计算机组成原理-第5章总结.doc

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第五章 输入输出系统
ღ5-1名词术语：
输入设备:外界信息转换成计算机能是别的信息
输出设备:计算机01信息形式转换为设备或人能接收的信息
外围设备:输入设备，输出设备统称外围设备
输入/输出模块
ღ5-2设备与CPU连接方式：
① 直接连接：主存↔CPU ↔I/O
② 总线连接：P157图5.2优点：屏蔽设备复杂性；关键：I/O接口
ღ5-3I/O基本方法
① 无条件传送：慢速设备
② 接口逻辑：功能：连接器，转换器。
I/O接口功能:设备选择，数据缓冲，格式转换，电平转换，传送控制命令，反馈设备状态
ღ5-4 I/O接口组成：数据寄存器，状态/控制寄存器，设备选择I/O控制 三部分
ღ5-5设备编址解决的问题：CPU如何找到指定的设备。设备编址=I/O接口编址
设备地址=I/O地址=I/O接口地址=I/O端口地址=端口
实际上是I/O接口中寄存器的地址
ღ5-6编址方法：存储器映射I/O， 端口寻址
对I/O地址码的编址，两种方式：统一编址，不统一编址
ღ5-7I/O基本方法：
①编程I/O：程序查询，条件查询
I/O由CPU直接完成，外设与CPU完全串行工作，最简单，最经济
②中断驱动I/O
编程I/O存在的问题：高速CPU与低速设备之间的矛盾
©中断：设备主动通知CPU进行数据交换的过程考 名词解释
，中断是随机的
计算机在执行程序过程中，当出现异常情况或特殊请求时，计算机停止现在程序的运行，转向对这些异常情况或特殊请求的处理，处理结束后再返回到现行程序的间断处，继续执行原程序
中断源：中断产生的来源，复位，时钟中断，键盘中断，页面失效中断
中断系统：实现中断的软硬件系统
中断处理：
主程序：被中断的程序
中断服务子程序：处理中断事物的程序
ღ5-8I/O设备与主机信息传送的控制方式
① 程序查询方式：CPU通过程序不断查询I/O设备是否已做好准备，从而控制I/O设备与主机交换信息。
只要一启动I/O设备，CPU便不断查询I/O设备的准备情况，从而终止了原程序的执行。CPU在反复查询过程中，犹如就地”踏步”。另一方面，I/O设备准备就绪后，CPU要一个字一个字地从I/O设备取出，经CPU送至主存，此刻CPU也不能执行原程序，这种方式使CPU和I/O设备出去串行工作状态，CPU的工作效率不高。
② 程序中断方式：CPU只有当I/O设备准备就绪并向CPU发出中断请求后才予以响应。
书P163图5.9,5.11
中断好处：实时处理，并行处理，故障处理
ღ5-9接口：可以看作是两个系统或部件之间的交接部分，既可以是两种硬件设备之间的连接电路，也可以是两个软件之间的共同逻辑边界。
I/O接口通常指主机与I/O设备之间设置的一个硬件电路及相应的软件控制。
ღ5-10I/O总线包括数据线，设备选择线，命令线和状态线。
ღ5-11接口功能:选址功能，传送命令功能，传送数据功能，反映I/O设备工作状态的功能
ღ5-12I/O接口分类：
按数据传送方式:并行，串行
按功能选择的灵活性:可编程接口，不可编程接口
按通用性:通用接口，专用接口
按数据传送的控制方式:程序型接口(慢速设备)，DMA型接口(高速设备)
ღ5-13 书P191图
ღ5-14 CPU一旦响应了I/O中断，就要暂停现行程序，转去执行该设备的中断服务程序。不同的设备有不同的中断服务程序，每个服务程序都有一个入口地址，CPU必须去找到这个入口地址。
ღ5-15 书P198 图5.41
ღ5-16中断服务程序流程：保护现场，中断服务，恢复现场，中断返回
硬件：①响应中断，②关中断，③保护断点，④向量指向PC，转设备服务
ღ©5-17书P201 图5.43考

ღ5-18中断类型：
① 单重中断，多重中断
② 单线中断，多线中断
③ ©向量中断，非向量中断考

中断向量=中断服务例程的起始地址
向量地址=存储中断向量的存储单元地址
中断向量表：通常是系统内存的第0页

ღ5-19DMA方式
目的：减少大批量数据传送时CPU的开销
方法：硬件实现DMA，采用专用部件生成访存地址并控制访存过程
特点：数据交换不经过CPU
DMAC：DMA控制器，组成：

DMA传送：DMA时，CPU对总线的使用权临时禁止
① 预处理：初始化DMAC：
设置数据传送方向(读/写)
设置I/O接口地址
设置存储器起始地址
设置传送的数据量(计数器置初值)
② 数据传送：完成一批数据的传送，CPU不参与
③ 后处理：DMA结束后通过中断方式请求CPU处理
问题：CPU与设备访存冲突：设备优先(设备无足够存储资源，不及时处理会丢失)
方法：①停止CPU访问。

优点：控制简单
缺点：CPU，内存利用率低(可能同时空闲)
应用：高速设备
②透明方式(交替)

