计组+系统01：15min导图复习 总线、I/O系统与中断

前言

图源：文心一言

考研笔记整理，纯复习向，思维导图基本就是全部内容了，不会涉及较深的知识点~~

• 第1版：查资料、画I/O与中断的思维导图~
• 第2版：查资料、画总线的思维导图~

编辑： 梅头脑

参考用书：王道考研《2024年 计算机组成原理考研复习指导》《2024年 操作系统考研复习指导》

参考视频：7.1_1_输入输出系统和IO控制方式_哔哩哔哩_bilibili

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思维导图

•  计组 第6章 总线

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•  计组 第7章 I/O系统 + 系统 第5章 I/O管理

• 如果图片看不清的话，可以试试存到本地然后放大~
• 思维导图总结于王道教材计组第7章 I/O系统+操作系统第5章的I/O管理，第6章 总线的内容~其中，第7章是考过大题的，第6章内容比较少，可能会和第7章混在一起出出选择题的样子~
• 博文后面会以大纲的形式复述一遍，面向复习，不会写得很详细；如果想仔细了解知识点，或许可以考虑以下两种方式——
  • 王道咸鱼老师的视频：7.1_1_输入输出系统和IO控制方式_哔哩哔哩_bilibili
  • 较为重要的内容有从网络找相关配图并给出原文链接，点击配图的链接可以传送到大佬们的博文，也很适合快速复习~

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目录

前言

思维导图

 计组 第6章 总线

 计组 第7章 I/O系统 + 系统 第5章 I/O管理

目录

I/O设备

按信息交换单位分类

按资源分配管理分类

I/O接口

主要功能

基本结构

I/O指令

端口及编址

I/O方式

程序查询方式

程序中断方式

DMA方式

通道方式

计算题目

I/O软件层次结构

层次结构

系统处理流程

设备独立性软件

SPOOLing技术

设备驱动接口

结语

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• I/O设备

  • 按信息交换单位分类

    • 字符设备【例，键盘】：传输效率较低，不可寻址，通常采用中断I/O方式
    • 块设备【例，磁盘】：传输速率较高，可寻址，通常采用DMA控制方式 

    

    图源：5.1.1 什么是I/O设备？有几类I/O设备？BitHachi的博客-CSDN博客

  • 按资源分配管理分类

    • 独占设备【例，打印机】：临界资源，可能导致死锁，需要资源调度算法
    • 共享设备【例，磁盘】：一段时间允许多个资源访问，每个时刻只有一个进程访问，不会死锁；必须支持可寻址，随机访问
    • 虚拟设备【例，spooling技术】：将一台独占物理设备虚拟化为多台逻辑设备

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• I/O接口

  • 主要功能

    • 数据传输：数据信息、状态信息、控制信息等
    • 控制和定时：解决主机与外设时序配合问题
    • 数据缓冲：匹配CPU与外设传输速度
    • 信号格式转换：匹配计算机与外设信号格式

  • 基本结构

    • 主机侧【系统总线】

      • 数据线
        • 数据寄存器：CPU读写，存放输入输出数据，实现数据缓冲
        • 状态寄存器：CPU读取，存放外设的执行结果和状态信息
        • 控制寄存器：CPU写入，存放外设的启动命令和更改外设的模式
      • 地址线
        • 地址译码与I/O控制逻辑：I/O接口寄存器地址
      • 控制线
        • 地址译码与I/O控制逻辑：读/写信号、仲裁信号【例，中断请求信号】、握手信号

    • 设备侧【接口电缆】

      • 外设界面控制逻辑【驱动程序协助】
        • 控制线：控制寄存器中的命令字进行译码
        • 数据线：收集并发出数据缓冲线到外设的数据
        • 状态线：收集外设状态到状态寄存器

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    图源：IO 设备的分类与概念、IO控制器_io控制器和io设备的区别-CSDN博客 

  • I/O指令

    • 功能：对数据缓冲寄存器、状态/控制寄存器的访问操作，通常发生在通用寄存器和I/O端口之间
    • 权限：只能在操作系统内核的底层I/O软件中使用，是一种特权指令

