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，是计算机的重要组成部分，此篇导图朱啊哟介绍I/O系统的基本概念以及接口与方式

输入/输出系统

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• I/O系统基本概念*
  • 输入/输出系统
    • 定义
      • 以主机位中心，将信息从外设传送到主机，或者相反的过程
    • 基本概念
      • 外部设备
        • 包括 I/O设备及通过I/O接口才能访问的外存储设备
      • 接口
        • 在各个外设与主机之间传输数据时进行各种协调工作的逻辑部件，包括协调传输速度的匹配、电平和格式转换等等等
      • 输入设备
        • 用于向计算机系统输入命令和文本、数据等信息的部件，如键盘和鼠标
      • 输出设备
        • 用于将计算机系统中的信息输出到计算机外部进行显示、交换的部件，如显示器和打印机
      • 外存设备
        • 处内存和CPU缓存外的存储器，如硬磁盘、光盘
      • I/O系统
        • 1）IO软件。
          • 包括驱动程序、用户程序、管理程序、升级补丁等。通常采用I/O指令和通道指令实现CPU与I/O设备的信息交换。
        • 2）IO硬件
          • 包括外部设备、设备控制器和接口、I/O总线等。通过设备控制器来控制I/O设备的具体动作；通过I/O接口与主机（总线）相连。
  • I/O控制方式
    • 1）程序查询方式
      • 由CPU通过程序不断查询TO设备是否已做好准备，从而控制I/O设备与主机交换信息。
    • 2）程序中断方式
      • 只在I/O设备准备就绪并向CPU发出中断请求时才予以响应。
    • 3）DMA方式
      • 主存和I/O设备之间有一条直接数据通路，当主存和I/O设备交换信息时，无须调用中断服务程序。
    • 4）通道方式
      • 在系统中设有通道控制部件，每个通道都挂接若干外设，主机在执行I/O命令时，只需启动有关通道，通道将执行通道程序，从而完成IO操作。
  • 外部设备
    • 输入设备
      • 键盘
      • 鼠标
    • 输出设备
      • 显示器
        • 显存容量=分辨率×灰度级位数
        • 显存带宽=分辨率×灰度级位数×帧率
          •  
      • 打印机
    • 外部存储器（辅存）
      • 磁表面存储器
      • 固态硬盘（SSD）
      • 光盘存储器
• I/O接口
  • I/O接口的功能
    • 1）进行地址译码和设备选择
      • CPU送来选择外设的地址码后，接口必须对地址进行译码以产生设备选择信息，使主机能和指定外设交换信息。
    • 2）实现主机和外设的通信联络控制
      • 解决主机与外设时序配合问题，协调不同工作速度的外设和主机之间交换信息，以保证整个计算机系统能统一、协调地工作。
    • 3）实现数据缓冲
      • CPU 与外设之间的速度往往不匹配，为消除速度差异，接口必须设置数据缓冲寄存器，用于数据的暂存，以避免因速度不-致而丢失数据。
    • 4）信号格式的转换
      • 外设与主机两者的电平、数据格式都可能存在差异，接口应提供计算机与外设的信号格式的转换功能，如电平转换、并/串或串/并转换、模/数或数/模转换等。
    • 5）传送控制命令和状态信息
      • CPU要启动某一外设时，通过接口中的命令寄存器向外设发出启动命令；外设准备就绪时，则将“准备好”状态信息送回接口中的状态寄存器。并反馈给CPU。外设向CPU提出中断请求时CPU也应有相应的响应信号反馈给外设。
  • I/O接口的基本结构
    • • 数据线
        • 在数据缓冲寄存器与内存或CPU寄存器之间进行数据传送
        • 将状态寄存器中的接口和设备的状态信息送往CPU
        • 将CPU对外设的控制信息送往控制寄存器
      • 地址线
        • 给出要访问I/O接口中的寄存器的地址，伴随控制线送来的读/写信号确认是读寄存器还是写寄存器
      • I/O指令
        • 对I/O接口中寄存器的访问通过I/O指令，它是一种特权指令，只能在内核的底层I/O软件中使用
  • I/O接口的类型
    • 按数据传送方式分类
      • 并行接口：一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
    • 按主机访问I/O设备的控制方式分类
      • 程序查询接口
      • 中断接口
      • DMA接口
    • 按功能选择的灵活性