优点：不需总线控制权的申请建立和归还，总线控制权的转移很快，高效
缺点：控制复杂
应用：CPU工作周期比存储周期长的情况
③周期挪用

方法：DMA直接访存，访存冲突解释

优点：既实现了I/O，较好发挥了CPU内存的效率
缺点：单字传送，每次申请建立归还总线使用权，因而速度慢
应用：慢速设备
DMA特点：CPU对总线控制临时被禁止
DMAC接管总线控制权
CPU前后处理，在DMA数据交换的过程中CPU可继续运行程序(并行)
与I/O设备在更大程度上并行工作，效率更高
适合高速、批量数据传送，eg.视频显示刷新，磁盘存储系统读写，存储器到存储器传输
DMA响应时机

CPU工作最小时间单位：CPU周期，不同类型时间长度相同
DMA可以中断指令的执行(无响应条件,当前机器周期结束);中断不可以(有响应条件,开中断)
DMA VS. 中断
① CPU控制：数据交换是否经过CPU
② 响应时机：机器周期 开中断
③ 适用情况：大数据量批量
DMA接口类型:选择型：高速，每次逻辑只连一个设备，独占带宽(物理上连接多个)
多路型：低速，物理、逻辑都是多个，1个设备不能独占接口
๑5.1 I/O有哪些编址方式？各有何特点？
解：常用的I/O编址方式有两种： I/O与内存统一编址和I/O独立编址；
特点： I/O与内存统一编址方式的I/O地址采用与主存单元地址完全一样的格式，I/O设备和主存占用同一个地址空间，CPU可像访问主存一样访问I/O设备，不需要安排专门的I/O指令。
I/O独立编址方式时机器为I/O设备专门安排一套完全不同于主存地址格式的地址编码，此时I/O地址与主存地址是两个独立的空间，CPU需要通过专门的I/O指令来访问I/O地址空间。
๑5.10什么是I/O接口?它与端口有何区别?为什么要设置I/O接口?I/O接口如何分类?
I/O接口一般指CPU和I/O设备间的连接部件；
I/O端口一般指I/O接口中的各种寄存器。为了便于程序对这些寄存器进行访问，通常给每个寄存器分配一个地址编号，这种编号被称为I/O端口地址，相应的寄存器也叫作I/O端口。
I/O接口和I/O端口是两个不同的概念。一个接口中往往包含若干个端口，因此接口地址往往包含有若干个端口地址。
由于I/O设备的物理结构和工作速率一般与主机差异很大，无法直接相连，因此通常通过I/O接口进行连接。
I/O接口分类方法很多，主要有：
按数据传送方式分，有并行接口和串行接口两种；
按数据传送的控制方式分，有程序控制接口/程序中断接口/DMA接口三种。
๑5.13说明中断向量地址和入口地址的区别和联系。
中断向量地址和入口地址的区别：
向量地址是硬件电路（向量编码器）产生的中断源的内存中断向量表表项地址编号，中断入口地址是中断服务程序首址。
中断向量地址和入口地址的联系：
中断向量地址可理解为中断服务程序入口地址指示器（入口地址的地址），通过它访存可获得中断服务程序入口地址。 (两种方法：在向量地址所指单元内放一条JMP指令；主存中设向量地址表。参考8.4.3）
๑5.14在什么条件下，I/O设备可以向CPU提出中断请求？
解：I/O设备向CPU提出中断请求的条件是：I/O接口中的设备工作完成状态为1(D=1）,中断屏蔽码为0(MASK=0),且CPU查询中断时，中断请求触发器状态为1（INTR=1）。
๑5.15什么是中断允许触发器？它有何作用？
解：中断允许触发器是CPU中断系统中的一个部件，他起着开关中断的作用（即中断总开关，则中断屏蔽触发器可视为中断的分开关）。
๑5.16在什么条件和什么时间，CPU可以响应I/O的中断请求？
（1）CPU响应I/O设备提出中断请求的条件是：必须满足CPU中的允许中断触发器EINT为“1”；I/O本身有请求又未被屏蔽；经排队后又被选中。
（2）CPU响应中断的时间一定是在每条指令执行阶段的结束时刻。
CPU响应I/O中断请求的条件和时间是：当中断允许状态为1（EINT=1），且至少有一个中断请求被查到，则在一条指令执行完时，响应中断。
๑5.20试比较单重中断和多重中断服务程序的处理流程，说明他们不同的原因。
๑5.21中断向量通过什么总线送至什么地方？为什么？
๑5.22程序查询方式和程序中断方式都是通过“程序”传送数据，两者的区别是什么？答：程序查询方式通过“程序”传送数据时，程序对I/O的控制包括了I/O准备和I/O传送两段时间。由于I/O的工作速度比CPU低得多，因此程序中要反复询问I/O的状态，造成“踏步等待”，严重浪费了CPU的工作时间。
而程序中断方式虽然也是通过“程序”传送数据，但程序仅对I/O传送阶段进行控制，I/O准备阶段不需要CPU查询。故CPU此时照样可以运行现行程序，与I/O并行工作，大大提高了CPU的工作效率。
๑5.26什么是多重中断？实现多重中断的必要条件是什么？
多重中断是指：当CPU执行某个中断服务程序的过程中，发生了更高级、更紧迫的事件，CPU暂停现行中断服务程序的执行，转去处理该事件的中断，处理完返回现行中断服务程序继续执行的过程。
实现多重中断的必要条件是：在现行中断服务期间，中断允许触发器为1，即开中断。
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