[计算机组成原理]—5.输入输出系统(详细)

思维导图：

一、输入输出系统概述

1.输入输出系统发展

1. 分散连接，CPU 和 I/O设备串行工作程序查询方式

2. 总线连接，CPU 和 I/O设备并行工作，分为中断方式和DMA方式

3. 具有通道结构的阶段

4. 具有 I/O 处理机的阶段

2.输入输出系统组成

• I/O 软件

  1. I/O 指令：CPU 指令的一部分，分为 |操作码|命令码|设备码|
  2. 通道指令：通道自身的指令，指出数组的首地址、传送字数、操作命令

• I/O 硬件

  I/O 接口；设备控制器

3.I/O设备与主机联系

I/O 设备编址方式：

• 统一编址：用取数、存数指令
• 不统一编址：有专门的 I/O 指令

设备选址：

用设备选择电路识别是否被选中

传送方式：

分为串行和并行

联络方式：

1. 立即响应
2. 异步工作采用应答信号
3. 同步工作采用同步时标

I/O 设备与主机的连接方式：

• 辐射式连接：每台设备都配有一套控制线路和一组信号线，不便于增删设备
• 总线连接：便于增删设备

4.I/O设备与主机信息传送

I/O系统的自治能力与来越强

• 程序查询方式
• 程序中断方式
• DMA方式

二、I/O设备

1.概述

外部设备大致分三类：

1. 人机交互设备：键盘、鼠标、打印机、显示器
2. 计算机信息存储设备：磁盘、光盘、磁带
3. 机-机通信设备：调制解调器等

2.输入设备

键盘,鼠标,触摸屏

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

4.其他I/O设备

A/D、D/A：模拟/数字（数字/模拟）转换器

终端：完成显示控制与存储、键盘管理及通信控制,由键盘和显示器组成

汉字处理：汉字输入、汉字存储、汉字输出

5.多媒体技术

三、I/O接口

1.概述

为什么要设置接口：

1. 实现设备的选择
2. 实现数据缓冲达到速度匹配
3. 实现数据串 并格式转换
4. 实现电平转换
5. 传送控制命令
6. 反映设备的状态（“忙”、“就绪”、“中断请求”）

2.接口功能和组成

总线连接方式的 I/O 接口电路：

接口的功能和组成：

功能	组成
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
反映设备状态的功能	设备状态标记

I/O 接口的基本组成：

3.接口类型

• 按数据传送方式分类

并行接口：Intel 8255
串行接口：Intel 8251

• 按功能选择的灵活性分类

可编程接口：Intel 8255、 Intel 8251
不可编程接口：Intel 8212

• 按通用性分类

通用接口：Intel 8255、 Intel 8251
专用接口：Intel 8279、 Intel 8275

• 按数据传送的控制方式分类

中断接口：Intel 8259
DMA接口：Intel 8257

四、程序查询方式

1.程序查询流程

2.程序查询方式接口电路

五、程序中断方式

1.中段的概念

2.I/O中断的产生

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：

排队器：

硬件：在 CPU 内或在接口电路中（链式排队器）
软件：第八章

中断向量地址形成部件：

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
软件产生：第八章

程序中断方式接口电路的基本组成：

4.I/O中断处理过程

CPU 响应中断的条件和时间：

• 条件：

  允许中断触发器EINT = 1

  用开中断指令将EINT置 “1”

  用 中断指令将EINT置“ 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 置“1” ）

I/O 中断处理过程：

5.中断服务程序流程

中断服务程序的流程：

1. 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

2. 中断服务：对不同的 I/O 设备具有不同内容的设备服务

3. 恢复现场：出栈指令

4. 中断返回：中断返回指令

单重中断和多重中断：

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

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：

六、DMA方式

1.DMA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 访问主存:

  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（或周期窃取）

CPU此时不访存

CPU正在访存

CPU与DMA同时请求访存：此时CPU将总线控制权让给DMA

• DMA 与 CPU 交替访问：不需要申请建立和归还 总线的使用权

  CPU工作周期分为C1C2：

  C1 专供 DMA 访存

  C2 专供 CPU 访存

  

2.DMA接口的功能和组成

DMA 接口功能：

1. 向CPU申请DMA传送
2. 处理总线控制权的转交
3. 管理系统总线、控制数据传送
4. 确定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
5. DMA传送结束时，给出操作完成信号

DMA 接口组成：

3.DMA的工作过程

预处理：通知 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

DMA传送过程：

数据传送过程（输出）：

后处理：

校验送入主存的数是否正确

是否继续用 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

4.DMA接口的类型

选择型：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

七、DMA 方式与程序中断方式的比较

	中断方式	DMA 方式
数据传输	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

注：本篇除思维导图，其它图片均来自PPT课件

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