组成原理（七）IO系统

第七章 IO系统

7.1 IO系统基本概念

1. IO设备编址方式
   （1）统一编址 ： 和主存统一编址
   （2）不统一编址 ： 有专门的IO指令

2. 设备选址
   用设备选择电路识别是否被选中

3. 传送方式：串行和并行

4. 联络方式：
   （1）立即响应
   （2）异步工作采用应答信号
          并行：
          串行：想象网络传输的包
   （3）同步工作采用同步时标

5. IO设备与主机的连接方式
   （1）辐射式连接：每台设备都有一套控制线和一组信号线。不便于增删设备
          
   （2）总线连接：便于增删设备

6. IO设备分类
   （1）人机交互设备：键盘鼠标
   （2）计算机信息存储设备：磁盘光盘
   （3）机机通信设备：网络传输
   

7.2 CPU对IO设备的控制

1. 程序查询方式
   （1）由软件控制查询IO设备的状态，只要设备没准备好，CPU就会意志询问状态
   （2）每次只能传输一个字，继续传输CPU就要走下一个IO询问
   （3）踏步等待，串行传输，大量浪费CPU时间
   

2. 程序中断方式
   （1）CPU只发出IO请求，启动设备，然后继续执行其他工作。IO设备传输数据到缓冲寄存器中，存满则对CPU发出中断请求，请求把数据传输到CPU.
   （2）IO操作和CPU的其他工作是并行进行的。没有踏步等待，IO传输开始会中断现行程序
   
   （3）中断服务程序，解决中断酸发生的问题。（保留中断前程序执行的现场，回复中断后程序执行的现场）
   （4）引起中断的方式
          人为设置的中断：转管指令
          程序性故障：溢出，操作码不能识别
          硬件故障
          I/O设备
          外部事件用键盘中断现行程序
   （5）中断系统需要解决的问题
          各中断源如何向CPU提出中断请求
          各中断源同时提出中断请求怎么办
          CPU什么条件，什么时间，以什么方式响应中断
          如何保护现场
          如何寻找入口地址
          如何恢复现场，如何返回
           处理中断的过程又出现新的中断怎么办？
   （6）中断响应的条件
          中断源提出中断请求
          中断未被屏蔽
          中断源具有较高的优先级
          CPU允许中断
          一条指令执行完毕
          没有更高级的中断服务程序正在执行
   （7）中断请求标记和中断判优逻辑
        中断请求标记：INTR。INTR是一个中断请求标记触发器，多个INTR触发器组成一个中断请求寄存器。：
          
          （a）硬件实现排队器（进行中断判优）
                 分散在各个中断源的接口电路中，形成链式排队器
                 
          （b）软件实现：按照优先级的顺序一次查询这些设备是否有请求
   （8）中断服务程序的寻址
          硬件向量法：
                 把上面排队器的输出接入到乡里那个地址形成部件，输出一个主存地址。这个地址上的内容是提前服务程序
                 排队器的输出又称”向量地址“，向量地址形成部件输出的物理地址又称”中断服务程序的入口地址“
                 
   （8）中断处理过程：
        （a）执行中断隐指令：
                  硬件关中断：
                   保存断点：保存当前程序断点PC.到特定地址（0号地址），断点进栈
                  寻找中断服务程序入口地址：向量地址->PC（硬件向量法）
                  中断服务程序入口地址M -> PC （软件查询法）
        （b）转入中断服务程序：
                 保护现场：保护CPU的主要状态，PCB保存等。通用寄存器入栈保存
                 开中断：为了响应其它优先级更高的中断请求。另外在小中断服务程序执行完毕后，再次响应
                 中断处理。
                 结尾部分：关中断，以防止在恢复现场的过程中被新的中断打断。
                                   恢复现场
                                   开放中断
                                   中断返回
   【注】：保护现场和恢复现场只是一半指令的叠加，例如PC值入栈等操作。这些操作计算并不能意识到是他个数的操作，所以要先关闭中断，在进行保存和回复操作.
   （9）中断屏蔽技术
        （a）多重中断的概念：在执行中断服务程序的时候，该程序被优先级更高的中断请求中断。前提是先开中断
        （b）屏蔽技术 ：
             I. 中断的优先级是硬件电路实现的，所谓屏蔽，就是在每个电路上，加上mask掩码电路。
             ii. 通过设置mask掩码电路的值，和原中断优先级的判断进行与操作，来对中断进行屏蔽。
             iii. （因此，mask值为1不进行屏蔽，为0进行屏蔽）
             V. 中断屏蔽字的编码：把所有中断操作列出01序列，优先级高的位设置为0。

