7.1 I/O系統(tǒng)基本概念

I/O系統(tǒng)由I/O軟件和I/O硬件兩部分構(gòu)成。

I/O硬件包括外部設(shè)備、I/O接口、I/O總線等。

• I/O設(shè)備就是可以將數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)，或者可以接收計(jì)算機(jī)輸出數(shù)據(jù)的外部設(shè)備

• I/O接口：又稱I/O控制器（I/O Controller）、設(shè)備控制器，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)主機(jī)與外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸

常見(jiàn)的I/O設(shè)備.png

I/O基本控制方式有(具體見(jiàn)7.4)

• 程序查詢方式：CPU不斷輪詢檢查I/O控制器中的“狀態(tài)寄存器”，檢測(cè)到狀態(tài)為“已完成”之后，再?gòu)臄?shù)據(jù)寄存器取出輸入數(shù)據(jù)
• 程序中斷方式：等待鍵盤(pán)I/O時(shí)CPU可以先去執(zhí)行其他程序，鍵盤(pán)I/O完成后I/O控制器向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求，CPU響應(yīng)中斷請(qǐng)求，并取走輸入數(shù)據(jù)
• DMA控制方式：主存與高速I(mǎi)/O設(shè)備之間有一條直接數(shù)據(jù)通路（DMA總線）。CPU向DMA接口發(fā)出“讀/寫(xiě)”命令，并指明主存地址、磁盤(pán)地址、讀寫(xiě)數(shù)據(jù)量等參數(shù)。DMA控制器自動(dòng)控制磁盤(pán)與主存的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)，每完成一整塊數(shù)據(jù)讀寫(xiě)（如1KB為一整塊），才向CPU發(fā)出一次中斷請(qǐng)求。
• 通道可以識(shí)別并執(zhí)行一系列通道指令，通道指令種類、功能通常比較單一
  • CPU向通道發(fā)出I/O指令。指明通道程序在內(nèi)存中的位置，并指明要操作的是哪個(gè)I/O設(shè)備。CPU就可以去做其他事情
  • 通道執(zhí)行內(nèi)存中的通道程序，控制I/O設(shè)備完成一系列任務(wù)
  • 通道執(zhí)行完規(guī)定的任務(wù)后，向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求，之后CPU對(duì)中斷進(jìn)行處理

I/O 軟件包括驅(qū)動(dòng)程序、用戶程序、管理程序、升級(jí)補(bǔ)丁等。通常采用I/O指令和通道指令實(shí)現(xiàn)主機(jī)和I/O設(shè)備的信息交換。

• I/O 指令是CPU 指令的一部分

I/O 指令.png

• 通道指令是通道能識(shí)別的指令，通道程序提前編制好放在主存中。在含有通道的計(jì)算機(jī)中，CPU執(zhí)行I/O指令對(duì)通道發(fā)出命令，由通道執(zhí)行一系列通道指令，代替CPU對(duì)I/O設(shè)備進(jìn)行管理

7.2 外部設(shè)備

外部設(shè)備也稱外圍設(shè)備，是除了主機(jī)以外的、能直接或間接與計(jì)算機(jī)交換信息的裝置。

7.2.1 輸入設(shè)備

輸入設(shè)備用于向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輸入命令和文本、數(shù)據(jù)等信息的部件。鍵盤(pán)和鼠標(biāo)是最基本的輸入設(shè)備。

7.2.1.1 鍵盤(pán)

鍵盤(pán)是最常用的輸入設(shè)備，通過(guò)它可發(fā)出命令或輸入數(shù)據(jù)。每個(gè)鍵相當(dāng)于一個(gè)開(kāi)關(guān)，當(dāng)按下鍵時(shí)，電信號(hào)連通；當(dāng)松開(kāi)鍵時(shí)，彈簧把鍵彈起，電信號(hào)斷開(kāi)。

鍵盤(pán)輸入信息可分為3個(gè)步驟：

• 查出按下的是哪個(gè)鍵；
• 將該鍵翻譯成能被主機(jī)接收的編碼，如ASCII碼；
• 將編碼傳送給主機(jī)。

7.2.1.2 鼠標(biāo)

鼠標(biāo)是常用的定位輸入設(shè)備，它把用戶的操作與計(jì)算機(jī)屏幕上的位置信息相聯(lián)系。常用的鼠標(biāo)有機(jī)械式和光電式兩種。

工作原理：當(dāng)鼠標(biāo)在平面上移動(dòng)時(shí)，其底部傳感器把運(yùn)動(dòng)的方向和距離檢測(cè)出來(lái)，從而控制光標(biāo)做相應(yīng)運(yùn)動(dòng)。

7.2.2 輸入設(shè)備

7.2.2.1 顯示器

顯示器有以下主要參數(shù)

