计算机组成 – 输入输出系统

概述

发展

• 早期阶段（程序查询方式，即完全通过 CPU）
• 接口模块和 DMA 阶段（中断方式和 DMA 方式）
• 具有通道结构的阶段
• 具有 I/O 处理器的阶段

组成

• 软件：I/O 指令，通道指令（通道指令存放在主存里面，属于通道不属于 CPU）

• 硬件：I/O 接口，设备控制器，通道

联络方式

编制方式：统一编址（和内存的指令共用），不统一编址（有专门的I/O指令）

传送方式：串行，并行

联络方式：立即响应，异步工作采用应答信号（注意串行的时候需要标记起始位和终止位），同步工作采用同步时标

连接方式

• 辐射式连接：每台设备都配有一套控制线路和一组信号线，不便于增删设备（单独设计电路，如果想要删除就必须重新设计电路）

• 总线连接：便于增删设备（USB 就是总线连接）

控制方式

程序查询方式

在进行 I/O 的时候，CPU 也需要停下来等待。CPU会不断检查 I/O 的状态，造成效率非常的低。

程序中断方式

当 I/O 自己在准备的时候，CPU 不会检查输入输出设备的状态。只有在开始信息交换的时候，那么输入输出设备就会请求中断，CPU 执行中断后，执行 I/O 操作。

DMA 方式

主存和 I/O 之间可以直接进行数据的交换，无需 CPU 的参与。DMA 会窃取一个或若干个存取周期，进行主存和 I/O 的数据传输。但是这个时候，CPU 不能使用主线，但好在 CPU 有缓存，我们仍然可以利用缓存中指令和数据继续执行程序。

I/O 设备

I/O 接口

功能和组成

• 设备选择线：选择所用到的设备
• 数据线：传送数据
• 命令线：判断是读还是写
• 状态线：判断是否在忙

接口类型

程序查询方式

接口电路

其中工作寄存器是 B， 完成寄存器是 D。在 (1) 的时候，D=1，B=0表示设备在工作，但是数据仍然没有准备好。当设备工作完成后，执行 (4) ，使得 D=1，B=0，说明数据准备好了。在此期间，CPU 会一直检查 D，一但 D 为1，CPU 就把 DBR 中的数据取出。

程序中断方式

I/O 中断的例子

接口电路

1. 配置中断请求触发器和中断屏蔽触发器（可能有优先级高的中断，所以需要屏蔽）。如下图，中断请求触发器的值取决于完成触发器和屏蔽触发器的值。
   
2. 排队器（对于高速设备，肯定是要优先级高一些的，因为不及时处理就会丢失数据），下图链式排队器，越靠左优先级越高。
   
3. 中断向量地址形成部件：由硬件产生向量地址，再由向量地址找到中断服务程序入口地址。
   
4. 程序中断方式接口电路的基本组成：其实就是在原来程序查询方式的接口电路基础上，加上了 INTR 和 MASK，以及排队器和中断向量的编码器。设备编码器是将排队器输出转换为中断向量。

中断服务程序流程

保护现场 -> 中断服务 -> 恢复现场 -> 中断返回


保护现场需要保护程序的断点，也需要保护一些通用的寄存器（进栈）。

单重中断和多重中断：

• 单重中断：不允许中断现行的中断服务程序
• 多重中断：允许级别更高的中断源中断现行的中断服务程序

DMA 方式

DMA 与主存交换数据的方式

停止 CPU 访问主存

在DMA工作的过程中，如果缓存里面没有执行的程序，CPU 则会停下来。

周期挪用

DMA 访问主存有三种可能

• CPU 此时不访存
• CPU 正在访存
• CPU 与 DMA 同时请求访存：此时 CPU 将总线控制权让给 DMA

DMA 与 CPU 交替访问

不需要申请建立和归还总线的使用权，但实际上没什么实用价值（因为有些时候 DMA 不需要这么多时间）

功能和组成

DMA 需要的功能如下：

1. 向 CPU 申请 DMA 传送
2. 处理总线控制权的转交
3. 管理系统总线、控制数据传送
4. 确定数据传送的首地址和长度，修正传送过程中的数据地址和长度
5. DMA 传送结束时，给出操作完成信号

DMA 接口组成：

AR 是地址寄存器，WC 是传输的数据数量， DAR 是设备地址寄存器，BR 是数据缓冲器（Buffer）。

DREQ，DACK 是设备的请求和确认信号，HRQ 是接管总线的请求信号，HLDA 是允许接管总线的应答信号。

DMA 的工作过程

右图是数据传送的一个过程。

首先设备向 DMA 发出请求 DREQ，然后 DMA 请求占用总线 HRQ，如果可以的话，CPU 会给出应答信号 HLDA，然后设置AR为要访问的内存单元起始地址，然后执行 DACK 表示设备已经准备好数据传输了，然后进行数据的传输。直到 WC 不断加到溢出后（一开始 WC 为负数，溢出为000...），然后执行中断。然后中断程序执行后处理：

• 校验送入主存的数是否正确
• 是否继续用 DMA
• 测试传送过程是否正确，错则转诊断程序
• 由中断服务程序完成

DMA 接口与系统的连接方式

具有公共请求线的 DMA 请求（同链式访问，越近优先级越大）

独立的 DMA 请求：（同总线的独立请求方式）

DMA 方式与程序中断方式的比较

类型

选择型

多路型