上篇:第四章、存储器
输入输出系统是计算机系统当中种类最多、功能最多、结构最复杂的系统。在现代计算机系统当中,外部设备总的成本可以占到计算机总成本的 80% 以上,没有这些丰富多彩的外部设备,就没有计算机在各种领域的大规模运用。
早期阶段
早期的 I/O 设备种类较少,I/O 设备与主机交换信息都必须通过 CPU。
串行
工作,信息的传输方式为 程序查询方式
接口模块和 DMA 阶段
这个阶段 I/O 设备通过接口模块与主机连接,计算机采用了总线结构。
特点:
并行
工作,信息的传输方式分为中断方式
和 DMA 方式
具有通道结构的阶段
在大、中型计算机系统中,采用 I/O 通道的方式进行数据交换。
具有 I/O 处理机的阶段
这个结构的结构比通道结构更加复杂,它采用了 I/O 处理机,I/O 处理机能独立于主机工作,所以具有更大的独立性。
由此可见,随着输入输出系统的发展来看,数据的输入和输出操作逐渐地从 CPU 当中分离出来,外部设备的独立性越来越强。
输入输出系统由 I/O 软件
和 I/O 硬件
两部分组成。
I/O 软件
I/O 软件的主要任务:① 将用户编制的程序输入到主机中;② 将运算结构输送给用户;③ 系统 I/O 系统和主机的工作。
I/O 软件可分为:
(2)通道指令:又叫通道控制字(CCW),是通道自身的指令,是对具有通道的 I/O 系统专门设置的指令,它能够实现 I/O 设备和主机之间直接进行信息传送。需要指出数据的首地址、传送字数、操作命令。
I/O 硬件
在有接口的 I/O 系统下,一般包括 I/O 设备
和接口模块
两大部分,设备通过接口连接在总线上和主机完成信息交换;如果采用通道的方式,设备
连接 设备控制器
,设备控制器
连接子通道,子通道连接通道
。
1. I/O 设备编址方式
I/O 设备是有地址的,主机要和 I/O 设备进行联系的话,必须要给出 I/O 设备的地址,所以首先要对 I/O 设备进行编址,编址有两种方式:
2. 设备寻址
每一台设备都有一个设备号,用设备选择电路
识别是否被选中。
3. 传送方式
4. 联络方式
5. 设备与主机的连接方式
程序查询方式
程序中断方式
DMA 方式
中央处理器和主存构成了主机,除主机外的大部分硬件设备都可以称作外部设备
,或叫外围设备
,简称外设
。
外部设备大致可分为三大类:
输入设备完成输入程序、数据和操作命令等功能。
普遍
的输入设备,它可通过键盘上的各个键,按某种规范
向主机输入各种信息。如:汉字、外文、数字等。手持式
的坐标定位
部件,可分为:
机械式鼠标器
光电式鼠标器
。计算机的外部设备中有一类属于既是输入设备,又是输出设备,如:磁盘、终端、A/D、D/A转换器,以及汉字处理设备等。
多媒体指组合两种或两种以上媒体的一种人机交互式信息交流和传播媒体。使用的媒体包括文字、图片、照片、声音、动画和影片,以及程式所提供的互动功能。
多媒体计算机的关键技术:
接口可以看作是两个系统或两个部件之间的交接部分,它既可以是两种硬设备之间的连接电路,也可以是两个软件之间的共同逻辑边界。
为什么要设置接口?
总线连接方式的 I/O 接口电路:
总线结构的计算机,每一台设备都是通过 I/O 接口挂到系统总线上的,I/O 总线包括数据线
、设备选择线
、命令线
和状态线
。
接口的功能和组成:
程序查询方式的核心问题在于每时每刻需不断查询 I/O 设备是否准备就绪。
单个设备的查询流程示意图:
完成这种查询需要三条指令:
多个设备的查询流程示意图:
当 I/O 设备较多时,CPU 需按各个 I/O 设备在系统中的优先级别进行逐级查询。
程序查询方式的程序流程:
CPU 通过地址线给出外部设备的地址,设备选择电路把自己的设备或者是端口号和地址线上的地址进行比较,如果相同,说明启动就是连接在该接口上的设备,SEL 有效
计算机在执行程序的过程中,当出现异常情况或特殊请求时,计算机停止现行程序的运行,转向对这些异常情况或特殊请求的处理,处理结束后再返回到现行程序的间断处,这个就是中断。
在 I/O 与主机交换信息时,由于设备本身机电特性的影响,其工作速度较低,与 CPU 无法匹配,因此,CPU 启动设备后,往往需要等待一段时间才能实现主机与设备交换信息,如果在设备准备的同时,CPU 不作无谓的等待,而继续执行现行程序,只有当 I/O 准备就绪向 CPU 提出请求后,再暂时中断 CPU 现行程序转入 I/O 服务程序,这便产生了 I/O 中断。
为处理 I/O 中断,在 I/O 接口电路中必须配置相关的硬件线路。
EINT
= 1开中断
指令将 EINT 置 “1”关中断
指令将 EINT 置 “0” 或硬件 自动复位
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
主存和 DMA 接口之间有一条数据通路,因此主存和设备交换信息时,不通过 CPU,也不需要 CPU 暂停现行程序为设备服务,省去保护现场和恢复现场,因此工作速度比程序中断方式高,数据也不容易丢失。
DMA 与主存交换数据时可采用如下三种方法:
DMA 接口的功能:
申请
DMA 传送控制器的转变
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
给出操作完成信号
2. DMA 接口与系统的连接方式
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 |
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