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本次笔记内容：

P49 计算机组成原理（49） P50 计算机组成原理（50）

我的计组笔记汇总：

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本节课幻灯片：

教学内容安排

• 第一讲：输入/输出系统概述和输入/输出方式
• 第二讲：总线
• 第三讲：接口电路和外部设备
• 大实验答辩
• 第四讲：课程总结
• 期末考试

主要教学内容

• 输入输出系统的作用、功能及与其他系统的关系
• 输入/输出系统组成
• 要解决的问题
• 输入/输出方式
  • 程序直接控制
  • 中断
  • DMA
  • 通道
  • 外围处理机

计算机系统作用与功能

与计算机外部交换信息的通道：

• 早期
  • 穿孔机、纸带
• 中期
  • 键盘、显示器、打印机、鼠标
• 现在
  • 语音、图象、图形等多媒体数据（扫描仪、DC）
  • 计算机网络
• 将来
  • 无所不在的计算、普适计算
  • 人机交互、脑机交互

个人计算机的组成

如上，主机在变小，外部设备越来越多。

I/O 设备

• 繁多的输入/输出设备
  • 功能多样
    • 满足各种要求
  • 服务对象不同
    • 人、计算机、其他设备
  • 数据传输率差别很大
    • 键盘、鼠标
    • 显示器、网卡
• 多：种类繁多
• 杂：功能繁杂
• 异：速度不一

如何管理外部设备？

要解决的问题

控制方式：

• CPU如何控制输入/输出？（输入/输出方式）

传输方式：

• 传输通道、方式、速率等（总线、接口）

数据识别和转换：

• 数/模转换、语音识别等，转换为字符、数据等计算机能识别的格式（设备）

输入输出方式

• 程序直接控制：
  • CPU直接使用输入/输出指令来控制外部设备
• 程序中断：
  • 外部设备请求，CPU响应，CPU与外设并行工作
• 直接存储访问（DMA）：
  • 专用输入/输出控制器
• 通道
• 外围处理机

程序直接控制

READSERIAL: // 读串口：将读到的数据写入v0低八位lui t1, %hi(SerialStat).TESTR:lb t0, %lo(SerialStat)(t1) // 查看串口状态andi t0, t0, 0x0002 // 截取读状态位bne t0, zero, .RSERIAL // 状态位非零可读进入读nopj .TESTR // 检测验证nop.RSERIAL:lui t1, %hi(SerialData)lb v0, %lo(SerialData)(t1) // 读出jr ranop

CPU方：

• 查询接口状态（循环等待）
• 直到外设已经接收到该字符
• 读字符

外设方：

• 往接口数据缓冲中送字符
• 处理完后，置状态寄存器
• 等待下一个字符

但是此时，CPU一直在循环，什么也干不了。

程序直接控制方式特点

• 成本低
• 效率低
• 严重占用CPU资源
• 适用情况
  • 早期计算机中高速设备

程序中断方式

• CPU和外部设备同时工作：
  • 外部设备发起请求
  • CPU暂停正在执行的程序，进行响应
  • 处理完成后，继续执行原来的程序
• 提高CPU的效率
• 可以同时管理多个外部设备

中断的一些概念

• 中断源
  • 外中断：I/O设备等
  • 异常(内中断)：处理器硬件故障、程序“出错”，Trap
  • 中断触发器
  • 中断状态寄存器
• 中断优先级
  • 响应中断的顺序
• 禁止中断与中断屏蔽
  • 中断允许触发器（EI、DI）
  • 有选择封锁

中断的完整过程

• 中断请求
  • 中断源设备设置中断触发器
    • 每个中断源有1个中断触发器
    • 同时可设置1个中断屏蔽触发器
• 中断响应
  • 响应条件
    • 允许中断、当前指令结束、优先级
  • 响应实现
    • 硬件实现的中断隐指令，保存断点
• 中断处理
  • 保存现场信息
  • 运行中断服务程序
  • 中断返回