• 屏幕大小：以對(duì)角線長(zhǎng)度表示，常用的有12～29英寸等。
• 分辨率：所能表示的像素個(gè)數(shù)，屏幕上的每一個(gè)光點(diǎn)就是一個(gè)像素，以寬、高的像素的乘積表示，例如，800×600、1024×768和1280×1024等。
• 灰度級(jí)：灰度級(jí)是指黑白顯示器中所顯示的像素點(diǎn)的亮暗差別，在彩色顯示器中則表現(xiàn)為顏色的不同，灰度級(jí)越多，圖像層次越清楚逼真，典型的有8位（256級(jí)）、16位等。n位可以表示??^??種不同的亮度或顏色。
• 刷新：光點(diǎn)只能保持極短的時(shí)間便會(huì)消失，為此必須在光點(diǎn)消失之前再重新掃描顯示一遍，這個(gè)過(guò)程稱為刷新。
• 刷新頻率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)掃描整個(gè)屏幕內(nèi)容的次數(shù)，按照人的視覺(jué)生理，刷新頻率大于30Hz時(shí)才不會(huì)感到閃爍，通常顯示器刷新頻率在60～120Hz。

顯示存儲(chǔ)器（VRAM）也稱刷新存儲(chǔ)器，為了不斷提高刷新圖像的信號(hào)，必須把一幀圖像信息存儲(chǔ)在刷新存儲(chǔ)器中。其存儲(chǔ)容量由圖像分辨率和灰度級(jí)決定，分辨率越高，灰度級(jí)越多，刷新存儲(chǔ)器容量越大。

• 陰極射線管（CRT）顯示器

CRT顯示器主要由電子槍、偏轉(zhuǎn)線圈、蔭罩、高壓石墨電極和熒光粉涂層及玻璃外殼5部分組成。具有可視角度大、無(wú)壞點(diǎn)、色彩還原度高、色度均勻、可調(diào)節(jié)的多分辨率模式、響應(yīng)時(shí)間極短等特點(diǎn)，按顯示信息內(nèi)容不同可分為

1. 字符顯示器。顯示字符的方法以點(diǎn)陣為基礎(chǔ)。點(diǎn)陣是指由m×n個(gè)點(diǎn)組成的陣列。點(diǎn)陣的多少取決于顯示字符的質(zhì)量和字符窗口的大小。字符窗口是指每個(gè)字符在屏幕上所占的點(diǎn)數(shù)，它包括字符顯示點(diǎn)陣和字符間隔。將點(diǎn)陣存入由ROM構(gòu)成的字符發(fā)生器中，在CRT進(jìn)行光柵掃描的過(guò)程中，從字符發(fā)生器中依次讀出某個(gè)字符的點(diǎn)陣，按照點(diǎn)陣中0和1代碼不同控制掃描電子束的開(kāi)或關(guān)，從而在屏幕上顯示出字符。對(duì)應(yīng)于每個(gè)字符窗口，所需顯示字符的ASCII代碼被存放在視頻存儲(chǔ)器VRAM中，以備刷新。
2. 圖形顯示器。將所顯示圖形的一組坐標(biāo)點(diǎn)和繪圖命令組成顯示文件存放在緩沖存儲(chǔ)器中，緩存中的顯示文件傳送給矢量（線段）產(chǎn)生器，產(chǎn)生相應(yīng)的模擬電壓，直接控制電子束在屏幕上的移動(dòng)。為了在屏幕上保留持久穩(wěn)定的圖像，需要按一定的頻率對(duì)屏幕進(jìn)行反復(fù)刷新。這種顯示器的優(yōu)點(diǎn)是分辨率高且顯示的曲線平滑。目前高質(zhì)量的圖形顯示器采用這種隨機(jī)掃描方式。缺點(diǎn)是當(dāng)顯示復(fù)雜圖形時(shí)，會(huì)有閃爍感。
3. 圖像顯示器

圖形顯示器主要顯示矢量圖形，比較規(guī)則，而圖像顯示器可以顯示豐富多彩的圖像信息

• 液晶顯示器（LCD）

利用液晶的電光效應(yīng)，由圖像信號(hào)電壓直接控制薄膜晶體管，再間接控制液晶分子的光學(xué)特性來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像的顯示。具有體積小、重量輕、省電、無(wú)輻射、綠色環(huán)保、畫(huà)面柔、不傷眼等特點(diǎn)。

• LED（發(fā)光二極管）顯示器

原理：通過(guò)控制半導(dǎo)體發(fā)光二極管進(jìn)行顯示，用來(lái)顯示文字、圖形、圖像等各種信息。與LCD相比，LED顯示器在亮度、功耗、可視角度和刷新速率等方面都更具優(yōu)勢(shì)。

7.2.2.2 打印機(jī)(了解即可)

打印機(jī)是計(jì)算機(jī)的輸出設(shè)備之一，用于將計(jì)算機(jī)處理結(jié)果打印在相關(guān)介質(zhì)上。

按印字原理不同可分為

• 擊打式打印機(jī)：利用機(jī)械動(dòng)作使印字機(jī)構(gòu)與色帶和紙相撞而打印字符，優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備成本低，印字質(zhì)量好；缺點(diǎn)：噪聲大，速度慢
• 非擊打式打印機(jī)：采用電、磁、光、噴墨等物理、化學(xué)方法來(lái)印刷字符，優(yōu)點(diǎn)：速度快，噪聲小；缺點(diǎn)：成本高

