一、I/O设备与磁盘
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I/O系统性能指标：
- 吞吐率(I/O带宽): 单位时间内从系统输入/输出多少数据
- 响应时间: 在多长时间内完成请求的任务
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外设的通用模型（抽象模型）
- 通过电缆与计算机内部I/O接口进行数据、状态和控制信息的传送。电缆线中包括控制信号、状态信号和数据信号三种信号线。
- 控制逻辑根据计算机送出的控制信息控制设备的操作，并检测设备状态送往计算机。
- 缓冲器用于保存与计算机交换的数据信息。
- 变换器用于实现电信号形式（内部数据）与其他形式的设备数据之间的转换。
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磁盘上的数据定位（地址）
- 磁道号、磁头号(每个盘面都对应地有一个读/写磁头）、扇区号
- 磁盘数据的存取以块（扇区）为单位。
- 磁盘操作包括：寻道操作、旋转等待操作(找扇区)和读写操作。
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低密度与高密度磁盘
- 低密度磁盘：各个磁道上的扇区数相同，每个磁道存储的数据量相同，内磁道的位密度比外磁道高；
- 高密度磁盘：各个磁道上的位密度相同，各磁道存储的数据量不同，外磁道上的扇区数比内磁道多。高密度磁盘比低密度磁盘容量高很多。
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磁盘容量：
- 未格式化容量：磁盘总容量=记录面数×柱面数×内圆周长×位密度
- 格式化容量： 磁盘数据容量=2×盘片数×磁道数/面×扇区数/磁道×512/扇区
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硬盘的主要技术指标: 平均存取时间T
- 计算：T = 平均寻道时间 + 平均旋转等待时间 + 数据传输时间(一般忽略)
- 磁盘响应时间 = 排队延迟 + 控制器时间 + T
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冗余磁盘阵列RAID
- 基本思想:将多个独立操作的磁盘按某种方式组织成磁盘阵列(Disk Array)，以增加容量。
利用类似于主存中的多体交叉技术，将数据分散在多个磁盘上，通过这些盘并行工作来提高数据传输速度。用冗余磁盘技术来进行错误恢复以提高系统可靠性。 - 3个特性：
- RAID是一组物理磁盘驱动器，在操作系统下被视为一个高容量的单逻辑驱动器。
- 数据连续或交叉地分布在一组物理磁盘上，具有高数据传输率。
- 冗余磁盘用于存储校验信息，保证磁盘万一损坏时能恢复数据。
- RAID不同级别的含义：表示具有上述3个特性的不同设计结构。
- 基本思想:将多个独立操作的磁盘按某种方式组织成磁盘阵列(Disk Array)，以增加容量。
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固态硬盘SSD
- 采用NAND闪存芯片代替磁盘作为存储介质
- 比磁盘速度快很多
- 类似磁盘以区块写入和抹除的方式进行数据的读取和写入
- 其写操作比读操作慢很多
- 早期的SSD与主机的接口与磁盘兼容，现在的SSD采用了更快的PCI-E或M.2接口。
二、总线及系统互连、I/O接口
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总线
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定义：总线是指在各种层次上提供部件之间的连接和交换信息的通路
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分类：
- 芯片内总线： 在芯片内部各元件之间提供连接
- 系统总线： 在系统主要功能部件（CPU 、MM和各种I/O控制器）之间提供连接。一般包括处理器总线、存储总线、I/O总线。
- 通信总线：在主机和I/O设备之间或计算机系统之间提供连接
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基本概念：
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裁决：确定哪个设备使用总线（趋势：点对点，无需裁决）
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总线定时：定义总线事务中的每一步何时开始、何时结束。
分为同步(时钟信号)，异步（握手信号）（趋势），半同步。
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并行传输：一个方向同时传输多位数据信号，故位与位需同步，慢。
串行传输：一个方向只传输一位数据信号，无需在位之间同步，快。（趋势）
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性能指标
- 总线宽度：总线中数据线的条数，决定了每次能同时传输的信息位数。
- 总线工作频率：早期的总线通常一个时钟周期传送一次数据，工作频率等于总线时钟频率。现在有些总线一个时钟周期可以传送2次或4次数据，因此，工作频率是时钟频率的2倍或4倍。
- 总线带宽：总线的最大数据传输率
对于同步总线，总线带宽计算公式： B=W×F/N
W-总线宽度；F-总线时钟频率；N-完成一次数据传送所用时钟周期数。
F/N实际上就是总线工作频率 - 总线传送方式
非突发传送：每个总线事务都传送地址，一个地址对应一次数据传送。
突发传送：即成块数据传送。突发传送总线事务中，先传送一个地址，后传送多次数据，后续数据的地址默认为前面地址自动增量。
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处理器总线QPI，替代了FSB
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存储器总线
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I/O总线
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主流: PCI-Express（串行总线）
- 两个PCI-Express设备之间以一个链路（link）相连
- 每个链路包含多条通路（lane），可以是1,2,4,8,16
- PCI-Express×n表示一个具有n条通路的PCI-Express链路
- 每条通路有独立的发送和接收数据线，可同时发送和接受。
- 每个数据字节被转换为10位信息被传输
- PCI-Express1.0下，每条通路的发送和接受速率都是2.5Gb/s，故PCI-Express×n的带宽为：2.5Gb/s×2×n/10=0.5GB/s×n。
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I/O总线、接口、设备的关系
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I/O接口
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定义：I/O设备控制器及其插座（如网卡、显卡、键盘适配器、磁盘控制器）
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5大功能
