《计组》输入输出系统

IO接口

功能
- 接受主机发生的IO控制信号，实现主机和外部设备之间的信息交换
- 选址功能：进行地址译码和设备选择
- 传送命令功能：IO操作的控制与定时
- 反映IO设备工作状态的功能：IO过程中错误和状态检测
- 数据格式的转换
IO接口的基本结构
- 端口：接口电路中可以进行读写的寄存器
- 接口：若干端口加上对应的控制逻辑
- IO指令
  - 对数据缓存寄存器、状态控制寄存器的进行访问操作的指令
  - 只能在OS内核的底层IO软件中使用
  - IO指令实现的数据传送通常发生在通用寄存器和IO端口之间
  - 一种特权指令
IO接口类型
- 数据传输方式区分
  - 并行接口：一个字节或一个字的所有位同时传送
  - 串行接口：一位一位地传送
  - 接口要完成数据格式的转换，此处特意指外设和接口一侧的传送方式
- 主机访问IO设备的控制方式区分
  - 程序查询接口
  - 中断接口
  - DMA接口
- 按功能选择的灵活性区分
  - 可编程接口
  - 不可编程接口

IO端口及其编址

IO端口
- IO端口：接口电路中可以被CPU直接访问的寄存器，即接口中用于暂存信息的寄存器
- 执行一条指令时，CPU使用地址总线选择所请求的IO端口，使用数据总线在CPU寄存器和端口之间传输数据
- IO端口想要被CPU访问，则必须对各个端口进行编号，每个端口对应一个端口地址
- 主要IO端口及其功能
  - 数据端口：CPU对数据端口执行读写操作
- 状态端口
  - 对状态端口只能执行读操作
- 控制端口
  - 对控制端口只能执行写操作
IO编址
- 统一编址（存储器映射方式）
  - 定义
    - 把IO端口当作存储器的单元进行地址分配，CPU不需要设置专门的IO指令，用统一的方寸指令就可以访问IO端口
  - 特点
    - 依靠地址码的不同区分存储单元和IO设备
  - 优点
    - 不需要专门的IO指令
    - 可以使CPU访问IO的操作更灵活、更方便
    - 还可以使端口有较大的编址空间
  - 缺点
    - 端口占用存储器地址，使内存容量变小
    - IO设备进行数据输入/输出操作时，执行速度较慢
- 独立编址（IO映射方式）
  - 定义
    - IO端口的地址空间与主存地址空间无法从地址码的形式上区分，需要设置专门的IO指令来访存IO端口
  - 特点
    - 通过专门的IO指令来区分存储单元和IO设备
  - 优点
    - 输入输出指令与存储器指令有明显区别
    - 程序编制清晰，便于理解
  - 缺点
    - 输入输出指令少，一般只能对端口进行传送操作
    - 尤其需要CPU提供存储器读写，IO设备读写两组控制信号增加了控制的复杂性

