计算机组成原理复习提纲四（输入输出系统）

1.熟知输出输入系统的组成以及I/O设备与主机的联系方式。

输入输出系统的发展概况

1. 早期
   • 分散连接: CPU和I/O设备串行工作 程序查询方式
2. 接口模块和DMA阶段
   • 总线连接: CPU和I/O设备并行工作
     • 中断方式
     • DMA方式
3. 具有通道结构阶段
4. 具有I/O处理机的阶段

输入输出系统的组成

1. I/O软件
   • I/O指令 CPU指令的一部分
     
     • 将数据从I/O设备输入主机
     • 将数据从主机输出至I/O设备
     • 状态测试
     • 形成某些操作指令
   • 通道指令 通道自身的指令
     指出数据组的首地址, 传送字数, 操作命令
2. I/O硬件
   • 设备 I/O接口
   • 设备 设备控制器 通道

I/O设备与主机的联系方式

1. I/O设备编址方式
   • 统一编址 用取数, 存数指令
   • 不统一编址 有专门的I/O指令
2. 设备寻址
   用设备选择电路识别是否被选中
3. 传送方式
   • 串行
     
   • 并行
     
4. 联络方式
   • 立即响应
   • 异步工作采用应答信号
   • 同步工作采用同步时标

2.理解I/O设备和主机交换信息的控制方式（程序查询方式、程序中断方式、DMA方式、通道方式、I/O处理机方式）以及各自的特点（包括他们之间的区别、联系以及对CPU工作效率的影响等）。

程序查询方式

程序查询方式是由CPU通过程序查询I/O设备是否已做好准备, 从而控制I/O设备与主机交换信息.

过程

• 程序先向I/O设备发出I/O命令字;
• 读取I/O设备工作状态信息;
• 检查状态字中的标志, 看是否可以进行数据交换;
• 若设备未准备就绪, 则返回到上一步, 重复查询;
  否则, 发出设备准备就绪信号;
• CPU与I/O接口的数据缓冲寄存器进行数据交换,
  与此同时, 将接口中的状态标志复位.

特点

何时对何设备进行输入输出操作完全受CPU控制, 外围设备与CPU处于异步工作关系, 数据的输入/输出都要经过CPU.

优点

计算机与外设之间可以同步, 控制简单, 硬件简单.

缺点

CPU的大量时间用来查询外设状态.

程序查询流程

程序流程

程序中断方式

当外设准备好后, 主动通知CPU并进行接收或输出数据的方法;

CPU接收到外设的通知后暂停现行的工作, 转入中断服务程序, 和外设交换数据. 等中断程序处理完毕之后, 再返回到被中断的原程序中继续执行之前被暂停的工作.

优点

节约CPU时间, 实时性好.

缺点

控制电路相对复杂, 服务开销较大( 现场和断电保护).

中断类型

• 内部中断: 来自于CPU内部的指令中断请求, 分为软件中断和异常.
• 外部中断: 中断请求来自CPU外部, 又分为可屏蔽中断和不可屏蔽中断.

中断系统的基本功能

• 中断请求信号保持与清除
  由硬件实现, 当来了中断请求之后, 通过触发器将它保持起来; 中断处理后用清零信号将它清零.
• 中断优先级: 是指CPU响应和处理中断请求的先后顺序.
  • 硬件响应优先序: 由硬件实现, 用户不能更改
  • 软件服务优先序: 软件实现
• 中断源识别
  中断号: 是系统分配给每个中断源的代号, 以便识别和处理. 中断号在处理过程中起到很重要的作用.
  中断号的获取: CPU对系统中不同类型的中断源, 获取它们的中断号是不同的, 可以通过软件和硬件.
• 中断的处理
• 中断控制
  中断触发方式: 是指外设以什么逻辑信号去申请中断, 即边沿触发和电平触发两种方式.
  中断排队方式: 优先级高的现服务
  中断嵌套: 当CPU正在处理某个中断时, 当出现优先级更高的中断会暂时打断正在执行的程序, 转向优先级更高的中断. 但相同优先级不可中断.
  中断屏蔽: 处理器用指令来控制中断屏蔽触发器的状态, 从而控制是否接受某个特殊外设的中断请求. 处理器内部也有一个允许触发器, 只有当其为" 1 " 时, CPU才能响应外部中断.

