计算机系统概论之外存储器和输入输出设备（软考）

计算机系统概论之外存储器和输入输出设备（软考）

外存储器

外存储器：外存储器用来存放暂时不用的程序和数据，外存上的信息以文件的形式存储。CPU不能直接访问外存的数据，只有将其以文件为单位调入主存方可访问，外存储器由电磁表面存储器（如磁盘、磁带）及光盘存储器构成。

一，外存储器的分类

（1）磁盘存储器
在磁表面存储器中，磁盘的存取速度较快，且具有较大的存储容量，是目前广泛使用的外存储器。

①磁盘存储器：由盘片、驱动器、控制器和接口构成。盘片用来存储信息。驱动器用于驱动磁头沿盘面作径向运动以寻找目标磁道位置，驱动盘片以额定速率稳定旋转，并实现控制数据的写入和读出。控制器接受主机发来的命令，将它转换成磁盘驱动器的控制命令，并实现主机和驱动器之间数据格式的转换及数据传送，以控制驱动器的读/写操作。一个控制器可以控制多台驱动器。接口是主机和磁盘存储器之间的连接部件。
②硬盘：硬盘中可记录信息的磁介质表面叫做记录面。每一个记录面上都分布着若干同心的闭合圆环，称为磁道。数据就记录在磁道上。使用时要对磁道进行编号，按照半径递减的次序从外到里编号，最外一圈为0道，往内道号依次增加。最内圈的位密度称为最大位密度。为了方便记录信息，磁盘上的每个磁道又分为若干段，每一段称为一个扇区。例如每个磁道分为16段、32段等。

磁盘结构图

硬磁盘的主要技术指标如下

●道密度：为了减少干扰，磁道之间要保持一定的间隔，沿磁盘半径方向**，单位长度内磁道的数目称为道密度**。常用的道密度单位是：道/毫米，或道/英寸。

●位密度**：位密度是指在磁道圆周上单位长度内存储的二进制位的个数**。常用的位密度单位是：b/mm，或b/in。为了简化电路设计，规定每个磁道上记录的位数是相同的。由于磁盘中各个磁道的圆的周长不同，因此不同磁道上记录的位密度是不一样的，越靠近盘芯的磁道位密度就越高**，并用最内圈磁道的位密度来定义磁盘的位密度。**

●存储容量：是指整个磁盘所能存储的二进制位信息的总量。磁盘的容量有非格式化容量和格式化容量之分。一般情况下磁盘容量是指格式化容量。

●平均存取时间：是指从发出读写命令开始，磁头从某一位置移动到指定位置并开始读写数据所需时间。它包括寻道时间和等待时间，是两者之和。
●寻道时间（seek time）：是指磁头移动到目标磁道（或柱面）所需要的时间，由驱动器的性能决定，是个常数，由厂家给出。

●等待时间（rotational latency）：等待时间是指等待读写的扇区旋转到磁头下方所用的时间，一般选用磁道旋转一周所用时间的一半作为平均等待时间。可见，提高磁盘转速可缩短这个时间。

存取时间=寻道时间+等待时间

●数据传输率：是指磁头找到数据的地址后，单位时间内写入或读出的字节数。
数据传输率=每个扇区的字节数×每道扇区数×磁盘的转速

（2）光盘存储器

是一种采用聚焦激光束在盘式介质上非接触地记录高密度信息地存储装置。

①光盘存储器的类型。根据性能和用途可分为只读型光盘（CD-ROM）、只写一次型光盘（WORM）和可擦除型光盘。只读型光盘上的信息由生产厂家预先用激光在盘片上蚀刻，用户不能改写。只写一次型光盘是指由用户一次写入、可多次读出但不能擦除的光盘。写入方是利用聚焦激光束的热能，使光盘表面发生永久性变化而实现的。可擦除型光盘是读／写型光盘，它利用激光照射引起介质的可逆性物理变化来记录信息。

②光盘存储器的组成及特点。光盘存储器由光学、电学和机械部件等组成。其特点是记录密度高；存储容量大；采用非接触式读／写信息（光头距离光盘通常为２ｍｍ）；信息可长期保存（其寿命达１０年以上）；采用多通道记录时数据传送率可超过２００Ｍｂ／ｓ；制造成本低；对机械机构的精度要求不高；存取时间较长。

③光盘存储器与磁盘存储器的比较如下：
●光盘是非接触式读写信息，比磁盘的盘头间距大１万倍左右，所以光盘的耐用性高，使用寿命长。

●光盘可靠性高，对使用环境要求不高，机械振动上的问题较少，不需要特殊的防震与除尘设备。
●光盘的记录密度为磁盘的１０～１００倍，但读取时间比磁盘慢，其读写速度只有磁盘的几分之一。
●光盘易于更换，可做成自动换盘装置。

