计算机组成与系统结构00001.ppt

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1、计算机组成与系统结构,上海交通大学 网络教育学院 陈泽宇 博士 副教授,2019年4月30日星期二,2,第1章 计算机系统概论 第2章 运算方法和运算器 第3章 存储系统 第4章 指令系统 第5章 中央处理器（CPU） 第6章 总线系统 第7章 输入输出（I/O）系统 第8章 并行计算机系统,2019年4月30日星期二,3,第7章 输入输出（I/O）系统,7.1 输入输出控制方式 7.2 程序中断方式 7.3 DMA方式 7.4 通道方式 7.5 通用I/O接口,2019年4月30日星期二,4,输入输出设备从功能上可以分为两类 完成输入输出操作的设备 作为外部存储器的设备 外部存储器的访问需要

2、通过输入输出接口进行，因此也可以看作是一种输入输出设备 输入输出系统的功能 各种外围设备通过输入输出接口与计算机主机相连，完成主机分配的任务并进行信息交换 输入输出接口需要连接各种不同类型、不同工作速度和数据传输速度的外围设备，因此产生了各种不同的输入输出控制方式,2019年4月30日星期二,5,7.1 输入输出控制方式,1. 程序查询方式 2. 程序中断方式 3. DMA方式 4. 通道方式 5. 外围处理机方式,2019年4月30日星期二,6,CPU管理外围设备的输入输出控制方式 程序查询方式 程序中断方式 DMA方式 通道方式 外围处理机方式 前两种方式由软件实现 后三种方式由硬件实现,

3、2019年4月30日星期二,7,1. 程序查询方式,早期计算机中使用的一种方式 CPU与外围设备的数据交换完全依赖于计算机的程序控制 在进行信息交换之前， CPU要设置传输参数、传输长度等，然后启动外设工作 与此同时，外设则进行数据传输的准备工作 相对于CPU来说，外设的速度是比较低的，因此外设准备数据的时间往往是一个漫长的过程 而在这段时间里，CPU除了循环检测外设是否已准备好之外，不能处理其他业务，只能一直等待 直到外设完成数据准备工作，CPU才能开始进行信息交换,2019年4月30日星期二,8,优点 CPU的操作和外围设备的操作能够完全同步 硬件结构也比较简单 缺点 外围设备的动作通常很

4、慢，程序进行循环查询白白浪费了宝贵的CPU时间 数据传输效率低下 在当前的实际应用中，除了单片机之外，已经很少使用程序查询方式了,2019年4月30日星期二,9,2. 程序中断方式,中断是外围设备用来“主动”通知CPU，准备发送或接收数据的一种方式 通常，当一个中断发生时， CPU暂停其现行程序，转而执行中断处理程序，完成数据I/O工作 当中断处理完毕后，CPU又返回到原来的任务，并从暂停处继续执行程序 程序中断这种方式节省了CPU时间，是管理I/O操作的一个比较有效的方法 中断方式一般适用于随机出现的服务，并且一旦提出要求，应立即执行 与程序查询方式相比， 硬件结构相对复杂一些，服务成本较大

5、,2019年4月30日星期二,10,3. DMA方式,DMA方式就是直接存储器存取（Direct Memory Access）方式 是一种完全由硬件执行I/O交换的工作方式 在该方式中， DMA控制器从CPU完全接管对总线的控制权 数据交换不经过CPU而直接在主存和外围设备之间进行，以便高速传送数据 主要优点 数据传送速度很高 传送速率仅受限于主存的访问时间 与程序中断方式相比， 需要更多的硬件 适用于主存和高速外围设备之间大批量数据交换的场合,2019年4月30日星期二,11,4. 通道方式,DMA方式的出现减轻了CPU对I/O操作的控制，使得CPU的效率显著提高，而通道的出现则进一步提高了

