世界热门:计算机组成原理知识点总结——第七章输入/输出系统

目录

一、输入输出系统的基本概念（一）I/O控制方式（二）I/O系统基本组成（三）本章回顾 二、外部设备（一）输入设备（二）输出设备（三）章节回顾 三、I/O接口（一）I/O接口的功能（二）I/O接口的结构（三）I/O接口的工作原理（四）接口与端口（五）I/O接口的类型（了解）（六）知识回顾 四、I/O方式（一）⭐程序查询方式⭐（二）中断的作用和原理中断的基本概念中断请求的分类中断判优 （三）⭐多重中断⭐中断屏蔽技术 （四）⭐程序中断方式⭐（五）DMA方式 补充

一、输入输出系统的基本概念

(资料图)

I/O设备就是可以将数据输入到计算机，或者接收计算输出数据的外部设备。例如显示器、鼠标键盘。可统称为外部设备。I/O接口：又称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。因为I/O设备繁多，所以I/O接口的种类也很多。

（一）I/O控制方式

程序查询方式CPU执行某程序，发出启动I/O设备指令，而后CPU对I/O接口的状态寄存器进行轮询，判断I/O设备是否响应，如果有则CPU从数据寄存器中的内容进行转存处理，否则进行持续的轮询忙等，造成CPU效率低。程序中断方式CPU执行某程序是，发出I/O启动命令，而后CPU执行其他指令，当I/O设备准备完成后，I/O接口的状态寄存器发出中断请求，CPU在指令执行周期结束后处理中断服务，进行I/O设备响应处理。 ⭐DMA控制方式（三总线结构）⭐DMA接口也是I/O控制器，只是为了⭐连接高速外设⭐。 主存与高速I/O设备之间有一条直接数据通路（DMA总线）。CPU向DMA接口发出“读/写”命令，并指名主存地址、磁盘地址、读写数据量等参数。 DMA控制器自动控制磁盘与主存的数据读写，⭐每次只传一个字，每完成一整块的数据读写⭐（如1KB为一整块），才向CPU发出一次中断请求。 通道控制方式为了应对一些大型商用设备会有很多I/O设备，全交给CPU导致CPU资源使用紧张或不足。 通道可以理解为是阉割版的CPU。通过程序编写通道指令，存在内存中，CPU需要对外部设备进行交互时给出I/O指令，并指明I/O设备，然后通道就可以识别I/O指令，从内存中取出通道指令并进行处理，而后将数据存入内存，然后向CPU发出中断请求，CPU对内存中的数据进行处理。

（二）I/O系统基本组成

（三）本章回顾

二、外部设备

大部分了解，主要是带⭐的知识点

（一）输入设备

键盘鼠标

（二）输出设备

1、显示器屏幕大小：以对角线长度表示，常用的有12~29尹村 分辨率：所能表示的像素个数，频幕上的每一个光电就是一个像素，以宽、高的像素的乘积表示，例如，800x600 灰度级：灰度级是指黑白显示器中所显示的像素点的亮暗差别，在彩色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，典型的有8位（256级）、16位等。n位可以表示2n种不同的亮度或颜色。 刷新：光点只能保持极短的时间便会小事，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，按照人的树蕨生理，刷新率大于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。 ⭐VRAM容量 = 分辨率 X 灰度级位数⭐⭐VRAM带宽 = 分辨率 X 灰度级位数 X 帧频⭐

2、显示器的分类阴极射线管（CRT）显示器3、 打印机

（三）章节回顾

三、I/O接口

（一）I/O接口的功能

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监测：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：串行转并行、并行转串行等格式转换与主机和设备通信：实现主机——I/O接口——I/O设备之间的通信

（二）I/O接口的结构

内部接口：内部接口与系统总线相连，实质上是与内存、CPU相连。数据的传输方式可能串行也可能并行。 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。 ⭐有的I/O接口可以连接多个设备⭐

（三）I/O接口的工作原理

①发命令：发送**命令字（控制字）**到I/O控制寄存器，向设备发送命令（这一步需要驱动程序的协助）②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③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

CPU通过地址线确定要读取的I/O端口，通过控制线发出读/写端口信号、中断请求信号。数据总线用于读写数据、传送状态字、控制字、中断类型号。 控制寄存器、状态寄存器在使用时间上是错开的，因此有的I/O接口中可将二者合二为一。 I/O控制器中的各种寄存器称为I/O端口。

（四）接口与端口

I/O端口是指接口电路中可以被CPU直接访问的寄存器 统一编制（RISC机器常用） V.S. 独立编制统一编制就是和主存同用一套连续的地址，寄存器地址唯一。独立编制就是主存和I/O设备地址有重复，两套连续地址。需要通过I/O指令来区分是访问主存的指令还是访问I/O端口的指令。

1、统一编制

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）

2、独立编制

优点使用专门的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端口的地址不占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。