按打印機(jī)工作方式不同可分為

• 串行打印機(jī)：逐字打印，速度慢
• 行式打印機(jī)：逐行打印，速度快

按工作方式可分為

• 針式打印機(jī)：在聯(lián)機(jī)狀態(tài)下，主機(jī)發(fā)出打印命令，經(jīng)接口、檢測(cè)和控制電路，間歇驅(qū)動(dòng)縱向送紙和打印頭橫向移動(dòng)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)打印機(jī)間歇沖擊色帶，在紙上打印出所需內(nèi)容。它工作原理簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，耗材（色帶）便宜，但打印分辨率和打印速度不夠高。
• 噴墨式打印機(jī)：帶電的噴墨霧點(diǎn)經(jīng)過(guò)電極偏轉(zhuǎn)后，直接在紙上形成所需字形。彩色噴墨打印機(jī)基于三基色原理，即分別噴射3種顏色墨滴，按一定的比例混合出所要求的顏色。打印噪聲小，可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量彩色打印，通常打印速度比針式打印機(jī)快；但防水性差，高質(zhì)量打印需要專用打印紙。
• 激光打印機(jī)：計(jì)算機(jī)輸出的二進(jìn)制信息，經(jīng)過(guò)調(diào)制后的激光束掃描，在感光鼓上形成潛像，再經(jīng)過(guò)顯影、轉(zhuǎn)印和定影，便在紙上得到所需的字符或圖像。打印質(zhì)量高、速度快、噪聲小、處理能力強(qiáng)；但耗材多、價(jià)格較貴、不能復(fù)寫(xiě)打印多份，且對(duì)
  紙張的要求高。

7.2.3 外存儲(chǔ)器

所謂“磁表面存儲(chǔ)”，是指把某些磁性材料薄薄地涂在金屬鋁或塑料表面上作為載磁體來(lái)存儲(chǔ)信息。磁盤(pán)存儲(chǔ)器、磁帶存儲(chǔ)器和磁鼓存儲(chǔ)器均屬于磁表面存儲(chǔ)器。

磁表面存儲(chǔ)器的優(yōu)點(diǎn)：

• 存儲(chǔ)容量大，位價(jià)格低；
• 記錄介質(zhì)可以重復(fù)使用；
• 記錄信息可以長(zhǎng)期保存而不丟失，甚至可以脫機(jī)存檔；
• 非破壞性讀出，讀出時(shí)不需要再生。

磁表面存儲(chǔ)器的缺點(diǎn)：

• 存取速度慢；
• 機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜；
• 對(duì)工作環(huán)境要求較高。

7.2.3.1 磁盤(pán)存儲(chǔ)器

7.2.3.1.1 磁盤(pán)設(shè)備的組成

一塊硬盤(pán)含有若干個(gè)記錄面，每個(gè)記錄面劃分為若干條磁道，而每條磁道又劃分為若干個(gè)扇區(qū)，扇區(qū)（也稱塊）是磁盤(pán)讀寫(xiě)的最小單位，也就是說(shuō)磁盤(pán)按塊存取。

• 磁頭數(shù)（Heads）即記錄面數(shù)，表示硬盤(pán)總共有多少個(gè)磁頭，磁頭用于讀取/寫(xiě)入盤(pán)片上記錄面的信息，一個(gè)記錄面對(duì)應(yīng)一個(gè)磁頭。
• 柱面數(shù)（Cylinders）表示硬盤(pán)每一面盤(pán)片上有多少條磁道。在一個(gè)盤(pán)組中，不同記錄面的相同編號(hào)（位置）的諸磁道構(gòu)成一個(gè)圓柱面。
• 扇區(qū)數(shù)（Sectors）表示每一條磁道上有多少個(gè)扇區(qū)。

磁盤(pán)內(nèi)部結(jié)構(gòu).png

硬盤(pán)存儲(chǔ)器由磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、磁盤(pán)控制器和盤(pán)片組成。

• 磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器：核心部件是磁頭組件和盤(pán)片組件，溫徹斯特盤(pán)是一種可移動(dòng)頭固定盤(pán)片的硬盤(pán)存儲(chǔ)器。
• 磁盤(pán)控制器：是硬盤(pán)存儲(chǔ)器和主機(jī)的接口，主流的標(biāo)準(zhǔn)有IDE、SCSI、SATA等。

磁盤(pán)讀取.png

7.2.3.1.2 磁盤(pán)的性能指標(biāo)

• 磁盤(pán)的容量: 一個(gè)磁盤(pán)所能存儲(chǔ)的字節(jié)總數(shù)稱為磁盤(pán)容量。磁盤(pán)容量有非格式化容量和格式化容量之分。

非格式化容量是指磁記錄表面可以利用的磁化單元總數(shù)。

格式化容量是指按照某種特定的記錄格式所能存儲(chǔ)信息的總量。

• 記錄密度：記錄密度是指盤(pán)片單位面積上記錄的二進(jìn)制的信息量，通常以道密度、位密度和面密度表示。

道密度是沿磁盤(pán)半徑方向單位長(zhǎng)度上的磁道數(shù);