6、CPU的效率 通道是一个具有特殊功能的处理器，又称为输入输出处理器（IOP） 分担了CPU的一部分功能 可以实现对外围设备的统一管理 完成外围设备与主存之间的数据传送 通道方式大大提高了CPU的工作效率 然而这种效率的提高是以增加更多的硬件为代价的,2019年4月30日星期二,12,5. 外围处理机方式,外围处理机（Peripheral Processor Unit，PPU）方式是通道方式的进一步发展 PPU基本上独立于主机工作 结构更接近于一般的处理机，甚至就是微小型计算机 在一些系统中， 设置了多台PPU，分别承担I/O控制、通信、维护诊断等任务 从某种意义上说，这种系统已经变成了分布式多

7、机系统,2019年4月30日星期二,13,计算机外围设备的输入/输出方式 CAI演示 程序查询方式和程序中断方式适用于数据传输率比较低的外围设备 DMA方式、通道方式和外围处理机方式适用于数据传输率比较高的外围设备,2019年4月30日星期二,14,7.2 程序中断方式,7.2.1 中断的基本概念 7.2.2 单级中断与多级中断 7.2.3 中断控制器,2019年4月30日星期二,15,7.2.1 中断的基本概念,程序查询方式要求CPU不断地用指令检测方法来获取外设工作状态，造成CPU的运行效率极低 20世纪50年代中后期中断概念的出现，是计算机系统结构设计中的一项重大变革 在程序中断方式中，

8、 某一外设的数据准备就绪后，它“主动”向CPU发出中断请求信号，请求CPU暂时中断目前正在执行的程序转而进行数据交换； 当CPU响应这个中断时，便暂停运行主程序，自动转去执行该设备的中断服务程序； 当中断服务程序执行完毕（数据交换结束）后，CPU又回到原来的主程序继续执行,2019年4月30日星期二,16,中断处理示意图 CPU只是在外围设备A、B、C的数据准备就绪后，才去执行对应的中断服务程序，进行数据交换； 而当低速的外围设备准备自己的数据时，CPU则照常执行自己的主程序 从这个意义上说，CPU和外设的一些操作是异步并行进行的 因而与串行进行的程序查询方式相比，计算机系统的效率的确是大大提

9、高了,2019年4月30日星期二,17,CPU只有在当前一条指令执行完毕后，即转入公操作时，才会受理外围设备的中断请求 保存现场操作 为了在中断服务程序执行完毕以后，能够正确地返回到原来主程序被中断的地方（断点）继续执行 把程序计数器PC的内容，以及当前指令执行结束后CPU的状态（包括寄存器的内容和一些状态标志位）都保存到堆栈中去 恢复现场操作 在中断服务程序执行完毕后，从堆栈中恢复PC内容和CPU状态，以便从断点处继续执行主程序,2019年4月30日星期二,18,中断处理过程是由硬件和软件结合来完成的 中断周期由硬件实现 中断服务程序由机器指令序列实现 计算机的中断过程类似于子程序调用，但在

10、本质上又有所区别 子程序的调用是事先安排好的，而中断则是随机产生的 子程序的执行往往与主程序有关，而中断服务程序则可能与主程序毫无关系 比如发生电源掉电等异常情况,2019年4月30日星期二,19,7.2.2 单级中断与多级中断,根据计算机系统对中断处理策略的不同，中断系统可以分为单级中断系统和多级中断系统 单级中断系统是中断结构中最基本的形式,2019年4月30日星期二,20,单级中断系统,所有的中断源都属于同一级，所有中断源触发器排成一行，其优先次序是离CPU越近优先级越高 当响应某一中断请求时，CPU执行该中断源的中断服务程序 在此过程中，中断服务程序不允许被其他中断源所打断，即使优先级

11、比它高的中断源也不例外 只有当该中断服务程序执行完毕之后，才能响应其他中断,2019年4月30日星期二,21,多级中断系统,计算机系统中的多个中断源，根据中断事件的轻重缓急程度不同而分成若干个级别，每一个中断级分配一个优先级 优先级高的中断级可以打断优先级低的 中断服务程序，以程序嵌套方式进行工作 中断嵌套 当一个中断服务程序正在执行时，一个 优先级比它更高的中断源发出中断请求 CPU暂停当前中断服务程序的执行，转 而执行优先级更高的中断服务程序 图中，CPU嵌套响应了系统中的两个中断服务程序。 多级中断的出现，扩大了系统中断功能，进一步加强了系统处理紧急事件的能力,2019年4月30日星期二