（五）I/O接口的类型（了解）

（六）知识回顾

四、I/O方式

（一）⭐程序查询方式⭐

⭐优点：接口设计简单、设备量少⭐⭐缺点：CPU在信息传送过程中要花费很多时间用于查询和等待，而且在一段时间内只能和一台外设交换信息，效率大大降低。⭐

CPU发出I/O指令后，就会开始进入忙等，等待I/O设备处理完后才会结束，所以这段时间内CPU独占资源且只等待外设，造成资源利用率低下。

本节回顾⭐注意程序查询方式包含独占查询和定时查询两种方式，定时查询方式的前提是保证数据不丢失的情况下。⭐

（二）中断的作用和原理

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，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，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发送中断请求信号中断响应判断是否响应中断，某些关中断程序不响应中断请求信号 中断判优，多个中断源同时提出请求时，根据优先级判断执行顺序中断处理中断隐指令，即PC指向中断服务地址 执行中断服务程序

中断请求的分类

⭐关中断的作用：实现原子操作。⭐原子操作：即开启关中断后，直至结束关中断期间所执行的指令不允许被打断，一气呵成的执行完毕。 ⭐⭐CPU的标志寄存器PSW中，IF=1表示开中断（允许中断）；IF=0表示关中断（不允许中断）⭐⭐

中断判优

⭐中断判优既可以用硬件实现，也可用软件实现⭐：硬件实现是通过硬件排队器实现的，它它既可以设置在CPU中，也可以分散在各个中断源中；软件实现是通过查询程序实现的。 用软件实现需要写程序，速度会比硬件中断慢。

中断优先级设置

硬件故障中断属于最高级，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优于输出设备实时设备优于普通设备

中断隐指令中断隐指令是指一系列的指令，并不是一条指令。

关中断。为了中断程序实现原子操作保存断点。将原PC值保存，存入堆栈中。引出中断服务程序。将中断地址传送给程序计数器PC

硬件向量法排队器指名中断部件交由中断向量地址形成部件，中断向量形成部件会给出向量地址，通过向量地址找到中断向量，即中断程序在内存中的首地址，然后跳转至中断程序执行。

中断服务程序

保护现场：使用堆栈或特定存储单元，将通用寄存器和状态寄存器的内容中断服务（设备服务）：执行中断程序恢复现场：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（开中断）：通过中断返回指令回到原程序断点处，从堆栈中弹出原PC值。

（三）⭐多重中断⭐

单重中断：执行中断服务程序时不响应其他中断程序 ⭐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 屏蔽字：CPU在处理某些中断时，需要一个屏蔽字来指明接下来哪些中断请求要被屏蔽。屏蔽字=1表示屏蔽，程序执行过程中不允许被对应设备中断，屏蔽字=0时表示不屏蔽，程序执行过程中允许被该设备中断。

中断屏蔽技术

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，须满足下列条件。

在中断服务程序中提前设置中断指令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，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。 屏蔽字设置的规律

一般用“1”表示屏蔽，“0”表示不屏蔽，可多重中断每个中断源对应一个屏蔽字（在处理该中断源的中断服务程序时，屏蔽寄存器中的内容为该中断源对应的屏蔽字）屏蔽字中“1”越多，优先级越高。每个屏蔽字中至少有一个“1”（其自身屏蔽自身中断）

（四）⭐程序中断方式⭐

例题

（五）DMA方式

DMA控制器通常用来控制块设备和高速设备，如磁盘。 当设备中的数据传完一个字到数据缓冲寄存器中，然后设备给DMA请求触发器发送一个1，控制逻辑单元收到高电平给CPU发从总线请求，DMA控制器接管系统总线。 ⭐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只能进行等待，只有当DMA传送结束后，CPU才能恢复控制权。⭐

DMA传送方式在三总线方式中，主存和DMA控制器之间有一条专门的DMA数据通路，因此不通过CPU即可和主存进行数据交互。但是若主存不是双端口主存时，会造成访存冲突，为了有效的使用主存，DMA控制器与CPU通常采用以下3中方法使用主存。

停止CPU访问工作状态：DMA控制器工作期间CPU不执行程序。 优点：控制简单 缺点：CPU处于不工作状态或保持状态，未充分发挥CPU对主存的利用率。DMA与CPU交替访存工作状态：将一个CPU周期分为两个周期，DMA控制器和CPU分别在一个周期内进行访存。 优点：不需要总线使用权的申请、建立和归还过程 缺点：硬件逻辑更为复杂周期挪用（周期窃取）工作状态：这里的周期是指存取周期，DMA访存会出现以下情况：当CPU此时不访存时不产生冲突；CPU正在访存时，在CPU存取周期结束让出总线给DMA控制器；CPU与DMA同时请求访存，则让DMA控制器优先访存。

DMA方式的特点三总线方式，由于DMA方式传送数据不需要经过CPU，因此不必中断现行程序，⭐I/O与主机并行工作，程序和传送并行工作⭐。

DMA方式与中断方式

小节回顾

补充

中断向量产生的是中断程序入口地址的地址从正方向超过了数的表示范围，称为上溢；从负方向超过了数的表示范围，则称为下溢。上溢需要进行中断处理，下溢则视为机器数零，不需要中断处理。硬件排队次序决定中断响应次序，中断屏蔽标志决定中断处理次序DMA中断中，相对CPU，DMA控制器对总线的使用优先级更高