计算机组成原理知识点总结（第2篇 第5章 输入输出系统）

基于计算机组成原理（第2版）唐朔飞编著

第5章 输入输出系统

输入输出系统发展的四个阶段：

• 早期阶段（分散连接）
  I/O设备与CPU按串行方式连接（程序查询方式）
• 接口模块和DMA阶段（总线连接）
  CPU和I/O设备并行工作（程序中断方式、DMA方式）
• 具有通道结构的阶段
• 具有I/O处理机的阶段

I/O指令的命令码一般可表述如下几种情况：

• 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
• 形成某些操作命令

通道指令：

• 通道指令又称为通道控制字，是通道用于执行I/O操作的指令，可以由管理程序存放在主存的任何地方。通道程序由通道指令组成，它完成某种外围设备与主存之间传送信息的操作。
  通道指令是通道自身的指令，用来执行I/O操作。

I/O设备编址方式：

• 通常将I/O设备码看做地址码，对I/O地址码的编址可采用两种方式：统一编制和不统一编制。

按I/O设备工作速度的不同，可分为三种联络方式：

• 立即响应方式
• 异步工作采用应答信号联络
• 同步工作采用同步时标联络

I/O设备与主机的连接方式：

• 辐射式和总线式
• 辐射式连接方式要求每台I/O设备都有一套控制线路和一组信号线，不便于增删设备。
• 总线连接方式，便于增删设备。

I/O设备与主机交换信息时，共有5种控制方式：

• 程序查询方式
• 程序中断方式
• 直接存储器存取方式（DMA）
• I/O通道方式
• I/O处理机方式

程序查询方式：

只要一启动I/O设备，CPU便不断查询I/O设备的准备情况，从而终止了原程序的执行。CPU在反复查询过程中，犹如原地“踏步”。另一方面，I/O设备准备就绪后，CPU要一个字一个字地从I/O设备取出，经CPU送至主存，此刻CPU也不能执行原程序。这种方式使CPU和I/O设备处于串行工作状态，CPU的工作效率不高。

程序中断方式：

CPU向I/O设备发读指令后，仍在处理其他事情，当I/O设备向CPU发出请求后，CPU才从I/O接口读一个字经CPU送至主存。不出现“踏步”现象，CPU和I/O部分并行工作。
采用程序中断方式，CPU和I/O接口不仅在硬件方面需增加相应的电路，而且在软件方面还必须编制中断服务程序。

DMA方式：
主存与I/O设备之间有一条数据通路，主存与I/O设备交换信息时，无须调用中断服务程序。若出现DMA和CPU同时访问主存，CPU总是将总线占有权让给DMA。
DMA方式进一步提高了CPU的资源利用率。

I/O设备：

• 人机交互设备
• 计算机信息的存储设备
• 机-机通信设备
  调制解调器（Modem）

打印设备按印字原理划分，有击打式和非击打式。

I/O总线包括数据线、设备选择线、命令线和状态线。

• 数据线：数据线是I/O设备与主机之间数据代码的传送线，其根数一般等于存储字长的位数或字符的位数，它通常是双向的，也可以是单向的。
• 设备选择线：用来传送设备码，它的根数取决于I/O指令中设备码的位数。如果把设备码看做是地址号，那么设备选择线又可称为地址线。
• 命令线：主要用以传输CPU向设备发出的各种命令信号，如启动、清除、屏蔽、读、写等。它是一组单向总线，其根数与命令信号多少有关。
• 状态线：状态线是将I/O设备的状态向主机报告的信号线。它也是一组单项总线。

接口的功能：

• 选址功能：由于I/O总线与所有设备的接口电路相连，但CPU究竟选择哪台设备，还得通过设备选择线上的设备码来确定，该设备码将送至所有设备的接口，因此，要求每个接口都必须具有选址功能。
• 传送命令的功能：当CPU向I/O设备发出命令时，要求I/O设备能做出响应，如果I/O设备不具备传送命令信息的功能，那么设备将无法响应，故通常在I/O接口中设有存放命令的命令寄存器以及命令译码器。
• 传送数据的功能：既然接口处于主机与I/O设备之间，因此数据必须通过接口才能实现主机与I/O设备之间的传送。这就要求接口中具有数据通路，完成数据传送。
• 反映I/O设备工作状态的功能：为了使CPU能及时了解各I/O设备的工作状态，接口内必须设置一些反映设备工作状态的触发器。

接口类型：

• 按数据传送方式分类，有并行接口和串行接口
• 按功能选择的灵活性分类，有可编程接口和不可编程接口
• 按通用性分类，有通用接口和专用接口
• 按数据传送的控制方式分类，有程序型接口和DMA接口

计算机系统引入中断技术解决了：

• I/O设备工作速度低
• 在突然掉电的瞬间立即启动另一个备份电源，并迅速进行一些必要的处理
• CPU能即时响应外来信号的请求

CPU总是在统一的时间，即每条指令执行阶段的最后时刻，查询所有的设备是否有中断请求。

设备优先权的处理可以采用硬件方法，也可采用软件方法。
硬件排队器：链式排队器。

入口地址的寻找也可用硬件或软件的方法来完成。
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。

CPU响应I/O设备提出中断请求的条件是必须满足CPU中的允许中断触发器EINT为“1”。该触发器可用开中断指令置位；也可用关中断指令或硬件自动使其复位。

一次中断处理的过程：中断请求、中断判优、中断响应、中断服务和中断返回。

一般中断服务的流程分四大部分：保护现场、中断服务、恢复现场和中断返回。

中断服务程序的最后一条指令通常是一条中断返回指令。

从宏观上分析，实现了CPU与I/O的并行工作，实现了CPU的资源利用率。微观操作分析，发现CPU在处理中断服务程序时仍需暂停原程序的正常运行。

DMA与主存交换数据时采用如下三种方法：

• 停止CPU访问主存
  优点：控制简单
  缺点：DMA接口在访问主存时，CPU基本上处于不工作状态或保持原状态
• 周期挪用（周期窃取）
• DMA与CPU交替访问

DMA的数据传送过程分为预处理、数据传送和后处理3个阶段

	程序中断方式	DMA方式
数据传送	程序	硬件
CPU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	处理数据	后处理
优先级	低	高

DMA接口：选择型、多路型