世界熱門:計算機組成原理知識點總結——第七章輸入/輸出系統

目錄

一、輸入輸出系統的基本概念（一）I/O控制方式（二）I/O系統基本組成（三）本章回顧 二、外部設備（一）輸入設備（二）輸出設備（三）章節回顧 三、I/O接口（一）I/O接口的功能（二）I/O接口的結構（三）I/O接口的工作原理（四）接口與端口（五）I/O接口的類型（了解）（六）知識回顧 四、I/O方式（一）?程序查詢方式?（二）中斷的作用和原理中斷的基本概念中斷請求的分類中斷判優 （三）?多重中斷?中斷屏蔽技術 （四）?程序中斷方式?（五）DMA方式 補充

一、輸入輸出系統的基本概念

(資料圖)

I/O設備就是可以將數據輸入到計算機，或者接收計算輸出數據的外部設備。例如顯示器、鼠標鍵盤?？山y稱為外部設備。I/O接口：又稱I/O控制器、設備控制器，負責協調主機與外部設備之間的數據傳輸。因為I/O設備繁多，所以I/O接口的種類也很多。

（一）I/O控制方式

程序查詢方式CPU執行某程序，發出啟動I/O設備指令，而后CPU對I/O接口的狀態寄存器進行輪詢，判斷I/O設備是否響應，如果有則CPU從數據寄存器中的內容進行轉存處理，否則進行持續的輪詢忙等，造成CPU效率低。程序中斷方式CPU執行某程序是，發出I/O啟動命令，而后CPU執行其他指令，當I/O設備準備完成后，I/O接口的狀態寄存器發出中斷請求，CPU在指令執行周期結束后處理中斷服務，進行I/O設備響應處理。 ?DMA控制方式（三總線結構）?DMA接口也是I/O控制器，只是為了?連接高速外設?。 主存與高速I/O設備之間有一條直接數據通路（DMA總線）。CPU向DMA接口發出“讀/寫”命令，并指名主存地址、磁盤地址、讀寫數據量等參數。 DMA控制器自動控制磁盤與主存的數據讀寫，?每次只傳一個字，每完成一整塊的數據讀寫?（如1KB為一整塊），才向CPU發出一次中斷請求。 通道控制方式為了應對一些大型商用設備會有很多I/O設備，全交給CPU導致CPU資源使用緊張或不足。 通道可以理解為是閹割版的CPU。通過程序編寫通道指令，存在內存中，CPU需要對外部設備進行交互時給出I/O指令，并指明I/O設備，然后通道就可以識別I/O指令，從內存中取出通道指令并進行處理，而后將數據存入內存，然后向CPU發出中斷請求，CPU對內存中的數據進行處理。

（二）I/O系統基本組成

（三）本章回顧

二、外部設備

大部分了解，主要是帶?的知識點

（一）輸入設備

鍵盤鼠標

（二）輸出設備

1、顯示器屏幕大?。阂詫蔷€長度表示，常用的有12~29尹村 分辨率：所能表示的像素個數，頻幕上的每一個光電就是一個像素，以寬、高的像素的乘積表示，例如，800x600 灰度級：灰度級是指黑白顯示器中所顯示的像素點的亮暗差別，在彩色顯示器中則表現為顏色的不同，灰度級越多，圖像層次越清楚逼真，典型的有8位（256級）、16位等。n位可以表示2n種不同的亮度或顏色。 刷新：光點只能保持極短的時間便會小事，為此必須在光點消失之前再重新掃描顯示一遍，這個過程稱為刷新。刷新頻率：單位時間內掃描整個屏幕內容的次數，按照人的樹蕨生理，刷新率大于30Hz時才不會感到閃爍，通常顯示器刷新頻率在60~120Hz。 ?顯示存儲器（VRAM）?：也稱刷新存儲器，為了不斷提高刷新圖像的信號，必須把一幀圖像信息存儲在刷新存儲器中。其存儲容量由圖像分辨率和灰度級決定，分辨率越高，灰度級越多，刷新存儲器容量越大。 ?VRAM容量 = 分辨率 X 灰度級位數??VRAM帶寬 = 分辨率 X 灰度級位數 X 幀頻?