IO方式

IO方式：输入输出系统实现主机与IO设备之间数据传送的控制方式
程序查询方式
- 定义
  - 信息交换的控制完全由CPU执行程序实现
  - 接口中设置一个数据缓存寄存器（数据端口）和一个设备状态寄存器（状态端口）
  - 主机进行IO操作时，先发出询问信号，读取设备状态决定下一步操作到底是进行数据传送还是等待
    - CPU一旦启动IO就必须停止现行程序的运行，并在现行程序中插入一段程序
- 主要特点
  - CPU有踏步等待现象
  - CPU与IO串行工作
- 优点
  - 端口设计简单，设备量少
- 缺点
  - CPU在信息传送过程中要花费很多时间来查询和等待
  - 在一段时间内只能和一台外设交换信息，效率大大降低
程序中断方式
- 基本概念
  - 在计算机执行现行程序的过程中，出现某些急需处理的寻常情况或特殊情况请求CPU暂停中止现行程序，而专区对这些异常情况或特殊请求进行处理，处理完毕后再返回到现行程序的断点处，继续执行原程序
  - 早期中断技术是为了处理数据传送
  - 中断响应阶段CPU进行的操作，关中断，保护断点和程序状态，识别中断源
  - 多重中断系统在保护被中断进程现场时关中断，执行中断程序时开中断
  - CPU一般在一条指令执行结束的阶段采用中断请求信号，查看是否存在中断请求，然后决定是否响应中断
  - 中断隐指令的工作：关中断+保存断点+引出中断服务程序
  - 通用计算器的保护由中断服务程序完成
  - 中断优先级由屏蔽字决定，而不是根据请求的先后次序
  - 有中断请求时，如果是关中断的姿态，或新中断请求的优先级较低，则不能响应新的中断请求
- 中断技术的主要功能
  - 实现CPU和IO设备的并行工作
  - 处理硬件故障和软件错误
  - 实现人机交互，用户干预机器需要用到中断系统
  - 实现多道程序、分时操作，多道程序的切换需要借助于中断系统
  - 实时处理需要借助中断系统来实现快速响应
  - 实现应用程序和操作系统（管态程序）的切换，称为软中断
  - 多处理器系统中各处理器之间的信息交流和任务切换
- 中断技术的思想
  - CPU在程序中安排好在某个时机启动某台外设
  - 然后CPU继续执行当前的程序，不需要像查询方式那样等待外设准备就绪
  - 一但外设完成数据传送的准备工作，就主动向CPU发出中断请求，请求CPU为自己服务
  - 在可以响应中断的条件下，CPU暂时中止正在执行的程序，转去执行中断服务程序为外设服务，在中断服务程序中完成一次主机与外设之间的数据传送，传送完成后，CPU回到原来的程序
- 程序中断的基本流程
  - 中断请求
  - 中断响应判优（硬件排队器实现）
    - 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
    - DMA中断请求优于IO设备传送的中断请求
    - 在IO传送类中断请求中，高速设备优先于低速设备
    - 输入设备优先于输出设备，实时设备优先于普通设备
  - CPU响应中断的条件
    - 中断源有中断请求
    - CPU允许中断与开中断（异常和不可屏蔽中断不受此影响）
    - 一条指令执行完毕（异常不受限制），且没有更紧迫的任务
  - 中断响应过程
    - 关中断
    - 保存断点
    - 引出中断服务程序
  - 中断向量
    - 向量中断（硬件）
      - CPU响应中断后，通过识别中断源获得中断类型号然后据此计算出对应中断向量的地址，再根据该地址从中断向量表中取出中断服务程序的入口地址，并送入PC，以转而执行中断服务程序
    - 非向量（软件）中断
      - CPU设置一个异常状态寄存器，用于记录异常原因，OS用一个统一的异常或中断查询程序，按优先等级顺序查询异常状态寄存器，以检测异常和中断的类型，先查到的先被处理，然后转到内核中相应的处理程序
  - 中断处理过程
- 多重中断和中断屏蔽技术
  - 单重中断
    - 若CPU在执行中断服务程序的过程中，又出现了新的更高优先级的中断请求，而CPU对新的中断请求不响应
  - 多重中断（中断嵌套）
    - 若CPU在执行中断服务程序的过程中，又出现了新的更高优先级的中断请求，CPU暂停现行的中断服务程序，转而去处理新的中断请求
    - 条件
      - 在中断服务程序中提前设置开中断指令
      - 优先级别高的中断源有权中断优先级低的中断指令
  - 中断处理优先级可通过中断屏蔽技术动态调整
    - 每个中断源有一个屏蔽触发器
    - 1表示屏蔽该中断源的请求，0表示可以正常申请
    - 所有屏蔽触发器组合在一起便构成一个屏蔽字寄存器
    - 屏蔽字寄存器的内容称为屏蔽字
DMA(Direct Memory Access 直接存储器存取)方式
- 一种完全由硬件进行成组信息传送的控制方式
- 在数据准备阶段，CPU与外设并行工作，在外设与内存之间开辟一条直接数据通路，信息传送不再经过CPU（无需保护、恢复CPU现场等操作），降低CPU在传送数据时的开销
特点
- 主存既可以被CPU访问，也可以被外设访问
- 在数据块传送时，主存地址的确定、传送数据等都由硬件电路直接实现
- 主存中要开辟专用缓冲区，及时供给和接受外设的数据
- DMA传送速度快，CPU和外设并行工作，提高了系统效率
- DMA在传送开始前要通过程序进行预处理，结束后要通过中断方式进行后处理
DMAC
- DMA控制器，是对数据传送过程进行控制的硬件
- 在DMA过程中，DMAC将接管CPU的地址总线、数据总线和控制总线；CPU的主存控制信号被禁用
- 功能
  - 接收外设发出的DMA请求，并向CPU发出总线请求
  - CPU响应此总线请求，发出总线响应信号，接管总线控制权，进入DMA操作周期
  - 确定传送数据的主存单元地址及长度，并自动修改主存地址计数和传送长度计数
  - 规定数据在主存和外设间的传送方向，发出读写等控制信号，执行数据传送操作
  - 向CPU报告DMA操作结束
- 组成
  - 主存地址计数器：存放要交换数据的主存地址
  - 传送长度计数器：记录传送数据的长度，计数溢出时，数据传输即完毕，自动发生中断请求信号
  - 数据缓冲寄存器：暂存每次传送的数据
  - DMA请求触发器：每当IO设备准备好数据后，给出一个控制信号，使DMA请求触发器置位
  - 控制/状态逻辑：由控制和时序电路及状态标志组成，用于指令传送方向，修改传送参数，并对DMA请求信号，CPU响应信号进行协调和同步
  - 中断机构：当一个数据块传送完毕后触发中断机构，向CPU提出中断请求
- 传送方式
  - 当IO设备和CPU同时访问主存时，可能发生冲突，为了有效使用主存，DMAC和CPU通常采用3种方式使用主存
    - 停止CPU访问
    - 周期挪用：IO访存优先级高于CPU访存，因为IO不立即访存就可能会丢失数据，此时由IO设备挪用几个存取周期
    - DMA与CPU交替访问：适用于CPU工作周期比主存存取周期长的情况
- 传送过程
  - 预处理
    - CPU完成一些必要的准备工作
  - 数据传送
    - 可以以单字节为基本单位
    - 也可以以数据块为基本单位（通过循环实现）
  - 后处理
    - DMAC向CPU发出中断请求
    - CPU执行中断服务程序做DMA结束处理
    - 校验送入主存的数据是否正确
    - 测试传送过程中是否出错（错误则转诊断程序）
    - 决定是否继续使用DMA传送其他数据等
DMA方式和中断方式的对比
- DMA
  - DMA方式除了预处理和后处理，其他时候不占用CPU资源
  - 对DMA请求的响应可以发生在每个机器周期结束时
  - 在取指周期、间址周期、执行周期后都可以
  - 只要CPU不占用总线就可以被响应
  - DMA传送过程不需要CPU的干预
    - 数据传输率非常高
    - 适合于高速外设的成组数据传送
    - DMA请求优先级高于中断请求
    - DMA请求仅局限于传送数据块的IO操作
    - DMA方式依靠硬件传送
- 中断方式
  - 中断方式是程序的切换，需要保护和恢复现场
  - 对中断请求的响应只能发生在每条指令执行完毕时，即指令的执行周期后
  - 中断传送过程需要CPU的干预
  - 中断方式具有对异常事件的处理能力
  - 中断方式靠程序传送
各种IO控制方式的对比和例题