12、,22,为了能够及时处理最为紧迫的中断，必须判断多级中断中哪个中断的优先级更高 通常可采用以下两种处理方法： 1. 软件查询法 采用程序查询技术来确定发出中断请求的中断源及其中断优先级 最先查询的中断具有最高优先级，最后查询的中断则为最低优先级 因此，查询的先后顺序决定了中断优先级的高低 如果中断请求正好来源于最后查询的那个中断，那么就浪费了此前的大量查询时间 因此，软件查询的效率很低 2. 硬件处理法 为了提高处理效率，通常采用硬件处理方法 采用优先级排队电路或专用中断控制器等硬件电路来管理中断,2019年4月30日星期二,23,7.2.3 中断控制器,中断控制器是一块专用的集成电路芯片 将

13、中断接口与优先级判断等功能集于一身 中断控制器 在80x86的早期系统中，采用一片8259A芯片作为中断控制器 到了80386系统中，则采用可编程中断控制器PIC（Programmable Interrupt Controller）， 也就是两块8259A芯片的级联 在Pentium以及后来的CPU中，集成了高级可编程中断控制器APIC（Advanced Programmable Interrupt Controller） 可用于多处理器,2019年4月30日星期二,24,7.3 DMA方式,7.3.1 DMA基本概念 7.3.2 基本的DMA控制器 7.3.3 选择型和多路型DMA控制器,2

14、019年4月30日星期二,25,7.3.1 DMA基本概念,DMA方式是一种完全由硬件执行I/O交换的工作方式 DMA控制器从CPU完全接管对总线的控制 数据交换不经过CPU，而直接在主存和I/O设备之间进行 DMA控制器向主存发出地址和控制信号 修改主存地址，对传送的字的个数进行计数，并且以中断方式向CPU报告传送操作的结束 DMA方式控制简单，适用于高数据传输率设备进行成组传送,2019年4月30日星期二,26,DMA方式的优点 速度快 由于CPU不参加传送操作，因此省去了CPU取指令、取数、送数等操作，也没有保存现场、恢复现场之类的工作 主存地址的修改、传送字个数的计数等不由软件实现，而

15、是用硬件线路直接实现 所以，DMA方式能够满足高速I/O设备的要求，也有利于CPU效率的发挥 一般用于高速传送成组数据,2019年4月30日星期二,27,DMA方式的工作过程 首先，当要求通过DMA方式传输数据时，DMA控制器向CPU发出请求，CPU释放总线控制权，交由DMA控制器管理 然后，DMA控制器向外设返回一个应答信号，外设与主存开始进行数据交换 最后，当数据传输完毕后，DMA控制器把总线控制权交还给CPU,2019年4月30日星期二,28,在这种方式下，DMA控制器与CPU分时使用总线 时间图 在DMA方式中， 批量数据传送前的准备工作，以及传送结束后的处理工作，仍由CPU通过执行管

16、理程序来承担 DMA控制器只负责具体的数据传送工作,2019年4月30日星期二,29,7.3.2 基本的DMA控制器,1. DMA控制器的基本组成 2. DMA数据传送过程,2019年4月30日星期二,30,1. DMA控制器的基本组成,一个DMA控制器，实际上是采用DMA方式的外围设备与系统总线之间的接口电路 在中断接口的基础上加上DMA机构而组成的 包括以下逻辑部件： 1）主存地址计数器 2）字计数器 3）数据缓冲寄存器 4）“DMA请求”标志 5）“控制/状态”逻辑 6）中断机构,2019年4月30日星期二,31,2. DMA数据传送过程,一次DMA数据块传送过程可分为三个阶段 CAI演

