计算机组成原理学习（哈工大视频）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：分散连接，CPU和I/O设备 串行工作
接口模块和DMA（直接存储器存取）阶段：总线连接，CPU和I/O 设备 并行工作（中断方式和DMA方式）
具有通道结构的阶段：通道可以看做简单的处理器或者小型的功能更强的DMA处理器，可以处理通道程序，通道具有自己的指令系统，通过处理通道程序，可以使连接到通道上的I/O设备直接和主机实现信息传输
具有I/O处理机的阶段：在现代大型设备上，可以使用微处理器直接作为I/O处理机使用，控制I/O设备工作。
随着I/O设备发展，输出输出系统逐渐的从CPU中分离出来，外部设备的独立性越来越强。

5.1.2输入输出系统的组成
I/O软件：I/O指令（CPU指令的一部分，其组成格式是：操作码|命令码|设备码，其中操作码相当于I/O指令的标志，表示这个指令是I/O指令，命令码相当于CPU普通指令中的 操作码，指出对I/O设备做什么操作，设备码相当于I/O设备或其寄存器的的地址），通道指令（通道自身的指令，小型的DMA处理机，能够实现I/O设备和主机之间直接传送，通道有自己的控制器，甚至存储器，可以直接执行自己的通道指令或通道程序。通道指令要指出数组的首地址，传送字数，操作命令）
I/O硬件：设备，I/O接口，或者设备，设备控制器，通道

5.1.3I/O设备与主机的联系方式（I/O设备有自己的地址，故主机要和设备联系，首先要有设备的地址）
I/O设备编址方式：统一编址（把I/O设备的地址看成内存地址的一部分，故CPU可以直接利用取数、存数指令对I/O设备进行操作），不统一编址（在内存地址之外，专门设置一个地址空间，要用专用的I/O指令进行操作）
设备选址：用设备选择电路识别设备是否被选中（把指令的地址和I/O设备保存的地址进行比较，相同，则该设备被选中）
传送方式：串行（数据一位一位的进行传输，速度比价慢，但适合远程传输），并行（同时有多位数据在数据线上进行传输）
联络方式：
立即响应（对一些结构简单的设备，对于数据可以直接进行显示）；
异步工作采用应答信号：

同步工作采用同步时标
I/O设备和主机之间的连接方式：
辐射式连接：每增加一个I/O设备，要配套增加一个控制电路

总线连接：外部设备通过接口和主机进行连接，便于增删设备，实现I/O设备的易于移植

5.1.4I/O设备与主机信息传送的控制方式
程序查询方式（CPU和外设是通过串行方式工作）：CPU向I/O设备发出指令后，要等待设备准备好（这个时间比较长）。这段时间内CPU只能一直查询设备是否准备好，处于等待状态，不能做其他的事情，导致CPU的效率非常低。这种方式，内存要和设备进行交换时，必须经过CPU

程序中断方式（CPU实现了和外设部分的并行工作，既外设在准备数据时，CPU可以依旧工作。将I/O工作分为两个阶段，自身准备（CPU不查询）和与主机交换信息（CPU暂停现行程序，为I/O设备服务），故实现CPU在设备准备阶段，依然正常执行主程序，不会出现长时间等待。但在数据的传输过程中，主程序依旧需要暂停，CPU为设备服务。依旧是CPU位于内存和外设之间，故所有的数据传输都需要经过CPU）：


DMA（direct memary access）方式（把CPU进一步的从数据的输入输出中解放出来，实现I/O设备和内存直接连接，有DMA控制器或接口实现。由于通过DMA实现内存和外设的连接通信，依旧需要总线，地址线和数据线，故会周期性的占用总线，地址线和数据线，称为周期挪用，这个周期内CPU不能使用总线和内存连接，失去了总线的控制权）：

