计算机组成原理期末复习必备知识点大全——第五章（输入输出系统）

Posted 2021-09-06 静Yu

前文导读：

计算机组成原理第一章

计算机组成原理第三章

计算机组成原理第四章

一、概述

1）输入输出系统的发展

输入输出系统发展共经历4个阶段：

早期阶段→接口模块和DMA阶段→通道阶段→I/O处理机阶段

1.早期阶段：CPU和外设分散连接、串行工作、耦合性强，机器速度慢、价格高。

 2.接口模块和DMA阶段：具有总线模式，主机通过各种接口连接外设，具有中断或DMA功能。

 3.通道阶段：

通道是用来负责管理I/O设备以及实现主存与I/O设备之间交换信息的部件，可视为从属于CPU的专用处理器。

通道具有专门指令，能独立执行由通道指令编写的输入输出程序。

4.I/O处理机阶段： 外围处理机又称为I/O处理机，独立于主机工作，除了具备通道功能之外，还具备码制转换、格式处理、数据校验等功能。

2）输入输出系统的组成

输入输出系统由I/O软件和I/O硬件组成两部分组成。

3）I/O设备与主机的联系方式

I/O设备编址方式：

统一编址： I/O占用存储器地址空间，无须专门的I/O指令。减少了存储器最大容量。采用不同地址码来区分访问对象。

独立编址： I/O地址与存储器地址分开，采用专门指令来访问I/O。不占用主存容量。采用不同指令形式来区分访问对象。

设备寻址：每台设备都有设备号，启动设备时，由I/O指令的设备码字段直接指出设备号，经接口中的设备选择电路选中设备。

传送方式：

并行：多位同时传送，需要多条数据线，速度快。

串行：一条数据线和一条地线，逐位传送，速度慢，适用于远距离传送。

4）I/O设备与主机信息传送控制方式

程序查询方式：CPU和I/O串行工作， I/O工作时CPU原地踏步。

中断方式：CPU和I/O部分并行工作，在中断服务子程序中完成数据的传送。

中断程序消除了CPU原地踏步的情况，但是，CPU在响应中断请求后，必须暂停现程序，转而去执行中断服务子程序，消耗了CPU资源，并且，中断处理过程是有开销的。 

DMA方式：在主存和I/O之间建立数据传送的直接通道，由DMA控制器来完成信息传送，不需要中断CPU的运行。进一步提高了CPU和I/O的并行程度。

周期窃取：若出现DMA和CPU同时访问主存，CPU总是将总线占有权让给DMA，通常把DMA的这种占有称为窃取或挪用。窃取的时间一般是一个存取周期，所以称为窃取周期。

三种方式比较：

通道方式：

外围处理机方式：

二、I/O设备

三、I/O接口

接口可以看做两个系统或部件之间的交接部分，它既是两种硬件设备之间的连接电路，也可以看做两个软件之间的共同逻辑边界。

 每一台I/O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。

I/O接口的基本组成

数据线：数据线是I/O设备与主机之间数据代码的传输线。

设备选择线：设备选择线是用来传送设备码的。

命令线：命令线主要是用以传输CPU向设备发出的各种命令信号。

状态线：状态线是将I/O设备的状态向主机报告的信号线。

程序查询方式

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。

传送一个数据的流程

 程序中断方式

 中断 ：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，CPU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断点处，继续执行原程序，这就是中断。

中断接口电路：

INTR  中断请求触发器               INTR=1有请求

MASK中断屏蔽触发器               MASK=1被屏蔽

D  完成触发器

 

例题：结合程序中断方式，简要说明I/O设备向CPU提出中断请求的条件

没有中断屏蔽信号mask=0,收到来自CPU中断查询，d触发器为1，设备工作结束 

程序中断方式接口电路的基本组成

CPU响应中断的条件和时间

条件：CPU允许中断：中断允许触发器EINT=1。（开中断、关中断指令可以改变EINT）

相关中断的掩码（MASK）为0

 时间：每条指令执行结束（CPU发出中断查询信号（将INTR置1））

中断处理的五个阶段：

中断请求：INTR

中断判优：链式排队

中断响应：INTA，得到中断号

中断服务：根据中断号查中断向量表，得到中断入口地址，跳转到中断服务程序

中断返回：从中断服务程序中返回到源程序继续执行

中断服务程序流程

保护现场

        断点保护： 中断隐指令完成

        保存寄存器值：进栈指令

中断服务：（视情形开中断）

恢复现场

       出栈指令

中断返回

        中断返回指令

单重中断与多重中断

单重中断：不允许中断现行的中断服务程序

多重中断（中断嵌套）：允许更高级别的中断源中断现行的中断服务程序

DMA方式

DMA访问主存有三种可能：

CPU此时不访存：总线立刻交给DMA

CPU此时正访存：CPU访存结束后总线立刻交DMA

CPU与DMA同时请求访存：总线交DMA