组成原理（七）IO系统
第七章 IO系统
7.1 IO系统基本概念
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IO设备编址方式
（1）统一编址 ： 和主存统一编址
（2）不统一编址 ： 有专门的IO指令 -
设备选址
用设备选择电路识别是否被选中 -
传送方式：串行和并行
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联络方式：
（1）立即响应
（2）异步工作采用应答信号
并行：
串行：想象网络传输的包
（3）同步工作采用同步时标 -
IO设备与主机的连接方式
（1）辐射式连接：每台设备都有一套控制线和一组信号线。不便于增删设备
（2）总线连接：便于增删设备 -
IO设备分类
（1）人机交互设备：键盘鼠标
（2）计算机信息存储设备：磁盘光盘
（3）机机通信设备：网络传输
7.2 CPU对IO设备的控制
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程序查询方式
（1）由软件控制查询IO设备的状态，只要设备没准备好，CPU就会意志询问状态
（2）每次只能传输一个字，继续传输CPU就要走下一个IO询问
（3）踏步等待，串行传输，大量浪费CPU时间
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程序中断方式
（1）CPU只发出IO请求，启动设备，然后继续执行其他工作。IO设备传输数据到缓冲寄存器中，存满则对CPU发出中断请求，请求把数据传输到CPU.
（2）IO操作和CPU的其他工作是并行进行的。没有踏步等待，IO传输开始会中断现行程序
（3）中断服务程序，解决中断酸发生的问题。（保留中断前程序执行的现场，回复中断后程序执行的现场）
（4）引起中断的方式
人为设置的中断：转管指令
程序性故障：溢出，操作码不能识别
硬件故障
I/O设备
外部事件用键盘中断现行程序
（5）中断系统需要解决的问题
各中断源如何向CPU提出中断请求
各中断源同时提出中断请求怎么办
CPU什么条件，什么时间，以什么方式响应中断
如何保护现场
如何寻找入口地址
如何恢复现场，如何返回
处理中断的过程又出现新的中断怎么办？
（6）中断响应的条件
中断源提出中断请求
中断未被屏蔽
中断源具有较高的优先级
CPU允许中断
一条指令执行完毕
没有更高级的中断服务程序正在执行
（7）中断请求标记和中断判优逻辑
中断请求标记：INTR。INTR是一个中断请求标记触发器，多个INTR触发器组成一个中断请求寄存器。：
（a）硬件实现排队器（进行中断判优）
分散在各个中断源的接口电路中，形成链式排队器
（b）软件实现：按照优先级的顺序一次查询这些设备是否有请求
（8）中断服务程序的寻址
硬件向量法：
把上面排队器的输出接入到乡里那个地址形成部件，输出一个主存地址。这个地址上的内容是提前服务程序
排队器的输出又称”向量地址“，向量地址形成部件输出的物理地址又称”中断服务程序的入口地址“
（8）中断处理过程：
（a）执行中断隐指令：
硬件关中断：
保存断点：保存当前程序断点PC.到特定地址（0号地址），断点进栈
寻找中断服务程序入口地址：向量地址->PC（硬件向量法）
中断服务程序入口地址M -> PC （软件查询法）
（b）转入中断服务程序：
保护现场：保护CPU的主要状态，PCB保存等。通用寄存器入栈保存
开中断：为了响应其它优先级更高的中断请求。另外在小中断服务程序执行完毕后，再次响应
中断处理。
结尾部分：关中断，以防止在恢复现场的过程中被新的中断打断。
恢复现场
开放中断
中断返回
【注】：保护现场和恢复现场只是一半指令的叠加，例如PC值入栈等操作。这些操作计算并不能意识到是他个数的操作，所以要先关闭中断，在进行保存和回复操作.