  • 端口及编址

    • 端口
      • 概念：接口电路中可被CPU直接访问的寄存器，例如数据缓冲寄存器、状态/控制寄存器
      • 分类：数据端口【读写操作】、状态端口【读操作】、控制端口【写操作】
    • 接口
      • 概念：若干I/O端口+相应的控制逻辑=I/O接口，I/O接口也叫做【设备控制器】或【I/O适配器】
    • 编址
      • 统一编址：I/O端口当作内存的地址进行分配，通过地址码区分存储单元和I/O设备，使用统一的访存指令可访问I/O端口
      • 独立编址：I/O端口的地址空间与主存地址空间是两个独立的地址空间，需要设置专门的I/O指令访问I/O端口 

    

     图源：IO 设备的分类与概念、IO控制器_io控制器和io设备的区别-CSDN博客 

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• I/O方式

  • 程序查询方式

    • 主要特点：（1）控制完全由CPU执行程序实现，CPU与I/O串行工作；（2）数据传送由软件完成
    • 响应时间：（1）独占查询；（2）定时查询

  • 程序中断方式

    • 主要特点：数据准备阶段CPU与I/O并行工作，传送与主程序串行工作
    • 响应时间：对于可屏蔽中断请求的响应，发生在指令的执行周期结束时【指令周期=取指周期+间址周期+执行周期+中断周期】
    • 适用：针式打印机等不是很占用CPU工作时间的低速设备，或键盘、鼠标等需要CPU立即响应的设备
    • 中断分类【广义中断】

      • 内部异常：是CPU执行指令引起的中断
        • 故障【软件中断】：指令执行引起的异常，如缺页、除数为0、运算溢出等
        • 自陷【软件中断】：用于在用户态下调用操作系统内核程序
        • 终止【硬件中断】：CPU遇到无法执行的硬件故障，如控制器出错，存储器校验错
        • 备注：内核调用操作系统是自陷中断，内核态转用户态是操作系统实现，用户态转内核态是硬件实现
      • 外部异常【狭义中断】：非CPU执行指令引起的中断
        • 可屏蔽中断INTR
        • 不可屏蔽中断NMI

    • 基本步骤

      • 中止现行程序
      • 处理中断请求
      • 返回断点，继续执行原程序

      

      图源：计算机组成原理-总线_YuanbaoQiang的博客-CSDN博客

    • 中断识别

      • 软件识别：异常状态寄存器，检测异常和中断类型
      • 硬件识别：CPU通过中断源获得中断类型号，据此计算出对应向量的地址，查询中断向量表计算出对应中断服务程序的入口地址，送入PC
      • 备注：中断向量表存放在内存中，通常开机时操作系统初始化

    • 单重中断

      • 响应过程【硬件实现】
        • 关中断：保存程序的断点和现场信息，不能相应更高级中断源的中断请求
        • 保存断点：将原程序的断点和程序状态【PC寄存器和PSW寄存器】的内容保存在栈和特定寄存器中
        • 引出中断服务程序：识别中断源，将对应的服务程序入口地址送入程序计数器PC
      • 处理过程【系统实现】
        • 保存现场【工作的通用寄存器】
        • 执行中断服务程序
        • 恢复现场
        • 开中断、中断返回：继续执行原程序

      

      图源：I/O方式 —— 程序中断方式_starter_zheng的博客-CSDN博客

    • 多重中断
      • 中断响应优先级

        • 不可屏蔽中断 > 内部异常 > 可屏蔽中断，内部异常：硬件故障 > 软件故障
        • DMA中断 > I/O设备传送，IO设备传送：高速 > 低速，输入 > 输出【避免数据覆盖】，实时 > 普通
        • 访管【用户态系统调用】 > 程序性【进程抢占CPU】

      • 中断屏蔽技术实现

        • 屏蔽字触发器：改变可屏蔽中断的优先级，1表示屏蔽该中断源的请求，0表示可以正常申请；中断源不能中断自身，因此也设置为1
        • 屏蔽器寄存器：所有屏蔽触发器组合在一起

      • 处理过程【系统实现】

        • 保存现场【工作的通用寄存器】和屏蔽字
        • 开中断：允许更高请求得到相应，实现中断嵌套
        • 执行中断服务程序
        • 关中断：保证恢复现场和屏蔽字时不被中断
        • 恢复现场和屏蔽字
        • 开中断、中断返回：继续执行原程序

        

