本次笔记内容：
P49 计算机组成原理（49）
P50 计算机组成原理（50）

我的计组笔记汇总：计算机组原理成笔记

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文章目录

教学内容安排
主要教学内容
计算机系统作用与功能
个人计算机的组成
- I/O 设备
- 要解决的问题
输入输出方式
- 程序直接控制
- - 程序直接控制方式特点
- 程序中断方式
- - 中断的一些概念
  - 中断的完整过程
  - 中断设备接口组成
  - 8259A中断控制器
  - 程序中断方式应用场景
  - 中断控制方式特点
- 直接存储访问（DMA）
- - DMA控制器组成
  - DMA数据传送过程
  - DMA方式的问题
  - DMA方式的特点
- 通道控制方式
- - 通道的功能
  - 通道的类型
  - 外围处理机
设计输入/输出系统
输入/输出系统

教学内容安排

第一讲：输入/输出系统概述和输入/输出方式
第二讲：总线
第三讲：接口电路和外部设备
大实验答辩
第四讲：课程总结
期末考试

主要教学内容

输入输出系统的作用、功能及与其他系统的关系
输入/输出系统组成
要解决的问题
输入/输出方式
- 程序直接控制
- 中断
- DMA
- 通道
- 外围处理机

计算机系统作用与功能

与计算机外部交换信息的通道：

早期
- 穿孔机、纸带
中期
- 键盘、显示器、打印机、鼠标
现在
- 语音、图象、图形等多媒体数据（扫描仪、DC）
- 计算机网络
将来
- 无所不在的计算、普适计算
- 人机交互、脑机交互

个人计算机的组成

如上，主机在变小，外部设备越来越多。

I/O 设备

繁多的输入/输出设备
- 功能多样
  - 满足各种要求
- 服务对象不同
  - 人、计算机、其他设备
- 数据传输率差别很大
  - 键盘、鼠标
  - 显示器、网卡
多：种类繁多
杂：功能繁杂
异：速度不一

如何管理外部设备？

要解决的问题

控制方式：

CPU如何控制输入/输出？（输入/输出方式）

传输方式：

传输通道、方式、速率等（总线、接口）

数据识别和转换：

数/模转换、语音识别等，转换为字符、数据等计算机能识别的格式（设备）

输入输出方式

程序直接控制：
- CPU直接使用输入/输出指令来控制外部设备
程序中断：
- 外部设备请求，CPU响应，CPU与外设并行工作
直接存储访问（DMA）：
- 专用输入/输出控制器
通道
外围处理机

程序直接控制

READSERIAL: // 读串口：将读到的数据写入v0低八位
lui t1, %hi(SerialStat)
.TESTR:
lb t0, %lo(SerialStat)(t1) // 查看串口状态
andi t0, t0, 0x0002 // 截取读状态位
bne t0, zero, .RSERIAL // 状态位非零可读进入读
nop
j .TESTR // 检测验证
nop
.RSERIAL:
lui t1, %hi(SerialData)
lb v0, %lo(SerialData)(t1) // 读出
jr ra
nop

CPU方：

查询接口状态（循环等待）
直到外设已经接收到该字符
读字符

外设方：

往接口数据缓冲中送字符
处理完后，置状态寄存器
等待下一个字符

但是此时，CPU一直在循环，什么也干不了。

程序直接控制方式特点

成本低
效率低
严重占用CPU资源
适用情况
- 早期计算机中高速设备

程序中断方式

CPU和外部设备同时工作：
- 外部设备发起请求
- CPU暂停正在执行的程序，进行响应
- 处理完成后，继续执行原来的程序
提高CPU的效率
可以同时管理多个外部设备

中断的一些概念

中断源
- 外中断：I/O设备等
- 异常(内中断)：处理器硬件故障、程序“出错”，Trap
- 中断触发器
- 中断状态寄存器
中断优先级
- 响应中断的顺序
禁止中断与中断屏蔽
- 中断允许触发器（EI、DI）
- 有选择封锁