位密度是磁道單位長(zhǎng)度上能記錄的二進(jìn)制代碼位數(shù);

面密度是位密度和道密度的乘積。

記錄密度.png

• 平均存取時(shí)間

平均存取時(shí)間.png

• 數(shù)據(jù)傳輸率：磁盤(pán)存儲(chǔ)器在單位時(shí)間內(nèi)向主機(jī)傳送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，稱為數(shù)據(jù)傳輸率。假設(shè)磁盤(pán)轉(zhuǎn)數(shù)為r（轉(zhuǎn)/秒），每條磁道容量為N個(gè)字節(jié)，則數(shù)據(jù)傳輸率

7.2.3.1.3 磁盤(pán)地址

主機(jī)向磁盤(pán)控制器發(fā)送尋址信息，磁盤(pán)的地址一般如圖所示:

磁盤(pán)地址.png

若系統(tǒng)中有4個(gè)驅(qū)動(dòng)器，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器帶一個(gè)磁盤(pán)，每個(gè)磁盤(pán)256個(gè)磁道、16個(gè)盤(pán)面，每個(gè)盤(pán)面劃分為16個(gè)扇區(qū)，則每個(gè)扇區(qū)地址要18位二進(jìn)制代碼；

7.2.3.1.4 硬盤(pán)的工作過(guò)程

硬盤(pán)的主要操作是尋址、讀盤(pán)、寫(xiě)盤(pán)。每個(gè)操作都對(duì)應(yīng)一個(gè)控制字，硬盤(pán)工作時(shí)，第一步是取控制字，第二步是執(zhí)行控制字。

硬盤(pán)屬于機(jī)械式部件，其讀寫(xiě)操作是串行的，不可能在同一時(shí)刻既讀又寫(xiě)，也不可能在同一時(shí)刻讀兩組數(shù)據(jù)或?qū)憙山M數(shù)據(jù)

7.2.3.2 磁盤(pán)陣列

RAID（Redundant Array of Inexpensive Disks，廉價(jià)冗余磁盤(pán)陣列）是將多個(gè)獨(dú)立的物理磁盤(pán)組成一個(gè)獨(dú)立的邏輯盤(pán)，數(shù)據(jù)在多個(gè)物理盤(pán)上分割交叉存儲(chǔ)、并行訪問(wèn)，具有更好的存儲(chǔ)性能、可靠性和安全性。

RAID的分級(jí)如下所示。在RAID1～RAID5的幾種方案中，無(wú)論何時(shí)有磁盤(pán)損壞，都可以隨時(shí)拔出受損的磁盤(pán)再插入好的磁盤(pán)，而數(shù)據(jù)不會(huì)損壞。

• RAID0：無(wú)冗余和無(wú)校驗(yàn)的磁盤(pán)陣列。
• RAID1：鏡像磁盤(pán)陣列。
• RAID2：采用糾錯(cuò)的海明碼的磁盤(pán)陣列。
• RAID3：位交叉奇偶校驗(yàn)的磁盤(pán)陣列。
• RAID4：塊交叉奇偶校驗(yàn)的磁盤(pán)陣列。
• RAID5：無(wú)獨(dú)立校驗(yàn)的奇偶校驗(yàn)磁盤(pán)陣列。

RAID通過(guò)同時(shí)使用多個(gè)磁盤(pán)，提高了傳輸率；通過(guò)在多個(gè)磁盤(pán)上并行存取來(lái)大幅提高存儲(chǔ)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量；通過(guò)鏡像功能，可以提高安全可靠性；通過(guò)數(shù)據(jù)校驗(yàn)，可以提供容錯(cuò)能力。

7.3 I/O接口

I/O接口：又稱I/O控制器（I/O Controller）、設(shè)備控制器，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)主機(jī)與外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸

7.3.1 I/O接口的功能

• 數(shù)據(jù)緩沖：通過(guò)數(shù)據(jù)緩沖寄存器（DBR）達(dá)到主機(jī)和外設(shè)工作速度的匹配
• 錯(cuò)誤或狀態(tài)監(jiān)測(cè)：通過(guò)狀態(tài)寄存器反饋設(shè)備的各種錯(cuò)誤、狀態(tài)信息，供CPU查用
• 控制和定時(shí)：接收從控制總線發(fā)來(lái)的控制信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)
• 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換：串-并、并-串等格式轉(zhuǎn)換
• 與主機(jī)和設(shè)備通信：實(shí)現(xiàn)主機(jī)—I/O接口—I/O設(shè)備之間的通信

7.3.2 I/O接口的基本結(jié)構(gòu)

I/O接口的基本結(jié)構(gòu).png

外部接口：外部接口通過(guò)接口電纜與外設(shè)相連，外部接口的數(shù)據(jù)傳輸可能是串行方式，因此I/O接口需具有串/并轉(zhuǎn)換功能。

