计算机组成原理

第七章 输入输出系统

author:slightwjq
2022年12月27日

7.1 I/O基本概念

包括外部设备、接口、输入设备、输出设备、外存设备。

7.2 I/O接口

主要功能如下：

• 地址译码和设备选择
• 实现主机和外设的通信联络控制。
• 实现数据缓冲。
• 信号格式的转换。
• 传送控制命令和状态信息。

•    I/O端口是指电路中可被CPU直接访问的寄存器。
  

7.3 I/O方式

程序查询方式

信息交换完全由CPU执行程序实现，接口中设置一个数据缓存寄存器和设备状态寄存器。存在CPU踏步现象。

程序中断方式

在计算机执行过程中，出现紧急的异常情况或特殊请求，CPU中止现行程序转去处理，处理完毕后回到断点处继续。
中断请求：中断源是请求CPU的设备或事件，一台计算机有多个中断源。通过INTR线发出的是可屏蔽中断，通过NMI线发出的是不可屏蔽中断。
中断响应优先级是CPU响应中断的先后顺序。

一般来说，可屏蔽中断>内部异常>可屏蔽中断；内部异常中，硬件故障>软件中断；DMA>I/O设备。

CPU响应中断后，经过某些操作，转去执行中断服务程序，这些操作由硬件直接实现，称为中断隐指令。如下

• 关中断：保存断点和现场过程中不能响应更高级的中断。
• 保存断点。
• 引出中断服务程序：将对应的服务程序入口地址送入PC。

中断处理过程：

• 关中断
• 保存断点
• 中断服务程序寻址
• 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

DMA方式

DMA方式传送数据不需要经过CPU。
对数据传送过程进行控制的硬件称为DMA控制器。功能如下：

• 接受外设DMA请求，向CPU发出总线请求。
• CPU响应总线请求。
• 确定传送数据的主存单元地址和长度。
• 规定传送方向。
• 向CPU报告DMA结束。

DMA传送方式

1、停止CPU访存：使CPU脱离总线，停止CPU访存。
2、周期挪用：I/O优先级高于CPU，冲突时，CPU放弃总线占有权。
3、交替访存。

DMA和中断的区别

• 中断是程序的切换，需要保护和恢复现场
• 中断请求的响应只能在每条指令执行完毕时，对DMA请求的响应可以在每个机器周期结束时。
• 中断需要CPU干预，DMA不需要。
• DMA请求优先级高于中断
• 中断具有异常处理的能力，DMA只针对I/O。
• 中断靠程序，DMA靠硬件。

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