408计算机组成原理第七章输入输出系统

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。外围设备包括输入设备、输出设备和磁盘存储器、磁带存储器、光盘存储器等。从某种意义上也可以把磁盘、磁带和光盘等设备看成一种输入输出设备，所以输入输出设备与外围设备这两个名词经常是通用的。在计算机系统中，通常把处理机和主存储器之外的部分称为输入输出系统，输入输出系统的特点是异步性、实时性和设备无关性。

I/O系统

• I/O系统基本概念
  • I/O系统
    • I/O软件
    • I/O硬件
      • 包括外部设备、设备控制器、接口、I/O控制总线
  • I/O控制方式
    • 程序查询方式
    • 程序中断方式
    • 用于数据传输率较低的外部设备
    • DMA方式
    • 通道方式
      • 系统中设有通道控制部件，每个通道挂接若干外设 主机执行I/O命令时，只需启动相关通道，通道执行通道程序完成I/O操作 通道程序存放在主存中
    • 用于数据传输率较高的设备
• 外部设备
  • 输入设备
    • 键盘
    • 鼠标
  • 输出设备
    • 显示器
      • 阴极射线管显示器【CRT】
        • 字符显示器
          • 显示字符的方法以点阵为基础
            • VRAM中存放的是显示字符ASCII码
        • 图像显示器
          • 随机扫描方式
      • 液晶显示器【LCD】
      • LED显示器
      • 参数
        • 屏幕大小
          • 对角线长度表示
        • 分辨率
          • 所能表示的像素个数，高和宽的像素数乘积 例如800×600
        • 灰度级
          • 黑白显示器中所显示的像素点的亮暗差别 彩色显示器中表现为颜色的不同 灰度级越多，图像层次越清楚
        • 刷新
          • 刷新存储器中存储单元的字长取决于颜色数 颜色数m 字长n 则有2^n=m
        • 刷新频率
          • 单位时间内扫描整个屏幕内容的次数，大于30Hz才不会感到闪烁
        • 显示存储器【VRAM】
          • VRAM容量=分辨率×灰度级位数
          • VRAM带宽=分辨率×灰度级位数×帧频
    • 打印机
  • 外存设备
    • 磁盘存储器
      • 存储区域
      • 硬盘存器器的组成
        • 磁盘驱动器
        • 磁盘控制器
      • 性能指标
        • 磁盘的容量
          • 一个磁盘所能存储的字节总数
          • 非格式化容量
            • 磁记录表面可以利用的磁化单元总数
          • 格式化容量
            • 按照某种特定的记录格式能存储的信息总量
        • 记录密度
        • 平均存取时间
          • • 存取一个扇区的平均延迟时间为旋转半周的时间
        • 数据传输率
          • 磁盘存储器在单位时间内向主机传送数据的字节数
            • D=rN
              • 磁盘转数为 r转/秒 每条磁道容量N个字节
      • 磁盘地址
    • 磁盘阵列
      • •RAID0：无冗余和无校验的磁盘阵列。 •RAID1：镜像磁盘阵列。 •RAID2：采用纠错的海明码的磁盘阵列。 •RAID3: 位交叉奇偶校验的磁盘阵列。 •RAID4：块交叉奇偶校验的磁盘阵列。 •RAIDS：无独立校验的奇偶校验磁盘阵列。
        • RAID0
          • 把连续多个数据块交替地存放在不同物理磁盘的扇区中，几个磁盘交叉井行读写，不 仅扩大了存储容量，而且提高了磁盘数据存取速度， 但没有容错能力
        • RAID1
          • 为了提高可靠性，使两个磁盘同时进行读写，互为备份， 如果一个磁盘出现故障， 可从另一磁盘中读出数据。两个磁盘当一个磁盘使用，意味着容量减少一半。
        • 通过同时使用多个磁盘，提高了传输率； 通过在多个磁盘上井行存取来大幅提 高存储系统的数据吞吐量：通过镜像功能，可以提高安全可靠性； 通过数据校验，可以提供容错 能力。
    • 光盘存储器
    • 固态硬盘
• I/O接口（I/O控制器）
  • 功能
    • 主机和外设通道的通信联络控制
    • 进行地址译码和设备选择
    • 实现数据缓冲
    • 信号格式的转换
    • 传送控制命令和状态信息
  • 基本结构
  • I/O端口及其编址
    • I/O端口
      • 接口电路中可被CPU直接访问的寄存器，主要有
        • 数据端口
          • 读写
        • 状态端口
          • 读
        • 控制端口
          • 写
    • 编制方式
      • 统一编址（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
      • 独立编址（I/O映射方式）
        • 设置专门的I/O指令访问端口
• I/O方式
  • 程序查询方式
  • 程序中断方式
  • 中断
    • 概念
      • 计算机执行现行程序的过程中，出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，转而处理异常或特殊请求，处理完毕后CPU又自动返回现行程序断点处
    • 分类
    • 中断请求过程
    • 中断响应过程
      • 响应中断的条件
        • 中断源有中断请求
        • CPU允许中断及开中断
        • 一条指令执行完毕，没有更紧迫的任务
      • 中断判优
        • 软件
          • 查询程序
        • 硬件
          • 硬件排队器
        • 优先级
          • 硬件>软件 非屏蔽>屏蔽 DMA>I/O 高速>低速 I>O 实时>普通
    • 中断处理过程
      • 中断隐指令【不是指令系统中真正的指令】
        • 关中断
        • 保存断点
        • 引出中断服务程序
          • 软件查询法
          • 硬件向量法
        • 中断隐指令（硬件自动）完成
        • 保存现场和屏蔽字
        • 开中断
        • 执行中断服务程序
        • 关中断
        • 恢复现场和屏蔽字
        • 开中断、中断返回
        • 中断服务程序完成
    • 多重中断和中断屏蔽
      • 单重中断
        • 如果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 对新的中断请求不予响应，这种中断为单重中断。
      • 多重中断
        • 如果 CPU 暂停现行的中断服务程序， 转去处理新的中断请求，这种中断为多重中断，又称中断嵌套
      • • 多重中断与单重中断的区别在于多重中断在保护现场后需要开中断，以便响应更高优先级的中断请求，而在恢复现场前又需要关中断，恢复现场的过程不能被中断
      • 中断屏蔽
        • 中断屏蔽技术主要用于多重中断， CPU 要具备多重中断的功能，必须满足下列条件： ①在中断服务程序中提前设置开中断指令。 ② 优先级别高的中断源有权中断优先级别低的中断源。 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
        • 屏蔽字寄存器
          • 所有屏蔽触发器组合在一起构成
        • 屏蔽字
          • 屏蔽字寄存器的内容
  • DMA
    • DMA方式
      • 特点
    • DMA控制器的组成
    • DMA传送过程
    • DMA传送方式
      • 停止CPU访问主存
      • DMA与CPU交替访存
      • 周期挪用（周期窃取）
    • 与中断对比
  • 错题
    • 在配有通道的计算机系统中，用户的输入输出程序，引起的中断是
      • 访管中断
    • 在中端响应周期，由中断隐指令将允许中断触发器置0
    • DMA中断请求优先级高
    • 程序中断纯软件；通道纯硬件；