计组-11-IO系统

计算机组成原理-11-IO系统

前言

• 本章总览

• I/O方式需要注意的是：中断方式的各种原理和特点，处理过程，中断屏蔽，DMA方式和传输过程

• I/O系统的演变过程如下图所示：

1. I/O系统的基本组成

• 一般来说I/O指令由I/O硬件和I/O软件组成

1. I/O 软件
   • I/O命令
   • I/O的命令编码

2. I/O 硬件

2. I/O 方式

• I/O方式总览如下

2.1 程序查询方式

• 工作流程
  • CPU执行初始化程序并设置参数
  • 向I/O发送命令字，启动I/O参数
  • 向外设接口读取状态信息
  • CPU不断查询I/O设备状态，直到外设就绪
  • 传送一次数据
  • 修改地址和计数器参数
  • 判断是否结束，未结束继续回到第三步，直到计数器为0

小结：

2.2 程序中断方式

2.2.1 中断机制

• 程序中断：计算机在执行程序的过程中，出现某些急需处理的异常和特殊请求，CPU暂时暂停现行的程序，而转去处理异常或者特殊请求。在处理完毕后，CPU回到断点，再继续执行原来的程序。

1. 外中断和内中断

• 外中断：来自内存和处理器之外的中断，如外设,I/O设备
  • 非屏蔽中断：关中断也会被响应
  • 可屏蔽中断：关中断不会被响应
  • CPU会在一个统一的时刻进行查询是否有中断查询信号
• 内中断：来自内存和处理器的中断，如缺页，整数除0

2. 中断请求标记

• 给每个中断请求设置一个中断标记，来对中断进行分类

3. 中断判优

• 中断判优既可以从硬件实现，也可以使用软件实现
• 优先级的问题（硬件大于软件，非屏蔽优于可屏蔽，高速优于低速等等）

4. 中断处理过程

5. 单重中断和多重中断
   • 单重中断：不会被新的中断打断
   • 多重中断：可以嵌套新的中断

6. 屏蔽字

• 每个中断源都有一个屏蔽触发器，所有屏蔽触发字组合组成一个屏蔽触发寄存器，屏蔽寄存器的内容叫做屏蔽字
• 屏蔽触发器是中断的优先级

例题分析：

2.2.2 I/O 中断机制

• 目的：实现CPU和I/O设备的并行工作

• 中断隐指令

  • 关中断
  • 保存断点
  • 引出中断服务程序

• 具体工作流程如下图所示：

2.3 DMA 方式

• DMA 控制器：I/O设备向DMA控制器发送请求，CPU响应之后让出系统总线，由DMA控制器接管总线进行数据传输

• DMA 控制器的功能

  • 传送前
    • 接收DMA请求，向CPU发出总线请求
    • CPU响应之后让出系统总线，DMA接管总线
  • 传送时：
    • 确定传送数据的主存单元地址及长度，并能自动修改主存地址和传送长度
    • 规定数据在主存和外设之间的传送方向，并且发出读写控制信号
  • 传送后：
    • 向CPU报告DMA操作的结束

2.3.1 DMA 传送过程

• 预处理：由CPU完成一些数据必要的准备工作
• 数据传送：DMA控制器将数据写入数据缓冲中
• 后处理：DMA控制器向CPU发送中断请求，CPU校验传送数据的正确性

注意：

• 当DMA控制器和CPU同时访问内存的时候，会产生争夺内存的使用权问题，此时就是DMA的传送方式问题

2.3.2 DMA 传送方式

• 处理冲突分为三种方式
  • 停止CPU访问内存
  • DMA和CPU交替访问内存 ： 将一个周期分为两个周期
  • 周期窃取 : 前两种方式的折中

2.3.3 DMA方式 和 中断方式比对

3. 外部设备

• 外部设备主要包括
  • 输入设备：如键盘鼠标
  • 输出设备：显示器和打印机
  • 外存设备：CPU缓存，光盘和磁盘

3.1 输入设备

键盘和鼠标的基本原理

3.2 输出设备

• 以显示器基本原理为例

• 显示器的 VRAM 的计算
  • VRAM容量 = 分辨率 * 灰度级位数
  • VRAM 带宽 = 分辨率* 灰度级位数* 帧数

3.3 外存储器

3.3.1 磁盘原理

• 计算机使用的外存储器叫做辅助存储器，目前主要使用是磁表面存储器

1. 磁盘设备的组成

• 存储区域
  • 磁头数
  • 柱面数
  • 扇区数

• 磁盘存储器的组成
  • 磁盘驱动器：磁头组件和盘片组件
  • 磁盘控制器：磁盘存储器的接口

2. 磁盘存储器的性能指标

• 磁盘容量分为：格式化和非格式化容量
• 磁盘记录密度：道密度，位密度，面密度
• 磁盘寻道时间：寻道时间+旋转延迟时间+传输时间
• 数据传输率：单位时间内向主机传输的数据字节数
  • D = r N
  • D是数据传输率，r是磁盘转速，N是每条磁盘容量

3. 磁盘地址

• 驱动器号：哪一个磁头
• 柱面号：柱面的地址
• 盘面：盘面的地址
• 扇区：扇区号

注意：

• 磁盘的读写是串行的，不能同时读写
• 每个操作对应于一个控制字，第一步是取控制字，第二部是执行控制字

3.3.2 磁盘阵列 RAID

• RAID（廉价冗余磁盘阵列）：将多个独立的物理磁盘组成一个独立的逻辑磁盘
• 数据可以在多个物理盘上交叉存储，并行访问

• 对应于RAID有以下几种方案
  • RAID0 : 无冗余和无校验的这列
  • RAID1： 镜像的磁盘阵列
  • RAID2：海明码校验的磁盘阵列
  • RAID3：位交叉奇偶校验码磁盘阵列
  • RAID4：块交叉奇偶校验码磁盘阵列
  • RAID5：无独立校验的奇偶校验码磁盘阵列

3.3.3 光盘

3.3.4 固态硬盘

• 采用的是Flash闪存的硬盘
• 本质上是只读存储器

4. I/O 接口

• I/O 接口是主机和外设之间的交接界面，并且有如下功能
  • 设备选址功能 ： 设备选择电路
  • 传送命令的功能 ：命令寄存器和命令译码器
  • 传送数据的功能 ： 数据缓冲寄存器DBR
  • 反馈I/O 设备的工作状态 : 设备状态标记

4.1 基本结构

• 基本结构图如下：

• 接口和端口
  • 端口是I/O接口中直接可以被访问的寄存器
    • 端口：数据端口，控制端口，状态端口
  • 接口是由端口和控制逻辑组成的
  • 端口是由地址来进行访问的

• 端口的编址方式
  • 统一编址：主存和设备统一编址（共用一套地址线）
    • 命令通用一套指令
  • 独立编址：I/O和存储器地址是分开的
    • 命令是不同的指令集

4.2 接口类型

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14

**按传送方式分类**

- 并行和串行

**按控制方式分类**

- 程序查询
- 中断接口
- DMA接口

**按功能的灵活性**

- 可编程接口   ：通道处理器
- 不可编程接口

4.3 本章小结