“输入/输出（I/O）系统”学习提纲
文章目录
- 前言
- 输入/输出（I/O）系统的组成
- 输入/输出（I/O）系统的控制方式
- 程序查询方式的过程
- 中断技术/系统的功能
- 中断的流程
- 中央处理器（CPU）响应中断的条件
- 中断的优先级
- 中断识别的类型
- 向量中断/硬件向量法的过程
- 单重中断的响应、处理过程
- 中央处理器（CPU）能够多重中断的条件
- 多重中断的响应、处理过程
- 直接存储器访问（DMA）控制器（DMAC）的组成
- 直接存储器访问（DMA）控制器（DMAC）的工作过程
- 直接存储器访问（DMA）的传送方式
- 直接存储器访问（DMA）的数据传送过程
- 外部设备举例
- 输入/输出（I/O）接口的功能
- 输入/输出（I/O）接口的分类
- 输入/输出（I/O）接口的结构
- 输入/输出（I/O）端口的组成
- 输入/输出（I/O）端口的编址方式
- 总结
- 参考资料
- 作者的话
前言
计算机组成原理的知识抽象、晦涩、不易理解并记忆，在此对“输入/输出（I/O）系统”一章中重点知识总结成提纲。
输入/输出（I/O）系统的组成
- 输入/输出（I/O）硬件
- 输入/输出（I/O）软件
输入/输出（I/O）系统的控制方式
- 程序查询方式
- 程序中断方式
- 直接存储器访问（DMA）方式
- 通道方式
程序查询方式的过程
对中央处理器（CPU）：
- 执行初始化程序，预置传送参数（计数器参数和数据首地址）
- 向输入/输出（I/O）接口发送命令字，启动输入/输出（I/O）设备
- 从输入/输出（I/O）接口接收输入/输出（I/O）设备的状态信息
- 不断查询输入/输出（I/O）设备的状态，直到设备准备就绪
- 与输入/输出（I/O）设备传送一次数据
- 修改传送参数（计数器参数和数据首地址）
- 判断数据传送是否结束（计数器参数是否归零），若未结束（未归零）则转第3步；若结束（归零）则结束相应程序
中断技术/系统的功能
- 实现中央处理器（CPU）和输入/输出（I/O）设备的并行工作
- 实现处理硬件故障和软件错误
- 实现应用程序和操作系统的切换（软中断）
- 实现人机交互
- 实现多道程序、分时操作
- 实现实时处理
- 实现多处理器系统中各处理器之间的信息交流和任务切换
中断的流程
- 中断请求
- 中断响应
- 中断处理
中央处理器（CPU）响应中断的条件
- 中央处理器（CPU）允许中断/开中断（不可屏蔽中断、异常不受限制）（中断屏蔽触发器置位）
- 一条指令执行完毕（异常不受限制），且无更紧迫的任务
- 中断源有中断请求（中断请求触发器、中断允许触发器置位）
中断的优先级
中断优先级=中断响应优先级（不易改变）+中断处理优先级（可由中断屏蔽字动态改变）
- 不可屏蔽中断>内部异常>可屏蔽中断
- 内部异常中，硬件故障>软件中断
- 直接存储器访问（DMA）>输入/输出（I/O）设备
- 输入/输出（I/O）设备中，高速设备>低速设备，输入设备>输出设备，实时设备>普通设备
中断识别的类型
- 向量中断（硬件向量法）
- 非向量中断（软件查询法）
向量中断/硬件向量法的过程
- 识别中断源
- 获取中断类型号
- 计算中断向量地址
- 依据中断向量地址从中断向量表中获取中断服务程序的入口地址（间接寻址）
单重中断的响应、处理过程
- 关中断
- 保存断点（硬件实现）
- 寻址中断服务程序
- 保存现场（软件实现）
- 执行中断服务程序
- 恢复现场和屏蔽字
- 开中断
- 中断返回
注意：中断的断点是下一条指令的地址，异常的断点是当前指令的地址
第1-3步由硬件/中断隐指令实现，4-8步由软件/中断服务程序实现
中央处理器（CPU）能够多重中断的条件
- 中断服务程序中提前设置开中断指令
- 优先级高的中断源有权中断优先级低的中断源
多重中断的响应、处理过程
- 关中断
- 保存断点（硬件实现）
- 寻址中断服务程序
- 保存现场和屏蔽字（软件实现）
- 开中断（允许多重中断/中断嵌套）
- 执行中断服务程序
- 关中断