17、示 传送前预处理 正式传送 传送后处理,2019年4月30日星期二,32,1）预处理阶段,CPU执行几条输入输出指令 测试设备状态 向DMA控制器的设备地址寄存器中送入设备号并启动设备 向主存地址计数器中送入起始地址 向字计数器中送入交换数据字个数 在这些工作完成后，CPU继续执行原来的主程序 当外设准备好发送数据（输入）或接收数据（输出）时， 它发出DMA请求，由DMA控制器向CPU发出总线使用权请求,2019年4月30日星期二,33,2）正式传送阶段,当外围设备发出DMA请求时， CPU在本机器周期执行结束后响应该请求，并使CPU的总线驱动器处于第三态（高阻状态） 之后， CPU与系统总线

18、相脱离，而DMA控制器则接管数据总线与地址总线的控制，并向主存提供地址 于是在主存与外围设备之间进行数据交换 每交换一个字，地址计数器和字计数器加“1” 当字计数器溢出时，DMA操作结束，DMA控制器向CPU发出中断报告,2019年4月30日星期二,34,DMA数据传送是以数据块为基本单位进行的 每次DMA控制器占用总线后，无论是数据输入操作，还是输出操作，都是通过循环来实现的 当进行输入操作时，外围设备的数据（一次一个字或一个字节）传向主存 当进行输出操作时，主存的数据传向外围设备,2019年4月30日星期二,35,3）后处理阶段,一旦DMA的中断请求得到响应，CPU停止主程序的执行，转去执

19、行中断服务程序，完成DMA结束处理工作 包括校验送入主存的数据是否正确，决定继续DMA传送还是结束，测试传送过程中是否发生错误等等 基本DMA控制器与系统的连接方式有两种 一种是公用的DMA请求方式 另一种是独立的DMA请求方式,2019年4月30日星期二,36,7.3.3 选择型和多路型DMA控制器,简单的DMA控制器，一个控制器只控制一个I/O设备 在实际应用中情况要复杂得多 因此通常采用选择型DMA控制器和多路型DMA控制器 1. 选择型DMA控制器 2. 多路型DMA控制器,2019年4月30日星期二,37,1. 选择型DMA控制器,选择型DMA控制器在物理上可以连接多个设备，而在逻辑

20、上只允许连接一个设备 换句话说，在某一个时间段内只能为一个设备提供服务 选择型DMA控制器工作原理 数据传送以数据块为单位进行 在每个数据块传送之前的预置阶段，除了用程序中的I/O指令给出数据块的传送个数、起始地址、操作命令外，还要给出所选择的设备号 从预置开始，一直到这个数据块传送结束，DMA控制器只为所选的设备提供服务 下一次预置时再根据I/O指令指出的设备号，为所选择的另一设备提供服务,2019年4月30日星期二,38,选择型DMA控制器相当于一个逻辑开关 根据I/O指令来控制此开关与某个设备连接 选择型DMA控制器只增加了少量的硬件就达到为多个外围设备提供服务的目的 特别适合于数据传输

21、率很高甚至接近于主存存取速度的设备 在高速传送完一个数据块后，控制器又可为其他设备提供服务,2019年4月30日星期二,39,2. 多路型DMA控制器,多路型DMA不仅在物理上可以连接多个外围设备，而且在逻辑上也允许这些外围设备同时工作 各个设备以字节交叉方式通过DMA控制器进行数据传送 多路型DMA控制器适合于同时为多个慢速外围设备提供服务,2019年4月30日星期二,40,多路型DMA控制器可以对多个独立的DMA通路进行控制 当某个外围设备请求DMA服务时，操作过程如下： DMA控制器接到设备发出的DMA请求，将请求转送到CPU CPU在适当的时刻响应DMA请求 若CPU不需要占用总线则继

22、续执行指令； 若CPU需要占用总线则进入等待状态 DMA控制器接到CPU的响应信号后，进行以下工作： 对现有DMA请求中优先权最高的请求予以响应； 选择相应的地址寄存器的内容来驱动地址总线； 根据所选设备操作寄存器的内容，向总线发出读、写信号 外围设备向数据总线传送数据，或从数据总线接收数据； 每个字节传送完毕后，DMA控制器使相应的地址寄存器和长度寄存器加“1”或减“1” 在一批数据传送过程中，要多次重复上述过程，直到外围设备表示一个数据块已传送完毕，或该设备的长度控制器判定传送长度已满,2019年4月30日星期二,41,7.4 通道方式,7.4.1 通道的功能 7.4.2 通道的工作过程

