计算机组成原理 - 5.输入输出系统


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
  1. 中断服务:对不同的 I/O 设备具有不同内容的设备服务

  2. 恢复现场:出栈指令

  3. 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 不能
中断请求 传送数据 后处理
优先级

注:本篇除思维导图,其它图片均来自PPT课件


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文章作者: MengXin
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