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一、外部存储器1.显示器的主要参数2.磁盘与RAID3.磁盘的性能指标 二、I/O接口1.接口的基本结构2.I/O端口编址 三、I/O控制方式1.程序查询方式(CPU与外设串行)2.程序中断方式(CPU与外设并行)3.DMA方式(纯硬件，CPU与外设并行)

一、外部存储器

  程序员通过逻辑地址访问设备。

1.显示器的主要参数

2.磁盘与RAID

  RAID（廉价冗余磁盘阵列）是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，具有更好的存储性能、可靠性和安全性。

  RAID分级如下所示：

RAID0∶ 无冗余和无校验的磁盘阵列。RAID1∶ 镜像磁盘阵列。RAID2∶采用纠错的海明码的磁盘阵列。RAID3∶ 位交叉奇偶校验的磁盘阵列。RAID4∶块交叉奇偶校验的磁盘阵列。RAID5∶无独立校验的奇偶校验磁盘阵列。

  RAID0 把连续多个数据块交替地存放在不同物理磁盘的扇区中，几个磁盘交叉并行读写，不仅扩大了存储容量，而且提高了磁盘数据存取速度，但 RAID0 没有容错能力。   RAID1是为了提高可靠性，使两个磁盘同时进行读写，互为备份，如果一个磁盘出现故障，可从另一磁盘中读出数据。两个磁盘当一个磁盘使用，意味着容量减少一半。   总之，RAID 通过同时使用多个磁盘，提高了传输率;通过在多个磁盘上并行存取来大幅提高吞吐量;通过镜像功能，提高了安全可靠性;通过数据校验，提供容错能力。

3.磁盘的性能指标

平均存取时间。 平均存取时间由寻道时间（磁头移动到目的磁道的时间）、旋转延迟时间（磁头定位到要读写扇区的时间，取旋转一周时间的一半）和传输时间（传输数据所花费的时间）三部分构成。由于寻道和找扇区的距离远近不一，因此前两部分通常取平均值。数据传输率。 磁盘存储器在单位时间内向主机传送数据的字节数，称为数据传输率。假设磁盘转数为r转/秒，每条磁道容量为 N 字节，则数据传输率=r*N。

二、I/O接口

1.接口的基本结构

  在主机和接口一侧，数据总是并行传送的；而在接口和外设一侧，数据根据接口类型的不同可并行传输、串行传输。

2.I/O端口编址

  通常，CPU能对数据端口执行读写操作，但对状态端口只能执行读操作，对控制端口只能执行写操作。

三、I/O控制方式

1.程序查询方式(CPU与外设串行)

  CPU 一旦启动 I/O，必须停止现行程序的运行，并用测试指令不断检测设备状态，直到设备已做好准备，CPU 才能执行 I/O 指令进行数据传送，这就是程序查询方式。程序查询方式中 CPU 与 I/O 串行工作。

2.程序中断方式(CPU与外设并行)

(1)中断的分类

  根据中断源，分为外中断、内中断：

  注意，运算下溢可以当做机器零处理，不会引起中断。   软件中断属于内中断，硬件中断属于外中断。   非屏蔽中断、可屏蔽中断都是外中断。

中断判优：

  中断判优既可以用硬件实现，又可用软件实现。   一般来说，硬件故障中断属于最高级，其次是软件中断，非屏蔽中断优于可屏蔽中断，DMA 请求优于I/O设备传送的中断请求，高速设备优于低速设备，输入设备优于输出设备，实时设备优于普通设备等。硬件故障>访管>程序性>重启。

(2)中断处理过程

  CPU响应中断的时间是在每条指令执行阶段的结束时刻。这里说的中断仅指外中断，内中断不属于此类情况。

(3)多重中断

  若CPU在执行中断服务程序的过程中，又出现了新的更高优先级的中断请求，而CPU对新的中断请求不予响应，则这种中断称为单重中断。若CPU暂停现行的中断服务程序，转去处理新的中断请求，则这种中断称为多重中断，又称中断嵌套。

CPU要具备多重中断的功能，必须满足下列条件∶

  ①在中断服务程序中提前设置开中断指令。   ②优先级别高的中断源有权中断优先级别低的中断源。

(4)中断向量

  不同的设备有不同的中断服务程序，每个中断服务程序都有一个入口地址，CPU必须找到这个入口地址，即中断向量，把系统中的全部中断向量集中存放到存储器的某个区域内，这个存放中断向量的存储区就称为中断向量表，即中断服务程序入口地址表。这是为了提高中断源的识别速度。   注意∶中断向量是中断服务程序的入口地址，中断向量地址是指中断服务程序的入口地址的地址。

3.DMA方式(纯硬件，CPU与外设并行)

DMA方式在外设与内存之间开辟一条"直接数据通道"，信息传送不再经过CPU，降低了CPU在传送数据时的开销，因此称为直接存储器存取方式。由于数据传送不经过CPU，也就不需要保护、恢复CPU现场等烦琐操作。总之，能产生DMA请求的一定是具有DMA接口的部件。一个完整的DMA过程也会有CPU介入，但比较少。这种方式适用于磁盘机、磁带机等高速设备大批量数据的传送，它的硬件开销比较大。在DMA 方式中，也会用到中断，但中断的作用仅限于故障和正常传送结束时的处理。

  DMA方式具有下列特点∶

①DMA在传送开始前要通过程序进行预处理，结束后要通过中断方式进行后处理。②DMA请求由外部设备发出，传送期间总线控制权由DMA控制器掌握。③在DMA传送过程中，DMA控制器将接管CPU的地址总线、数据总线和控制总线，CPU的主存控制信号被禁止使用；当DMA传送结束后，将恢复CPU的一切权利并开始执行其操作。由此可见，DMA控制器必须具有控制系统总线的能力。

(1)DMA的传送方式

停止CPU访问主存：CPU放弃控制线、地址线、数据线的使用权，把控制权交给DMA控制器。DMA与CPU交替访存：这种方式适用于CPU的工作周期比主存存取周期长的情况，把CPU工作周期分一部分给DMA控制器。周期挪用：DMA请求权限时，若CPU正在访存，等待CPU访存完；若CPU不在访存，DMA获得权限；若I/O和CPU同时发起请求，CPU暂时放弃权限，由DMA挪用一个或几个存取周期。

(2)DMA的传送过程

预处理：由CPU完成一些必要的准备工作。数据传送：可以以字节/字/数据块为基本单位。后处理：DMA控制器向CPU发送中断请求，CPU执行中断服务程序做DMA 结束处理。数据从内存传送到外设经过的路径是：内存——>数据总线——>DMAC(DMA控制中)——>外设

(3)DMA方式和中断方式的区别

①中断方式是程序的切换，需要保护和恢复现场；而DMA方式除了预处理和后处理，其他时候不占用CPU的任何资源。②对中断请求的响应只能发生在每条指令执行完毕时（即指令的执行周期后）;而对 DMA请求的响应可以发生在每个存储周期结束时（在取指周期、间址周期、执行周期后均可），只要CPU不占用总线就可被响应。③中断传送过程需要CPU的干预；而DMA传送过程(但并不是整个DMA过程)不需要CPU的干预，因此数据传输率非常高，适合于高速外设的成组数据传送。④DMA请求的优先级高于中断请求。⑤中断方式具有对异常事件的处理能力，而DMA方式仅局限于传送数据块的I/O操作。⑥从数据传送来看，中断方式靠程序/软件传送，DMA方式靠硬件传送。⑦中断方式的特点是：CPU与外设并行工作，传送与主程序串行工作。DMA的特点是：CPU与外设、传送与主程序都并行工作。