中断服务程序流程

1. 保护现场
   • 程序断电的保护 中断隐指令完成
   • 寄存器内容的保护 进栈的指令
2. 中断服务
   • 对不同的I/O设备具有不同内容的设备服务
3. 恢复现场 出栈指令
4. 中断返回 中断返回指令

单重中断和多重中断的服务程序流程

DMA方式

是一种完全由硬件执行的I/O交换方式

当外设准备好后, 通知DMA控制器, DMA控制器从CPU接管总线, 并完成外设和内存之间的大量数据传输; 传输完成后DMA控制器将总线的控制权交还给CPU, 整个数据交换过程不需要CPU参与.

优点

既有中断的优点, 同时又降低了服务开销.

缺点

控制电路更加复杂

DMA传输步骤

1. 申请阶段: 一个设备接口试图通过总线直接向另一个设备发送数据( 一般是大批量的数据), 它会先向CPU发送DMA请求信号;
2. 响应阶段: CPU收到DMA请求信号后, 在当前的总线周期后, 会按DMA信号的优先级和提出DMA请求的先后顺序响应DMA信号;
3. 数据传送阶段: DMA得到总线控制权进行数据传送;
4. 传输结束阶段: DMA返回总线控制权.

DMA操作类型

1. 数据传送: 把源地址的数据传输到目的地址去
2. 数据校验: 不进行传输数据, 只对数据块内部的每个字节进行校验
3. 数据检索: 不进行数据传输, 只是在指定区域内查找某个关键字节.

DMA操作方式

1. 单字节传输模式: 每次DMA操作传送一个字节后, 接着释放总线.
2. 块传输模式: 连续传送多个字节, 直到当前字节计算器归零, 然后释放总线.
3. 请求传输模式: DMA控制器询问外设, 当请求信号有效后传输数据.
4. 级联传输模式: 多片DMA控制器联级, 构成主从式DMA系统.

DMA与主存交换数据的三种方式

1. 停止CPU访问主存 控制简单
   CPU处于不工作状态或保持状态, 未充分发挥CPU对主存的利用率.
   
2. 周期挪用 ( 或周期窃取)
   DMA访问主存有三种可能
   • CPU此时不访问
   • CPU正在访问
   • CPU与DMA同时请求访问
     此时CPU将总线控制权交给DMA
   
   
3. DMA与CPU交替访问
   

DMA接口的功能和组成

1. DMA接口功能
   • 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
2. DMA接口组成
   

DMA的工作过程

1. DMA传送过程
   • 预处理
     通过几条输入输出指令预置如下信息
     • 通知DMA控制逻辑传送方向(入/出)
     • 设备地址→ \to→DMA的DAR
     • 主存地址→ \to→DMA的AR
     • 传输字数→ \to→DMA的WC
   • 数据传送
     
   • 后处理

     当DMA的中断请求得到响应后, CPU停止原程序的执行, 转去执行中断服务程序, 做一些DMA的结束工作.

     • 校验送入主存的数是否正确
     • 是否继续使用DMA
     • 测试传送过程中是否正确, 错则转诊断程序

中断方式和DMA方式的比较

通道方式

通道是能够专门执行I/O指令的处理机, 它可以实现对外围设备的统一管理, 以及外设与主存之间的数据传输.

I/O处理机方式

I/O处理机又称为外围处理机, 它基本独立于主机工作, 即可完成I/O通道要完成I/O控制, 有可以完成码制变换, 格式处理, 数据块检错,纠错等操作.