內(nèi)部接口：內(nèi)部接口與系統(tǒng)總線相連，實(shí)質(zhì)上是與內(nèi)存、CPU相連。

工作原理：

1. 發(fā)命令：發(fā)送命令字到I/O控制寄存器，向設(shè)備發(fā)送命令（需要驅(qū)動(dòng)程序的協(xié)助）
2. 讀狀態(tài)：從狀態(tài)寄存器讀取狀態(tài)字，獲得設(shè)備或I/O控制器的狀態(tài)信息
3. 讀/寫(xiě)數(shù)據(jù)：從數(shù)據(jù)緩沖寄存器發(fā)送或讀取數(shù)據(jù)，完成主機(jī)與外設(shè)的數(shù)據(jù)交換

控制寄存器、狀態(tài)寄存器在使用時(shí)間上是錯(cuò)開(kāi)的，因此有的I/O接口中可將二者合二為一

7.3.4 I/O端口及其編址

I/O端口是指接口電路中可以被CPU直接訪問(wèn)的寄存器。I/O端口要想能夠被CPU訪問(wèn)，必須要有端口地址，每一個(gè)端口都對(duì)應(yīng)著一個(gè)端口地址。對(duì)I/O端口的編址分為統(tǒng)一編址和獨(dú)立編址兩種

1. 統(tǒng)一編址

把I/O端口當(dāng)做存儲(chǔ)器的單元進(jìn)行地址分配，用統(tǒng)一的訪存指令就可以訪問(wèn)I/O端口，又稱存儲(chǔ)器映射方式。靠不同的地址碼區(qū)分內(nèi)存和I/O設(shè)備，I/O地址要求相對(duì)固定在地址的某部分。

優(yōu)點(diǎn)：

• 不需要專門(mén)的輸入/輸出指令，所有訪存指令都可直接訪問(wèn)端口，程序設(shè)計(jì)靈活性高
• 端口有較大的編址空間
• 讀寫(xiě)控制邏輯電路簡(jiǎn)單

缺點(diǎn)：

• 端口占用了主存地址空間，使主存地址空間變小
• 外設(shè)尋址時(shí)間長(zhǎng)（地址位數(shù)多，地址譯碼速度慢）

2. 獨(dú)立編址

I/O端口地址與存儲(chǔ)器地址無(wú)關(guān)，獨(dú)立編址CPU需要設(shè)置專門(mén)的輸入/輸出指令訪問(wèn)端口，又稱I/O映射方式。靠不同的指令區(qū)分內(nèi)存和I/O設(shè)備。

優(yōu)點(diǎn)：

• 使用專用I/O指令，程序編制清晰
• I/O端口地址位數(shù)少，地址譯碼速度快
• I/O端口的地址不占用主存地址空間

缺點(diǎn)：

• I/O指令類型少，一般只能對(duì)端口進(jìn)行傳送操作，程序設(shè)計(jì)靈活性差
• 需要CPU提供存儲(chǔ)器讀/寫(xiě)、I/O設(shè)備讀/寫(xiě)兩組控制信號(hào)，增加了控制邏輯電路的復(fù)雜性

統(tǒng)一編址和獨(dú)立編址.png

7.4 I/O方式

7.4.1 程序查詢方式

1. CPU執(zhí)行初始化程序，并預(yù)置傳送參數(shù)：設(shè)置計(jì)數(shù)器、設(shè)置數(shù)據(jù)首地址
2. 向I/O接口發(fā)送命令字，啟動(dòng)I/O設(shè)備
3. CPU從接口讀取設(shè)備狀態(tài)信息
4. CPU不斷查詢I/O設(shè)備狀態(tài)，直到外設(shè)準(zhǔn)備就緒
5. 傳送一次數(shù)據(jù)、一般為一個(gè)字
6. 修改地址和計(jì)數(shù)器參數(shù)
7. 判斷傳送是否結(jié)束(一般計(jì)數(shù)器為0時(shí)結(jié)束)，否則轉(zhuǎn)到3

在程序查詢方式的輸入/輸出系統(tǒng)中，假設(shè)不考慮處理時(shí)間，每一個(gè)查詢操作需要100個(gè)時(shí)鐘周期，CPU的時(shí)鐘頻率為50MHz。現(xiàn)有鼠標(biāo)和硬盤(pán)兩個(gè)設(shè)備，而且CPU必須每秒對(duì)鼠標(biāo)進(jìn)行30次查詢，硬盤(pán)以32位字長(zhǎng)為單位傳輸數(shù)據(jù)，即每32位被CPU查詢一次，傳輸率為2×2²⁰B/s。求CPU對(duì)這兩個(gè)設(shè)備查詢所花費(fèi)的時(shí)間比率，由此可得出什么結(jié)論？(課后綜合題4)

一個(gè)時(shí)鐘周期為1/50MHz = 20ns
一個(gè)查詢操作耗時(shí)100 × 20ns = 2000ns

1)鼠標(biāo)
每秒查詢鼠標(biāo)耗時(shí)30 × 2000ns = 60000ns
查詢鼠標(biāo)所花費(fèi)的時(shí)間比率= 60000ns/1s = 0.006%