        图源：中断优先级/嵌套 详解_ZC·Shou的博客-CSDN博客

  • DMA方式

    • 主要特点：（1）数据准备阶段CPU与I/O并行工作，传送与主程序并行工作（2）内存与外设数据传送不再经过CPU（3）数据传送由硬件完成
    • 响应时间：对于DMA请求的响应，发生在任意一个机器周期结束时【取指、间址、执行周期后均可】；部分题型表示可以发生在总线周期结束时，可使DMA占有总线
    • 适用：磁盘、声卡、显卡、网卡等高速设备大批量数据的传送，具有DMA接口的设备才能产生DMA请求
    • 组成

      • 主存地址寄存器：存放要交换数据的主存地址
      • 传送长度计数器：记录传送数据的长度，自动发送中断请求信号
      • 数据缓冲寄存器：暂存每次传送的数据
      • DMA请求触发器：I/O设备准备好数据后，给出控制信号使DMA请求触发器置位
      • 中断机构：一个数据块传送完成后触发中断机构，向CPU提出中断请求
      • 控制/状态逻辑

    • 传送方式

      • 停止CPU访存：DMA使用时，CPU停止访问
      • 周期挪用：CPU与IO同时访存时，I/O设备挪用一个或几个存取周期
      • 交替访存：C1周期专供DMA访存，C2周期专供CPU访存

    • 传送路径：

      • 可以参考 王道书6.1.3 三总线结构

        图源：总线_YuanbaoQiang的博客 

    • 传送过程

      • 预处理：由CPU完成测试、初始化等必要的准备工作；I/O设备准备好数据后向DMA控制器发送请求，DMA数据缓冲寄存器写满后向CPU发送总线请求
      • 数据传送：以单字节或字为基本单位，或以数据块为基本单位【如硬盘】传送数据，传送期间总线控制权由DMA控制器掌握
      • 后处理：DMA控制器向CPU发出中断请求，CPU执行中断服务程序做DMA结束处理
      • 注意：区分 DMA请求【数据预处理与传送阶段，优先级高于CPU，根据传送方式决定访存周期】 与 DMA中断【后处理阶段，数据块传送结束，申请中断】

       图源：计算机组成原理 输入输出系统3 DMA方式_CASTANEA的博客

  • 通道方式

    • 主要特点：（1）CPU、通道、I/O设备三者并行操作（2）I/O通道方式是DMA方式的发展

    

    图源：计算机组成原理_YuanbaoQiang的博客-CSDN博客

  • 计算题目

    • I/O时间占CPU时间【08年】【16年】【18年】

      • 时间百分比（%） = CPU每秒处理中断的时钟周期（Hz） / CPU每秒时钟频率（Hz）= 每秒中断时钟周期（s）/ 单位时间（s）
      • CPU每秒处理中断的时钟周期（Hz） = 外设每秒中断次数（Hz） x CPU每次处理中断时钟周期
      • 外设每秒请求中断次数（Hz） = 外设每秒传输数据速率（B/s） / 外设每次传送数据块大小（B）= 单位时间（s） / 外设每次准备数据块的时间（s）
      • 外设每次准备数据块的时间（s）= 外设每次传送数据块大小（B）/ 外设每秒传输数据速率（B/s），注：CPU 检查时间 ≤ 外设准备数据块的时间，否则会覆盖
      • CPU每次处理中断时钟周期 = CPU执行中断指令数量（条）x 每条指令时钟周期CPI

    • DMA每秒请求次数【12年】【22年】

      • DMA周期挪用每秒请求次数（次）= 外设每秒请求数据量（B）/ DMA缓冲区寄存器容量（B）
      • 磁盘每秒请求数据量（B）= 磁盘页面大小（B）x 每秒访问磁盘次数（次）
      • CPU每秒访问磁盘次数（次）= CPU每秒访存次数（次）x Cache缺页率（%） x 主存缺页率（%）

    • one more thing

      • 这个是课上机智的咸鱼为了理解18年真题带我们画的配图，虽然咸鱼教的很好，但我也不确定自己水水的浆糊脑袋有没有理解到位，可能会有错误...不过应该可以贴在这里吧——

      

      

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• I/O软件层次结构

  • 层次结构

    • 用户层I/O软件：用户可调用与I/O操作有关的库函数【系统调用】
    • 设备独立性软件：使应用程序独立于系统程序
    • 设备驱动程序：可与硬件直接交互，根据系统指令驱动I/O设备工作
    • 中断处理程序：可与硬件直接交互，保存断点，转入中断服务程序
    • 硬件：执行具体I/O操作