      • 可编程接口
      • 不可编程接口
  • I/O端口及其编址
    • 定义
      • I/O端口是指接口电路中可被CPU直接访问的寄存器，包括数据端口、状态端口和控制端口，若干端口加上相应的控制逻辑电路组成接口
      • CPU能对数据端口执行读写操作，但只能读状态端口，只能写控制端口
    • 编址
      • I/O端口要被CPU访问，必须进行编号，每个端口对应一个端口地址
      • 分类
        • 统一编制（存储器映射方式）
          • 把I/O端口当作存储器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，用统一的访存指令即可访问I/O端口
          • 优点
            • 不需要专门的I/O指令，使CPU访问I/O的操作更灵活方便，还可使端口有较大的编址空间
          • 缺点
            • 端口占用存储器地址，使内存容量更小，而且利用存储器编址的I/O设备执行速度变慢
        • 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，无法从地址码上区分，需设置专门的I/O指令来访问I/O端口
          • 优点
            • 程序编制清晰、易于理解
          • 缺点
            • I/O指令种类少，增加了I/O控制信号的复杂性
• I/O方式
  • 程序查询方式
    • 工作原理
      • 由CPU执行程序完全控制信息交换
      • 设置数据端口和状态端口，主机进行I/O操作前需先发出询问信号，读取设备状态
    • 工作流程
      • ①CPU执行初始化程序，并预置传送参数。
      • ②向IO接口发出命令字，启动IO设备。
      • ③从外设接口读取其状态信息。
      • ④CPU不断查询IO设备状态，直到外设准备就绪。
      • ⑤传送一次数据。
      • ⑥修改地址和计数器参数。
      • ⑦判断传送是否结束，若未结束转第③步，直到计数器为0
    • 特点
      • 接口设计简单、设备量少
      • CPU启动I/O时必须停止运行现行程序，CPU与I/O串行工作
      • CPU有“踏步”等待现象，而且一段时间内只能和一台外设交互，效率很低
  • 程序中断方式
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 中断方式中，CPU和I/O设备的数据传输可以并行进行，故计算中断时长/数据传输时长，即等于I/O占用CPU时长的比例 数据缓冲寄存器为32位，设备的传输率为50KB/s，即400000bit/s，则缓存器存满需要32/400000=8×10-5秒，而每次中断开销为1000个时钟周期，主频为1GHz，则1000个时钟周期为1×10-6秒，所以CPU用于设备输入输出时间比例即中断处理时间比例为[1×10-6/(8×10-5)]×100%=1.25%
    • 程序中断的基本概念
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      • 基本思想
        • CPU在启动外设后继续执行当前程序，一旦外设完成数据传送的准备工作，就主动向CPU发出中断请求，CPU响应中断，并在中断服务程序中完成一次主机与外设之间的数据传送
      • 中断技术的功能
        • ①实现CPU与I/O设备的并行工作。
        • ②处理硬件故障和软件错误。
        • ③实现人机交互，用户干预机器需要用到中断系统。
        • ④实现多道程序、分时操作，多道程序的切换需借助于中断系统。
        • ⑤实时处理需要借助中断系统来实现快速响应。
        • ⑥实现应用程序和操作系统（管态程序）的切换，称为“软中断”。
        • ⑦多处理器系统中各处理器之间的信息交流和任务切换。
    • 程序中断的工作流程
      • 中断请求
        • 为记录中断事件并区分中断源，中断系统需对每个中断源设置中断请求标记触发器，档期状态为“1”时代表中断源有请求，这些触发器可组成中断请求标记寄存器
        • 通过INTR线发出的是可屏蔽中断，邮件及最低，在关中断模式下不会被响应
        • 通过NMI线发出的不可屏蔽中断，优先级最高，用于处理紧急事件，如时钟中断、电源掉电等
        • 内部异常即使在关中断模式下也会被响应
      • 中断响应判优
        • 中断响应优先级
          • 指CPU响应中断请求的先后顺序
          • ①不可屏蔽中断>内部异常>可屏蔽中断
          • ②内部异常中，硬件故障>软件中断
