笔记篇：计算机组成原理第五章 输入输出系统
计算机组成原理第五章 输入输出系统
5.1 概述
5.1.1 输入输出系统的发展概况
- 早期
- CPU和I/O设备串行工作程序查询方式
- 接口模块和 DMA 阶段
- 总线连接
- 具有通道结构的阶段
- 具有 I/O 处理机的阶段
5.1.2 输入输出系统的组成
- I/O 软件
- I/O 硬件
5.1.3 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
- 总线连接
- 便于增删设备
5.1.4 /O设备与主机信息传送的控制方式
- 程序查询方式
- 程序中断方式
- DMA方式
- 主存和 I/O 之间有一条直接数据通道
- 不中断现行程序
- 周期挪用（周期窃取）
- 三种方式的CPU工作效率比较
5.2 外部设备
5.2.1 概述
外部设备大致分三类
- 人机交互设备
- 键盘
- 鼠标
- 打印机
- 显示器
- 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
5.2.2 输入设备
- 键盘
- 按键
- 判断哪个键按下
- 将此键翻译成 ASCII 码 （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
5.2.3 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（逐字）
5.2.4 其它
- AD、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
5.2.5 多媒体设备
- 什么是多媒体
- 多媒体计算机的关键技术
5.3 I/O接口
5.3.1 概述
为什么要设置接口?
- 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(“忙”、“就绪”、“中断请求”
5.3.2 接口的功能和组成
- 总线连接方式的 I/O 接口电路
- 设备选择线
- 数据线
- 命令线
- 状态线
- 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
- I/O接口的基本组成
5.3.3 接口类型
5.4 程序查询方式
5.4.1 程序查询流程
- 查询流程
- 程序流程
5.4.2 程序查询方式的接口电路
5.5 程序中断方式
5.5.1 中断的概念
5.5.2 I/O 中断的产生
5.5.3 程序中断方式的接口电路
- 配置中断请求触发器和中断屏蔽触发器
- 排队器
- 中断向量地址形成部件
- 程序中断方式接口电路的基本组成
5.5.4 I/O 中断处理过程
- CPU响应中断的条件和时间
- 条件
- 允许中断触发器 EINT = 1
- 用 开中断 指令将 EINT 置 “1”
- 用 关中断 指令将 EINT 置“ 0” 或硬件 自动复位
- 时间
- 当D = 1（随机）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（将 INTR 置“1” ）
- I/O中断处理过程
5.5.5 中断服务程序流程
- 中断服务程序的流程
- 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——进栈指令
- 中断服务
- 对不同的IO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
- 单重中断和多重中断的服务程序流程
- 程序中断接口芯片 8259A 的内部结构
- 主程序和服务程序抢占 CPU 示意图
5.6 DMA方式
5.6.1 DMA方式的特点
- DMA 和程序中断两种方式的数据通路
- 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 访问主存有三种可能
- DMA 与 CPU 交替访问
5.6.2 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,给出操作完成信号
- DMA 接口组成
5.6.3 DMA 的工作过程
- DMA传送过程
-
预处理、数据传送、后处理
-
预处理
-
DMA 传送过程示意
-
数据传送过程（输入）
-
数据传送过程（输出）
-
后处理
- 校验送入主存的数是否正确
- 是否继续用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 接口与系统的连接方式
- 具有公共请求线的 DMA 请求
- 独立的 DMA 请求
- 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 |
5.6.4 DMA 接口的类型
- 选择型
- 多路型
- 多路型 DMA 接口的工作原理