第5章 輸入輸出系統(tǒng)

5.1 概述

輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展概況

輸入輸出系統(tǒng)的組成

1.I/O軟件

• 設(shè)備 通過 接口 連接在 總線 上，和 主機(jī) 進(jìn)行信息交互

I/O設(shè)備與主機(jī)的聯(lián)系方式

• I/O設(shè)備編址方式 ：
  1.統(tǒng)一編址 ：就是把 I/O設(shè)備的地址 看成是 內(nèi)存地址的一部分；這種情況下，cpu可以直接利用取數(shù)或者存數(shù)指令對(duì)I/O設(shè)備進(jìn)行訪問/控制，不需要單獨(dú)的I/O指令，只要取數(shù)（存數(shù)）指令中的地址落在了I/O設(shè)備；如果內(nèi)存系統(tǒng)的編址空間比較大，就可以使用這種
  2.不統(tǒng)一編址 ：在內(nèi)存地址空間以外專門設(shè)立一個(gè)地址空間，為了區(qū)分一條指令 究竟是對(duì) 內(nèi)存進(jìn)行操作還是I/O進(jìn)行操作，在單獨(dú)編址的計(jì)算機(jī)中，輸入輸出系統(tǒng)就不能再采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)原有的取數(shù)存數(shù)指令，要有專用的I/O指令對(duì)它控制

• 數(shù)據(jù)傳送方式 ：（與第三章同）
  1.串行 ：數(shù)據(jù)一位一位的進(jìn)行傳輸，傳輸速度比較慢，但適合進(jìn)行 遠(yuǎn)程傳輸
  2.并行 ：同時(shí)有多位數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)線上傳輸，通常數(shù)據(jù)線的條數(shù)是8的倍數(shù)
  

• 聯(lián)絡(luò)方式 ：主要是外部設(shè)備接收或者發(fā)送數(shù)據(jù)的相應(yīng)情況
  異步 分成 兩種，可以 并行傳輸，也可以 串行傳輸；cpu與接口之間一般都是并行傳輸
  同步工作 ：設(shè)備和主機(jī)之間如果要 同步工作 的話，必須有一個(gè)定寬定距的時(shí)標(biāo)，來控制在某一個(gè)時(shí)間點(diǎn)必須開始某一項(xiàng)工作，在某一個(gè)時(shí)間點(diǎn)某一項(xiàng)工作必須結(jié)束
  

• 連接方式 ：
  輻射式連接 ：其實(shí)就是 分散式連接，增加一個(gè)I/O設(shè)備，在主機(jī)中就需要增加一套控制電路，對(duì)這個(gè)設(shè)備進(jìn)行控制，早期由于外部設(shè)備數(shù)量比較少，采用這種方式，而現(xiàn)在外部設(shè)備越來越多，不合適
  總線連接 ：外部設(shè)備 通過 接口，和主機(jī)進(jìn)行連接，接口可以向外部設(shè)備傳送主機(jī)的控制命令，可以向主機(jī)傳送外部設(shè)備的狀態(tài)信息，同樣，接口還可以完成信息傳送，還可以用來在接口緩存；只要外部設(shè)備采用標(biāo)準(zhǔn)接口的方式，就可以增刪設(shè)備

I/O設(shè)備與主機(jī)信息傳送的控制方式

• 程序查詢方式 ：
  這是最早的方式
  在這種方式中，cpu與外設(shè)采用 串行 方式進(jìn)行工作
• 程序中斷方式 ：
  這種方式中cpu實(shí)現(xiàn)了與I/O設(shè)備之間 部分的并行工作，也就是在I/O設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)備時(shí)，cpu還可以執(zhí)行自己的程序，不需要停
• DMA方式 ：
  這種方式把cpu進(jìn)一步的從 數(shù)據(jù)的輸入輸出 這個(gè)工作中解放出來，使外部設(shè)備與內(nèi)存之間可以建立直接的的連接，由dma接口，或者dma控制器直接控制外部設(shè)備和內(nèi)存之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換

• 這種方式，cpu效率非常低；這種方式中，內(nèi)存與I/O之間要想進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的話，必須要通過cpu，先要送入cpu之中
  
  

• 是對(duì)第一種方式的一個(gè)改進(jìn)，在這種方式中，cpu一定程度上從數(shù)據(jù)的輸入輸出工作中解放出來

• I/O工作可以分成兩個(gè)階段 ：1.數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段，也就是自身準(zhǔn)備；2.才是與主機(jī)交換信息。在程序查詢方式中，這兩個(gè)階段cpu都要工作都要參與。而在 中斷方式中，第一個(gè)階段是cpu與I/O是 并行工作的

• 在 中斷 方式中，要想輸入一個(gè)數(shù)據(jù)，把它輸入到內(nèi)存中去，依然是先要把這個(gè)數(shù)據(jù)讀入cpu，然后從cpu寫入到內(nèi)存，或者是發(fā)給I/O設(shè)備。也就是說，即使是中斷方式，內(nèi)存、cpu、I/O設(shè)備這三者的關(guān)系，依然是cpu在兩者的中間，內(nèi)存和外設(shè)在兩邊，它們兩者之間如果要進(jìn)行信息的傳輸，依然需要cpu的參與，所以即使是在 中斷 的方式中，數(shù)據(jù)的傳輸過程，依然需要cpu來做
  

