计算机组成原理(第3版)唐朔飞著 知识点总结 第五章输入输出系统

计算机组成原理(第3版)唐朔飞著 知识点总结 第五章 输入输出系统

  • 第五章 输入输出系统
    • 一、 概述
    • 二、 I/O设备
    • 三、I/O接口
    • 四、 程序查询方式
    • 五、 程序中断方式
    • 六、 DMA方式

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第五章 输入输出系统

一、 概述

  1. I/O设备与主机交换信息的三种方式在这里插入图片描述
  2. 输入输入系统的组成:
    (1) I/O软件
    ①I/O指令:
    在这里插入图片描述
    ②通道指令
    (2)I/O硬件: ①接口模块 ②I/O设备

3. I/O设备与主机的联络方式:

(1)I/O设备编址方式
①统一编址:全部放在内存里,将I/O地址看作是存储器地址的一部分
1)占用了存储空间
2)无需专用的I/O指令

②不统一编址:需要专用的I/O指令,I/O地址与存储器地址分开存放
1)不占内存
2)需要专用的I/O指令

(2)I/O设备寻址方式
①由I/O指令中的设备码字段,指出设备号
②通过接口电路中的设备选择电路选中设备

(3)数据传送方式
①串行:适用远距离
②并行:适用近距离,速度快,效率不一定高

(4)I/O设备与主机的联络方式
①立即响应方式:I/O工作速度缓慢
②异步工作方式:I/O与主机速度不匹配
③同步工作方式:I/O与CPU工作速度完全同步

(5)I/O设备与主机的连接方式有
①辐射式:计算机发展初级阶段
②总线式:现代计算机采用方式

4. I/O设备与主机交换信息的三种控制方式

(1)程序查询方式:
①CPU反复查询,产生踏步现象
②CPU每次只能从I/O设备读一个字

(2)程序中断方式:
特点:
①程序中断方式消除了程序查询方式的踏步现象,提高了资源利用率
②占用CPU内部寄存器,消耗资源
过程:
① 中断现行程序
② 保护断点,保存状态至寄存器
③ 转至中断服务程序
④ 处理完后返回断点

(3)DMA方式:
①进一步提高资源利用率
②主存与I/O设备之间有一条数据通路
③CPU总是将总线占有权让给DMA,让一个机器周期(又称存取周期/窃取周期/挪用周期)

二、 I/O设备

  1. I/O设备分3类
    (1)人机交互设备:键盘、鼠标等
    (2)计算机信息的存储设备:磁盘等(外存)
    (3)机-机通信设备:调制解调器、路由器等

  2. 输入设备:键盘(我们用的键盘都是编码[ASCII码]的键盘)、鼠标、触摸屏等
  3. 分辨率和灰度等级是CRT的两个重要技术指标
  4. 常见的显示器有:字符显示器、图形显示器、图像显示器
  5. 常见的打印设备有:点阵式打印机、激光打印机、喷墨打印机
  6. 汉字点阵存储,通常32个字节,

三、I/O接口

  1. I/O接口存在的意义:
    (1)实现I/O设备选择
    (2)实现I/O设备与CPU速度的匹配
    (3)实现数据串并格式的转换
    (4)实现电平转换
    (5)传送控制命令
    (6)监视设备工作状态,保存状态信息

  2. 端口与接口不同:
    (1)接口由若干个端口加以控制逻辑组成
    (2)端口是接口电路中的寄存器,用来存放数据信息、控制信息、状态信息、

  3. CPU通过输入指令,从端口读入信息,通过输出指令,可将信息写入端口中
  4. I/O总线包括:数据线、设备选择线、命令线、状态线
    (1)数据线:采用两组单向总线或一组双向总线
    (2)设备选择线:采用两组单向总线或一组双向总线
    (3)命令线:采用一组单向总线
    (4)状态线:采用一组单向总线