2、顯示器的分類陰極射線管（CRT）顯示器3、 打印機

（三）章節回顧

三、I/O接口

（一）I/O接口的功能

數據緩沖：通過數據緩沖寄存器（DBR）達到主機和外設工作速度的匹配錯誤或狀態監測：通過狀態寄存器反饋設備的各種錯誤、狀態信息，供CPU查用控制和定時：接收從控制總線發來的控制信號、時鐘信號數據格式轉換：串行轉并行、并行轉串行等格式轉換與主機和設備通信：實現主機——I/O接口——I/O設備之間的通信

（二）I/O接口的結構

內部接口：內部接口與系統總線相連，實質上是與內存、CPU相連。數據的傳輸方式可能串行也可能并行。 外部接口：外部接口通過接口電纜與外設相連，外部接口的數據傳輸可能是串行方式，因此I/O接口需具有串/并轉換的功能。 ?有的I/O接口可以連接多個設備?

（三）I/O接口的工作原理

①發命令：發送**命令字（控制字）**到I/O控制寄存器，向設備發送命令（這一步需要驅動程序的協助）②讀狀態：從狀態寄存器讀取狀態字，獲得設備或I/O控制器的狀態信息③讀/寫數據：從數據緩沖寄存器發送或讀取數據，完成主機與外設的數據交換

CPU通過地址線確定要讀取的I/O端口，通過控制線發出讀/寫端口信號、中斷請求信號。數據總線用于讀寫數據、傳送狀態字、控制字、中斷類型號。 控制寄存器、狀態寄存器在使用時間上是錯開的，因此有的I/O接口中可將二者合二為一。 I/O控制器中的各種寄存器稱為I/O端口。

（四）接口與端口

I/O端口是指接口電路中可以被CPU直接訪問的寄存器 統一編制（RISC機器常用） V.S. 獨立編制統一編制就是和主存同用一套連續的地址，寄存器地址唯一。獨立編制就是主存和I/O設備地址有重復，兩套連續地址。需要通過I/O指令來區分是訪問主存的指令還是訪問I/O端口的指令。

1、統一編制

優點不需要專門的輸入/輸出指令，所有訪存指令都可直接訪問端口，程序設計靈活性高；端口有較大的編址空間；讀寫控制邏輯電路簡單缺點端口占用了主存地址空間，使主存地址空間變小外設尋址時間長（地址位數多，地址譯碼速度慢）

2、獨立編制

優點使用專門的I/O指令，程序編制清晰；I/O端口地址位數少，地址譯碼速度快；I/O端口的地址不占用主存地址空間缺點I/O指令類型少，一般只能對端口進行傳送操作，程序設計靈活性差；需要CPU提供存儲器讀/寫、I/O設備讀/寫兩組控制信號，增加了控制邏輯電路的復雜性。

（五）I/O接口的類型（了解）

（六）知識回顧

四、I/O方式

（一）?程序查詢方式?

?優點：接口設計簡單、設備量少??缺點：CPU在信息傳送過程中要花費很多時間用于查詢和等待，而且在一段時間內只能和一臺外設交換信息，效率大大降低。?

CPU發出I/O指令后，就會開始進入忙等，等待I/O設備處理完后才會結束，所以這段時間內CPU獨占資源且只等待外設，造成資源利用率低下。

本節回顧?注意程序查詢方式包含獨占查詢和定時查詢兩種方式，定時查詢方式的前提是保證數據不丟失的情況下。?

（二）中斷的作用和原理

中斷的基本概念

程序中斷是指在計算機執行現行程序的過程中，出現某些急需處理的異常情況或特殊請求，CPU暫時中止現行程序，而轉去對這些異常情況或特殊請求進行處理，在處理完畢后CPU又自動返回到現行程序的斷點處，繼續執行原程序。 工作流程

中斷請求中斷源向CPU發送中斷請求信號中斷響應判斷是否響應中斷，某些關中斷程序不響應中斷請求信號 中斷判優，多個中斷源同時提出請求時，根據優先級判斷執行順序中斷處理中斷隱指令，即PC指向中斷服務地址 執行中斷服務程序

中斷請求的分類

?關中斷的作用：實現原子操作。?原子操作：即開啟關中斷后，直至結束關中斷期間所執行的指令不允許被打斷，一氣呵成的執行完畢。 ??CPU的標志寄存器PSW中，IF=1表示開中斷（允許中斷）；IF=0表示關中斷（不允許中斷）??

