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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(图)
    • ❗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×nm\times n的字形码包含m×nm\times nbits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×灰度级位数VRAM容量=分辨率\times 灰度级位数
      • VRAM带宽=VRAM容量×帧频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南桥芯片中
  • 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(流程图)

  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)

中断DMA
数据传送程序控制硬件控制
程序切换->保存和恢复现场CPU只需进行预处理和后处理
中断请求传送数据后处理
响应指令执行周期结束后相应中断每个机器周期结束均可,总线空闲时即可响应DMA请求
场景CPU控制,低速设备DMA控制器控制,高速设备
优先级优先级低于DMA优先级高于中断
异常处理能处理异常事件仅传送数据
林威
林威 咖味十足的软件工程师