输入输出设备

外围设备的速度分级与信息交换方式

外围设备的速度分级

根据外设的工作射速，CPU和外设的定时方式有三种：

  • 速度极慢或者简单的外围设备，使用CPU世界接收和发送数据

    机械开关和LDE

  • 慢速或者中速的外围设备，采用异步定时方式/应答式数据交换，CPU与外设之间通过两个相互的联络信号来决定开始数据传送的时间

    键盘，显示器

  • 高速的外围设备，采用同步定时的方式，CPU以等间隔的速度执行输入/输出指令

    主存，辅存

外设信息交换方式

  • 程序查询方式

    早期计算机中使用，效率低。

  • 程序中断方式

    适用于随机出现的服务

  • 直接内存访问DMA方式

    适用于内存和高速外围设备之间大批量数据交换的场合

  • 通道方式

    增加一个具有特殊功能的处理器——通道，将CPU输入输出的权力下方

程序查询方式

数据的输入输出完全由程序控制。

设备编制

  1. 统一编址方式

    将I/O系统与主存系统作为一个整体进行编址。

    访问I/O端口可以使用访存指令，操作类型多样，使用灵活，且I/O端口也有较大的编址空间。

    但是占用了主存空间，使得实际主存容量减小。I/O访问的指令字长较长，执行的速度慢。

  2. 独立编址方式

    将I/O系统和主存系统分别编址。

    I/O端口不占用主存空间，使用专用的I/O指令，执行速度快，与主存空间容易区分。

输入输出指令

输入指令：IN AL/AX, DX/PORT，从指定的端口读入一个字节/字数到累加器

输出指令：OUT DX/PORT, AL/AX，将累加器中的一个字节/字数送到指定端口输出

指令一般的功能有：

  • 对于接口的控制触发器置0或者1，控制其进行某些操作
  • 测试设备的某些状态
  • 输入或者输出数据

程序查询方式的接口

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CPU通过地址信号选中某设备接口。

CPU通过向该接口发送命令字的方式，启动外设。

当外设开始工作之后，设置当前“忙”状态。

CPU和外设通过接口内部的数据缓冲器传送数据。

程序查询输入/输出方式

  1. CPU请求数据传送
  2. CPU从I/O接口读入状态字
  3. 检查状态字中的标志
  4. 为就绪，则重复2.3.步
  5. CPU输入或者输出数据，同时复位接口中的状态标志。

可以通过改变查寻顺序修改设备的优先权。

程序中断方式

中断的概念

中断是指CPU正常运行程序时，由系统内/外部非预期事件或程序中预先安排好的指令性事件引起的，CPU暂停当前程序的执行，转去为该事件服务的程序中执行，服务完毕后，再返回原程序继续执行的过程。

需要注意的是：

  • 中断是CPU执行程序的变化过程
  • 所有能够引起中断的事件称为中断源
  • 处理中断事件的中断服务程序是预先设计的
  • 结束中断处理元程序之后，要以原状态附后返回暂停处继续执行

中断处理过程是由硬件和软件结合来完成的。

使用中断的好处为：

  • 解决速度问题，使用CPU和I/O并行工作
  • 对于意外的情况可以即使处理，例如磁盘损坏，运算溢出
  • 在实时控制领域中，即时响应外来信号的干扰。

CPU的中断处理流程：

  1. 中断请求

    CPU在结束一个指令周期后，检测中断请求信号。

    就是CPU的公操作检测保存中断请求信号的寄存器

  2. 中断响应

    关闭中断，保护断电现场，判断中断源，获取中断向量，根据中断向量转入中断服务程序运行。

    关闭中断的目的是为了避免再次中断影响当前中断响应，屏蔽中断源。

    保护断电现场是为了CPU还能回到主程序

  3. 中断服务

    保护CPU现场，执行中断服务程序，打开中断，恢复CPU现场

  4. 中断返回

    恢复断点现场，返回主程序继续执行。

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中断向量：中断服务程序的入口地址，一共4个字节的内容，包括段地址和段内偏移地址。在CPU响应中断时，将中断源对应的中断向量送入段地址CS、段内偏移地址IP寄存器中，以跟踪中断服务程序的执行。

集中存放系统中所有中断向量的存储器就是中断向量表。中断类型号是中断向量在表中的编号，乘上中断向量的长度4字节，就是中断向量在表中的偏移地址。

硬件产生中断向量的方式有三种：

  1. 向量中断

    由硬件直接产生一个与该中断源对应的向量地址，该向量地址就是中断源对应的中断服务程序入口地址。

    但是这种方式要求在硬件设计时考虑所有中断源的向量地址。

  2. 位移量中断

    由硬件产生一个位移量，该位移量加上CPU中某寄存器的基地址就是中断处理程序的入口地址。

  3. 向量地址转移

    由硬件直接产生

程序中断方式的基本I/O接口

接口内部有下列组成部件：

  • 数据缓冲寄存器
  • 就绪触发器RD，忙状态触发器BS，允许中断触发器EI
  • 中断向量产生逻辑

CPU中响应的处理部件是

  • 中断请求触发器IR
  • 中断屏蔽触发器IM

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单级中断

计算机系统中一般拥有多个中断。在处理时，有着如下两种处理策略：

  • 单级中断：所有的中断源属于同一个中断，不允许有中断嵌套
  • 多级中断：中断源分成不同的级别，可以发生中断嵌套，高优先权的中断源请求可以打断低优先权的中断服务

我们先分析单级中断：

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在收到中断时识别中断源来源的方法是串行排队链法。

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