計算機系統概論之外存儲器和輸入輸出設備（軟考）

計算機系統概論之外存儲器和輸入輸出設備（軟考）

外存儲器

外存儲器：外存儲器用來存放暫時不用的程序和數據，外存上的信息以文件的形式存儲。CPU不能直接訪問外存的數據，只有將其以文件爲單位調入主存方可訪問，外存儲器由電磁表面存儲器（如磁盤、磁帶）及光盤存儲器構成。

一，外存儲器的分類

（1）磁盤存儲器
在磁表面存儲器中，磁盤的存取速度較快，且具有較大的存儲容量，是目前廣泛使用的外存儲器。

①磁盤存儲器：由盤片、驅動器、控制器和接口構成。盤片用來存儲信息。驅動器用於驅動磁頭沿盤面作徑向運動以尋找目標磁道位置，驅動盤片以額定速率穩定旋轉，並實現控制數據的寫入和讀出。控制器接受主機發來的命令，將它轉換成磁盤驅動器的控制命令，並實現主機和驅動器之間數據格式的轉換及數據傳送，以控制驅動器的讀/寫操作。一個控制器可以控制多臺驅動器。接口是主機和磁盤存儲器之間的連接部件。
②硬盤：硬盤中可記錄信息的磁介質表面叫做記錄面。每一個記錄面上都分佈着若干同心的閉合圓環，稱爲磁道。數據就記錄在磁道上。使用時要對磁道進行編號，按照半徑遞減的次序從外到裏編號，最外一圈爲0道，往內道號依次增加。最內圈的位密度稱爲最大位密度。爲了方便記錄信息，磁盤上的每個磁道又分爲若干段，每一段稱爲一個扇區。例如每個磁道分爲16段、32段等。

磁盤結構圖

硬磁盤的主要技術指標如下

●道密度：爲了減少干擾，磁道之間要保持一定的間隔，沿磁盤半徑方向**，單位長度內磁道的數目稱爲道密度**。常用的道密度單位是：道/毫米，或道/英寸。

●位密度**：位密度是指在磁道圓周上單位長度內存儲的二進制位的個數**。常用的位密度單位是：b/mm，或b/in。爲了簡化電路設計，規定每個磁道上記錄的位數是相同的。由於磁盤中各個磁道的圓的周長不同，因此不同磁道上記錄的位密度是不一樣的，越靠近盤芯的磁道位密度就越高**，並用最內圈磁道的位密度來定義磁盤的位密度。**

●存儲容量：是指整個磁盤所能存儲的二進制位信息的總量。磁盤的容量有非格式化容量和格式化容量之分。一般情況下磁盤容量是指格式化容量。

●平均存取時間：是指從發出讀寫命令開始，磁頭從某一位置移動到指定位置並開始讀寫數據所需時間。它包括尋道時間和等待時間，是兩者之和。
●尋道時間（seek time）：是指磁頭移動到目標磁道（或柱面）所需要的時間，由驅動器的性能決定，是個常數，由廠家給出。

●等待時間（rotational latency）：等待時間是指等待讀寫的扇區旋轉到磁頭下方所用的時間，一般選用磁道旋轉一週所用時間的一半作爲平均等待時間。可見，提高磁盤轉速可縮短這個時間。

存取時間=尋道時間+等待時間

●數據傳輸率：是指磁頭找到數據的地址後，單位時間內寫入或讀出的字節數。
數據傳輸率=每個扇區的字節數×每道扇區數×磁盤的轉速

（2）光盤存儲器

是一種採用聚焦激光束在盤式介質上非接觸地記錄高密度信息地存儲裝置。

①光盤存儲器的類型。根據性能和用途可分爲只讀型光盤（CD-ROM）、只寫一次型光盤（WORM）和可擦除型光盤。只讀型光盤上的信息由生產廠家預先用激光在盤片上蝕刻，用戶不能改寫。只寫一次型光盤是指由用戶一次寫入、可多次讀出但不能擦除的光盤。寫入方是利用聚焦激光束的熱能，使光盤表面發生永久性變化而實現的。可擦除型光盤是讀／寫型光盤，它利用激光照射引起介質的可逆性物理變化來記錄信息。

②光盤存儲器的組成及特點。光盤存儲器由光學、電學和機械部件等組成。其特點是記錄密度高；存儲容量大；採用非接觸式讀／寫信息（光頭距離光盤通常爲２ｍｍ）；信息可長期保存（其壽命達１０年以上）；採用多通道記錄時數據傳送率可超過２００Ｍｂ／ｓ；製造成本低；對機械機構的精度要求不高；存取時間較長。

③光盤存儲器與磁盤存儲器的比較如下：
●光盤是非接觸式讀寫信息，比磁盤的盤頭間距大１萬倍左右，所以光盤的耐用性高，使用壽命長。

●光盤可靠性高，對使用環境要求不高，機械振動上的問題較少，不需要特殊的防震與除塵設備。
●光盤的記錄密度爲磁盤的１０～１００倍，但讀取時間比磁盤慢，其讀寫速度只有磁盤的幾分之一。
●光盤易於更換，可做成自動換盤裝置。