          • ③DMA中断请求>I/O设备中断请求
          • ④I/O传送类中断请求中
            • 高速设备>低速设备
            • 输入设备>输出设备
            • 实时设备>普通设备
          • ⑥访管指令（自陷指令）>程序性异常>重新启动
        • 实现：硬件排队器
        • 分类
          • 响应优先级：在硬件线路上是固定的，不便改动
          • 处理优先级：可利用中断屏蔽技术动态调整，以实现多重中断
      • CPU响应中断的条件
        • ①中断源有中断请求
        • ②CPU允许中断及开中断（异常和不可屏蔽中断不受此限制
        • ③一条指令执行完毕（异常不受此限制），且没有更紧迫的任务
          • 注意：I/O设备的就绪时间是随机的，而CPU在统一的时刻即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IO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。这里说的中断仅指IO中断，内部异常不属于此类情况。
      • 中断响应过程
        • 中断隐指令（由硬件直接实现）
          • ①关中断
            • CPU响应中断后，首先要保护程序的断点和现场信息，在保护断点和现场的过程中，CPU 不能响应更高级中断源的中断请求。否则，若断点或现场保存不完整，在中断服务程序结束后，就不能正确地恢复并继续执行现行程序。
          • ②保存断点
            • 为保证在中断服务程序执行完后能正确地返回到原来的程序，必须将原程序的断点（指令无法直接读取的PC和PSW的内容）保存在栈或特定寄存器中。
            • 注意异常和中断的差异：异常指令通常并没有执行成功，异常处理后要重新执行， 所以其断点是当前指令的地址。中断的断点则是下一条指令的地址。
          • ③引出中断服务程序
            • 识别中断源，将对应的服务程序入口地址送入程序计数器PC。
            • 有两种方法识别中断源：硬件向量法和软件查询法（非向量中断）。本节主要讨论比较常用的向量中断。
      • 中断向量
        • 每个中断有唯一的类型号，每个类型号对应一个中断服务程序，每个都有一个入口地址，称为中断向量；将系统中的全部中断向量统一存储，称为中断向量表。
          • 中断向量地址指中断向量表的地址，或中断服务程序入口地址的地址
        • 中断向量法：CPU响应中断后，通过识别中断源获取中断类型号，据此再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，采用该方法的中断称为向量中断
      • 中断处理过程
        • ①关中断
        • ②保存断点
        • ③中断服务程序寻址
        • 中断隐指令（硬件自动）完成
          • 由CPU完成
        • ④保存现场和屏蔽字
          • 注意：现场和断点，这两类信息都不能被中断服务程序破坏。现场信息因为用指令可直接访问，所以通常在中断服务程序中通过指令把它们保存到栈中，即由软件实现；而断点信息由CPU在中断响应时自动保存到栈或指定的寄存器中，即由硬件实现。
        • ⑤开中断：允许更高级中断请求得到响应，实现中断嵌套
        • ⑥执行中断服务程序
        • ⑦关中断：保证在恢复现场和屏蔽字时不被中断
        • ⑧恢复现场和屏蔽字
        • ⑨开中断、中断返回
        • 中断服务程序完成
    • 多重中断和中断屏蔽技术
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      • 单重中断：若CPU在执行中断服务程序的过程中，出现了新的更高优先级的中断请求，而CPU对新的中断请求不予请求
      • 多重中断（中断嵌套）：若CPU暂停现行的中断服务程序，转去处理新的中断请求
        • 条件
          • ①在中断服务程序中提前设置开中断指令
          • ②优先级高的中断源有权中断优先级低的中断源
            • 中断处理优先级是指多重中断的实际优先级处理次序，可以利用中断屏蔽技术动态调整，从而可以灵活地调整中断服务程序的优先级，使中断处理更加灵活。如果不使用中断屏蔽技术，则处理优先级和响应优先级相同。现代计算机一般使用中断屏蔽技术，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。
  • DMA方式
    • 基本思想
