《输入输出与中断》课件

输入输出与中断计算机系统的重要组成部分处理来自外部世界的数据，并向外部世界输出信息中断机制用于处理异步事件，提高系统效率课程概述输入输出系统中断机制磁盘存储器网络接口计算机系统与外界进行信息交计算机系统响应外部事件的机计算机系统的核心存储设备，计算机系统连接到网络的接换的桥梁，通过输入设备接收制，例如键盘输入、鼠标点击用于存储操作系统、应用程序口，用于数据传输和网络通指令和数据，通过输出设备将或硬件错误，中断机制可以提和数据文件，影响系统性能的信，影响系统性能和数据传输结果呈现给用户高系统效率关键因素效率计算机系统结构计算机系统结构是计算机系统中硬件和软件之间交互关系的描述，包括系统各部分的组成、功能和工作原理它关注系统层面的设计和实现，为软件提供硬件的抽象模型主要包括指令集体系结构（ISA）、存储器组织、总线结构、输入输出系统、中断系统等输入输出系统概述数据交换设备管理

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22.输入输出系统是计算机系统与管理和控制连接到计算机的各外部世界进行信息交换的桥种外部设备，例如键盘、鼠梁，负责数据输入和输出标、显示器、打印机、硬盘等驱动程序中断处理

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44.提供软件接口，使操作系统能当外部设备需要与CPU交互够与不同的硬件设备进行交时，会发出中断请求，系统会互，实现数据传输暂停当前程序执行，转而处理中断请求输入输出接口接口卡控制逻辑连接CPU、内存和外设的桥梁，提供数据传输管理数据传输，控制外设工作，处理数据流通道数据缓冲器寄存器临时存储数据，保证数据传输速度，避免CPU存储控制信息和状态信息，用于CPU访问和控等待制外设程序与输入输出数据传输1程序向设备发送数据，或接收数据控制指令2程序控制设备的行为，例如启动、停止、调节参数等状态信息3程序获取设备状态信息，用于判断设备运行状况数据格式4程序和设备之间的数据格式必须一致，才能保证数据传输的正确性程序与输入输出设备的交互是通过指令和数据进行的程序需要向设备发送控制指令和数据，并接收设备反馈的状态信息和数据这种交互方式使程序能够有效地控制和利用外部设备，完成各种任务程序与中断程序执行1正常执行指令中断事件2外部事件发生中断处理3执行中断处理程序恢复程序4返回原程序执行中断是计算机系统中重要的机制，用于处理外部事件或异常情况程序执行过程中，当发生中断事件时，CPU会暂停当前程序执行，并转去执行中断处理程序处理完成后，CPU再返回原程序继续执行中断的类型可屏蔽中断不可屏蔽中断外部中断内部中断可屏蔽中断可以通过设置中不可屏蔽中断是必须处理的外部中断由外部设备触发，内部中断由CPU内部事件触断屏蔽位来禁止，例如键盘紧急事件，例如系统错误、例如键盘按下、鼠标移动发，例如算术溢出、除零错中断、鼠标中断等硬件故障等等误等中断处理过程中断请求当发生中断事件时，设备会向CPU发送中断请求信号，请求CPU的服务中断响应CPU接收到中断请求后，会停止当前正在执行的指令，并保存当前程序的执行状态，例如程序计数器、寄存器等信息中断向量表CPU根据中断类型，从中断向量表中查找相应的中断处理程序地址中断处理程序CPU跳转到中断处理程序地址，执行中断处理程序代码，完成相应的中断处理工作恢复现场中断处理程序执行完毕后，CPU会恢复之前保存的程序执行状态，并继续执行被中断的程序中断响应时间中断响应时间是指从中断发生到处理器开始执行中断处理程序的时间间隔此时间越短，系统响应中断的能力就越强，性能也越好中断响应时间主要受以下因素影响12中断源中断优先级不同的中断源可能需要不同的时间来传递高优先级的中断需要优先处理，因此响应中断信号时间会更短34处理器速度硬件设计处理器的速度越快，中断响应时间也越硬件设计可以影响中断信号的传递效率，短从而影响响应时间中断处理程序编写中断向量表1中断处理程序的入口地址保存在中断向量表中处理器通过中断号找到对应程序入口地址中断处理程序2保存现场，执行中断处理，恢复现场返回指令3中断处理程序执行完毕后，通过返回指令将控制权交回主程序中断屏蔽与嵌套中断屏蔽嵌套中断中断屏蔽是指暂时禁止某个中断嵌套中断是指在处理一个中断请源发出中断请求它可以用来避求的过程中，又发生了另一个中免多个中断源同时请求处理，导断请求CPU会根据中断优先致系统混乱，从而实现更有效的级，先处理优先级更高的中断请资源分配求，再处理之前的中断请求应用场景中断屏蔽和嵌套中断在操作系统、实时系统和嵌入式系统中都有广泛的应用，它们可以有效地提高系统效率，保障系统稳定性输入输出设备输入设备输出设备键盘、鼠标、扫描仪和麦克风等设备用于将数据输入到计算机系统中显示器、打印机、扬声器和绘图仪等设备用于将计算机处理的结果输出到外部世界磁盘存储器磁盘存储器是计算机系统中主要的辅助存储器磁盘存储器用于存储大量数据，可用于长期保存数据磁盘存储器包含磁盘控制器和磁盘驱动器，提供数据访问和数据传输功能磁盘与文件系统文件系统为磁盘上的数据组织提供了一种层次结构它将磁盘划分为多个逻辑块，并将其组织成目录和文件这些目录和文件可以包含其他目录和文件，形成树状结构文件系统1提供文件组织目录2文件和目录的组织结构文件3数据存储单位磁盘4物理存储设备磁盘是计算机系统中常用的存储设备，它使用磁性介质来存储数据文件系统是磁盘上的数据组织方式，它将磁盘划分为不同的逻辑块，并将数据存储在这些逻辑块中文件系统为应用程序提供了一个抽象层，方便应用程序访问和管理磁盘上的数据磁盘操作I/O数据读取1磁盘控制器根据寻址信息定位目标扇区数据从扇区中读取到缓冲区，再传递到内存数据写入2数据从内存传递到缓冲区，再写入到磁盘目标扇区控制器负责数据校验和扇区管理操作DMA3直接内存访问DMA技术可直接将数据传输到内存或从内存传输到磁盘，无需CPU干预块设备驱动程序数据传输块设备驱动程序负责管理数据传输，将数据从主存复制到磁盘或反之文件系统接口驱动程序与文件系统交互，处理文件读写操作设备管理驱动程序管理磁盘设备，包括扇区分配、错误处理等字符设备驱动程序概述数据传输