23、7.4.3 通道的类型,2019年4月30日星期二,42,7.4.1 通道的功能,DMA方式解决了快速外设和主机成批交换信息的难题，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，提高了系统的效率 但是，在DMA方式下，CPU仍然摆脱不了管理和控制外设的沉重负担，难以充分发挥高速运算的能力 通道方式将控制I/O操作和信息传送的功能从CPU中独立出来，代替CPU管理和调度外设与主机的信息交换，从而进一步提高了CPU的效率,2019年4月30日星期二,43,通道是一个特殊功能的处理器，是计算机系统中代替CPU管理控制外设的独立部件 它有自己的指令和程序，专门负责数据输入输出的传输控制

24、，而CPU在将“传输控制”功能下放给通道后只负责“数据处理”功能 这样，通道与CPU分时使用主存，实现了CPU内部运算与I/O设备的并行工作,2019年4月30日星期二,44,通道方式具有以下特点： 具有两种类型的总线 一种是存储总线，承担通道与主存、CPU与主存之间的数据传输任务； 另一种是通道总线，即I/O总线，承担外围设备与通道之间的数据传送任务 这两类总线可以分别按照各自的时序同时工作 一条通道总线可以连接多个设备控制器，一个设备控制器可以连接多个设备 系统设有存储管理部件，是主存的控制部件 主要任务是根据事先确定的优先次序，决定下一周期由哪个部件使用存储总线来访问主存,2019年4月

25、30日星期二,45,通道的基本功能 执行通道指令 组织外围设备和主存进行数据传输 按I/O指令要求启动外围设备 向CPU报告中断等 CPU通过执行I/O指令以及处理来自通道的中断，实现对通道的管理 来自通道的中断有两种，一种是数据传送结束中断，另一种是故障中断 通道使用通道指令控制设备控制器进行数据传送操作，并以通道状态字接收设备控制器反映的外围设备的状态 因此，设备控制器是通道对I/O设备实现传输控制的执行机构,2019年4月30日星期二,46,7.4.2 通道的工作过程,系统在进行一次通道操作之前，CPU要完成准备通道程序、安排数据缓冲区、给通道和外设发起命令等工作 在通道接到启动命令后，

26、便到指定点取通道地址 指定点是系统设计好的，由通道硬件实现 通道根据指定点提供的主存地址，从主存中取出CPU为它准备的通道程序 在执行第一条通道程序之前，通道首先要选择外设，启动外设的设备号，看其是否有响应 总线上的外设都有自己的地址译码器，用于判断总线上的呼叫地址是否是本设备地址,2019年4月30日星期二,47,选择设备后，通道向外设接口发出命令，外设接口接到命令后返回状态码，通道便以条件码形式回答CPU，表示这次启动成功 于是CPU便可以转去执行其他程序，而通道程序则由通道独立完成 当通道与外设之间的信息交换完成后，通道向CPU发出中断信号，CPU根据通道状态字分析这次通道操作的执行情况

27、,2019年4月30日星期二,48,7.4.3 通道的类型,根据通道的工作方式，通道分为字节多路通道、选择通道、数组多路通道三种类型 一个系统可以兼有多种类型的通道，也可以只有其中一、二种 1. 字节多路通道 2. 选择通道 3. 数组多路通道,2019年4月30日星期二,49,1. 字节多路通道,字节多路通道是一种简单的共享通道，主要用于连接控制多台低速外设，以字节交叉方式传送数据 例如，某个外设的数据传输率只有1000B/s，即传送1个字节的时间间隔是1ms，而通道从设备接收或发送一个字节只需要几百ns 因此，通道在传送两个字节之间有很多空闲时间，字节多路通道正是利用这个空闲时间为其他设备