對(duì)鼠標(biāo)的查詢基本不影響CPU的性能

2)硬盤(pán)
每32位需要查詢一次，每秒傳送2×220B
每秒需要查詢(2×2²⁰B)/4B = 2¹⁹次
查詢硬盤(pán)耗時(shí)2¹⁹× 2000ns = 512 × 1024 × 2000ns≈ 1.05×10⁹ ns
查詢硬盤(pán)所花費(fèi)的時(shí)間比率= (1.05×10⁹ ns)/1s = 105%

CPU將全部時(shí)間都用于對(duì)硬盤(pán)的查詢也不能滿足磁盤(pán)傳輸?shù)囊?/p>

7.4.2 程序中斷方式

7.4.2.1 中斷的基本概念

程序中斷是指在計(jì)算機(jī)執(zhí)行現(xiàn)行程序的過(guò)程中，出現(xiàn)某些急需處理的異常情況或特殊請(qǐng)求，CPU暫時(shí)中止現(xiàn)行程序，而轉(zhuǎn)去對(duì)這些異常情況或特殊請(qǐng)求進(jìn)行處理，在處理完畢后CPU又自動(dòng)返回到現(xiàn)行程序的斷點(diǎn)處，繼續(xù)執(zhí)行原程序。

中斷處理過(guò)程.png

7.4.2.2 關(guān)中斷

關(guān)中斷的作用：實(shí)現(xiàn)原子操作

• 非屏蔽中斷：關(guān)中斷時(shí)也會(huì)被響應(yīng)（如：掉電）
• 可屏蔽中斷：關(guān)中斷時(shí)不會(huì)被響應(yīng)

IF=1表示開(kāi)中斷（允許中斷）
IF=0表示關(guān)中斷（不允許中斷）

PSW.png

7.4.2.3 中斷請(qǐng)求標(biāo)記

每個(gè)中斷源向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求的時(shí)間是隨機(jī)的。為了記錄中斷事件并區(qū)分不同的中斷源，中斷系統(tǒng)需對(duì)每個(gè)中斷源設(shè)置中斷請(qǐng)求標(biāo)記觸發(fā)器INTR，當(dāng)其狀態(tài)為“1”時(shí)，表示中斷源有請(qǐng)求。這些觸發(fā)器可組成中斷請(qǐng)求標(biāo)記寄存器，該寄存器可集中在CPU中，也可分散在各個(gè)中斷源中。

中斷請(qǐng)求標(biāo)記.png

對(duì)于外中斷，CPU是在統(tǒng)一的時(shí)刻即每條指令執(zhí)行階段結(jié)束前向接口發(fā)出中斷查詢信號(hào)，以獲取I/O的中斷請(qǐng)求，也就是說(shuō)，CPU響應(yīng)中斷的時(shí)間是在每條指令執(zhí)行階段的結(jié)束時(shí)刻。

7.4.2.4 中斷判優(yōu)

中斷判優(yōu)既可以用硬件實(shí)現(xiàn)，也可用軟件實(shí)現(xiàn)：硬件實(shí)現(xiàn)是通過(guò)硬件排隊(duì)器實(shí)現(xiàn)的，它既可以設(shè)置在CPU中，也可以分散在各個(gè)中斷源中；軟件實(shí)現(xiàn)是通過(guò)查詢程序?qū)崿F(xiàn)的。

優(yōu)先級(jí)

1. 硬件故障中斷屬于最高級(jí)，其次是軟件中斷；
2. 非屏蔽中斷優(yōu)于可屏蔽中斷；
3. DMA請(qǐng)求優(yōu)于I/O設(shè)備傳送的中斷請(qǐng)求
4. 高速設(shè)備優(yōu)于低速設(shè)備；
5. 輸入設(shè)備優(yōu)于輸出設(shè)備；
6. 實(shí)時(shí)設(shè)備優(yōu)于普通設(shè)備。

7.4.2.5 中斷處理過(guò)程

中斷隱指令的主要任務(wù)：

• 關(guān)中斷：在中斷服務(wù)程序中，為了保護(hù)中斷現(xiàn)場(chǎng)（即CPU主要寄存器中的內(nèi)容）期間不被新的中斷所打斷，必須關(guān)中斷，從而保證被中斷的程序在中斷服務(wù)程序執(zhí)行完畢之后能接著正確地執(zhí)行下去。
• 保存斷點(diǎn)：為了保證在中斷服務(wù)程序執(zhí)行完畢后能正確地返回到原來(lái)的程序，必須將原來(lái)程序的斷點(diǎn)（即程序計(jì)數(shù)器（PC）的內(nèi)容）保存起來(lái)。可以存入堆棧，也可以存入指定單元。
• 引出中斷服務(wù)程序：引出中斷服務(wù)程序的實(shí)質(zhì)就是取出中斷服務(wù)程序的入口地址并傳送給程序計(jì)數(shù)器（PC）。

硬件向量法.png

中斷服務(wù)程序的主要任務(wù)：

• 保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)：保存通用寄存器和狀態(tài)寄存器的內(nèi)容^[1] ，以便返回原程序后可以恢復(fù)CPU環(huán)境。可使用堆棧，也可以使用特定存儲(chǔ)單元。
• 中斷服務(wù)(設(shè)備服務(wù))：主體部分，如通過(guò)程序控制需打印的字符代碼送入打印機(jī)的緩沖存儲(chǔ)器中（eg：中斷服務(wù)的過(guò)程中有可能修改ACC寄存器的值）
• 恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)：通過(guò)出棧指令或取數(shù)指令把之前保存的信息送回寄存器中（eg：把原程序算到一般的ACC值恢復(fù)原樣）
• 中斷返回：通過(guò)中斷返回指令回到原程序斷點(diǎn)處。