• DMA方式中，cpu被進(jìn)一步的從數(shù)據(jù)的輸入輸出工作中解放出來

• 這種方式，在內(nèi)存和I/O之間建立了直接的通路

• 在這個(gè)周期中，cpu不能使用總線對(duì)內(nèi)存進(jìn)行訪問，這個(gè)周期結(jié)束以后，I/O設(shè)備可以繼續(xù)進(jìn)行準(zhǔn)備，cpu可以繼續(xù)執(zhí)行現(xiàn)行的程序，也就是說，這個(gè)周期結(jié)束后，總線的控制權(quán)、對(duì)內(nèi)存的使用權(quán)又歸還給了cpu，在這一個(gè)存取周期中，cpu雖然不能使用系統(tǒng)的總線，不能使用內(nèi)存，不能進(jìn)行訪存操作，但是在這個(gè)周期中，cpu還是可以執(zhí)行
  
  

5.2 I/O設(shè)備

概述

輸入設(shè)備

輸出設(shè)備

其他、多媒體技術(shù)

5.3 I/O接口

概述

接口的功能和組成

• 狀態(tài)標(biāo)記 由 觸發(fā)器 實(shí)現(xiàn)
  

接口類型

5.4 程序查詢方式

程序查詢流程

• 因?yàn)?程序查詢方式 中，要完成內(nèi)存與外設(shè)之間數(shù)據(jù)的輸入輸出，需要借助cpu中的某一個(gè)寄存器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行暫存
• 設(shè)置計(jì)數(shù)器的值，是為了控制我們傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量
• 設(shè)置計(jì)數(shù)值，有兩種方式 ：1.如果我們要傳輸n個(gè)字，計(jì)數(shù)器的值就設(shè)為n，每完成一個(gè)字的傳輸，計(jì)數(shù)器的值就減1，直到減為0；2.把計(jì)數(shù)器的值設(shè)為-n，并且這個(gè)負(fù)數(shù)用補(bǔ)碼來表示，直到計(jì)數(shù)器發(fā)生溢出，里面的值變?yōu)?
• 設(shè)置計(jì)數(shù)值后，為了完成內(nèi)存與I/O之間數(shù)據(jù)傳輸，我們要知道內(nèi)存的這個(gè)塊的起始地址，因此要設(shè)置主存緩沖區(qū)的地址，我們保存數(shù)據(jù)或者讀取數(shù)據(jù)就從這個(gè)緩沖區(qū)的起始地址開始
• 然后就可以啟動(dòng)外部設(shè)備，然后，因?yàn)槲覀兪?程序查詢方式，cpu開始查詢I/O接口的狀態(tài)是否準(zhǔn)備好，如果沒有準(zhǔn)備好，cpu就原地踏步反復(fù)進(jìn)行查詢，一直到狀態(tài)標(biāo)志表明數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好了，這個(gè)查詢才會(huì)停止，
• 傳送好后，修改主存地址，+1或者-1，為輸入或者輸出下一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)備，同時(shí)，為了表面還有多少數(shù)據(jù)需要傳輸，計(jì)數(shù)器的值也要進(jìn)行修改，+1或者-1

程序查詢方式的接口電路

• 首先需要 SEL信號(hào) 有效且 啟動(dòng)命令 有效，這個(gè)I/O接口電路才會(huì)開始工作
• 以 輸入數(shù)據(jù) 為例 ：
  cpu通過 地址線 給出外部設(shè)備的地址
  設(shè)備選擇電路把自己的地址或者端口號(hào)和地址線上的地址進(jìn)行比較，如果相同，說明這次啟動(dòng)的是連接在這個(gè)接口上的設(shè)備，SEL這個(gè)信號(hào)會(huì)有效
  在啟動(dòng)命令和SEL都有效的前提下，我們對(duì)兩個(gè)狀態(tài)標(biāo)記進(jìn)行質(zhì)問，到目前為止，是cpu發(fā)出讀命令，設(shè)備還沒開始工作，因此 標(biāo)記D 應(yīng)該為0，表示數(shù)據(jù)還沒有準(zhǔn)備好
  B1后，表示設(shè)備忙，設(shè)備開始工作，把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，并且通過輸入的數(shù)據(jù)線把它保存到DBR，此時(shí)，設(shè)備的工作結(jié)束，設(shè)備會(huì)通過設(shè)備的狀態(tài)線向接口電路送入工作結(jié)束信號(hào)，這個(gè)信號(hào)會(huì)修改接口電路中的兩個(gè)標(biāo)記，此時(shí)，標(biāo)記D應(yīng)該被修改為1，表示數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好了，同時(shí)標(biāo)記B被改為0，表示設(shè)備已經(jīng)工作完成，不忙了
  在這個(gè)過程中，一直到D信號(hào)變成1之前，cpu都在原地踏步進(jìn)行查詢，就是查詢D是否變成了1，查詢到D為1說明數(shù)據(jù)已經(jīng)被放入到DBR中了，cpu可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸了，cpu就通過數(shù)據(jù)線把數(shù)據(jù)進(jìn)行讀入

