计算机组成原理（5）

输入输出系统

1. 早期

• 分散连接
• CPU和I/O设备串行工作 外部设备与主机的连接采用程序查询方式

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. 具有通道结构的阶段
4. 具有I/O处理器阶段

输入输出系统的组成

• I/O软件

  • I/O指令 CPU指令的一部分
    

  • 通道指令 通道自身的指令

    • 指出数组的首地址、传送字数、 *** 作命令

• I/O硬件

  • 设备 I/O接口
  • 设备 设备控制器

I/O设备与主机的联系方式

• 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
• 设备选址
  • 用设备选择电路识别是否被选中
• 传送方式
  • 串行
  • 并行
• 联络方式
  • 立即响应
  • 异步（并行或串行）工作采用应答信号
  • 同步工作采用同步时标
• I/O设备与主机的连接方式
  • 辐射式连接 每台设备都配有一套控制线路和一组信号线（不便于增删设备）
  • 总线连接 便于增删设备

I/O设备与主机信息传送的控制方式

• 程序查询方式
  • 串行工作
• 程序中断方式：CPU和I/O部分的并行工作
  • 自身准备（CPU不查询）
  • 与主机交换信息（CPU暂停现行程序）
• DMA方式
  • 主存和I/O之间有一条直接数据通道（不需要中断现行程序）
  • 周期挪用（周期窃取）
  • 并行 *** 作

程序查询、程序中断、DMA三者信息交换特点

查询：CPU与设备串行工作，传送与主程序串行工作
中断：CPU与设备并行工作，传送与主程序串行工作
DMA: CPU与设备并行工作，传送与主程序并行工作

三种控制方式CPU工作效率比较

I/O设备

外部设备 大致分三类

• 人机交互设备 键盘、鼠标、打印机
• 计算机信息存储设备 磁盘、光盘、磁带
• 机——机通信设备 调制解调器等

输入设备

• 键盘 按键 判断哪个键按下 将此键翻译成ASCⅡ嘛（编码键盘法）
• 鼠标
  • 机械式 金属球 电位器
  • 光电式 光电转换器
• 触摸屏

输出设备

• 显示器
  • 字符显示 字符发生器
  • 图形显示 主观图像
  • 图像显示 客观图像
• 打印机
  • 击打式 点阵式（逐字、逐行）
  • 非击打式 激光（逐页）喷墨

其他类型设备

• A/D、D/A 模拟/数字（数字/模拟）转换器
• 终端 (由键盘和显示器组成) 完成显示控制与存储、键盘管理及通信控制
• 汉字处理 汉字输入、汉字存储、汉字输出

多媒体技术

I/O接口

设置接口的目的

• 实现设备的选择
• 实现数据缓冲达到速度匹配
• 实现数据串——并格式转换
• 实现电平转换
• 传送控制命令
• 反映设备的状态

总线连接方式的I/O接口电路

接口的功能和组成

功能	组成
选址功能	设备选择电路
传送命令的功能	命令寄存器、命令译码器
传送数据的功能	数据缓冲寄存器
反映设备状态的功能	设备状态标记

• 完成触发器D
• 工作触发器B
• 中断请求触发器INTR
• 屏蔽触发器MASK

程序中断方式

I/O中断的产生

程序中断方式的接口电路

• 配置中断请求触发器(INTR，为1时有请求)和中断屏蔽触发器(MASK，为1时被屏蔽)
• 排队器
  • 硬件 在CPU内或在接口电路中（链式排队器）
  • 软件
• 中断向量地址形成部件
  • 入口地址
    • 由软件产生
    • 硬件向量法 由硬件产生向量地址，再由向量地址找到入口地址
• 程序中断方式接口电路的基本组成
  

I/O中断处理过程

• CPU响应中断条件和时间
  • 条件： 允许中断触发器EINT=1 开中断指令将EINT置1，关中断置0或者硬件自动复位
  • 时间：当D=1且MASK=0时（在每条指令执行阶段的结束前CPU发中断查询信号）

中断服务程序流程

• 保护现场
  • 程序断点的保护 中断隐指令完成
  • 寄存器内容的保护 利用进栈指令保护
• 中断服务
  • 对不同的I/O设备具有不同内容的设备服务
• 恢复现场 出栈指令
• 中断返回 中断返回指令

单重中断和多重中断

• 单重中断 不允许中断现行的中断服务程序
• 多重中断 允许级别更高的中断源中断现行的中断服务程序
  服务程序流程
  

DMA方式

DMA与主存交换数据的三种方式

• 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
• 周期挪用（或周期窃取）
  • DMA访问主存有三种可能
    • CPU此时不访存
    • CPU正在访存
    • CPU与DMA同时请求访存，此时CPU将总线控制权让给DMA

DMA接口的功能和组成

• 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 *** 作完成信号

DMA的工作过程

• DMA传送过程
  • 预处理：通过几条输入输出指令预置以下信息
    • 通知DMA控制逻辑传送方向
    • 设备地址-＞DMA的DAR
    • 主存地址-＞DMA的AR
    • 传送字数-＞DMA的WC
  • 数据传送
    • 输入
    • 输出
  • 后处理
    • 校验送入主存的数是否正确
    • 是否继续使用DMA
    • 测试传送过程是否正确，错则转诊断程序
    • 由中断服务程序完成

DMA方式与程序中断方式的比较

	中断方式	DMA方式
数据传送	程序	硬件
响应时间	指令执行结束	存取周期结束
处理异常情况	能	不能
中断请求	传送数据	后处理
优先级	低	高

DMA接口的类型

• 选择型
  • 在物理上连接多个设备
  • 在逻辑上只允许连接一个设备
• 多路型
  • 在物理上连接多个设备
  • 在逻辑上允许连接多个设备同时工作