28、提供服务 每个设备分时占用一个很短的时间片，不同的设备在各自分得的时间片内与通道建立连接，实现数据的传输,2019年4月30日星期二,50,2. 选择通道,选择通道又称高速通道，在物理上它可以连接多个设备，但是这些设备不能同时工作，在某一个时间段内通道只能选择一个设备进行工作 选择通道在一段时间内只允许执行一个设备的通道程序，只有当这个设备的通道程序全部执行完毕后，才能执行其他设备的通道程序,2019年4月30日星期二,51,选择通道主要用于连接高速外围设备，如磁盘、磁带等，信息以成组方式高速传输 由于数据传输率很高，如达到1.5MB/s，通道在传送两个字节之间只有很少的空闲时间 所以，在数据

29、传送期间只为一台设备服务是合理的 但是，这类设备的寻址等辅助操作的时间往往很长，在这样长的时间里通道一直处于等待状态，因此，整个通道的利用率还不是很高,2019年4月30日星期二,52,3. 数组多路通道,连接控制多个高速外设并以成组交叉方式传送数据的通道称为数组多路通道 数组多路通道是对选择通道的一种改进 当某个设备进行数据传送时，通道只为该设备提供服务； 当设备在执行寻址等控制性动作时，通道暂时断开与该设备的连接，挂起该设备的通道程序，而转去为其他设备提供服务，即执行其他设备的通道程序,2019年4月30日星期二,53,对于磁盘一类的高速外设，采用数组多路通道，可在其中一个外设占用通道进行

30、数据传送时，让其他外设进行寻址等辅助操作 使一个设备的数据传送操作与其他设备的寻址操作彼此重叠，实现成组交叉方式的数据传送 从而使通道具备多路并行工作的能力，充分发挥通道高速信息交换的效能 数组多路通道既保留了选择通道高速传送数据的优点，又充分利用控制性操作的时间间隔为其他设备提供服务 通道的效率得到充分的发挥 因此，数组多路通道在实际系统中得到较多的应用,2019年4月30日星期二,54,字节多路通道和数组多路通道 相同之处 都是多路通道 在一段时间内均能交替执行多个设备的通道程序，使这些设备同时工作 不同之处 数组多路通道允许多个设备同时工作，但只允许一个设备进行传输型操作，其他设备进行控

31、制型操作； 而字节多路通道不仅允许多个设备同时操作，而且也允许它们同时进行传输型操作 数组多路通道与设备之间进行数据传送的基本单位是数据块 而字节多路通道与设备之间进行数据传送的基本单位则是字节,2019年4月30日星期二,55,7.5 通用I/O接口,7.5.1 RS-232接口 7.5.2 IDE接口 7.5.3 SATA接口 7.5.4 USB接口 7.5.5 SCSI接口 7.5.6 IEEE-1394接口,2019年4月30日星期二,56,7.5.1 RS-232接口,RS-232接口是一种常用的串行通信接口 是在1970 年由美国电子工业协会（EIA）制定的串行通信标准 全名是“数

32、据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准” RS-232接口用于在计算机与其外围设备或终端之间建立近距离的连接 由于这个接口在诸如信号功能、电器特性和机械特性上都进行了明确细致的规定，加上通信接口与设备制造厂商生产的通信设备均与RS-232兼容 因此，RS-232接口在计算机系统中成为一种用来实现与打印机、CRT终端、键盘、调制解调器等外围设备进行异步串行数据通信的标准硬件接口,2019年4月30日星期二,57,7.5.2 IDE接口,IDE接口是一种用于在PC机中连接硬盘驱动器的接口 其英文全称为“Integrated Drive Electronics

33、”，即“电子集成驱动器” 其本意是指把“硬盘控制器”与“盘体”集成在一起的硬盘驱动器，代表着硬盘的一种类型 1. IDE的系统结构 2. IDE模式的发展,2019年4月30日星期二,58,1. IDE的系统结构,IDE接口硬盘的控制电路集成在硬盘上，与IDE驱动器通信所需的软件程序则存储在PC机主板的BIOS芯片中 IDE接口用一个40针电缆连接硬盘与主板 电源由另外的电缆提供,2019年4月30日星期二,59,2. IDE模式的发展,IDE硬盘接口的数据传输模式经历了三次技术变化 由最初的PIO模式，到DMA模式，直到Ultra DMA模式 1）PIO模式 2）DMA模式 3）Ultra

