【计算机组成原理】第5章 输入输出系统
教材基于《计算机组成原理 第3版》 ——唐朔飞
概述
输入输出系统的发展概况
🌈 输入输出系统发展的 4 个阶段
输入输出系统的组成
I/O 设备与主机的联系方式
1️⃣ I/O 设备编址方式
- 统一编址：将 I/O 地址看作存储器地址的一部分
- 不统一编址：I/O 地址和存储器地址是分开的，所以对 I/O 设备的访问必须有专门的 I/O 指令
2️⃣ 设备寻址
每台设备都赋予一个设备号，启动某设备时，可以由 I/O 指令的设备码字段直接指出设备的设备号。
3️⃣ 传送方式
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并行：同一瞬间，n 位信息同时从 CPU 输出到 I/O，或者从 I/O 输入 CPU。速度快，单要求的数据线多。
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串行：同一瞬间只传送一位信息，在不同时刻连续逐位传送一串信息。速度较慢，但只需要一根数据线和一根地线。
4️⃣ 联络方式
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立即相应方式
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异步工作采用应答信号联络：I/O 与主机速度不匹配，采用异步方式。在交换信息前，I/O 设备和CPU各自完成自身的任务，一旦出现联络信号，彼此才准备交换信息。
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同步工作采用同步时标联络：I/O 设备与 CPU 的工作速度完全同步。
5️⃣ I/O 设备与主机的连接方式
- 辐射式：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
- 总线式：便于增删设备
I/O设备与主机信息传送的控制方式
程序查询方式
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CPU 和 I/O 串行工作
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踏步等待
程序中断方式
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CPU 和 I/O 并行工作
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没有踏步等待现象，中断现行程序
DMA 方式
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主存和 I/O 之间有一条直接数据通道
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不中断现行程序，而是中断访存，如果 CPU 需要进行访存操作则需要等待一个存取周期
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周期挪用（周期窃取）
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CPU 和 I/O 并行工作
三种方式的 CPU 工作效率比较
I/O 设备
概述
外部设备大致分三类：
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人机交互设备：键盘、鼠标、打印机、显示器
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计算机信息存储设备：磁盘、光盘、磁带
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机——机通信设备：调制解调器等
输入设备
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键盘
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按键
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判断哪个键按下
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将此键翻译成 ASCII 码（编码键盘法）
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鼠标
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机械式：金属球，点位器
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光电式：光电转换器
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触摸屏
输出设备
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显示器
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字符显示：字符发生器
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图形显示：主观图像
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图像显示：客观图像
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打印机
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击打式：点阵式（逐字、逐行）
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非击打式：激光（逐页）喷墨（逐字）
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其他
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A/D、D/A：模拟/数字（数字/模拟）转换器
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终端：由键盘和显示器组成。完成显示控制与存储、键盘管理及通信控制
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汉字处理：汉字输入、汉字存储、汉字输出
多媒体技术
I/O 接口
概述
为什么要设置接口？
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实现设备的选择
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实现数据缓冲达到速度匹配
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实现数据串——并格式转换
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实现电平转换
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传送控制命令
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反映设备的状态（“忙”、“就绪”、“中断请求”）
接口的功能和组成
总线连接方式的 I/O 接口电路
接口的功能和组成
I/O 接口的基本组成
1️⃣ 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。数据的传输方式只能是并行传输。
2️⃣ 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/并转换功能。
🌈 外部接口的工作流程
接口类型
程序查询方式
程序查询流程
程序查询方式的接口电路
🔔 CPU 与 I/O 接口之间的信息传送发生在 CPU 的寄存器和 I/O 接口的 DBR 之间，单位是一个字
例题
程序中断方式
中断的概念
🌈 中断的概念
🌈 中断的分类
🌈 中断请求标记
I/O 中断的产生
为了提高计算机的整机效率，应付突发事件，实时控制的需要，在计算机技术的发展过程中出现了中断技术。为了实现中断，计算机系统中必须配有相应的中断系统或中断机制。
程序中断方式的接口电路
配置中断请求触发器和中断屏蔽触发器
排队器
分为硬件排队器和软件排队器
🌈 排队器电路/链式排队器
中断向量地址形成部件
入口地址：由软件产生 / 硬件向量法
由 硬件 产生 向量地址
再由** 向量地址** 找到 入口地址
程序中断方式接口电路的基本组成
I/O 中断处理过程
CPU 响应中断的条件和时间
I/O 中断处理过程
中断服务程序流程
中断隐指令
硬件向量法
中断服务程序
单重中断和多重中断
单重中断和多重中断的服务程序流程
🌈 程序中断接口芯片 8259A 的内部结构
🌈 主程序和服务程序抢占 CPU 示意图
DMA 方式
DMA 方式的特点
DMA 和程序中断两种方式的数据通路
DMA 与主存交换数据的三种方式
DMA 接口的功能和组成
DMA 接口功能
1️⃣ 向 CPU 申请 DMA 传送
2️⃣ 处理总线 控制权的转交
3️⃣ 管理 系统总线、控制 数据传送
4️⃣ 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
5️⃣ DMA 传送结束时，给出操作完成信号
DMA 接口组成
DMA 的工作过程
DMA 传送过程
DMA 接口与系统的连接方式
1️⃣ 具有公共请求线的 DMA 请求
2️⃣ 独立的 DMA 请求
DMA 方式与程序中断方式的比较
DMA 接口的类型
1️⃣ 选择型
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在 物理上 连接 多个 设备
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在 逻辑上 只允许连接 一个 设备
2️⃣ 多路型
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在 物理上 连接 多个 设备
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在 逻辑上 允许连接 多个 设备同时工作
3️⃣ 多路型 DMA 接口的工作原理