中斷判優

?中斷判優既可以用硬件實現，也可用軟件實現?：硬件實現是通過硬件排隊器實現的，它它既可以設置在CPU中，也可以分散在各個中斷源中；軟件實現是通過查詢程序實現的。 用軟件實現需要寫程序，速度會比硬件中斷慢。

中斷優先級設置

硬件故障中斷屬于最高級，其次是軟件中斷非屏蔽中斷優于可屏蔽中斷DMA請求優于I/O設備傳送的中斷請求高速設備優于低速設備輸入設備優于輸出設備實時設備優于普通設備

中斷隱指令中斷隱指令是指一系列的指令，并不是一條指令。

關中斷。為了中斷程序實現原子操作保存斷點。將原PC值保存，存入堆棧中。引出中斷服務程序。將中斷地址傳送給程序計數器PC

硬件向量法排隊器指名中斷部件交由中斷向量地址形成部件，中斷向量形成部件會給出向量地址，通過向量地址找到中斷向量，即中斷程序在內存中的首地址，然后跳轉至中斷程序執行。

中斷服務程序

保護現場：使用堆棧或特定存儲單元，將通用寄存器和狀態寄存器的內容中斷服務（設備服務）：執行中斷程序恢復現場：通過出棧指令或取數指令把之前保存的信息送回寄存器中中斷返回（開中斷）：通過中斷返回指令回到原程序斷點處，從堆棧中彈出原PC值。

（三）?多重中斷?

單重中斷：執行中斷服務程序時不響應其他中斷程序 ?多重中斷?：又稱中斷嵌套，執行中斷服務程序時可響應新的中斷請求 屏蔽字：CPU在處理某些中斷時，需要一個屏蔽字來指明接下來哪些中斷請求要被屏蔽。屏蔽字=1表示屏蔽，程序執行過程中不允許被對應設備中斷，屏蔽字=0時表示不屏蔽，程序執行過程中允許被該設備中斷。

中斷屏蔽技術

中斷屏蔽技術主要用于多重中斷，CPU要具備多重中斷的功能，須滿足下列條件。

在中斷服務程序中提前設置中斷指令優先級別高的中斷源有權中斷優先級別低的中斷源

每個中斷源都有一個屏蔽觸發器，1表示屏蔽該中斷源的請求，0表示可以正常申請，所有屏蔽觸發器組合在一起，便構成一個屏蔽字寄存器，屏蔽字寄存器的內容稱為屏蔽字。 屏蔽字設置的規律

一般用“1”表示屏蔽，“0”表示不屏蔽，可多重中斷每個中斷源對應一個屏蔽字（在處理該中斷源的中斷服務程序時，屏蔽寄存器中的內容為該中斷源對應的屏蔽字）屏蔽字中“1”越多，優先級越高。每個屏蔽字中至少有一個“1”（其自身屏蔽自身中斷）

（四）?程序中斷方式?

例題

（五）DMA方式

DMA控制器通常用來控制塊設備和高速設備，如磁盤。 當設備中的數據傳完一個字到數據緩沖寄存器中，然后設備給DMA請求觸發器發送一個1，控制邏輯單元收到高電平給CPU發從總線請求，DMA控制器接管系統總線。 ?在DMA傳送過程中，DMA控制器將接管CPU的地址總線、數據總線和控制總線，CPU只能進行等待，只有當DMA傳送結束后，CPU才能恢復控制權。?

DMA傳送方式在三總線方式中，主存和DMA控制器之間有一條專門的DMA數據通路，因此不通過CPU即可和主存進行數據交互。但是若主存不是雙端口主存時，會造成訪存沖突，為了有效的使用主存，DMA控制器與CPU通常采用以下3中方法使用主存。

停止CPU訪問工作狀態：DMA控制器工作期間CPU不執行程序。 優點：控制簡單 缺點：CPU處于不工作狀態或保持狀態，未充分發揮CPU對主存的利用率。DMA與CPU交替訪存工作狀態：將一個CPU周期分為兩個周期，DMA控制器和CPU分別在一個周期內進行訪存。 優點：不需要總線使用權的申請、建立和歸還過程 缺點：硬件邏輯更為復雜周期挪用（周期竊?。┕ぷ鳡顟B：這里的周期是指存取周期，DMA訪存會出現以下情況：當CPU此時不訪存時不產生沖突；CPU正在訪存時，在CPU存取周期結束讓出總線給DMA控制器；CPU與DMA同時請求訪存，則讓DMA控制器優先訪存。

DMA方式的特點三總線方式，由于DMA方式傳送數據不需要經過CPU，因此不必中斷現行程序，?I/O與主機并行工作，程序和傳送并行工作?。

DMA方式與中斷方式

小節回顧

補充

中斷向量產生的是中斷程序入口地址的地址從正方向超過了數的表示范圍，稱為上溢；從負方向超過了數的表示范圍，則稱為下溢。上溢需要進行中斷處理，下溢則視為機器數零，不需要中斷處理。硬件排隊次序決定中斷響應次序，中斷屏蔽標志決定中斷處理次序DMA中斷中，相對CPU，DMA控制器對總線的使用優先級更高