（３）USB移动硬盘和USB闪存盘

USB移动硬盘的容量大，支持热插拔，即插即用，可像使用本地硬盘一样存取文件。当工作完成后，停止设备，拔下数据线即可。USB移动硬盘通常由一块２.５英寸的笔记本硬盘或普通３.５英寸硬盘与相应大小的硬盘盒组成。硬盘盒的作用是将硬盘的数据接口标准（通常是IDE接口）转换为USB接口标准。USB移动硬盘的容量等于其内部硬盘的容量，传输速率则采用的USB接口标准相关。
USB闪存盘又称为优盘，是使用闪存（Flash　MEmory）作为存储介质的一种半导体存储设备，采用USB接口标准。闪存盘具备比软盘容量更大、速度更快、体积更小、寿命更长等优点，而且容量不断地增加、价格不断下降。根据不同的使用要求，优盘还具有基本型、加密型和启动型等，在移动存储领域已经取代了软盘。

输入／输出技术

输入／输出（Input／Output，I/O）系统是计算机与外界进行数据交换的通道。主机和I/O设备间不是简单地用系统总线连接起来就可以，还需要进行控制。随着计算机技术的发展，I／O设备的种类越来越多，其控制方式各不相同，很难做到由CPU来统一控制和管理，各设备的数据格式和传输率差异较大，所以需要一个I／O系统负责协调和控制CUP、存储器和各种外部设备之间的数据通信。

１、接口的功能及分类

（１）接口

广义上讲，接口是指两个相对独立子系统之间的相连部分，也常被称为界面。由于主机与各种I／O设备的相对独立性，它们一般是无法直接相连的，必须经过一个转换机构。用于连接主机与I/O设备的这个转换机构就是I/O接口电路，简称为I/O接口。

​ 主机、I／O接口、I/O设备之间的关系图

Ｉ／Ｏ接口并非仅仅完成设备间物理上的连接，一般来说它还应具有下述主要功能。

①地址译码功能：由于一个计算机系统中连接有多个I／O设备，相应的接口也有多个，为了能够进行区别和选择，必须给它们分配不同的地址码，这与存储器中对存储单元编址的道理是一样的。
②在主机与I／O设备间交换数据、控制命令及状态信息等。
③支持主机采用程序查询、中断和DMA等访问方式。
④提供主机和I/O设备所需的缓冲、暂存、驱动能力，满足一定的负载要求和时序要求。
⑤进行数据的类型、格式等方面的转换。

（２）接口的分类
①按数据传送的格式可分为并行接口和串行接口。

并行接口采用并行传送方式，即一次把一个字节（或一个字）的所有位同时输入或输出，同时（并行）传送若干位。并行接口一般指主机与I／O设备之间、接口与I／O设备之间均以并行方式传送数据。
串行接口采用串行传送方式，数据的所有位按顺序逐位输入或输出。一般情况下，接口与I/O设备之间采用串行传送方式，而串行接口与主机之间则采用并行方式。
一般来说，并行接口适用于传输距离较近、速度相对较高的场合，接口电路相对简单；串行接口则适用于传输距离较远、速度相对较低的场合。

②按主机访问I/O设备的控制方式，可分为程序查询接口、中断接口、DMA接口、以及更复杂一些的通道控制器、I/O处理机等。

③按时序控制方式可分为同步接口和异步接口。

一个完整的I/O接口不仅包括一些硬件电路，也可能包括相关的软件驱动程序模块。这些软件模块有的放在接口的ROM中，有的放在主机系统上的ROM中， 也有的存储在外存中，需要时再装入内存执行。

3、I/O接口的编址方式
尽管在微型计算机中存在着许多内存与接口地址的编址方法，但最常见的还是以下两种方式。
（1）与内存单元统一编址。将I/O接口中有关的寄存器或存储部件看作存储器单元，与主存中的存储单元统一编址。这样，内存地址和接口地址统一在一个公共的地址空间里，对I/O接口的访问就如同对主存单元的访问一样。
这种编址方法的优点是原则上用于内存的指令全都可以用于接口，这就增强了对接口的操作功能，也无须设置专门的I/O操作指令。其缺点是地址空间被分为两部分，其中一部分分配给接口使用，剩余的为内存所用，会导致内存地址不连续。另外，由于对内存操作的指令和对接口操作的指令不加区分，读程序时就需根据参数定义表仔细加以辨认，才能区分指令是对内存操作还是对接口操作。

