第5章 輸入輸出系統

5.1 概述

輸入輸出系統的發展概況

輸入輸出系統的組成

1.I/O軟件

• 設備 通過 接口 連接在 總線 上，和 主機 進行信息交互

I/O設備與主機的聯系方式

• I/O設備編址方式 ：
  1.統一編址 ：就是把 I/O設備的地址 看成是 內存地址的一部分；這種情況下，cpu可以直接利用取數或者存數指令對I/O設備進行訪問/控制，不需要單獨的I/O指令，只要取數（存數）指令中的地址落在了I/O設備；如果內存系統的編址空間比較大，就可以使用這種
  2.不統一編址 ：在內存地址空間以外專門設立一個地址空間，為了區分一條指令 究竟是對 內存進行操作還是I/O進行操作，在單獨編址的計算機中，輸入輸出系統就不能再采用計算機系統原有的取數存數指令，要有專用的I/O指令對它控制

• 數據傳送方式 ：（與第三章同）
  1.串行 ：數據一位一位的進行傳輸，傳輸速度比較慢，但適合進行 遠程傳輸
  2.并行 ：同時有多位數據在數據線上傳輸，通常數據線的條數是8的倍數
  

• 聯絡方式 ：主要是外部設備接收或者發送數據的相應情況
  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 ：設備和主機之間如果要 同步工作 的話，必須有一個定寬定距的時標，來控制在某一個時間點必須開始某一項工作，在某一個時間點某一項工作必須結束
  

• 連接方式 ：
  輻射式連接 ：其實就是 分散式連接，增加一個I/O設備，在主機中就需要增加一套控制電路，對這個設備進行控制，早期由于外部設備數量比較少，采用這種方式，而現在外部設備越來越多，不合適
  總線連接 ：外部設備 通過 接口，和主機進行連接，接口可以向外部設備傳送主機的控制命令，可以向主機傳送外部設備的狀態信息，同樣，接口還可以完成信息傳送，還可以用來在接口緩存；只要外部設備采用標準接口的方式，就可以增刪設備

I/O設備與主機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與外設采用 串行 方式進行工作
• 程序中斷方式 ：
  這種方式中cpu實現了與I/O設備之間 部分的并行工作，也就是在I/O設備進行數據準備時，cpu還可以執行自己的程序，不需要停
• DMA方式 ：
  這種方式把cpu進一步的從 數據的輸入輸出 這個工作中解放出來，使外部設備與內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備和內存之間進行數據交換

• 這種方式，cpu效率非常低；這種方式中，內存與I/O之間要想進行數據交換的話，必須要通過cpu，先要送入cpu之中
  
  

• 是對第一種方式的一個改進，在這種方式中，cpu一定程度上從數據的輸入輸出工作中解放出來

• I/O工作可以分成兩個階段 ：1.數據準備階段，也就是自身準備；2.才是與主機交換信息。在程序查詢方式中，這兩個階段cpu都要工作都要參與。而在 中斷方式中，第一個階段是cpu與I/O是 并行工作的

• 在 中斷 方式中，要想輸入一個數據，把它輸入到內存中去，依然是先要把這個數據讀入cpu，然后從cpu寫入到內存，或者是發給I/O設備。也就是說，即使是中斷方式，內存、cpu、I/O設備這三者的關系，依然是cpu在兩者的中間，內存和外設在兩邊，它們兩者之間如果要進行信息的傳輸，依然需要cpu的參與，所以即使是在 中斷 的方式中，數據的傳輸過程，依然需要cpu來做
  

• DMA方式中，cpu被進一步的從數據的輸入輸出工作中解放出來

• 這種方式，在內存和I/O之間建立了直接的通路

• 在這個周期中，cpu不能使用總線對內存進行訪問，這個周期結束以后，I/O設備可以繼續進行準備，cpu可以繼續執行現行的程序，也就是說，這個周期結束后，總線的控制權、對內存的使用權又歸還給了cpu，在這一個存取周期中，cpu雖然不能使用系統的總線，不能使用內存，不能進行訪存操作，但是在這個周期中，cpu還是可以執行
  
  