34、DMA模式,2019年4月30日星期二,60,1）PIO模式,PIO（Programming Input/Output Model）模式是一种通过CPU执行I/O端口指令来进行数据读写的交换模式 数据传输速率低下，CPU占用率很高 大量传输数据时会因为占用过多的CPU资源而导致系统停顿 受限于传输速率低下和极高的CPU占用率，这种数据传输模式很快就被淘汰了,2019年4月30日星期二,61,2）DMA模式,DMA是一种不经过CPU而直接从主存存取数据的数据交换模式 CPU只须向DMA控制器下达指令，让DMA控制器来处理数据的传送，数据传送完毕再把信息反馈给CPU 在很大程度上降低了CPU资源占

35、用率,2019年4月30日星期二,62,3）Ultra DMA模式,Ultra DMA（Ultra DMA，一般简写为UDMA）的含义是高级直接主存访问 在包含DMA模式优点的基础上，增加了CRC（Cyclic Redundancy Check，循环冗余码校验）技术，以提高数据传输过程的准确性、安全性 在以往的硬盘数据传输模式下，一个时钟周期只传输一次数据 而在UDMA模式中逐渐应用了Double Data Rate（双倍数据传输）技术，因此数据传输速度有了很大的提高 此技术就是在时钟的上升期和下降期各进行一次数据传输，可以使数据传输速度成倍增长 IDE接口最终被新一代的SATA接口所取代,2

36、019年4月30日星期二,63,7.5.3 SATA接口,1. SATA的物理结构 2. SATA的特点,2019年4月30日星期二,64,SATA（Serial ATA，串行ATA）是一种连接存储设备（大多为硬盘）的串行接口，用于取代传统的并行ATA接口 SATA接口使用嵌入式时钟信号，具备了更强的纠错能力 最大的改进在于能对传输指令（不仅仅是数据）进行检查，并且在发现错误后可以自动矫正 这在很大程度上提高了数据传输的可靠性 SATA接口还具有结构简单、支持热插拔等优点,2019年4月30日星期二,65,1. SATA的物理结构,SATA的物理设计以Fibre Channel（光纤通道）作为

37、蓝本 采用四芯电缆 所需电压从传统ATA接口的5V大幅减低至250mV（最高500mV） 由此可以给SATA硬盘附加上热插拔（Hot Swapping）等高级功能 在连接形式上，除了传统的点对点（Point-to-Point）形式之外，SATA还支持星型连接 为RAID等高级应用提供了设计上的便利,2019年4月30日星期二,66,在实际使用中，SATA的主机总线适配器（Host Bus Adapter，HBA）可以以通道形式与每个硬盘单独通信 即每个SATA硬盘都可独占一个传输通道 所以不存在像ATA那样的主/从控制问题 SATA以连续串行的方式传送数据，一次只传送1位数据 能够减少SATA

38、接口的针脚数目，使连接电缆数目变少，效率更高 SATA仅用四个针脚就能完成所有工作 分别用于连接电缆、连接地线、发送数据和接收数据 这样的架构还能降低系统的复杂性和能耗,2019年4月30日星期二,67,2. SATA的特点,在硬件方面，SATA标准允许使用转换器提供与ATA设备的兼容性 在软件方面，SATA和ATA保持了软件兼容性 这意味着厂商不必为了使用SATA而重写任何驱动程序和系统代码 SATA接线较传统的ATA接线简单得多，而且容易收放，能够明显改善机箱内的气流及散热 SATA硬盘的扩充性很强，可以置于机箱之外 外置式机柜不但可以提供更好的散热及插拔功能，也可以用多重连接来防止单点故

