计算机组成原理第五章输入输出系统知识点归纳

迷南。 2022-10-10 14:52 346阅读 0赞

# 输入输出系统 #

## 5.1 概述 ##

### 输入输出系统的发展概况 ###

*  早期阶段
    
    早期的I/O设备种类较少，I/O设备与主存交换信息都必须通过CPU 分散连接：每个I/O设备都必须配有一套独立的逻辑电路与CPU相连 CPU与I/O设备串行工作：当I/O设备与主角交换信息时，CPU不得不停止各种运算，极浪费时间。 程序查询方式：每个I/O设备的逻辑控制电路与CPU的控制器构成不可分割的整体，增删改I/O设备极为困难。
 *  接口模块和DMA阶段
    
    这个阶段I/O设备通过接口模块与主机连接，计算机系统采用了总线结构。 许多接口还能满足中断请求出来的要求，使I/O设备与CPU可按并行方式工作，大大提高了CPU的工作效率。 并行工作方式包括： 1、中断方式：I/O设备与主角交换信息时，CPU要中断现行程序。 2、DMA方式：I/O设备与主存间有一条直接的数据通路，I/O设备可以与主存直接交换信息，CPU能够在两者交换信息时继续现行程序。
 *  具有通道结构的阶段
    
    该阶段针对大中型计算机：I/O设备配置繁多，数据传送频繁的状况，故采用I/O通道的方式来进行数据交换。 用通道来负责管理I/O设备以及实现主存与I/O设备之间交换信息的部件。类似于特殊功能的处理器。能够执行用通道指令编写的输入输出程序
 *  具有I/O处理机的阶段
    
    I/O处理机用于完成I/O通道要完成的I/O控制，又能完成码制变换、格式处理、纠错等，让I/O与CPU工作的并行性更高。

### 输入输出系统的组成 ###

*  I/O软件
    
     *  I/O指令
        
        CPU指令（机器指令）的一部分
     *  通道指令
        
        对具有通道的I/O系统专门设置的指令
        
        用于：指出数组的首地址、传送字数、操作命令
 *  I/O硬件
    
     *  接口模块
        
        通道、I/O接口
     *  I/O设备

### I/O设备与主机的联系方式 ###

*  I/O设备的编址方式
    
     *  统一编址
        
        用取数、存数指令
     *  不统一编址
        
        有专门的 I/O 指令
 *  设备寻址
    
    用设备选择电路识别是否被选中
 *  传送方式
    
     *  串行
     *  并行
 *  联络方式
    
     *  立即响应方式
        
        针对工作速度十分缓慢，通常处于某种等待状态的I/O设备。 CPU的I/O指令一到，他们就立即响应
     *  异步共工作采用应答信号联络
        
        当I/O设备与主机工作速度不匹配时，通常采用异步通知方式。 这种方式在交换信息前I/O设备与CPU各自完成自身的任务，一旦出现联络信号才准备交换信息。
     *  同步工作采用同步时标联络
        
        要求I/O设备与CPU工作速度完全同步.
 *  I/O设备与主机的连接方式
    
     *  辐射式连接
        
        每台设备都配有一套控制线路和一组信号线,连线较多. 不便于增删设备.
     *  总线连接
        
        便于增删设备

### I/O设备与主机信息传送的控制方式 ###

*  程序查询方式
    
    由CPU通过程序不断查询I/O设备是否已经做好准备,从而控制I/O设备与主机交换信息 CPU 和 I/O 串行工作
 *  程序中断方式
    
    CPU启动I/O设备后,不查询设备是否已经准备就绪,继续执行自身程序,只有当I/O设备准备就绪并向CPU发出中断请求后才予以相应. I/O设备与CPU并行工作 无踏步等待现象 这能够大大提高CPU的工作效率
 *  DMA方式
    
    主存和 I/O 之间有一条直接数据通道,主存与I/O设备交换信息时,无须调用中断服务程序. 周期挪用 CPU 和 I/O 并行工作

## 5.2 I/O设备 ##

### 概述 ###

*  I/O设备分类
    
     *  人机交互设备
        
        键盘、鼠标、打印机、显示器
     *  计算机信息存储设备
        
        磁盘、光盘、磁带
     *  机-机通信设备
        
        调制解调器等

### 输入设备 ###

*  键盘
    
    输入步骤: 按键 判断哪个键按下 将此键翻译成 ASCII 码 （编码键盘法）
 *  鼠标
    
     *  机械式
        
        金属球 电位器
     *  光电式
        
        光电转换器
 *  触摸屏

### 输出设备 ###

*  显示器
    
     *  字符显示
        
        字符发生器
     *  图形显示
        
        主观图像
     *  图像显示
        
        客观图像
 *  打印机
    
     *  击打式
        
        点阵式（逐字、逐行）
     *  非击打式
        
        激光（逐页） 喷墨（逐字）

### 其他I/O设备 ###

*  终端设备
    
    由键盘和显示器组成 完成显示控制与存储、键盘管理及通信控制
 *  A/D与D/A转换器
    
    模拟/数字（数字/模拟）转换器
 *  汉字处理设备
    
    汉字输入、汉字存储、汉字输出

### 多媒体技术 ###

## 5.3 I/O接口 ##

### 概述 ###

接口可以看做是两个系统或两个部件之间的交接部分,它既可以是两种硬设备之间的连接电路,也可以是两个软件之间的共同逻辑边界.