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22.字符设备驱动程序是为字符设备设计的，用于处理单个字字符设备驱动程序通过字符流的方式进行数据传输，通常符的输入和输出一次处理一个字符例子功能

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44.常见的字符设备包括键盘、鼠标、串口、终端等字符设备驱动程序主要负责控制设备，处理中断，并将数据传递给应用程序设备管理器管理设备分配资源提供统一的设备管理机制，简化应用程序对设备的访问管理系统资源，如中断、内存和I/O端口，以确保不同设备间高效使用驱动程序管理错误处理加载、卸载和更新设备驱动程序，确保设备与系统协调工作检测和处理设备错误，例如设备故障或驱动程序问题，维护系统稳定运行终端设备键盘鼠标显示器打印机键盘是用户输入文本和指令的鼠标是用户控制光标和选择对显示器是计算机输出显示信息打印机是计算机将信息打印到主要设备象的指向设备的设备纸张上的输出设备串行通信接口串行数据传输应用广泛数据一位一位地依次传输，速度常见于RS-232标准，广泛应用较慢，适合远距离通信于计算机、外设、网络设备之间的通信异步通信数据传输不需要同步时钟信号，接收方根据起始位和停止位识别数据帧并行通信接口并行通信接口特点应用优势与劣势并行通信接口使用多条线路并行通信接口采用多条数据并行通信接口广泛应用于计并行通信接口传输速度快，同时传输数据位，速度快，线，一次传输多位数据，数算机系统内部的设备连接，成本低，但接口复杂，传输传输距离短，适用于高速数据传输速度快，适用于高数例如硬盘驱动器、光驱等距离短据传输，例如打印机、硬盘据速率的设备，如打印机，等扫描仪等网络接口卡连接网络关键组件驱动程序NIC连接计算机与网络，实现数据传输NIC包含MAC地址，物理层协议支持NIC需要驱动程序管理硬件操作总线技术数据传输类型多样总线是计算机系统中连接各个常见的总线类型包括内部总组件的关键部分，用于传输数线、外部总线和系统总线，它据、地址和控制信号们负责不同级别的连接和通信带宽影响标准规范总线带宽和速度对计算机系统总线技术遵循行业标准，例如性能有直接影响，决定了数据PCI、USB和SATA，以确保传输效率不同组件的互操作性总线PCI高性能总线PCI总线是计算机系统中常用的外部总线，以高性能和可靠性著称广泛连接它可以连接各种外围设备，如网卡、声卡、显卡等数据传输PCI总线采用并行数据传输，速度快，支持多种数据传输模式总线USB通用串行总线数据传输扩展连接USB是一种广泛应用于计算机和外围设备USB可以用于连接多种设备，例如键盘、USB总线允许将多个设备连接到一台计算的通信标准它以其易用性和通用性而闻鼠标、打印机、扫描仪和存储设备它还机，并通过USB集线器扩展连接名支持数据传输和供电总线Firewire高速数据传输多设备连接Firewire总线也称为IEEE它允许将多个设备连接到同一总1394，是一种串行总线，提供高线上，例如硬盘驱动器、数码相速数据传输机和打印机热插拔功能应用领域这意味着可以在系统运行时添加Firewire总线广泛应用于视频编或删除设备，而无需关闭系统辑、音频制作和数码摄影领域输入输出系统性能指标描述吞吐率单位时间内传输的数据量响应时间从请求发出到响应返回的时间间隔延迟数据传输过程中发生的延迟时间利用率设备实际使用时间占总时间的比例输入输出瓶颈输入输出系统优化提高数据传输速度优化驱动程序和设备接口，提高数据传输效率降低延迟采用高速缓存技术，减少数据访问延迟平衡负载合理分配任务，避免系统瓶颈，提高整体性能课程总结本课程介绍了计算机系统的输入输出原理和实践从基本概念、系统结构、设备驱动程序、总线技术到性能优化，全面阐述了输入输出系统的重要组成部分和关键技术思考与讨论课程内容深入浅出，由浅入深对计算机系统结构、输入输出系统、中断机制、I/O设备和总线等方面进行全面讲解，为进一步学习相关课程打下坚实基础课堂讨论环节，同学们积极踊跃，提出了很多问题，例如中断处理过程、磁盘I/O操作、设备驱动程序等老师耐心解答，并鼓励同学们多思考、多实践，不断提升学习能力和解决问题的能力通过本课程学习，同学们对输入输出与中断有了更深入的理解，并能运用相关知识解决实际问题课程结束后，同学们纷纷表示受益匪浅，对未来学习和工作充满期待。