  5. 接口的四个功能及对应的四个硬件:
    (1)选址功能:设备选择电路(根据地址)
    (2)传送命令功能:命令寄存器及命令译码器
    (3)传送数据功能:数据缓冲寄存器(DBR)
    (4)反映I/O设备工作状态的功能:反映设备工作的触发器

四、 程序查询方式

  1. 程序查询需要执行的三条指令
    (1)测试指令:查询I/O设备是否准备就绪
    (2)传送指令:准备就绪,执行传送指令
    (3)转移指令:未准备就绪,执行转移指令,再继续执行测试指令

  2. 查询多个设备时优先级标准为:先查速度快的,离CPU越近速度越快
  3. 计数值(保存在堆栈中): 将传送的数据长度保存为负数的补码形式,每次加一至溢出则结束
  4. 程序查询方式电路组成:
    在这里插入图片描述

五、 程序中断方式

  1. 程序中断方式增加的硬件:
    (1)中断请求器触发器INTR:1提出请求,0未提出请求
    (2)中断屏蔽触发器MASK:1被屏蔽,0未被屏蔽
    (3)排队器INTP:输出只能有一个高电平。
    ①设备优先权:硬件方法——排队器,软件方法——查表
    ②排队优先级:离CPU越近优先级越高(离CPU近速度快)

    (4)设备编码器:输入来自排队器,输出中断向量(向量地址存放的是入口地址)

  2. 程序中断方式电路组成
    在这里插入图片描述

  3. EINT为中断触发器,开中断指令置位,关中断指令复位

  4. CPU响应中断的时间一定是在每条指令执行阶段的结束时刻

  5. 中断处理过程的五个阶段:
    (1)中断请求
    (2)中断判优
    (3)中断响应
    (4)中断服务
    (5)中断返回

  6. 中断服务程序的四个流程:
    在这里插入图片描述
    (2)中断服务
    (3)恢复现场
    (4)中断返回

  7. 出现新中断请求的处理方式: 单重中断和多重中断,区别:开中断时间不同
    (1)单重中断: 不理睬新的中断请求
    (2)多重中断(中断嵌套): 被新的中断请求打断去处理新的中断请求 (只能高优先级可以打断低优先级)

六、 DMA方式

  1. DMA与中断方式的数据通路的图示:在这里插入图片描述
    (1)主存和DMA接口之间有一条数据通路,交换信息时不通过CPU所以工作速度快
    (2)所以I/O设备通过接口交换信息
    (3)DMA接口与CPU共享主存

  2. DMA与主存交换数据的三种方法:
    (1)停止CPU访问内存(DMA优先级比CPU高)
    (2)周期挪用(周期窃取)
    三种情况:
    ①CPU此时不需要访问主存:此时无冲突
    ②CPU正在访问主存的过程中:等待CPU访问结束
    ③CPU此时需要访问主存:I/O先访问,CPU后访问

    (3)DMA与CPU交替访问

  3. DMA接口功能:
    (1)向CPU申请DMA传送
    (2)转交总线控制权
    (3)管理系统
    (4)确定数据传送的起始地址和数据长度,修正数据传送过程中的数据地址和长度
    (5)给出DMA操作完成的信号

  4. DMA接口基本组成
    (1)主存地址寄存器(AR)
    (2)字计数器(WC)
    (3)数据缓冲寄存器(BR)
    (4)DMA控制逻辑
    (5)中断机构
    (6)设备地址寄存器(DAR)

  5. DMA传送过程3个阶段
    (1)预处理:
    ①指明传送方向(输入或输出)
    ②给地址寄存器送入要启动的设备号并启动
    ③给地址寄存器送入主存起始地址
    ④给字计数器赋值
    (2)数据传送: 字计数器溢出时停止
    (3)后处理: 做DMA结束工作。校验送入主存的数据是否正确;对接口初始化;出错转至错误诊断及处理错误程序。

  6. DMA与程序中断方式对比
    在这里插入图片描述

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