（３）USB移動硬盤和USB閃存盤

USB移動硬盤的容量大，支持熱插拔，即插即用，可像使用本地硬盤一樣存取文件。當工作完成後，停止設備，拔下數據線即可。USB移動硬盤通常由一塊２.５英寸的筆記本硬盤或普通３.５英寸硬盤與相應大小的硬盤盒組成。硬盤盒的作用是將硬盤的數據接口標準（通常是IDE接口）轉換爲USB接口標準。USB移動硬盤的容量等於其內部硬盤的容量，傳輸速率則採用的USB接口標準相關。
USB閃存盤又稱爲優盤，是使用閃存（Flash　MEmory）作爲存儲介質的一種半導體存儲設備，採用USB接口標準。閃存盤具備比軟盤容量更大、速度更快、體積更小、壽命更長等優點，而且容量不斷地增加、價格不斷下降。根據不同的使用要求，優盤還具有基本型、加密型和啓動型等，在移動存儲領域已經取代了軟盤。

輸入／輸出技術

輸入／輸出（Input／Output，I/O）系統是計算機與外界進行數據交換的通道。主機和I/O設備間不是簡單地用系統總線連接起來就可以，還需要進行控制。隨着計算機技術的發展，I／O設備的種類越來越多，其控制方式各不相同，很難做到由CPU來統一控制和管理，各設備的數據格式和傳輸率差異較大，所以需要一個I／O系統負責協調和控制CUP、存儲器和各種外部設備之間的數據通信。

１、接口的功能及分類

（１）接口

廣義上講，接口是指兩個相對獨立子系統之間的相連部分，也常被稱爲界面。由於主機與各種I／O設備的相對獨立性，它們一般是無法直接相連的，必須經過一個轉換機構。用於連接主機與I/O設備的這個轉換機構就是I/O接口電路，簡稱爲I/O接口。

​ 主機、I／O接口、I/O設備之間的關係圖

Ｉ／Ｏ接口並非僅僅完成設備間物理上的連接，一般來說它還應具有下述主要功能。

①地址譯碼功能：由於一個計算機系統中連接有多個I／O設備，相應的接口也有多個，爲了能夠進行區別和選擇，必須給它們分配不同的地址碼，這與存儲器中對存儲單元編址的道理是一樣的。
②在主機與I／O設備間交換數據、控制命令及狀態信息等。
③支持主機採用程序查詢、中斷和DMA等訪問方式。
④提供主機和I/O設備所需的緩衝、暫存、驅動能力，滿足一定的負載要求和時序要求。
⑤進行數據的類型、格式等方面的轉換。

（２）接口的分類
①按數據傳送的格式可分爲並行接口和串行接口。

並行接口採用並行傳送方式，即一次把一個字節（或一個字）的所有位同時輸入或輸出，同時（並行）傳送若干位。並行接口一般指主機與I／O設備之間、接口與I／O設備之間均以並行方式傳送數據。
串行接口採用串行傳送方式，數據的所有位按順序逐位輸入或輸出。一般情況下，接口與I/O設備之間採用串行傳送方式，而串行接口與主機之間則採用並行方式。
一般來說，並行接口適用於傳輸距離較近、速度相對較高的場合，接口電路相對簡單；串行接口則適用於傳輸距離較遠、速度相對較低的場合。

②按主機訪問I/O設備的控制方式，可分爲程序查詢接口、中斷接口、DMA接口、以及更復雜一些的通道控制器、I/O處理機等。

③按時序控制方式可分爲同步接口和異步接口。

一個完整的I/O接口不僅包括一些硬件電路，也可能包括相關的軟件驅動程序模塊。這些軟件模塊有的放在接口的ROM中，有的放在主機系統上的ROM中， 也有的存儲在外存中，需要時再裝入內存執行。

3、I/O接口的編址方式
儘管在微型計算機中存在着許多內存與接口地址的編址方法，但最常見的還是以下兩種方式。
（1）與內存單元統一編址。將I/O接口中有關的寄存器或存儲部件看作存儲器單元，與主存中的存儲單元統一編址。這樣，內存地址和接口地址統一在一個公共的地址空間裏，對I/O接口的訪問就如同對主存單元的訪問一樣。
這種編址方法的優點是原則上用於內存的指令全都可以用於接口，這就增強了對接口的操作功能，也無須設置專門的I/O操作指令。其缺點是地址空間被分爲兩部分，其中一部分分配給接口使用，剩餘的爲內存所用，會導致內存地址不連續。另外，由於對內存操作的指令和對接口操作的指令不加區分，讀程序時就需根據參數定義表仔細加以辨認，才能區分指令是對內存操作還是對接口操作。