### 接口的功能和组成 ###

*  总线连接方式的I/O接口电路
    
     *  数据线
     *  设备选择线
     *  命令线
     *  状态线
 *  接口的功能和组成
    
     *  选址功能
        
        设备选择电路
     *  传送命令的功能
        
        命令寄存器、命令译码器
     *  传送数据的功能
        
        数据缓冲寄存器
     *  反映设备状态的功能
        
        设备状态标记 包括: 完成触发器 D 工作触发器 B 中断请求触发器 INTR 屏蔽触发器 MASK

### 接口类型 ###

*  按数据传送方式分类
    
    分为并行接口和串行接口
 *  按功能选择的灵活性分类
    
    分为可编程接口和不可编程接口
 *  按通用性分类
    
    可分为通用接口和专用接口
 *  按数据传送的控制方式分类
    
    分为程序型接口和DMA型接口

## 5.4 程序查询方式 ##

### 程序查询流程 ###

*  核心问题
    
    每时每刻需不断查询I/O设备是否准备就绪
 *  流程的三条指令
    
    1 测试指令:用来查询I/O设备是否准备就绪 2 传送指令:当I/O设备已准备就行时,执行传送指令 3 转移指令:若I/O设备未准备就绪,执行转移指令,转至测试指令,继续测试I/O设备的状态.

### 程序查询方式的接口电路 ###

详见ppt 230 课本 192

## 5.5 程序中断方式 ##

### 中断的概念 ###

出现异常情况或特殊请求时,计算机停止现行程序的运行,转向对这些异常情况或特殊请求的处理,处理结束后再返回到现行程序间断处,继续执行原程序,这就是中断.

### I/O中断的产生 ###

在设备准备的同时,CPU不作无谓的等待,而继续执行现行程序,只有当I/O设备准备就绪向CPU提出请求后,再暂时中断CPU现行程序转入I/O服务程序,这便产生了I/O中断.

### 程序中断方式的接口电路 ###

*  中断请求触发器和中断屏蔽触发器
    
    中断请求触发器INTR,当其为1时表示该设备向CPU提出中断请求。 中断屏蔽触发器MASK，为1时表示该设备被屏蔽，CPU不响应该设备请求。 完成触发器D，为1时表示设备本身准备就绪
 *  排队器
    
    按中断源的不同性质对其排队，给予不同等级的优先级，并按优先等级的高低给予相应
 *  中断向量地址形成部件（设备编码器）
    
    硬件向量法：由硬件产生向量地址，再由向量地址找到入口地址

### I/O中断处理过程 ###

*  CPU响应中断的条件和时间
    
    条件：必须满足CPU中的允许中断触发器EIMT为1 时间：当 D = 1（随机）且 MASK = 0 时，CPU在每条指令执行阶段结束前，向接口发终端查询型号，获取I/O的中断请求。
 *  I/O中断处理过程
    
    p198

### 中断服务程序流程 ###

*  保护现场
    
     *  程序断点的保护
        
        中断隐指令完成
     *  寄存器内容的保护
        
        进栈指令
 *  中断服务
    
    对不同的 I/O 设备具有不同内容的设备服务
 *  恢复现场
    
    恢复到原来的寄存器 通过出栈指令
 *  中断返回
    
    中断程序的最后一条指令通常是一条中断返回指令，使其返回到原程序的断点处

## DMA方式 ##

### DMA方式的特点 ###

*  特点
    
    主存和设备交换信息时，不通过CPU，也不需要CPU暂停现行程序为设备服务，省去了保护现场和恢复现场。故工作速度比程序中断方式的工作速度高 DMA接口与CPU共享主存有可能出现两种争用主存，发生冲突
 *  方式
    
     *  停止CPU访问主存
        
        优点：控制简单 缺点： 1、DMA接口访问主存时，CPU 处于不工作状态或保持状态，CPU对主存的利用率没有得到充分发挥
     *  周期挪用（周期窃取）
        
        DMA访问主存时的三种情况： • CPU 此时不访存 • CPU 正在访存 • CPU 与 DMA 同时请求访存 此时CPU会将总线的控制权交给DMA
     *  DMA与CPU交替访问
        
        将一个CPU周期分为c1和c2，其中c1专供DMA访存，c2专供CPU访存 优点：不需要申请建立和归还总线的使用权

### DMA接口的功能和组成 ###

*  DMA接口的功能
    
     *  向CPU申请DMA传送
     *  处理总线 控制权的转交
     *  管理 系统总线、控制 数据传送
     *  确定 数据传送的 首地址和长度 修正传送过程中的数据 地址 和 长度
     *  DMA 传送结束时，给出操作完成信号
 *  DMA接口基本组成
    
     *  主存地址寄存器（AR）
     *  字计数器（WC）
     *  数据缓冲寄存器（BR）
     *  DMA控制逻辑
     *  中断机构
     *  设备地址寄存器（DAR）

### DMA的工作方式 ###

*  DMA传送过程
    
     *  后处理
     *  数据传送
     *  预处理
        
         *  通知 DMA 控制逻辑传送方向（入/出） • 设备地址 ——DMA 的 DAR • 主存地址 ——DMA 的 AR • 传送字数 ——DMA 的 WC
 *  DMA接口与系统的连接方式
    
     *  具有公共请求线的DMA请求
     *  独立的DMA请求

### DMA接口的类型 ###

*  选择型DMA接口
    
    在 物理上 连接 多个 设备 在 逻辑上 只允许连接 一个 设备
 *  多路型DMA接口
    
    在 物理上 连接 多个 设备 在 逻辑上 允许连接 多个 设备同时工作