39、障,2019年4月30日星期二,68,由于SATA与光纤通道的设计如出一辙，所以其传输速度可以用独立通道的形式得到保证 这在服务器和网络存储上具有重要的意义 SATA 1.0定义的数据传输率可达150MB/s，而SATA 2.0的数据传输率则达到300MB/s，最终SATA将实现600MB/s的最高数据传输率,2019年4月30日星期二,69,7.5.4 USB接口,USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）接口是由Compaq、DEC、IBM、Intel、Microsoft、NEC等公司为简化PC与外设之间的互连而共同研究开发的一种标准化接口 支持各种PC与外设之间的连

40、接 还可实现数字多媒体集成 USB接口的主要特点是即插即用，允许热插拔 USB连接器将各种各样的外设I/O端口合而为一，使之可以热插拔，并具有自动配置能力 用户只要简单地将外设插入到USB连接器上，PC机就能自动识别和配置USB设备,2019年4月30日星期二,70,近年来，USB总线标准由1.1版升级到了2.0版，传输率由12Mbps增加到了480Mbps，连接距离也由原来的5米增加到近百米 USB设计者尽其所能地在USB接口上体现出未来计算机对接口的需求标准： 易用性、稳定性、兼容性、扩展性、完备性、网络性、低耗性 USB总线结构简单，信号定义仅由2条电源线和2条信号线组成,2019年4月

41、30日星期二,71,从硬件结构来说，USB系统采用级联星型拓扑，由三个基本部分组成： 主机（Host） 也称为根、根结点或根Hub，做在计算机主板上或作为适配卡安装在计算机上 主机包含有主控制器和根集线器（Root Hub），控制USB总线上数据和控制信息的流动 每个USB系统只能有一个根集线器，它连接在主控制器上 集线器（Hub） 提供端口（Port），以便将设备连接到USB接口上 同时检测连接在总线上的设备，并为这些设备提供电源管理 负责总线的故障检测和恢复,2019年4月30日星期二,72,功能设备 通过端口与总线连接 USB为计算机外设输入输出提供了新的接口标准 使设备具有热插拔、即插

42、即用、自动配置的能力，使设备连接标准化 级联星型拓扑结构大大扩充了外设数量，使增加、使用外设更加便捷、快速,2019年4月30日星期二,73,7.5.5 SCSI接口,SCSI接口是小型计算机系统接口（Small Computer System Interface）的简称，是一种并行I/O标准接口 设计思想来源于IBM大型机系统的I/O通道结构，目的是使CPU摆脱对各种设备的繁杂控制 是一个高速智能接口，可以混接各种磁盘、光盘、磁带机、打印机、扫描仪、条码阅读器以及通信设备 由SCSI控制器（又称为主机适配器）进行数据操作 具有应用范围广、多任务、带宽大、CPU占用率低、热插拔等优点 主要应用

43、于中、高端服务器和高档工作站中,2019年4月30日星期二,74,SCSI是一种不断前进的技术 为了提高数据传输率、改善接口的兼容性，20世纪90年代又陆续推出了SCSI-2和SCSI-3标准 串行SCSI也由并行SCSI接口演化而来，数据传输率最高可达到600MB/s,2019年4月30日星期二,75,7.5.6 IEEE-1394接口,IEEE-1394是IEEE制定的一项具有视频数据传输速度的串行接口标准 支持外接设备热插拔 可为外设提供电源，省去了外设自带的电源 支持同步数据传输 IEEE-1394接口的速度很快，而且相对于SCSI来讲又要小巧许多，所以逐渐被人们所接受，并日益普及,2019年4月30日星期二,76,与SCSI等并行接口相比，IEEE-1394串行接口具有三个显著特点： 数据传送的高速性 定义了三种传输速率：100Mbps、200Mbps和400Mbps 这个速度完全可以用来传输未经压缩的动态画面信号 数据传送的实时性 保证多媒体数据的实时传送，避免出现图像和声音时断时续的现象 体积小易安装，连接方便 使用6针电缆，插座体积小 具有“热插拔”能力，即使在全速工作时也可以插入或拆除设备,2019年4月30日星期二,77,IEEE-1394是一种高速串行I/O标准接口 各被连接装置的关系是平等的 不用PC介入也能自成系统,