南航计算机组成原理课件8

### 南航计算机组成原理课件8：互连及输入输出组织 #### I/O系统概述 I/O系统作为计算机系统的重要组成部分，承担着内外部数据交互的关键职责。它不仅涉及硬件层面的设计，还包含了软件层面的支持，是实现计算机与外界沟通的桥梁。 #### I/O系统的功能及性能 I/O系统的功能主要包括解决各种形式信息的输入和输出问题。这涉及到如何让用户将所需的信息（如文字、图表、声音、视频等）通过不同的外部设备输入到计算机中，以及如何将计算机内部处理的结果信息通过相应的外部设备输出给用户。 I/O系统的性能通常由两个主要指标衡量： 1. **吞吐率**（Throughput / I/O bandwidth）：指单位时间内从系统输入/输出的数据量。例如，在多媒体应用中，为了保证音/视频播放的流畅性，就需要较高的吞吐率。 2. **响应时间**（Response time / Latency）：指完成一个请求所需的时间。对于事务处理系统（如银行存取款系统），快速响应是非常关键的。 不同的应用场景对I/O系统有着不同的需求。例如，多媒体应用更侧重于吞吐率，而事务处理系统则更加重视响应时间。同时，文件服务器、Web服务器等场景则要求既要有高的吞吐率又要尽可能短的响应时间。 #### OS在I/O系统中的角色 操作系统在I/O系统中扮演着核心的角色，它负责管理所有的I/O操作，包括但不限于： - 调度I/O请求，确保资源的有效分配。 - 提供API供应用程序调用，以便执行I/O操作。 - 控制和管理外部设备，如磁盘、打印机等。 - 实现错误检测和恢复机制，确保数据的完整性。 #### I/O设备概述 I/O设备可以按照不同的标准进行分类： 1. **从交互方式上来分**：可分为人-机交互设备（如键盘、鼠标、扫描仪、打印机等）和机器可读设备（如网络接口卡、磁盘、声音输入设备等）。 2. **从功能行为来分**：可分为输入/输出设备（如键盘、鼠标、打印机等）和外部存储设备（如磁盘、磁带、光盘等）。 #### 常用外部设备 - **输入设备**：常见的有键盘、鼠标、扫描仪等。 - **输出设备**：如显示器、打印机、绘图仪等。 - **其他设备**：如终端设备（键盘+显示器）、外存储器（磁盘、磁带、光盘）等。 #### 外部设备的通用模型 外部设备通常遵循一个通用的模型，该模型包括几个关键组件： - **控制逻辑**：根据控制信息控制设备的操作，并检测设备状态。 - **缓冲器**：用于保存交换的数据信息。 - **变换器**：用于在电信号形式（内部数据）和其他形式的设备数据之间进行转换。 - **I/O接口**：通过电缆与计算机内部的I/O接口进行数据、状态和控制信息的传送。 - **设备数据**：实际由设备处理的数据。 #### 磁盘存储器 磁盘存储器是一种典型的外部存储设备，用于存储大量的数据。它的读写原理基于磁头与磁盘片的相互作用。磁盘片表面上划分成多个磁道和扇区，每个扇区可以存储一定量的数据。随着技术的发展，磁盘片的信息记录密度不断提高，这主要通过增加磁道数目和扇区数目来实现。 #### 冗余磁盘阵列(RAID) RAID（Redundant Array of Independent Disks）技术通过组合多个物理磁盘驱动器来形成一个逻辑驱动器组，旨在提高数据的可靠性和/或性能。RAID有不同的级别，每个级别都有其特定的配置和优点，例如： - **RAID 0**：提供最高的读写性能，但没有冗余。 - **RAID 1**：通过镜像提供数据冗余，牺牲了一部分存储空间。 - **RAID 5**：通过奇偶校验提供冗余，同时保持较好的读写性能。 #### 总结 通过对南航计算机组成原理课件8的学习，我们了解到I/O系统及其相关组件的基本概念和技术。这些知识不仅对计算机科学专业的学生非常重要，也是跨学科研究者和准备考研的同学必须掌握的基础内容之一。理解和掌握I/O系统的原理有助于更好地设计和优化计算机系统，满足不同应用场景的需求。