计算机输入输出系统

输入输出系统是计算机系统中的主机与外部进行通信的系统，它由外围设备和输入输出控制系统两部分组成，是计算机系统的重要组成部分。

输入/输出系统

I/O系统的基本概念

I/O接口（又称为I/O控制器、设备控制器)

负责协调主机与外部设备之间的数据传输

I/O控制方式

1)程序查询方式：CPU不断轮询检查/o控制器中的 “状态寄存器”，检测到状态为“已完成”之后， 再从数据寄存器取出输入数据

2)程序中断方式：等待键盘/O时CPU可以先去执行 其他程序，键盘/o完成后/O控制器向CPU发出中断 请求，CPU响应中断请求，并取走输入数据

外部设备

输入设备

键盘、鼠标

输出设备

显示器

屏幕大小

对角线长度标识12~29英寸

分辨率

标识的像素个数，以宽、高像素的乘积表示

灰度级

黑白显示器所显示的像素点的亮暗差别，彩蛇显示器中则表现为颜色的不同，灰度级越多，图像层次越清楚逼真，典型由8位、16位，n位可以表表示z种不同的亮度或颜色

刷新

光点只能保持极短的时间便会消失，为此必须在光点消失之前再重新扫描显示一遍，这个过程称为刷新。 刷新频率：单位时间内扫描整个屏幕内容的次数，按照人的视觉生理，刷新频率大于30Hz时才不会感到闪烁，通常显示器刷新频率在60~120Hz。

显示存储器(VRAM)

也称刷新存储器，为了不断提高刷新图像的信号，必须把一帧图像信息存储在刷新存储器中。其存储容量由图像分辨率和灰度级决定，分辨率越高，灰度级越多，刷新存储器容量越大。

按显示的信息内容分类

字符显示器

m×n点阵组成的整列； 点阵存入由ROM构成的字符发生器； 字符的ASCII码被存放在视频存储器VRAM中，以备刷新

图形显示器

图像显示器

按显示设备所用的显示器件分类

阴极射线管(CRT)显示器

液晶显示器(LCD)

LED显示器

注：现代计算机中，显存除了作为当前显示帧的缓存，还会用于保存即将渲染 的图像数据。 集成显卡计算机中，通常分配一片内存作为显存

打印机

击打式打印机

利用机器动作使印字机构与色带和纸相撞而打印字符

优：设备成本低、印字质量好

缺：噪声大、速度慢

非击打式打印机

采用光、电、磁、喷墨等物理、化学方法来印刷字符

优：速度快、噪声小

缺：成本高

工作方式分为

针式打印机

原理

在联机状态下，主机发出打印命令，经接口、检测和控制电路，间歇驱动纵向送纸和打印头横向移动，同时驱动打印机间歇冲击色带，·在纸上打印出所需内容。

特点

针式打印机擅长“多层复写打印”，实现各种票据或蜡纸等的打印。它工作原理简单，造价低廉，耗材（色带）便官。，但打印分辨率和打印速度不够高。

喷墨式打印机

原理

带电的传墨雾点经过电极偏转后，直接在纸上形成所需字形。彩色喷墨打印机基于三基色原理，即分别喷射3种颜色墨滴，按一定的比例混合出所要求的颜色。

特点

打印噪声小，可实现高质量彩色打印，通常打印速度比针式打印机快；但防水性差，高质量打印需要专用打印纸。

激光打印机

原理

计算机输出的二进制信息，经过调制后的激光束扫描，在感光鼓上形成潜像，再经过显影、转印和定影，便在纸上得到所需的字符或图像。

特点

打印质量高、速度快、噪声小、处理能力强；但耗材多、价格较贵、不能复写打印多份，且对纸张的要求高。激光打印机是将激光技术和电子显像技术相结合的产物。感光鼓（也称为硒鼓）是激光打印机的核心部件。

