【计算机组成】输入输出系统
输入输出系统概述
输入输出方式
中断请求与响应
DMA方式
分类:
IT文章
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2023-03-23 17:51:10
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组成:外设、接口、总线、管理软件
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基本功能
- 完成计算机内外的信息传递
- 保证 CPU 正确选择输出设备
- 利用缓冲等,实现主机与外设的速度匹配
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特点:异步性、实时性、设备无关性
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输入过程:CPU 把地址值放入总线 --> CPU 等候设备数据有效 --> CPU 从总线读入数据存入寄存器
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输出过程:CPU 把地址值放入总线 --> CPU 把数据值放入总线 --> 设备等数据有效取走数据
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IO 系统性能:存储 IO、通信 IO
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连接特性:哪些设备可以和 IO 相连
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IO 系统容量:IO 系统可以容纳的设备数
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响应时间:从用户输入命令到得到结果所花的时间(s)
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吞吐率:单位时间完成的 IO 操作次数(用 IOP 表示)
输入输出方式
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无条件 IO 方式:执行 IO 指令时,CPU 默认外设已经准备就绪,外设很难满足这一点
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程序控制 IO 方式:执行 IO 指令时,先获取设备状态(设备状态寄存器),决定下一步操作(程序决定)
- 数据要经过 CPU,CPU 还要浪费大量时间查询设备状态
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中断 IO 方式:外设主动通知 CPU 接收或输出数据,有实时性
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DMA 方式:由硬件执行 IO,外设准备好后通知 DMA,DMA 接管总线,完成数据交换
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通道和 IO 处理机方式:外设种类很多速度差别很大,将外设管理工作从 CPU 总分离出来
- 通道本身就是个简单的 CPU,执行 IO 指令的处理机
- IO 处理机是通道的进一步发展,更像一个 CPU 了
中断请求与响应
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概念:CPU 由内部外部事件引起 CPU 中断正在运行的程序,具有随机性(符合输入输出系统特性)
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作用:主机与外设并行;故障处理;实时处理
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类型:
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内部中断(软件、异常)
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外部中断(可屏蔽中断 INTR、不可屏蔽中断 NMI)
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基本功能:
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中断信号的保持与清除:通过寄存器存起来,处理完清零
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中断优先级:硬件响应优先序、软件服务优先序(中断服务程序开头,设置自己的中断屏蔽位)
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中断源识别:系统分配给每个中断源的代号(中断号),中断号获取可以用硬件或软件方式
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中断处理:
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响应:每执行完一条指令,就会判断是否有中断请求
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处理:保存断点(返回地址)、执行中断程序、返回断点
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中断控制:
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中断触发方式:指外设以什么逻辑信号去申请中断(边沿触发、电平触发)
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中断排队方式:按优先级、循环轮流排队
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中断嵌套:中断正在执行的中断程序,不可屏蔽中断不能嵌套
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中断屏蔽:处理器内部有个触发器,“1”时才会响应外部中断
DMA方式
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原理:数据传送不经过 CPU,由 DMA 控制器实现内存和外设、外设和外设之间的直接快速传递
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系统构成:
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DMA 作为主设备之一
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DMA 与 IO 接口集成
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DMA 提供专门 IO 总线
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DMA 的两种工作状态:被动态(未获得总线控制权,受 CPU 控制)、主动态(获得总线控制权)
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传输步骤:
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申请:一个设备接口试图通过总线向另一个设备发送数据,先向 CPU 发送 DMA 信号
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响应:CPU 收到 DMA 信号,当前总线周期结束后,按 DMA 信号优先级响应相应的 DMA 控制器
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数据传送:DMA 收到 CPU 响应,获得总线控制权,开始直接数据传送
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传送结束:设备向 CPU 发送 DMA 结束信号,交换总线控制权
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DMA 操作类型:
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数据传送:源地址数据传到目的地址
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数据校验:不传输,只校验某数据块内部的每个字节
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数据检索:不传输,只在制定内存区域内查找某个关键字或某几个数据位是否存在
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DMA 操作方式:
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单字节传输模式:每次 DMA 操作传送一个字节
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块传输模式:每次传送多个字节,有个当前字节计数器,+1 +1 +1
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请求传输模式:DMA 控制器询问外设,当外设请求信号无效时,暂停传输(不释放总线);再次有效再继续传输
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级联传输模式:多个 DMA 级联,分布式
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DMA 传输模式:
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停止 CPU 访问内存:传输速率高的设备传输时有优势
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周期挪用:DMA 挪用一个或几个内存周期。若此时 CPU 不需要访存则不冲突,若冲突则 DMA 优先
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DMA 与 CPU 交替访存:直接交替访存,不需要浪费时间