- 恢复现场和屏蔽字
- 开中断
- 中断返回
第1-3步由硬件/中断隐指令实现，4-10步由软件/中断服务程序实现
直接存储器访问（DMA）控制器（DMAC）的组成
- 直接存储器访问（DMA）请求触发器
- 控制/状态逻辑电路
- 主存储器（MM）地址计数器
- 传送长度计数器
- 数据缓冲寄存器（DBR）
- 中断机构
直接存储器访问（DMA）控制器（DMAC）的工作过程
- 接收输入/输出（I/O）设备的直接存储器访问（DMA）请求（狭义）
- 向中央处理器（CPU）发送总线请求
- 中央处理器（CPU）响应总线请求，向直接存储器访问（DMA）控制器（DMAC）发送总线响应信号
- 接管总线控制权，进入直接存储器访问（DMA）操作周期
- 确定传送数据的主存储器地址和传送长度，自动修改地址和长度计数
- 规定数据在主存储器和输入/输出（I/O）设备的传送方向，发送读写等控制信号，执行数据传送操作
- 向中央处理器（CPU）报告直接存储器访问（DMA）操作结束
广义直接存储器访问（DMA）请求=输入/输出（I/O）设备向直接存储器访问（DMA）控制器（DMAC）发送的直接存储器访问（DMA）请求（狭义）+直接存储器访问（DMA）控制器（DMAC）向中央处理器（CPU）发送的总线请求
直接存储器访问（DMA）的传送方式
- 停止中央处理器（CPU）访存
- 中央处理器（CPU）和直接存储器访问（DMA）交替访存
- 周期挪用/窃取
直接存储器访问（DMA）的数据传送过程
- 预处理
- 数据传送
- 后处理
外部设备举例
输入设备：
- 键盘
- 鼠标
输出设备：
- 显示器
存在显示存储器（VRAM）
- 打印机
外部存储器（辅存）：
- 磁表面存储器（磁盘、磁带、磁鼓存储器）
- 光盘存储器
- 固态硬盘（SSD）
输入/输出（I/O）接口的功能
- 地址译码和设备选择
- 通信联络控制
- 数据缓冲
- 信号格式转换
- 控制命令和状态信息传送
或：
- 设备选址
- 命令传送
- 数据传送
- 输入/输出（I/O）设备的工作状态反馈
输入/输出（I/O）接口的分类
按数据传送方式（输入/输出（I/O）接口和外部设备一侧）：
- 串行接口
- 并行接口
因为中央处理器（CPU）速度快，所以输入/输出（I/O）接口和主机一侧一定是并行接口
按主机访问输入/输出（I/O）设备的控制方式：
- 程序查询接口
- 程序中断接口
- 直接存储器访问（DMA）接口
- 通道接口
按功能选择的灵活性：
- 可编程接口
- 不可编程接口
输入/输出（I/O）接口的结构
- 内部接口（输入/输出（I/O）接口和主机一侧）
- 外部接口（输入/输出（I/O）接口和外部设备一侧）
- 控制逻辑电路
- 状态/控制寄存器
- 数据缓冲寄存器（DBR）
- 设备选择电路
- 命令寄存器和命令译码器
输入/输出（I/O）端口的组成
注意：输入/输出（I/O）端口指接口电路中可以被中央处理器（CPU）直接访问、进行读/写的寄存器；输入/输出（I/O）接口=若干输入/输出（I/O）端口+控制逻辑电路
- 控制端口，只写
- 状态端口，只读
- 数据端口，可读写
输入/输出（I/O）端口的编址方式
- （与存储器）统一编址/存储器映射方式
- （与存储器）独立编址/输入/输出（I/O）映射方式
总结
计算机组成原理的知识抽象、晦涩、不易理解并记忆，在此对“输入/输出（I/O）系统”一章中重点知识总结成提纲。
参考资料
- 《2023年计算机组成原理考研复习指导》组编：王道论坛
- 哔哩哔哩平台《王道计算机考研 计算机组成原理》视频课
作者的话
- 感谢参考资料的作者/博主
- 作者：夜悊
- 版权所有，转载请注明出处，谢谢~
- 如果文章对你有帮助，请点个赞或加个粉丝吧，你的支持就是作者的动力~
- 文章在描述时有疑惑的地方，请留言，定会一一耐心讨论、解答
- 文章在认识上有错误的地方, 敬请批评指正
- 望读者们都能有所收获
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