I/O接口

作用

数据缓冲

通过数据缓冲寄存器(DBR)达到主机和外设工作速度的匹配

错误或状态检测

通过状态寄存器反馈设备的各种错误、状态信息，供CPU查用

控制和定时

接收从控制总线发来的控制信号、时钟信号

数据格式转换

串-并、并-串等格式转换

与主机和设备通信

实现主机一I/O接口一I/O设备之间的通信

I/O结构的基本机构

内部接口

内部结构与系统总线相连，实质式是与内存、CPU相连。数据的传输方式可能是并行

外部接口

外部接口通过接口电缆与外设相连，外部接口的数据传输可能是串行方式，因此I/O接口需具有串/并转换的功能

数据线

读写数据、状态字、控制字、中断类型

地址线

指明I/O端口

控制线

读/写IO端口的信号、中断请求信号

I/O接口的工作原理

发命令

发送命令字到I/O控制寄存器，想你设备发送命令(需要驱动程序的协助)

读状态

从状态寄存器读取状态字，获得设备或I/O控制器的状态信息

读/写数据

从数据缓冲寄存器发送或读取数据，完成主机与外设的数据交换

I/O端口及其编址

统一编制

存储器映射方式

把I/O端口当作存乎其的单元进行地址分配，这种方式CPU不需要设置专门的I/O指令，用同一的访存指令就可以访问I/O端口。

优点

不需要专门的输入/输出指令，所有访存指令都可直接 访问端口，程序设计灵活性高 端口有较大的编址空间 读写控制逻辑电路简单

缺点

端口占用了主存地址空间，使主存地址空间变小 外设寻址时间长（地址位数多，地址译码速度慢）

独立编址

I/O映射方式

I/O端口的地址空间与主存地址空间是两个独立的地址空间，无法从地址码的形式上区分，需要设置专门的I/O指令来访问端口

优点

使用专用I/O指令，程序编制清晰 I/O端口地址位数少，地址译码速度快 I/O端口的地址不克用主存地址空间

缺点

I/O指令类型少，一般只能对端口进行传送操作， 程序设计灵活性差 需要CPU提供存储器读/写、I/O设备读/写两组控制 信号，增加了控制逻辑电路的复杂性

I/O接口的类型

按数传送方式分为

并行接口

一个字节或所有位同时传送

串行接口

一位一位地传送

按主机访问I/O设备的控制方式可分为

程序查询接口

中断接口

DMA接口

I/O方式

程序查询方式

预设传送参数

cpu执行初始化程序，并预设传送参数：设置计数器、设置数据首地址

启动外设

向I/O接口发送命令字，启动I/O设置

取外设状态

CPU从接口读取设备状态信息

外设装备是否就绪

COU不断查询I/O设备状态，知道外设准备就绪

CPU一旦启动/O,必须停止现行程序的 运行，并在现行程序插入一段程序。 主要特点：CPU有“踏步”等待现象， CPU与I/O串行工诈

传送一次数据

一般为一个字

修改传送参数

修改地址和计数器参数

传送是否完毕

判断传送是否结束(一般计时器为0时结束)

优点

接口设计简单、设备量少

缺点

CPU在信息传送过程中需要花费很多时间用于查询和等待，而且一段时间内只能和一台外设交换信息，效率大大降低

CPU使用独占查询

定时查询：在保证数据不丢失的情况下，每隔一段时问CPU就查询一次I/O状态。查询的问隔内CPU可以执行其他程序

独占查询：CPU100%的时间都在查询I/O状态，完全串行

程序中断方式

中断系统

中断的基本概念

程序中断是指在计算机执行现行程序的过程中，山现某些急需处理的异常情况或特殊请求，CPU暂时中止现行程序，而转去对这些异常情况或特殊请求进行处理，在处理完毕后CPU又自动返回到现行程序的断点处，继续执行原程序。