    

    图源：操作系统17———IO系统之概述_冰炭不投day的博客-CSDN博客 

  • 系统处理流程

    • 用户I/O层软件→设备独立性软件→设备驱动程序→中断处理程序→硬件

  • 设备独立性软件

    • 高速缓存与缓冲区
      • 高速缓存：提高磁盘I/O速度

        • 设置硬件【例，快表】
        • 内存的空间作为缓冲池，供请求和分页系统和磁盘I/O时共享【常见】

      • 缓冲区：高、低速设备的通信

        • 硬件缓冲器
        • 内存缓冲区
          • 单缓冲区，处理用时：Max(处理时长，输入时长)+传送时长
          • 双缓冲区，处理用时：Max(处理时长+传送时长，输入时长)
          • 循环缓冲：缓冲区构成循环队列
          • 缓冲池
            • 缓冲队列：空缓冲队列、输入队列、输出队列；
            • 缓冲区
              • 收容收入【空缓冲队列→输入队列】
              • 提取收入【输入队列→空缓冲队列】
              • 收容输出【空缓冲队列→输出队列】
              • 提取输出【输出队列→空缓冲队列】

        

        图源：5.2.4 OS之缓冲区管理_os循环缓冲区_BitHachi的博客-CSDN博客

    • 设备分配与回收
      • 设备分配的数据结构

        • 设备控制表【对应设备数量】
          • 设备类型
          • 设备标识符【物理名称】
          • 设备状态【等待/不等待、忙/闲】
          • 指向控制器表的指针
          • 重复执行的次数或时间【多次I/O不成功则判定失败】
          • 设备队列的队首指针【进程PCB组成队列】
        • 控制器控制表【控制设备与内存交换数据】
          • 控制器标识符
          • 控制器状态
          • 与控制器连接的通道表指针
          • 控制器队列的队首指针
          • 控制器队列的对位指针
        • 通道控制表【一个通道可为多个控制器控制表服务】
          • 通道标识符
          • 通道状态
          • 与通道连接的控制器表首址
          • 通道队列的队首指针
          • 通道队列的对位指针
        • 系统设备表【系统只有一张】：记录已连接到系统中所有物理设备的情况

        

        图源：IO设备分配与回收-嗨客网

      • 设备分配原则

        • 静态分配：一次性分配所有资源，不会死锁，但效率低
        • 动态分配：在进程执行过程中根据执行需要进行，算法不合适可能死锁，但效率高

      • 设备分配算法：先请求先分配、优先级高者优先等
      • 设备分配安全性

        • 安全分配方式：进程I/O请求后便进入阻塞态，CPU与设备串行运行，效率很低
        • 不安全分配方式：进程I/O请求后仍继续运行，有可能会造成死锁，需要设计合适的设备分配算法

    • SPOOLing技术

      • 输入：I/O设备的输入数据经过内存的输入缓冲区传送到输入井，挂在输入队列；CPU需要输入数据时，从输入井读入内存
      • 输出：I/O设备的输出数据经过内存传送到输出井，挂在输出队列；输出设备空闲时，从输出井经过输出缓冲区送到输出设备

      

      图源：操作系统知识点串联_King来写代码的博客-CSDN博客

    • 设备驱动接口

      • 统一设备驱动城区与操作系统的接口
      • 用户编程时使用的设备与实际设备无关【独立性】

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结语

‍️博文到此结束，写得模糊或者有误之处，欢迎小伙伴留言讨论与批评，督促博主优化内容~

博文若有帮助，欢迎小伙伴动动可爱的小手默默给个赞支持一下，支持博主继续头秃码字~

博主也有整理数据结构学习笔记，在这里：

数据结构_梅头脑_的博客-CSDN博客https://blog.csdn.net/weixin_42789937/category_12262100.html?spm=1001.2014.3001.5482https://blog.csdn.net/weixin_42789937/category_12262100.html?spm=1001.2014.3001.5482

默默吐槽，这个排版真是...啊我自己都看不下去，下次想想插图有没有什么更好的办法...

发现有小伙伴留言点赞有点开心，想了很久还是修改了排版——发现用块引用以后配图问题就好多了，虽然还是有点怪怪的，但至少不是那种别扭到自己都看不下去那种了~~