三种方式的CPU工作效率比较：

5.2外部设备
5.2.1 概述

外部设备大致分为三类：人机交互设备（把人能够识别的信息转换成计算机能够识别的信息，并输入到计算机中，或者，把计算机中的二进制信息转换成人能够识别的信息，比如：键盘、鼠标、打印机、显示器），计算机信息存储设备（磁带，光盘，磁带），机——机通信设备（调制解调器）
5.2.2 输入设备（把人能够识别的信息输入到计算机中）
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，喷墨）
5.2.4 其他
A/D、D/A ,模拟/数字（数字/模拟）转化器
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
数据的压缩，解压缩，编码技术，专用芯片，语音的识别，图像的识别

5.3I/O接口
5.3.1概述
接口要实现：设备的选择；数据缓冲达到速度匹配；数据串——并格式转化；电平的转换；传送控制命令反应设备的状态（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：

接口要具有的功能：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），反应设备状态的功能（设备状态标记）
I/O接口的基本组成：

5.3.3接口类型
按数据传送方式分类：串行接口，并行接口
按功能选择的灵活性分类：可编程接口，不可编程的接口
按通用性分类：通用接口，专用接口
按数据传送的控制方式分类：中断接口，DMA接口

5.4程序查询方式
5.4.1程序查询方式的流程
查询流程
单个设备：查询流程中使用三条指令，测试指令（检查状态是否就绪），转移指令，传送指令

多个设备：根据设备的优先级先后次序，依次检查各个设备

程序流程

5.4.2程序查询方式的接口电路
以输入为例：（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）

5.5程序中断方式
5.5.1中断的概念
CPU在执行程序的过程中，如果发生意外事件，或者特殊事件，CPU要中断当前程序的处理或者当前程序的执行，转而去执行这个意外事件或者特殊事件，通过中断服务程序的方式进行处理，处理结束之后，要返回中断的断点，继续执行原来的程序。

5.5.2I/O中断的产生
中断源：在主机的外部，内部，CPU的内部，外部能够引发CPU中断的因素，就是中断源
以 打印机为例：CPU和打印机部分并行工作

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：INTR（中断请求触发器，INTR=1，有请求），MASK（中断屏蔽触发器，MASK=1，被屏蔽），D（完成触发器）

排队器：硬件（在CPU内或者在接口电路中，实现链式排队器），软件（详见第八章）
链式排队器：

中断向量地址形成部件
中断服务程序的入口地址：由软件产生（详见第八章），硬件向量法（由硬件产生向量地址（中断服务程序的入口地址或则程序状态字），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

5.5.4I/O中断处理过程
CPU相应中断的提条件和时间：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值“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值“1”））
I/O中断处理过程（以输入为例）：（DBR（data buffer register））

5.5.5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（进栈指令）
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：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（中断嵌套，有点像递归）
单重中断和多重中断的服务程序流程：

主程序和服务程序抢占CPU示意图：宏观上CPU和I/O并行工作，微观上CPU中断现行程序为I/O服务

5.6DMA（direct memory access）方式
5.6.1DMA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访问内存：（将总线的所有权交给DMA，适合大量数据情况）：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（周期窃取，周期指访存周期）：DMA访问主存有三种可能（CPU此时不访存；CPU正在访存；CPU和DMA同时请求访存，此时CPU将总线控制权让给DMA），提高CPU对于主存的利用率

DMA和CPU交替访问：CPU工作周期分为C1（专供DM访存）和C2（专供CPU访存），不需要申请建立和归还总线的使用权

5.6.2DMA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：CPU要首先告诉DMA接口操作的地址AR（address register），传输的数据量WC（word count），数据缓冲器BR（buffer register），设备地址寄存器DAR(device address register）。（DREQ device request，DACK device acknowledge）

5.6.3DMA的工作过程
DMA传送过程：预处理（数据在传输之前，需要做的相应的设置。通过几条输入输出指令预置如下信息：同时DMA控制逻辑传送方向（入\出），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，后处理

数据传送过程（输入）：

数据的传送过程（输出）：

后处理内容：校验送入主存的数据是否正确；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：

5.6.4DMA接口的类型
选择性：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（几个DMA可以同时进行数据准备，但在真正的传输数据到主存时，同样只允许一个进行工作）

多路型DMA接口的工作原理：（速度越高的设备，优先级越高）