7.4.2.6 多重中斷

單重中斷與多重中斷.png

7.4.2.7 中斷屏蔽技術(shù)

中斷屏蔽技術(shù)主要用于多重中斷，CPU要具備多重中斷的功能，須滿足下列條件。

• 在中斷服務(wù)程序中提前設(shè)置開(kāi)中斷指令。

• 優(yōu)先級(jí)別高的中斷源有權(quán)中斷優(yōu)先級(jí)別低的中斷源。

每個(gè)中斷源都有一個(gè)屏蔽觸發(fā)器，1表示屏蔽該中斷源的請(qǐng)求，0表示可以正常申請(qǐng)，所有屏蔽觸發(fā)器組合在一起，便構(gòu)成一個(gè)屏蔽字寄存器，屏蔽字寄存器的內(nèi)容稱為屏蔽字。

屏蔽字設(shè)置的規(guī)律：

1. 一般用‘1’表示屏蔽，’0’表示正常申請(qǐng)。
2. 每個(gè)中斷源對(duì)應(yīng)一個(gè)屏蔽字(在處理該中斷源的中斷服務(wù)程序時(shí)，屏蔽寄存器中的內(nèi)容為該中斷源對(duì)應(yīng)的屏蔽字)。
3. 屏蔽字中‘1’越多，優(yōu)先級(jí)越高。每個(gè)屏蔽字中至少有一個(gè)’1’(至少要能屏蔽自身的中斷)。

例7.1 設(shè)某機(jī)有4個(gè)中斷源A、B、C、D，其硬件排隊(duì)優(yōu)先次序?yàn)锳>B>C>D，現(xiàn)要求將中斷處理次序改為D>A>C>B。

1）寫(xiě)出每個(gè)中斷源對(duì)應(yīng)的屏蔽字。
2）按下圖所示的時(shí)間軸給出的4個(gè)中斷源的請(qǐng)求時(shí)刻，畫(huà)出CPU執(zhí)行程序的軌跡。設(shè)每個(gè)中斷源的中斷服務(wù)程序時(shí)間均為20us。

例7.1答案.png

7.4.2.8 程序中斷方式

程序中斷方式.png

【2016年真題】假定CPU主頻為50MHz，CPI為4。設(shè)備D采用異步串行通信方式向主機(jī)傳送7位ASCII字符，通信規(guī)程中有1位奇校驗(yàn)位和1位停止位，從D接收啟動(dòng)命令到字符送入I/O端口需要0.5ms。請(qǐng)回答下列問(wèn)題，要求說(shuō)明理由。
1）每傳送一個(gè)字符，在異步串行通信線上共需傳輸多少位？在設(shè)備D持續(xù)工作過(guò)程中，每秒鐘最多可向I/O端口送入多少個(gè)字符？
2）設(shè)備D采用中斷方式進(jìn)行輸入/輸出，示意圖如下：

題圖.png

I/O端口每收到一個(gè)字符申請(qǐng)一次中斷，中斷響應(yīng)需10個(gè)時(shí)鐘周期，中斷服務(wù)程序共有20條指令，其中第15條指令啟動(dòng)D工作。若CPU需從D讀取1000個(gè)字符，則完成這一任務(wù)所需時(shí)間大約是多少個(gè)時(shí)鐘周期？CPU用于完成這一任務(wù)的時(shí)間大約是多少個(gè)時(shí)鐘周期？在中斷響應(yīng)階段CPU進(jìn)行了哪些操作？

1）每傳送一個(gè)字符需要傳送1位起始位、7位數(shù)據(jù)位、1位校驗(yàn)位、1位停止位，共需傳送10位。
每秒可送入1s/0.5ms = 2000 個(gè)字符

2）主頻50MHz，時(shí)鐘周期為1/50MHz = 20ns
0.5ms對(duì)應(yīng)時(shí)鐘周期數(shù)為0.5ms/20ns = 25000
傳送1個(gè)字符需要的時(shí)鐘周期數(shù)為25000 + 10 + 15×4 = 25070
傳送1000個(gè)字符需要的時(shí)鐘周期數(shù)為25070×1000 = 25070000個(gè)時(shí)鐘周期

CPU用于該任務(wù)的時(shí)間大約為1000×(10+20×4)= 9×10⁴ 個(gè)時(shí)鐘周期

中斷響應(yīng)階段CPU進(jìn)行的操作(中斷隱指令)
①關(guān)中斷
②保存斷點(diǎn)(PC)
③引出中斷服務(wù)程序

7.4.3 DMA方式

CPU向DMA控制器指明要輸入還是輸出；要傳送多少個(gè)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)在主存、外設(shè)中的地址。