   eg：中断屏蔽字为A：1111，B：0100，C：0110，D：0111。中断优先级为：ADCB（0的个数依次增多）

3. DMA方式：
   （1）概念：
        （a）在数据准备阶段，CPU与外设并行工作。数据传输阶段，DMA方式在外设和主存之间开辟一条”直接数据通道“，数据不再经CPU转存
        （b）DMA是纯硬件方式进行成组信息传送的IO方式
        （c）因为数据不再经CPU转存，所以也就不会有CPU保护恢复现场的操作，因此，DMA也称数据直接存储
   （2）总线征用方式：因为CPU和DMA控制器都能向总线传输数据，所以会导致总线冲突
        （a）停止CPU访问主存
        （b）DMA与CPU交替访问主存
        （c）周期挪用
   （3）DMA传送过程
        （a）预处理：由CPU完成一些准备工作。测试IO设备状态，启动设备等。当IO设备准备好发生的数据或接受的数据后，设备向DMA控制器发送DMA请求，然后DMA控制器向CPU发送总线请求
        （b）数据传送：完全有DMA控制器协调主存和外设进行传输数据
        （c）后处理：当数据传输完毕，DMA控制器向CPU发送中断请求，CPU执行中断服务程序校验传输数据是否准确，是否需要继续传输其他块等
   【注】：DMA方式，只有预处理和后处理需要CPU进行干预。
        DMA和CPU同时向主存写入数据时，DMA优先级高于CPU。先让DMA写入数据
        不竞争的情况下，CPU在执行完指令后，会空出一个存储周期，用于DMA中断

7.3 输入输出设备

1. 输入设备
   （1）键盘：将此键翻译成ASCII码（编码键盘）

2. 输出设备
   （1）显示器：
                 分辨率：显示器所能显示的像素个数
                 灰度级：像素点的亮暗差别（黑白）颜色。每个像素对应的舒心存储器的位数
                 刷新：反复不断的扫面整个屏幕
                 刷新存储器：容量 = 分辨率*灰度级

3. 外存储器：硬盘
   （1）按序存储，不能随机存储
   （2）存储密度：
          道密度：沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数。单位是道/英寸
          位密度：磁道单位长度上能记录的二进制字节数。单位是位/英寸
          面密度：位密度和道密度的乘积，单位是位/平方英寸
          
   （3）磁盘总的平均存取时间

[T_a = T_s + frac{1}{2r} + frac{b}{rN} ]

       存取时间(T_a)：存取时间是指从发出读写命令后，磁头从某一个起始位置移动到新的记录位置，到开始从盘面读出或写入信息加上传送数据所需要的时间。
       平均找道时间(T_s)：将磁头移动到所要求的磁道上所需的时间（磁臂移动到哪个同心圆）
       平均等待时间(frac{1}{2r})：在同心圆上，移动到哪个圆弧段。（用磁盘旋转一周所需时间的一半）
       数据传输时间(frac{b}{rN})：磁盘存储器在单位时间内向主机传送的字节数。
                                   设磁盘转速为r转/秒，每条磁道容量为N个字节，数据传输率为(D_r = rN)字节/秒

7.4 IO接口

1. IO接口又称作IO控制器，是主机和外设之间的交接面。用来实现主机和外设质检的信息交互。主机和外设的工作方式和工作速度具有很大差异，接口正是为了解决这些差异而出现的

2. IO接口的功能
   （1）实现主机和外设的通信联络控制
   （2）进行地址译码和设备选择：把CPU传来的地址号转换为制定设备
   （3）实现数据缓冲
   （4）电平信号转换：外社和主机的电平信号不同，要通过转换
   （5）传送控制命令和状态信息：接收CPU传来的启动设备命令，和向CPU传递设备准备就绪信号

3. 接口的逻辑电路
   （1）CPU同外设之间的信息传送实质是对接口中某些寄存器（端口）进行读写。eg：传送数据就是对DBR读写
   （2）内部接口：与系统总线相连，实质上是与内存，CPU相连。数据传输方式只能是并行传输
            外部接口：外部接口通过接口电缆和外设相连，外部接口的数据传输方式是串行传输。
            因此，接口要有串并转换功能