2,条电源线和,2,条信号线组成,2024/10/1,70,从硬件结构来说，,USB,系统采用级联星型拓扑，由三个基本部分组成：,主机（,Host,）,也称为根、根结点或根,Hub,，做在计算机主板上或作为适配卡安装在计算机上,主机包含有主控制器和根集线器（,RootHub,），控制,USB,总线上数据和控制信息的流动,每个,USB,系统只能有一个根集线器，它连接在主控制器上,集线器（,Hub,）,提供端口（,Port,），以便将设备连接到,USB,接口上,同时检测连接在总线上的设备，并为这些设备提供电源管理,负责总线的故障检测和恢复,2024/10/1,71,功能设备,通过端口与总线连接,USB,为计算机外设输入输出提供了新的接口标准,使设备具有,热插拔、即插即用、自动配置,的能力，使设备连接标准化,级联星型拓扑结构大大扩充了外设数量，使增加、使用外设更加便捷、快速,2024/10/1,72,7.5.5 SCSI,接口,SCSI,接口是小型计算机系统接口（,Small Computer System Interface,）的简称，是一种,并行,I/O,标准接口,设计思想来源于,IBM,大型机系统的,I/O,通道结构，目的是使,CPU,摆脱对各种设备的繁杂控制,是一个高速智能接口，可以,混接,各种磁盘、光盘、磁带机、打印机、扫描仪、条码阅读器以及通信设备,由,SCSI,控制器（又称为主机适配器）进行数据操作,具有应用范围广、多任务、带宽大、,CPU,占用率低、热插拔等优点,主要应用于中、高端服务器和高档工作站中,2024/10/1,73,SCSI,是一种不断前进的技术,为了提高数据传输率、改善接口的兼容性，,20,世纪,90,年代又陆续推出了,SCSI-2,和,SCSI-3,标准,串行,SCSI,也由并行,SCSI,接口演化而来，数据传输率最高可达到,600MB/s,2024/10/1,74,7.5.6 IEEE-1394,接口,IEEE-1394,是,IEEE,制定的一项具有视频数据传输速度的,串行,接口标准,支持外接设备热插拔,可为外设提供电源，省去了外设自带的电源,支持同步数据传输,IEEE-1394,接口的速度很快，而且相对于,SCSI,来讲又要小巧许多，所以逐渐被人们所接受，并日益普及,2024/10/1,75,与,SCSI,等并行接口相比，,IEEE-1394,串行接口具有三个显著特点：,数据传送的高速性,定义了三种传输速率：,100Mbps,、,200Mbps,和,400Mbps,这个速度完全可以用来传输未经压缩的动态画面信号,数据传送的实时性,保证多媒体数据的实时传送，避免出现图像和声音时断时续的现象,体积小易安装，连接方便,使用,6,针电缆，插座体积小,具有“热插拔”能力，即使在全速工作时也可以插入或拆除设备,2024/10/1,76,IEEE-1394,是一种高速串行,I/O,标准接口,各被连接装置的关系是平等的,不用,PC,介入也能自成系统,2024/10/1,77,