计算机组成原理·输入输出系统

7.1 【星号】IO系统基本概念

新大纲中已删除，仅供参考

7.1.2 *I/O控制方式

• 程序查询方式
• 程序中断方式
• DMA方式（）
  • ❗注意DMA接口也是I/O接口
• 通道方式
  • “弱鸡版CPU”
  • 通道可以识别和执行一系列通道指令，通道指令种类、功能通常比较单一
  • I/O指令和通道指令
    • I/O指令是CPU执行的，结构如下
      • [操作码|命令码|设备码]
      • 操作码：CPU要对I/O结构做什么
      • 命令码：I/O接口要对设备做什么
      • 设备码：指明要操作的设备
    • 通道指令是通道执行的，提前编制并存放在主存中
    • 在有通道的计算机中，CPU通过I/O指令对通道下达命令，通道用通道指令代替CPU完成I/O操作

7.1.3 *外部设备

输入设备

• 键盘
• 鼠标

输出设备

• 显示器
  • 字形码：$m\times n$的字形码包含$m\times n$bits数据
  • 显示存储器（Video Random Access Memory, VRAM）（刷新存储器）
    • 存储容量由分辨率和灰度级决定
    • $VRAM容量=分辨率\times 灰度级位数$
    • $VRAM带宽=VRAM容量\times 帧频$
• 打印机

外部存储器

7.1 【星号】IO系统基本概念课后习题

要点分析

• 在微型机系统中，I/O设备通过设备控制器与主板的系统总线相连接
• I/O指令格式与通用指令格式不同
• 通道程序存储在主存中
• 打印机按打字原理分为击打式和非击打式两种，按能否打出汉字分为点阵式和活字式

Flashcards

• 在微型机系统中，I/O设备通过设备控制器与主板的系统总线相连接

• 通道程序存储在主存中

• 打印机按打字原理分为击打式和非击打式两种

• 打印机按能否打出汉字分为点阵式和活字式

7.2 IO接口

• IO接口就是一块芯片，通常集成在主板上，现代计算机也集成在中
• IO接口又称IO控制器（I/O Controller）、设备控制器，负责协调主机与外设之间的数据传输

7.2.1 I/O接口的功能

IO接口的主要功能有：

• 地址译码和设备选择
• 实现主机和外设之间的通信控制
• 数据缓冲
• 信号格式转换
• 传送控制、状态信息

7.2.2 I/O接口的基本结构

• 基本结构

• 工作原理

• IO指令

  • 对IO接口中的寄存器进行访问操作的指令
  • ⭐IO指令只能在操作系统内核底层IO软件中使用，它们是一种特权指令

• 接口和端口

  • 端口是指接口电路中可以进行读/写的寄存器，包括数据端口、控制端口和状态端口
  • 若干端口加上相应的控制逻辑组成端口

7.2.3 I/O接口的类型

• 按数据传送方式（外设和I/O接口之间）
  • 并行接口：1字节或1个字所有位同时传输
  • 串行接口：只能1位1位地传送，接口要完成数据的转换（串并转换）
• 按主机访问I/O设备的控制方式
  • 程序查询接口
  • 中断接口
  • DMA接口等
• 按功能选择的灵活性
  • 可编程接口
  • 不可编程接口

7.2.4 I/O端口及其编址

• I/O端口的编制方式
  1. 统一编址（存储器映射方式）
     • 把I/O端口当作存储器的单元进行编址，CPU不需要设置I/O指令
     • 优点
       • 不需要专门的输入/输出指令，更灵活、方便
       • 较大的编址空间
     • 缺点
       • 压缩存储器可用空间
       • 速度较慢
  2. 独立编址（I/O映射方式）
     • 两个独立的地址空间，需要设置专门的I/O指令
     • 优点
       • 程序编制清晰，便于理解
     • 缺点
       • 输入/输出指令少，不够灵活
       • 需要两组控制信号，增加了控制的复杂性

Flashcards

IO接口的主要功能有： ?

• 地址译码和设备选择
• 实现主机和外设之间的通信控制
• 数据缓冲
• 信号格式转换
• 传送控制、状态信息

IO指令是否属于内核指令？::是

IO接口与IO端口的区别与联系 ?