中断响应时：除了保存下一条指令PC，还需要保存程序状态的寄存器。

中断设备接口组成

• 中断请求寄存器
• 中断屏蔽寄存器
• 优先级排队线路
• 数据缓冲寄存器
• 中断控制和工作状态逻辑
• 设备选择器
• 中断向量表

8259A中断控制器

如上，在图右侧，表示可以接 8 个中断设备。

程序中断方式应用场景

• CPU与外部设备并行工作
• 硬件故障处理
• 人机交互
• 多道程序和分时操作
• 实时处理（监控）
• 应用程序和操作系统之间的联系
• 多处理机中各处理机之间联系

中断控制方式特点

• 适用情况
  • 传输速度不高
  • 传输量不大
• 对CPU干扰较大

直接存储访问（DMA）

• I/O设备和主存储器之间的直接数据通路，为专设的硬件，用于高速I/O设备和主存储器之间成组传送数据。
• 数据传输过程由DMA自行控制
• 主存储器需要支持成组传送
• 数据传送开始前和结束后通过程序或中断方式对 DMA进行预处理和后处理
• DMA工作方式
  • 独占总线方式
  • 周期窃取方式

DMA控制器组成

由中断，发现缺页：

• DBR ，需要换一页出去，方向寄存器；
• ADR 记录内存的起始地址；
• WC 描述这页有多大；
• MAR 描述哪个设备接收；
• CSR 描述状态。

DMA数据传送过程

不会很打扰 CPU 。

DMA方式的问题

虚拟地址和实地址：

• DMA采用实地址：虚拟地址连续，但实地址不连续
• 采用虚拟地址：DMA进行虚实地址转换

Cache一致性：

• 主存中的数据可能不是最新的
• 采用直接写会带来性能的降低
• DMA查询Cache，降低性能
• 直接设计硬件控制

DMA方式的特点

• 与设备一对一服务
  • 多DMA控制器同时工作可能发生冲突
• 对CPU打扰适中
  • 初始化
  • 周期挪用
• 无法适用大量高速设备的管理（矛盾在于 DMA卡是一对一工作）

通道控制方式

• I/O通道是计算机系统中代替CPU管理控制外设的独立部件，是一种能执行有限I/O指令集合——通道命令的I/O处理机。
• 一对多的连接关系
• 适应不同速度、不同种类的外部设备，可并行工作

通道的功能

• 根据CPU要求选择某一指定外设与系统相连，向该外设发出操作命令，进行初始化
• 指出外设读/写信息的位置以及与外设交换信息的主存缓冲区地址
• 控制外设与主存之间的数据交换
• 指定数据传送结束时的操作内容，检查外设的状态

通道的类型

• 字节多路通道
  • 简单的共享通道，分时处理，面向低、中速字符设备
• 选择通道
  • 选择一台外设独占整个通道，以成组传送方式传送数据块，效率高，适合快速设备
• 数组多路通道
  • 上两种方式的结合，效率高，控制复杂

外围处理机

• 通道型处理机
  • 共享内存
• 外围处理机
  • 通用计算机
  • 独立完成输入/输出功能
  • 通过通道方式与主机进行交互

设计输入/输出系统

• 性能
  • 考虑吞吐量和延迟
  • 适应各种不同类别的设备的性能的差异
  • 从操作系统、驱动程序等各方面综合考虑
  • 考虑到设备性能的提高
• 可扩展性
  • 允许更多的设备接入到输入/输出系统
• 可适应性
  • 设备有无
  • 设备故障

输入/输出系统

• 输入/输出设备多，功能复杂，速度不一
• 多种控制方式，解决速度不一的问题，尽量少地占用CPU资源
• 操作系统管理
• 硬件直接支持
• 与不同的设备有直接的依赖关系（驱动程序）
• 尽量使设备使用统一的标准——虚拟设备

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