（9）中断屏蔽技术
（a）多重中断的概念：在执行中断服务程序的时候，该程序被优先级更高的中断请求中断。前提是先开中断
（b）屏蔽技术 ：
I. 中断的优先级是硬件电路实现的，所谓屏蔽，就是在每个电路上，加上mask掩码电路。
ii. 通过设置mask掩码电路的值，和原中断优先级的判断进行与操作，来对中断进行屏蔽。
iii. （因此，mask值为1不进行屏蔽，为0进行屏蔽）
V. 中断屏蔽字的编码：把所有中断操作列出01序列，优先级高的位设置为0。eg：中断屏蔽字为A：1111，B：0100，C：0110，D：0111。中断优先级为：ADCB（0的个数依次增多）
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DMA方式：
（1）概念：
（a）在数据准备阶段，CPU与外设并行工作。数据传输阶段，DMA方式在外设和主存之间开辟一条”直接数据通道“，数据不再经CPU转存
（b）DMA是纯硬件方式进行成组信息传送的IO方式
（c）因为数据不再经CPU转存，所以也就不会有CPU保护恢复现场的操作，因此，DMA也称数据直接存储
（2）总线征用方式：因为CPU和DMA控制器都能向总线传输数据，所以会导致总线冲突
（a）停止CPU访问主存
（b）DMA与CPU交替访问主存
（c）周期挪用
（3）DMA传送过程
（a）预处理：由CPU完成一些准备工作。测试IO设备状态，启动设备等。当IO设备准备好发生的数据或接受的数据后，设备向DMA控制器发送DMA请求，然后DMA控制器向CPU发送总线请求
（b）数据传送：完全有DMA控制器协调主存和外设进行传输数据
（c）后处理：当数据传输完毕，DMA控制器向CPU发送中断请求，CPU执行中断服务程序校验传输数据是否准确，是否需要继续传输其他块等
【注】：DMA方式，只有预处理和后处理需要CPU进行干预。
DMA和CPU同时向主存写入数据时，DMA优先级高于CPU。先让DMA写入数据
不竞争的情况下，CPU在执行完指令后，会空出一个存储周期，用于DMA中断
7.3 输入输出设备
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输入设备
（1）键盘：将此键翻译成ASCII码（编码键盘） -
输出设备
（1）显示器：
分辨率：显示器所能显示的像素个数
灰度级：像素点的亮暗差别（黑白）颜色。每个像素对应的舒心存储器的位数
刷新：反复不断的扫面整个屏幕
刷新存储器：容量 = 分辨率*灰度级 -
外存储器：硬盘
（1）按序存储，不能随机存储
（2）存储密度：
道密度：沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数。单位是道/英寸
位密度：磁道单位长度上能记录的二进制字节数。单位是位/英寸
面密度：位密度和道密度的乘积，单位是位/平方英寸
（3）磁盘总的平均存取时间
存取时间\(T_a\)：存取时间是指从发出读写命令后，磁头从某一个起始位置移动到新的记录位置，到开始从盘面读出或写入信息加上传送数据所需要的时间。
平均找道时间\(T_s\)：将磁头移动到所要求的磁道上所需的时间（磁臂移动到哪个同心圆）
平均等待时间\(\frac{1}{2r}\)：在同心圆上，移动到哪个圆弧段。（用磁盘旋转一周所需时间的一半）
数据传输时间\(\frac{b}{rN}\)：磁盘存储器在单位时间内向主机传送的字节数。
设磁盘转速为r转/秒，每条磁道容量为N个字节，数据传输率为\(D_r = rN\)字节/秒
7.4 IO接口
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IO接口又称作IO控制器，是主机和外设之间的交接面。用来实现主机和外设质检的信息交互。主机和外设的工作方式和工作速度具有很大差异，接口正是为了解决这些差异而出现的
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IO接口的功能
（1）实现主机和外设的通信联络控制
（2）进行地址译码和设备选择：把CPU传来的地址号转换为制定设备
（3）实现数据缓冲
（4）电平信号转换：外社和主机的电平信号不同，要通过转换
（5）传送控制命令和状态信息：接收CPU传来的启动设备命令，和向CPU传递设备准备就绪信号 -
接口的逻辑电路
（1）CPU同外设之间的信息传送实质是对接口中某些寄存器（端口）进行读写。eg：传送数据就是对DBR读写
（2）内部接口：与系统总线相连，实质上是与内存，CPU相连。数据传输方式只能是并行传输
外部接口：外部接口通过接口电缆和外设相连，外部接口的数据传输方式是串行传输。
因此，接口要有串并转换功能
