【计算机组成】输入输出系统

输入输出系统概述

• 组成：外设、接口、总线、管理软件
• 基本功能
  • 完成计算机内外的信息传递
  • 保证 CPU 正确选择输出设备
  • 利用缓冲等，实现主机与外设的速度匹配
• 特点：异步性、实时性、设备无关性
• 输入过程：CPU 把地址值放入总线 --> CPU 等候设备数据有效 --> CPU 从总线读入数据存入寄存器
• 输出过程：CPU 把地址值放入总线 --> CPU 把数据值放入总线 --> 设备等数据有效取走数据
• IO 系统性能：存储 IO、通信 IO
  • 连接特性：哪些设备可以和 IO 相连
  • IO 系统容量：IO 系统可以容纳的设备数
  • 响应时间：从用户输入命令到得到结果所花的时间（s）
  • 吞吐率：单位时间完成的 IO 操作次数（用 IOP 表示）

输入输出方式

• 无条件 IO 方式：执行 IO 指令时，CPU 默认外设已经准备就绪，外设很难满足这一点
• 程序控制 IO 方式：执行 IO 指令时，先获取设备状态（设备状态寄存器），决定下一步操作（程序决定）
  • 数据要经过 CPU，CPU 还要浪费大量时间查询设备状态
• 中断 IO 方式：外设主动通知 CPU 接收或输出数据，有实时性
• DMA 方式：由硬件执行 IO，外设准备好后通知 DMA，DMA 接管总线，完成数据交换
  • 既有中断的优点，又降低了服务的开销
• 通道和 IO 处理机方式：外设种类很多速度差别很大，将外设管理工作从 CPU 总分离出来
  • 通道本身就是个简单的 CPU，执行 IO 指令的处理机
  • IO 处理机是通道的进一步发展，更像一个 CPU 了

中断请求与响应

• 概念：CPU 由内部外部事件引起 CPU 中断正在运行的程序，具有随机性（符合输入输出系统特性）
• 作用：主机与外设并行；故障处理；实时处理
• 类型：
  • 内部中断（软件、异常）
  • 外部中断（可屏蔽中断 INTR、不可屏蔽中断 NMI）
• 基本功能：
  • 中断信号的保持与清除：通过寄存器存起来，处理完清零
  • 中断优先级：硬件响应优先序、软件服务优先序（中断服务程序开头，设置自己的中断屏蔽位）
  • 中断源识别：系统分配给每个中断源的代号（中断号），中断号获取可以用硬件或软件方式
  • 中断处理：
    • 响应：每执行完一条指令，就会判断是否有中断请求
    • 处理：保存断点（返回地址）、执行中断程序、返回断点
  • 中断控制：
    • 中断触发方式：指外设以什么逻辑信号去申请中断（边沿触发、电平触发）
    • 中断排队方式：按优先级、循环轮流排队
    • 中断嵌套：中断正在执行的中断程序，不可屏蔽中断不能嵌套
    • 中断屏蔽：处理器内部有个触发器，“1”时才会响应外部中断
      

DMA方式

• 原理：数据传送不经过 CPU，由 DMA 控制器实现内存和外设、外设和外设之间的直接快速传递
• 系统构成：
  • DMA 作为主设备之一
    
  • DMA 与 IO 接口集成
    
  • DMA 提供专门 IO 总线
    
• DMA 的两种工作状态：被动态（未获得总线控制权，受 CPU 控制）、主动态（获得总线控制权）
• 传输步骤：
  • 申请：一个设备接口试图通过总线向另一个设备发送数据，先向 CPU 发送 DMA 信号
  • 响应：CPU 收到 DMA 信号，当前总线周期结束后，按 DMA 信号优先级响应相应的 DMA 控制器
  • 数据传送：DMA 收到 CPU 响应，获得总线控制权，开始直接数据传送
  • 传送结束：设备向 CPU 发送 DMA 结束信号，交换总线控制权
• DMA 操作类型：
  • 数据传送：源地址数据传到目的地址
  • 数据校验：不传输，只校验某数据块内部的每个字节
  • 数据检索：不传输，只在制定内存区域内查找某个关键字或某几个数据位是否存在
• DMA 操作方式：
  • 单字节传输模式：每次 DMA 操作传送一个字节
  • 块传输模式：每次传送多个字节，有个当前字节计数器，+1 +1 +1
  • 请求传输模式：DMA 控制器询问外设，当外设请求信号无效时，暂停传输（不释放总线）；再次有效再继续传输
  • 级联传输模式：多个 DMA 级联，分布式
• DMA 传输模式：
  • 停止 CPU 访问内存：传输速率高的设备传输时有优势
  • 周期挪用：DMA 挪用一个或几个内存周期。若此时 CPU 不需要访存则不冲突，若冲突则 DMA 优先
  • DMA 与 CPU 交替访存：直接交替访存，不需要浪费时间