- 数据缓冲：提供数据缓冲寄存器，以达到主机和外设工作速度的匹配。
- 错误或状态检测：提供状态寄存器，以保存各种错误或状态信息供CPU查用。
- 控制和定时：提供控制和定时逻辑，以接受从系统总线来的控制定时信号。
- 数据格式转换：提供数据格式转换部件，使通过外部接口得到的数据转换为内部接口需要的格式，或在相反的方向进行数据格式转换。
- 与主机和设备通信：上述功能通过I/O接口与主机之间、I/O接口与设备之间的通信来完成
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I/O接口的通用结构、几大寄存器的作用
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I/O端口
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定义：上图
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两种编址方式：
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统一编址方式（内存映射方式）
与主存空间统一编址，将主存空间分出一部分地址给I/O端口进行编号。（该方法是将I/O端口映射到某主存区域，故也称为“存储器映射方式”） 在这种方式下，系统使用访存指令就能够访问I/O端口。
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编址方式（专门的I/O指令方式）
不和主存单元一起编号，而是单独编号，使成为一个独立的I/O地址空间。在这种方式下，系统需设置专门I/O指令来访问I/O端口，因此也称为“特殊I/O指令方式”。
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三、I/O数据传送控制方式
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程序直接控制方式、程序中断方式和DMA方式的各自工作过程、特点。
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程序直接控制
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中断
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中断响应：
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指CPU发现外部中断请求后，中止现行程序的执行，到调出中断服务程序这一过程。
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条件：
①CPU处于开中断状态。
②至少要有一个未被屏蔽的中断请求。
③当前指令刚执行完。
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过程：
执行一条隐指令，来完成一次中断响应过程。具体来说，处理器做三件事：
① 关中断：0 => 中断允许触发器CIEN② 保护断点和程序状态：PC=>EPC或堆栈，PSWR =>EPSWR或 堆栈
③ 识别中断源：取得中断服务程序首地址和初始PSW，分别送PC和PSWR。包括向量中断、软件查询两种方式。
- 向量中断:从总线的数据线上取得中断类型号后得到中断服务程序首址
- 软件查询:直接转中断查询程序
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中断处理过程
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多重中断和中断处理优先权的动态分配
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多重中断：在一个中断处理（执行中断服务程序）过程中，若有新的中断请求发生，且新中断优先级高于正在执行的中断，则中止正在执行的中断服务程序，转去处理新的中断。这种情况为多重中断，也称中断嵌套。
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中断优先级：包含中断响应优先级和中断处理优先级
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中断响应优先级：由查询程序或硬联排队线路决定的优先权，反映多个中断同时请求时选择哪个响应。
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中断处理优先级：当某个中断正在被处理过程中，有别的中断源的请求发生了，这时就由各中断源的中断处理优先级决定如何响应。
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它由正在处理的中断的中断屏蔽字来设定，可以动态调整各中断源原来的中断优先级顺序（中断响应优先级），反映该中断与其它中断之间的处理顺序关系。经典例题：
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中断响应的时点与异常处理的时点是否相同？为什么？
在一条指令执行结束后开始查询有无中断请求，有的话立即响应，所以，一般在指令执行完时响应中断；“异常”发生在指令执行过程中，所以，不能等到指令执行完才进行异常处理。
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DMA
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基本要点
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DMA常用的三种方式：
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CPU停止法
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周期挪用法
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交替分时访问法
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DMA传输方式的逻辑结构
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DMA控制器
DMA数据传送过程由DMA接口的控制逻辑完成，所以DMA接口也称DMA控制器。其功能为：
- 请求。能接收外设发来的“DMA请求”信号，并能向CPU发“总线请求”信号。
- 响应。当CPU发回“总线响应”信号后，能接管对总线的控制。
- 发主存地址并修改。能在地址线上给出主存地址，并自动修改主存地址。
- 根据传送方向发相应的读写信号。按不同的传送方向，在控制线上给出正确的I/O和主存的读写控制信号。
- 确定传送数据个数。
- 能发出DMA结束信号。引起一次DMA中断，进行数据校验等一些后处理。
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DMA操作的三个步骤
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DMA I/O传送方式与中断I/O传输方式的差异比较。
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