5.5 程序中斷方式

中斷的概念

• 中斷 指的是，cpu在執(zhí)行程序的過程中，如果發(fā)生意外事件，或者特殊事件，cpu要中斷當(dāng)前程序的處理，或者當(dāng)前程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)而去處理特殊事件，或者是異常事件；處理結(jié)束后，要返回到被中斷程序的程序斷點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行原來程序

I/O中斷的產(chǎn)生

程序中斷方式的接口電路

• 程序中斷方式的接口電路，除了選址、數(shù)據(jù)緩存等等，還需要圖上這些
• 1.需要 中斷請(qǐng)求標(biāo)志，由外設(shè)對(duì)中斷請(qǐng)求標(biāo)志進(jìn)行設(shè)置，表示有中斷請(qǐng)求；這個(gè)中斷請(qǐng)求標(biāo)志能否變成中斷請(qǐng)求信號(hào)向cpu發(fā)出中斷請(qǐng)求，還要看這個(gè)中斷請(qǐng)求標(biāo)志是否會(huì)被屏蔽掉，所以我們需要一個(gè)中斷屏蔽觸發(fā)器，因?yàn)橛械臅r(shí)候，計(jì)算機(jī)正在執(zhí)行的程序，或者正在執(zhí)行的中斷服務(wù)程序，它的重要性要比這個(gè)設(shè)備提出的中斷請(qǐng)求的重要性要高，那么這個(gè)中斷標(biāo)志就會(huì)被屏蔽掉，不會(huì)對(duì)cpu發(fā)出中斷請(qǐng)求
• 2.我們要用 排隊(duì)電路，在同一個(gè)時(shí)刻，向cpu發(fā)出中斷請(qǐng)求的可能有多個(gè)設(shè)備，這些設(shè)備的優(yōu)先級(jí)不同，比如高速設(shè)備的優(yōu)先級(jí)比較高，不然保存的數(shù)據(jù)可能丟失。經(jīng)過排隊(duì)器后，只有優(yōu)先級(jí)最高的那個(gè)設(shè)備提出的中斷可以被響應(yīng)
• 如果要響應(yīng)這個(gè)中斷，去執(zhí)行中斷服務(wù)程序，cpu必須要知道中斷服務(wù)程序的入口地址，也就是中斷服務(wù)程序在內(nèi)存中的起始地址，因此要采用 中斷向量地址形成部件

• 當(dāng) 完成觸發(fā)器D =1時(shí)，設(shè)備已經(jīng)準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)了并且把數(shù)據(jù)放在了DBR中，MASK若為0不被屏蔽，此時(shí)，中斷請(qǐng)求觸發(fā)器被設(shè)置為1，表示有中斷請(qǐng)求，另外，指令執(zhí)行周期結(jié)束前，cpu會(huì)發(fā)出中斷查詢信號(hào)，這個(gè)中斷查詢信號(hào)會(huì)是INTR的D端的輸入，產(chǎn)生中斷請(qǐng)求

• 排隊(duì)有兩種方式，一種是通過硬件實(shí)現(xiàn)，另一種是軟件

• 有兩種方式完成硬件實(shí)現(xiàn) ：將排隊(duì)電路集中放在cpu內(nèi)部，也可以把硬件的排隊(duì)電路放在每一個(gè)接口中，然后連接在一起，組成一個(gè)鏈，這樣是鏈?zhǔn)脚抨?duì)器

• 軟件方式實(shí)現(xiàn)排隊(duì)，實(shí)際上是通過查詢的方法，中斷的優(yōu)先級(jí)在一個(gè)表格中進(jìn)行規(guī)定

• 圖上是 鏈?zhǔn)脚抨?duì)器
  

• 中斷向量，可以理解成中斷服務(wù)程序的入口地址

• 向量地址 指的是 中斷向量保存的內(nèi)存單元的地址
  

I/O中斷處理過程

中斷服務(wù)程序流程

5.6 DMA方式

DMA方式的特點(diǎn)

• 這里提到的 周期 ，指的是 訪存周期（內(nèi)存訪問周期）

• 這種情況下，與上一種相比，cpu可以利用這個(gè) 間隙 進(jìn)行訪存操作，使主存儲(chǔ)器和總線的利用率更高
  

• 這種方式中，由于不需要DMA提出申請(qǐng)，建立對(duì)總線的控制權(quán)和對(duì)內(nèi)存的使用權(quán)，因此，速度會(huì)比較快

DMA接口的功能和組成

DMA的工作過程

DMA接口的類型

• 通道 也是一種 小型的DMA接口
  

• 速度越高的設(shè)備，優(yōu)先級(jí) 越高

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的计算机组成原理（哈工大刘宏伟）135讲（二）的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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