      • DMA方式是一种完全由硬件（不是程序控制方式）进行成组信息传送的控制方式；在外设与内存之间开辟一条“直接数据通道”，信息传送不再经过CPU，也不需要保护、恢复CPU现场等操作
        • DMA结束后，CPU会转去中断处理，但不需要改变当前程序，不需改变寄存器值，故不需要保护现场
      • 使用于磁盘、显卡、网卡等高速设备大批量数据的传输，硬件开销较大
      • 在DMA方式中，中断的作用仅限于故障和正常传送结束时的处理
    • 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。
      • ⑥DMA方式只能用于数据传输，不能处理异常事件，不能中断现行程序，故不适用于鼠标和键盘
    • DMA控制器
      • 定义
        • 对数据传送过程进行控制的硬件称为DMA控制器（DMA接口）
      • 功能
        • 1）接受外设发出的DMA请求，并向CPU发出总线请求。
        • 2）CPU响应此总线请求，发出总线响应信号，接管总线控制权(使用权），进入DMA操作周期。
          • 在DMA传送过程中，DMA 控制器将接管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止使用。而当DMA传送结束后，将恢复CPU的一切权利并开始执行其操作。由此可见，DMA控制器必须具有控制系统总线的能力。
        • 3）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。
        • 4）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。
        • 5）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，数据即传送完毕，自动发中断请求信号。
        • 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，用于指定传送方向，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。
    • DMA的传送方式
      • 1）停止CPU访存
        • 当I/O设备有DMA请求时，由DMA控制器向CPU发生停止信号，使其脱离总线，停止访问主存，当数据传送结束后，通知CPU可以使用主存，并归还总线控制权
      • 2）周期挪用（周期窃取）
        • 当I/O设备由DMA请求时
          • ①此时CPU不在访存，I/O的访存请求与CPU不冲突
          • ②CPU正在访存，不许待存取周期结束后，CPU再让出总线占有权
          • ③I/O和CPU同时请求访存，出现访存冲突，I/O访存优先级较高，将由I/O设备挪用若干个存取周期。传送完一个数据后立即释放总线，是一种单字传送方式
      • 3）DMA与CPU交替访存
        • 适用于CPU的工作周期比主存存取周期长的情况
        • 总线使用权由DMA和CPU分时享用，不需要总线使用权的申请、建立和归还过程
    • DMA的传送过程
      • 1）预处理
        • CPU测试I/O设备状态
        • DMA控制器设置有关寄存器初值、传送方向、启动设备
        • I/O设备准备好数据后，由DMA向CPU发生总线请求
      • 2）数据传送
        • 以单字节/字/数据块为单位传送数据
        • 对于以数据块为单位的传送（如硬盘），I/O操作是在DMA控制器的控制下通过循环实现的
      • 3）后处理
        • DMA控制器向CPU发生中断请求，CPU执行中断服务程序做DMA结束处理，包括校验数据、测试错误等
    • DMA方式和中断方式的区别
      • ①中断方式是程序的切换，需要保护和恢复现场；而DMA方式除了预处理和后处理，其他时候不占用CPU的任何资源。
      • ②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)；而对 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、执行周期后均可)，只要CPU不占用总线就可被响应。
      • ③中断传送过程需要CPU的干预；而DMA传送过程不需要CPU的干预，因此数据传输率非常高，适合于高速外设的成组数据传送。
      • ④DMA请求的优先级>中断请求。
      • ⑤中断方式具有对异常事件的处理能力，而 DMA方式仅局限于传送数据块的I/O操作。
      • ⑥从数据传送来看，中断方式靠程序传送，DMA方式靠硬件传送。