中断的完整过程

中断请求
- 中断源设备设置中断触发器
  - 每个中断源有1个中断触发器
  - 同时可设置1个中断屏蔽触发器
中断响应
- 响应条件
  - 允许中断、当前指令结束、优先级
- 响应实现
  - 硬件实现的中断隐指令，保存断点
中断处理
- 保存现场信息
- 运行中断服务程序
- 中断返回

中断响应时：除了保存下一条指令PC，还需要保存程序状态的寄存器。

中断设备接口组成

中断请求寄存器
中断屏蔽寄存器
优先级排队线路
数据缓冲寄存器
中断控制和工作状态逻辑
设备选择器
中断向量表

8259A中断控制器

如上，在图右侧，表示可以接 8 个中断设备。

程序中断方式应用场景

CPU与外部设备并行工作
硬件故障处理
人机交互
多道程序和分时操作
实时处理（监控）
应用程序和操作系统之间的联系
多处理机中各处理机之间联系

中断控制方式特点

适用情况
- 传输速度不高
- 传输量不大
对CPU干扰较大

直接存储访问（DMA）

I/O设备和主存储器之间的直接数据通路，为专设的硬件，用于高速I/O设备和主存储器之间成组传送数据。
数据传输过程由DMA自行控制
主存储器需要支持成组传送
数据传送开始前和结束后通过程序或中断方式对 DMA进行预处理和后处理
DMA工作方式
- 独占总线方式
- 周期窃取方式

DMA控制器组成

由中断，发现缺页：

DBR ，需要换一页出去，方向寄存器；
ADR 记录内存的起始地址；
WC 描述这页有多大；
MAR 描述哪个设备接收；
CSR 描述状态。

DMA数据传送过程

不会很打扰 CPU 。

DMA方式的问题

虚拟地址和实地址：

DMA采用实地址：虚拟地址连续，但实地址不连续
采用虚拟地址：DMA进行虚实地址转换

Cache一致性：

主存中的数据可能不是最新的
采用直接写会带来性能的降低
DMA查询Cache，降低性能
直接设计硬件控制

DMA方式的特点

与设备一对一服务
- 多DMA控制器同时工作可能发生冲突
对CPU打扰适中
- 初始化
- 周期挪用
无法适用大量高速设备的管理（矛盾在于 DMA卡是一对一工作）

通道控制方式

I/O通道是计算机系统中代替CPU管理控制外设的独立部件，是一种能执行有限I/O指令集合——通道命令的I/O处理机。
一对多的连接关系
适应不同速度、不同种类的外部设备，可并行工作

通道的功能

根据CPU要求选择某一指定外设与系统相连，向该外设发出操作命令，进行初始化
指出外设读/写信息的位置以及与外设交换信息的主存缓冲区地址
控制外设与主存之间的数据交换
指定数据传送结束时的操作内容，检查外设的状态

通道的类型

字节多路通道
- 简单的共享通道，分时处理，面向低、中速字符设备
选择通道
- 选择一台外设独占整个通道，以成组传送方式传送数据块，效率高，适合快速设备
数组多路通道
- 上两种方式的结合，效率高，控制复杂

外围处理机

通道型处理机
- 共享内存
外围处理机
- 通用计算机
- 独立完成输入/输出功能
- 通过通道方式与主机进行交互

设计输入/输出系统

性能
- 考虑吞吐量和延迟
- 适应各种不同类别的设备的性能的差异
- 从操作系统、驱动程序等各方面综合考虑
- 考虑到设备性能的提高
可扩展性
- 允许更多的设备接入到输入/输出系统
可适应性
- 设备有无
- 设备故障

输入/输出系统

输入/输出设备多，功能复杂，速度不一
多种控制方式，解决速度不一的问题，尽量少地占用CPU资源
操作系统管理
硬件直接支持
与不同的设备有直接的依赖关系（驱动程序）
尽量使设备使用统一的标准——虚拟设备

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