（2）I/O接口單獨編址。通過設置單獨的I/O地址空間，爲接口中的有關寄存器或存儲部件分配地址碼，需要設置專門的I/O指令進行訪問。這種編址方式的優點是不佔用主存的地址空間，訪問主存的指令和訪問接口的指令不同，在程序中很容易使用和辨認。

4、CPU與外設之間交換數據的方式
（1）直接程序控制
直接程序控制方式的主要特點是CPU直接通過I/O指令對I/O接口進行訪問操作，主機與外設之間交換信息的每個步驟在程序中表示出來，整個的輸入/輸出過程是由CPU執行程序來完成的，具體實現時可分爲兩種方式：立即程序傳送方式和程序查詢方式。
①立即程序傳送方式：在這種方式下，I/O接口總是準備好接收來自主機的數據，成隨時準備向主機輸入數據，CPU無須查看接口的狀態，就執行輸入/輸出指令進行數據傳送。這種傳送方式又稱爲無條件傳送或同步傳送。

②程序查詢方式：在這種方式下，CPU通過程序查詢外設的狀態，判斷外設是否準備好接收數據或準備好了向CPU輸入的數據。
通常一個計算機系統中可以存在着多種不同的外設，如果這些外設是用查詢方式工作，則CPU應對這些外設逐一進行查詢，發現哪個外設準備就緒就對此外設服務。
程序查詢方式的優點是簡單且容易實現，缺點是降低了CPU的利用率，CPU的大量時間消耗在查詢外設的狀態上；對外部的突發時間無法做出實時響應。

（2）中斷方式
中斷是計算機系統的一個重要概念。
①中斷的定義。
在CPU執行程序的過程中，由於某一個外部的或CPU內部事件的發生，使CPU暫時中止正在執行的程序，轉去處理這一事件，當事件處理完畢後又回到原先被中止的程序，接着中止前的狀態繼續向下執行。這一過程就稱爲中斷。
引起中斷的事件就稱爲中斷源。若中斷是由CPU內部發生的事件引起的，這類中斷源就稱爲內部中斷源；若中斷時由CPU外部的事件引起的，則稱爲外部中斷源。

②中斷方式下的數據傳送。
當I/O接口準備好接收數據或準備好向CPU傳送數據時，就發出中斷信號通知CPU。對中斷信號進行確認後，CPU保存正在執行的程序的現場，轉而執行提前設置好的I/O中斷服務程序，完成一次數據傳送的處理。這樣，CPU就不需要主動查詢外設的狀態，在等待數據期間可以執行其他程序，從而提高了CPU的利用率。採用中斷方式管理I/O設備，CPU和外設可以並行地工作。
雖然中斷方式可以提高CPU地利用率，能處理隨機事件和實時任務，但一次中斷處理過程需要經歷保存現場、中斷處理和恢復現場等階段，需要執行若干條指令才能處理一次中斷事件。因此，這種方式無法滿足高速地批量數據傳送要求，所以引入DMA方式。

③直接存儲器存取方式
直接存儲器存取（Direct Memory Access，DMA　）方式地基本思想是通過硬件控制實現主存與I／O設備間地直接數據傳送，數據地傳送過程由DMA控制器（DMAC）進行控制，不需要CPU的干預。在DMA方式下，由CPU啓動傳送過程，即向設備發出“傳送一塊數據”的命令，在傳送過程結束時，DMAC通過中斷方式通知CPU進行一些後續處理工作。
DMA方式簡化了CPU對數據傳送的控制，提高了主機與外設並行工作的程度，實現了快速外設和主存之間成批的數據傳送，使系統的效率明顯提高。但DMA方式也有侷限性，由於DMA控制器只能控制簡單的數據傳送操作，因此對外設的管理和某些控制操作仍由CPU承擔，因此，在外設數量較多、輸入／輸出頻繁的大、中型機中，通常設置通道，使CPU擺脫管理和控制外設的沉重負擔。

④通道控制方式
通道是一種專用控制器，它通過執行通道程序進行I／O操作的管理，爲主機與I／O設備提供一種數據傳輸通道。用通道指令編制的程序存放在存儲器中，當需要進行I／O操作時，CPU只要按約定格式準備好命令和數據，然後啓動通道即可，通道則執行相應的通道程序，完成所要求的操作。用通道程序也可完成較複雜的I／O管理和預處理，從而在很大程度上將CPU從繁重的I／O管理工作中解脫出來，提高了系統的效率。
，當需要進行I／O操作時，CPU只要按約定格式準備好命令和數據，然後啓動通道即可，通道則執行相應的通道程序，完成所要求的操作。用通道程序也可完成較複雜的I／O管理和預處理，從而在很大程度上將CPU從繁重的I／O管理工作中解脫出來，提高了系統的效率。
隨着通道的進一步發展，其結構越來越複雜，功能逐漸變得通用，發展爲現在廣泛使用的輸入／輸出處理器（I／O　Processor，IOP），這裏步驟贅述。