• 端口是指接口电路中可以进行读/写的寄存器，包括数据端口、控制端口和状态端口
• 若干端口加上相应的控制逻辑组成端口

IO端口编址方式包括统一编址和独立编址

IO端口统一编址又称存储器映射方式

IO端口独立编址又称I/O映射方式

IO端口统一编址的优缺点 ?

• 优点
  • 不需要专门的输入/输出指令，更灵活、方便
  • 较大的编址空间
• 缺点
  • 压缩存储器可用空间
  • 速度较慢

IO端口独立编址的优缺点 ?

• 两个独立的地址空间，需要设置专门的I/O指令
• 优点
  • 程序编制清晰，便于理解
• 缺点
  • 输入/输出指令少，不够灵活
  • 需要两组控制信号，增加了控制的复杂性

7.2 IO接口课后习题

要点分析

• 在统一编址的方式下，区分存储单元和I/O设备是靠不同的地址码
• 磁盘驱动器向盘片磁道记录数据时采用串行方式写入
• 磁盘驱动器是磁盘的固有部件，不属于I/O接口

Flashcards

• 在统一编址的方式下，区分存储单元和I/O设备是靠不同的地址码

• 磁盘驱动器向盘片磁道记录数据时采用串行方式写入

磁盘驱动器是否属于I/O接口？::不属于

7.3 IO方式

I/O方式

7.3.1 程序查询方式

工作流程（）

1. CPU执行初始化程序，并预置传送参数
2. 向I/O接口发出命令字，启动I/O设备
3. 从外设接口读取其状态信息
   • 可分为独占查询和定时查询
4. CPU不断查询I/O设备状态，直到外设准备就绪
5. 传送一次数据
6. 修改地址和计数器
7. 判断传送是否结束，若未结束转第3步，直到计数器为0

特点

• CPU有“踏步”现象（即一直做同样一件事情，查状态）
• CPU与外设串行工作
• 优点
  • 接口设计简单、设备量少
• 缺点
  • 花费很多时间用来查询
  • 一段时间只能和一台外设交换信息，效率低

7.3.2 程序中断方式

程序中断的基本概念

• 程序中断是指…
• 程序中断的主要功能
  • 实现CPU与外设并行工作
  • 处理硬件故障和软件错误
  • 人机交互
  • 多道程序、分时
  • 快速响应
  • 实现应用程序和操作系统的切换，称为“软中断”
  • 处理器之间的信息交流和任务切换

程序中断的工作流程

• 中断请求
  • 中断请求标志寄存器
  • 可屏蔽中断通过INTR发出，不可屏蔽中断通过NMI线发出
• 中断响应判优
  • 硬件排队器
  • 软件查询程序方式
  • 优先级原则
  • 响应优先级&处理优先级
    • 响应优先级是固定的
    • 处理优先级可以通过屏蔽技术动态调整
• CPU响应中断的条件
  1. 中断源有中断请求
  2. CPU允许中断且开中断
  3. 一条指令执行完毕，且没有更紧迫的任务
• 中断响应过程
  • 通过硬件直接实现，称为“隐指令”
  • 操作(3)
    • 关中断
    • 保存断点
      • 保存PC、PSW中的值到内存栈中
      • 异常保存的是当前指令，中断保存的是下一条
    • 引出中断服务程序
      • 软件查询法
      • 硬件向量法
• 中断向量
  • 中断向量表
• 中断处理过程(9)

多重中断和中断屏蔽技术

• 单重中断
• 多重中断（中断嵌套）
• 要具备多重中断能力，需要的条件
  • 开中断指令
  • 优先级
• 中断处理优先级
• 中断屏蔽技术
  • 屏蔽触发器
  • 屏蔽字
  • 屏蔽字寄存器

7.3.3 DMA方式

• DMA控制器的组成
• DMA的传送方式(3)（三总线结构时适用）
• 传送过程(3)
  • 预处理
  • 数据传输
  • 后处理
• 中断与DMA的比较

中断与DMA的比较（表格）