7.4.3.1 DMA控制器的主要功能

主存和 DMA接口之間有一條直接數(shù)據(jù)通路。由于DMA方式傳送數(shù)據(jù)不需要經(jīng)過(guò)CPU,因此不必中斷現(xiàn)行程序，I/O與主機(jī)并行工作，程序和傳送并行工作。DMA控制器的主要功能有

• 接受外設(shè)發(fā)出的DMA請(qǐng)求（外設(shè)傳送一個(gè)字的請(qǐng)求），并向CPU發(fā)出總線請(qǐng)求。
• CPU響應(yīng)此總線請(qǐng)求，發(fā)出總線響應(yīng)信號(hào)，接管總線控制權(quán)，進(jìn)入DMA操作周期。
• 確定傳送數(shù)據(jù)的主存單元地址及長(zhǎng)度，并能自動(dòng)修改主存地址計(jì)數(shù)和傳送長(zhǎng)度計(jì)數(shù)。
• 規(guī)定數(shù)據(jù)在主存和外設(shè)間的傳送方向，發(fā)出讀寫(xiě)等控制信號(hào)，執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送操作。
• 向CPU報(bào)告DMA操作的結(jié)束。

7.4.3.2 DMA控制器的組成

DMA控制器.png

• 主存地址計(jì)數(shù)器：簡(jiǎn)稱AR，存放要交換數(shù)據(jù)的主存地址。
• 傳送長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器：簡(jiǎn)稱WC，用來(lái)記錄傳送數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，計(jì)數(shù)溢出時(shí)，數(shù)據(jù)即傳送完畢，自動(dòng)發(fā)中斷請(qǐng)求信號(hào)。
• 數(shù)據(jù)緩沖寄存器：用于暫存每次傳送的數(shù)據(jù)。
• DMA請(qǐng)求觸發(fā)器：每當(dāng)I/O設(shè)備準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)后給出一個(gè)控制信號(hào)，使DMA請(qǐng)求觸發(fā)器置位。
• “控制/狀態(tài)”邏輯：由控制和時(shí)序電路及狀態(tài)標(biāo)志組成，用于指定傳送方向，修改傳送參數(shù)，并對(duì)DMA請(qǐng)求信號(hào)和CPU響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行協(xié)調(diào)和同步。
• 中斷機(jī)構(gòu)：當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)塊傳送完畢后觸發(fā)中斷機(jī)構(gòu)，向CPU提出中斷請(qǐng)求。

7.4.3.3 DMA的傳送過(guò)程

DMA的傳送流程.png

DMA的傳送流程.png

7.4.3.4 DMA傳送方式

主存和DMA控制器之間有一條數(shù)據(jù)通路，因此主存和I/O設(shè)備之間交換信息時(shí)，不通過(guò)CPU。但當(dāng)I/O設(shè)備和CPU同時(shí)訪問(wèn)主存時(shí)，可能發(fā)生沖突，為了有效地使用主存，DMA控制器與CPU通常采用以下3種方法使用主存。

1. 停止CPU訪問(wèn)主存

停止CPU訪問(wèn)主存.png

控制簡(jiǎn)單，但CPU 處于不工作狀態(tài)或保持狀態(tài)，未充分發(fā)揮CPU 對(duì)主存的利用率

2. DMA與CPU交替訪存

DMA與CPU交替訪存.png

不需要總線使用權(quán)的申請(qǐng)、建立和歸還過(guò)程，但硬件邏輯更為復(fù)雜

3. 周期挪用(周期竊取)

周期挪用.png

DMA 訪問(wèn)主存有三種可能:

• CPU 此時(shí)不訪存（不沖突）
• CPU 正在訪存（存取周期結(jié)束讓出總線）
• CPU 與DMA 同時(shí)請(qǐng)求訪存（I/O訪存優(yōu)先）

7.4.3.5 DMA方式的特點(diǎn)

主存和DMA接口之間有一條直接數(shù)據(jù)通路。由于DMA方式傳送數(shù)據(jù)不需要經(jīng)過(guò)CPU，因此不必中斷現(xiàn)行程序，I/O與主機(jī)并行工作，程序和傳送并行工作。

DMA方式具有下列特點(diǎn)：

• 它使主存與CPU的固定聯(lián)系脫鉤，主存既可被CPU訪問(wèn)，又可被外設(shè)訪問(wèn)。
• 在數(shù)據(jù)塊傳送時(shí)，主存地址的確定、傳送數(shù)據(jù)的計(jì)數(shù)等都由硬件電路直接實(shí)現(xiàn)。
• 主存中要開(kāi)辟專用緩沖區(qū)，及時(shí)供給和接收外設(shè)的數(shù)據(jù)。
• DMA傳送速度快，CPU和外設(shè)并行工作，提高了系統(tǒng)效率。
• DMA在傳送開(kāi)始前要通過(guò)程序進(jìn)行預(yù)處理，結(jié)束后要通過(guò)中斷方式進(jìn)行后處理。

7.4.3.6 DMA方式和中斷方式的對(duì)比

DMA方式和中斷方式的對(duì)比.png

1. eg:保存ACC寄存器的值 ?