（2）I/O接口单独编址。通过设置单独的I/O地址空间，为接口中的有关寄存器或存储部件分配地址码，需要设置专门的I/O指令进行访问。这种编址方式的优点是不占用主存的地址空间，访问主存的指令和访问接口的指令不同，在程序中很容易使用和辨认。

4、CPU与外设之间交换数据的方式
（1）直接程序控制
直接程序控制方式的主要特点是CPU直接通过I/O指令对I/O接口进行访问操作，主机与外设之间交换信息的每个步骤在程序中表示出来，整个的输入/输出过程是由CPU执行程序来完成的，具体实现时可分为两种方式：立即程序传送方式和程序查询方式。
①立即程序传送方式：在这种方式下，I/O接口总是准备好接收来自主机的数据，成随时准备向主机输入数据，CPU无须查看接口的状态，就执行输入/输出指令进行数据传送。这种传送方式又称为无条件传送或同步传送。

②程序查询方式：在这种方式下，CPU通过程序查询外设的状态，判断外设是否准备好接收数据或准备好了向CPU输入的数据。
通常一个计算机系统中可以存在着多种不同的外设，如果这些外设是用查询方式工作，则CPU应对这些外设逐一进行查询，发现哪个外设准备就绪就对此外设服务。
程序查询方式的优点是简单且容易实现，缺点是降低了CPU的利用率，CPU的大量时间消耗在查询外设的状态上；对外部的突发时间无法做出实时响应。

（2）中断方式
中断是计算机系统的一个重要概念。
①中断的定义。
在CPU执行程序的过程中，由于某一个外部的或CPU内部事件的发生，使CPU暂时中止正在执行的程序，转去处理这一事件，当事件处理完毕后又回到原先被中止的程序，接着中止前的状态继续向下执行。这一过程就称为中断。
引起中断的事件就称为中断源。若中断是由CPU内部发生的事件引起的，这类中断源就称为内部中断源；若中断时由CPU外部的事件引起的，则称为外部中断源。

②中断方式下的数据传送。
当I/O接口准备好接收数据或准备好向CPU传送数据时，就发出中断信号通知CPU。对中断信号进行确认后，CPU保存正在执行的程序的现场，转而执行提前设置好的I/O中断服务程序，完成一次数据传送的处理。这样，CPU就不需要主动查询外设的状态，在等待数据期间可以执行其他程序，从而提高了CPU的利用率。采用中断方式管理I/O设备，CPU和外设可以并行地工作。
虽然中断方式可以提高CPU地利用率，能处理随机事件和实时任务，但一次中断处理过程需要经历保存现场、中断处理和恢复现场等阶段，需要执行若干条指令才能处理一次中断事件。因此，这种方式无法满足高速地批量数据传送要求，所以引入DMA方式。

③直接存储器存取方式
直接存储器存取（Direct Memory Access，DMA　）方式地基本思想是通过硬件控制实现主存与I／O设备间地直接数据传送，数据地传送过程由DMA控制器（DMAC）进行控制，不需要CPU的干预。在DMA方式下，由CPU启动传送过程，即向设备发出“传送一块数据”的命令，在传送过程结束时，DMAC通过中断方式通知CPU进行一些后续处理工作。
DMA方式简化了CPU对数据传送的控制，提高了主机与外设并行工作的程度，实现了快速外设和主存之间成批的数据传送，使系统的效率明显提高。但DMA方式也有局限性，由于DMA控制器只能控制简单的数据传送操作，因此对外设的管理和某些控制操作仍由CPU承担，因此，在外设数量较多、输入／输出频繁的大、中型机中，通常设置通道，使CPU摆脱管理和控制外设的沉重负担。

④通道控制方式
通道是一种专用控制器，它通过执行通道程序进行I／O操作的管理，为主机与I／O设备提供一种数据传输通道。用通道指令编制的程序存放在存储器中，当需要进行I／O操作时，CPU只要按约定格式准备好命令和数据，然后启动通道即可，通道则执行相应的通道程序，完成所要求的操作。用通道程序也可完成较复杂的I／O管理和预处理，从而在很大程度上将CPU从繁重的I／O管理工作中解脱出来，提高了系统的效率。
，当需要进行I／O操作时，CPU只要按约定格式准备好命令和数据，然后启动通道即可，通道则执行相应的通道程序，完成所要求的操作。用通道程序也可完成较复杂的I／O管理和预处理，从而在很大程度上将CPU从繁重的I／O管理工作中解脱出来，提高了系统的效率。
随着通道的进一步发展，其结构越来越复杂，功能逐渐变得通用，发展为现在广泛使用的输入／输出处理器（I／O　Processor，IOP），这里步骤赘述。