思维导图

结构
- CPU
  - 程序查询
  - 中断
  - DMA
- 接口
  - 按字传输型，每次传输一个字
  - DMA型，每次传输一整块
- 传输总线
  - 并行
    - 多位一起传
  - 串行
    - 一位一位传
    - 可能会有附加的校验位、起始位、结束位
- 设备
  - 无指挥
    - IO设备按自己的节奏往IO缓冲区冲入数据
    - CPU不及时取走数据，可能导致数据丢失
  - 有指挥
    - IO设备会根据CPU的智慧，往IO缓冲区冲如数据
    - CPU从缓冲区中取走一个字的数据后，会智慧IO设备输入下一个字的数据，不会有数据丢失的问题
重点
- CPU每次介入的动作
  - 程序查询方式
    - 每次检查IO接口数据是否准备完毕
    - 一次程序查询的时间开销，需要执行多少条指令/多少个时钟周期
    - CPU介入的频率，取决于查询程序上CPU的时间频率
  - 中断控制方式
    - 中断响应（隐指令）
      - 时间开销
        
        通常以时钟数作为条件
    - 中断服务程序
      - 时间开销
        
        时钟数
        
        指令总数，结合CPI
    - CPU介入的频率
      - 取决于IO接口发来中断的频率
  - DMA控制方式
    - 预处理
      - 让DMA接口输入一块数据
    - 后处理
      - 一整块数据传输完成后，DMA接口给CPU中断，CPU处理中断
    - CPU介入频率
      - 每传一块介入一次
- 数据丢失问题
  - 程序查询方式
    - 当IO缓冲区大小有限时，每一次数据冲入后，CPU都要及时把数据取走，防止丢失
    - 若CPU每次查询的时间开销太久，可能导致IO接口数据覆盖
  - 中断控制方式
    - 判断是否会数据丢失，中断处理的时间，总共花了多少，是否大于IO接口冲入一次数据的时间
    - 若中断处理时间太久，可能导致IO接口数据覆盖
  - DMA控制方式
    - 不会数据丢失