5.2 I/O設備

概述

輸入設備

輸出設備

其他、多媒體技術

5.3 I/O接口

概述

接口的功能和組成

• 狀態標記 由 觸發器 實現
  

接口類型

5.4 程序查詢方式

程序查詢流程

• 因為 程序查詢方式 中，要完成內存與外設之間數據的輸入輸出，需要借助cpu中的某一個寄存器對數據進行暫存
• 設置計數器的值，是為了控制我們傳輸的數據量
• 設置計數值，有兩種方式 ：1.如果我們要傳輸n個字，計數器的值就設為n，每完成一個字的傳輸，計數器的值就減1，直到減為0；2.把計數器的值設為-n，并且這個負數用補碼來表示，直到計數器發生溢出，里面的值變為0
• 設置計數值后，為了完成內存與I/O之間數據傳輸，我們要知道內存的這個塊的起始地址，因此要設置主存緩沖區的地址，我們保存數據或者讀取數據就從這個緩沖區的起始地址開始
• 然后就可以啟動外部設備，然后，因為我們是 程序查詢方式，cpu開始查詢I/O接口的狀態是否準備好，如果沒有準備好，cpu就原地踏步反復進行查詢，一直到狀態標志表明數據已經準備好了，這個查詢才會停止，
• 傳送好后，修改主存地址，+1或者-1，為輸入或者輸出下一個數據進行準備，同時，為了表面還有多少數據需要傳輸，計數器的值也要進行修改，+1或者-1

程序查詢方式的接口電路

• 首先需要 SEL信號 有效且 啟動命令 有效，這個I/O接口電路才會開始工作
• 以 輸入數據 為例 ：
  cpu通過 地址線 給出外部設備的地址
  設備選擇電路把自己的地址或者端口號和地址線上的地址進行比較，如果相同，說明這次啟動的是連接在這個接口上的設備，SEL這個信號會有效
  在啟動命令和SEL都有效的前提下，我們對兩個狀態標記進行質問，到目前為止，是cpu發出讀命令，設備還沒開始工作，因此 標記D 應該為0，表示數據還沒有準備好
  B1后，表示設備忙，設備開始工作，把數據準備好，并且通過輸入的數據線把它保存到DBR，此時，設備的工作結束，設備會通過設備的狀態線向接口電路送入工作結束信號，這個信號會修改接口電路中的兩個標記，此時，標記D應該被修改為1，表示數據已經準備好了，同時標記B被改為0，表示設備已經工作完成，不忙了
  在這個過程中，一直到D信號變成1之前，cpu都在原地踏步進行查詢，就是查詢D是否變成了1，查詢到D為1說明數據已經被放入到DBR中了，cpu可以進行數據傳輸了，cpu就通過數據線把數據進行讀入

5.5 程序中斷方式

中斷的概念

• 中斷 指的是，cpu在執行程序的過程中，如果發生意外事件，或者特殊事件，cpu要中斷當前程序的處理，或者當前程序的執行，轉而去處理特殊事件，或者是異常事件；處理結束后，要返回到被中斷程序的程序斷點繼續執行原來程序

I/O中斷的產生

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、數據緩存等等，還需要圖上這些
• 1.需要 中斷請求標志，由外設對中斷請求標志進行設置，表示有中斷請求；這個中斷請求標志能否變成中斷請求信號向cpu發出中斷請求，還要看這個中斷請求標志是否會被屏蔽掉，所以我們需要一個中斷屏蔽觸發器，因為有的時候，計算機正在執行的程序，或者正在執行的中斷服務程序，它的重要性要比這個設備提出的中斷請求的重要性要高，那么這個中斷標志就會被屏蔽掉，不會對cpu發出中斷請求
• 2.我們要用 排隊電路，在同一個時刻，向cpu發出中斷請求的可能有多個設備，這些設備的優先級不同，比如高速設備的優先級比較高，不然保存的數據可能丟失。經過排隊器后，只有優先級最高的那個設備提出的中斷可以被響應
• 如果要響應這個中斷，去執行中斷服務程序，cpu必須要知道中斷服務程序的入口地址，也就是中斷服務程序在內存中的起始地址，因此要采用 中斷向量地址形成部件

• 當 完成觸發器D =1時，設備已經準備好數據了并且把數據放在了DBR中，MASK若為0不被屏蔽，此時，中斷請求觸發器被設置為1，表示有中斷請求，另外，指令執行周期結束前，cpu會發出中斷查詢信號，這個中斷查詢信號會是INTR的D端的輸入，產生中斷請求

• 排隊有兩種方式，一種是通過硬件實現，另一種是軟件

• 有兩種方式完成硬件實現 ：將排隊電路集中放在cpu內部，也可以把硬件的排隊電路放在每一個接口中，然后連接在一起，組成一個鏈，這樣是鏈式排隊器

• 軟件方式實現排隊，實際上是通過查詢的方法，中斷的優先級在一個表格中進行規定

• 圖上是 鏈式排隊器
  

• 中斷向量，可以理解成中斷服務程序的入口地址

• 向量地址 指的是 中斷向量保存的內存單元的地址
  

I/O中斷處理過程

中斷服務程序流程

5.6 DMA方式

DMA方式的特點

• 這里提到的 周期 ，指的是 訪存周期（內存訪問周期）

• 這種情況下，與上一種相比，cpu可以利用這個 間隙 進行訪存操作，使主存儲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，建立對總線的控制權和對內存的使用權，因此，速度會比較快

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
  

• 速度越高的設備，優先級 越高

總結

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）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。