工作流程

中断请求

中断源向CPU发送中断请求信息

中断响应

响应中断的条件

中断源有中断请求

CPU允许中断即开中断

一条指令执行完毕，且没有更紧迫的任务

中断判优：多个中断源同时提出请求时通过中断判优逻辑响应一个中断源

可以使用硬件实现，也可以软件实现

软件实现

通过查询程序实现

硬件实现

通过硬件排队其实现，可以设置在CPU中也，也可以分散在各个中断源中

优先级设置

硬件故障中断数据最高级，其次是软件中断

非屏蔽中断优于可屏蔽中断

DMA请求优于I/O设备传送的中断请求

高速设备优于低速设备

输入设备的优先级优于输出设备

实时设备优于普通设备

对于外中断，CPU是在每条指令执行阶段结束前向接口发出中断查询信号，以获取I/O设备的中断请求，也就是说，CPU响应中断的时间是在每条指令执行阶段的结束时刻

中断处理

中断服务程序

保护现场

保存通用寄存器和状态寄存器的内容，以便返回远程后可以恢复CPU环境，可使用堆栈，也可以使用特点存储单元

中断服务（设备服务）

主体部分，通过程序控制需打印的字符代码送入打印机的缓冲寄存器中

恢复现场

通过出栈指令或取数指令把之前保存的信息送回寄存器中

中断返回

通过中断返回指令回到源程序断电处

中断隐指令

主要任务

关中断

在中断服务程序中，为了保护中断现 场（即CPU主要寄存器中的内容）期间不被新的 中断所打断，必须关中断，从而保证被中断的程 序在中断服务程序执行完毕之后能接着正确地执 行下去。

保存断点

为了保证在中断服务程序执行完毕 后能正确地返回到原来的程序，必须将原来程序 的断点（即程序计数器(PC)的内容）保存起来。 可以存入堆栈，也可以存入指定单元。

引出中断服务程序

引出中断服务程序的实质 就是取出中断服务程序的 入口地址并传送给程序计数器(PC)

硬件向量法

由硬件产生向量地址，在由向量地址找到入口地址

软件查询法

单中断与多重中断

单重中断

执行中断服务程序时不响应新的中断请求。

多重中断

又称中断嵌套，执行中断服务程序时可响 应新的中断请求。

中断屏蔽

主要用于多重中断

需要满足条件

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由权中断优先级别地的中断源

每个中断源都有一个屏蔽触发器，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。

中断

内中断(也称异常、例外、陷入)

信号的来源：CPU内部与当前执行的指令有关

自愿中断——指令中断

如：系统调用时调用的访管指令

强迫中断

硬件故障

如：缺页

软件中断

如：整数除0

外中断(中断)

信号的来源：CPU外部与当前执行的指令无关

外设请求

如：I/O操作完成发出的中断信号

人工干预

如：用户强行终止一个进程

非屏蔽中断

关中断时也会被响应(如：掉电)

可屏蔽中断

关中断时不会被响应

程序中断方式

工作流程

CPU 占用情况

中断响应(隐指令)

中断服务程序

DMA控制器

CPU向DMA控制器指明输入还是输出； 指明传送的1数据量； 数据再主存、外存中的地址

接受外设发出的DMA请求(外设传送一个字的请求)，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

传送前

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计数和传送长度计数

规定数据再主存和外存之间的传送方向，发出读写等控制信号，执行数据传送操作

传送时

向CPU报告DMA操作的结束

控制块设备

内部结构

控制/状态逻辑

由控制和时序电路及状态标志组 成，用于指定传送方向，修改传 送参数，并对DMA请求信号和 CPU响应信号进行协调和同步

DMA请求触发器

每当1/o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

主存地址计数器

简称AR,存放要交 换数据的主存地址

传送长度计数器

简称WC,用来记录传送数据的长度，计数溢出时，数据即传送 完毕，自动发中断请求信号

数据缓冲寄存器

用于暂存每次传送的数据

中断机构

当一个数据块传送完毕后触发中断机构，向CPU中提出中断请求

DMA请求触发器

每当/O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

DMA传送过程

DMA控制器的特点

①它使主存与CPU的固定联系脱钩，主存既可被CPU访问，又可被外设访问。

②在数据块传送时，主存地址的确定、传送数据的计数等都由硬件电路直接实现。

③主存中要开辟专用缓冲区，及时供给和接收外设的数据。

④DMA传送速度快，CPU和外设并行工作，提高了系统效率。

⑤DMA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。

DMA传送方式

停止CPU访问主存

控制简单

CPU处于不工作状态或保持为充分发挥CPU对主存的利用率

DMA于CPU交替访存

不需要总线使用权的申请、建立和归还过程

硬件更加复杂

周期挪用(周期窃取)

DMA访存三种可能

CPU此时不访存(不冲突)

CPU正在访存(存取周期结束让出总线)

CPU和DMA同时请求访存( I/O访存优先)

DMA方式和中断方式