【计算机组成原理】输入输出(I/O)系统总结 |
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halo~我是bay_Tong桐小白 本文内容是桐小白个人对所学知识进行的总结和分享,知识点会不定期进行编辑更新和完善,了解最近更新内容可参看更新日志,欢迎各位大神留言、指点 【此部分内容与总线部分的知识联系密切,总线相关知识详细见本栏文章《总线系统总结——基本知识要点汇总》】 输入输出(I/O)系统总结——基本知识要点汇总 【更新日志】计算机统考408考纲要求 I/O系统概述I/O接口(I/O控制器)I/O设备同主机的联系方式I/O设备同主机信息传送的控制方式I/O设备同CPU交换数据的过程I/O设备与CPU的定时与控制I/O设备控制方式无条件I/O方式程序控制I/O方式(程序查询方式)中断I/O方式(程序中断方式)DMA方式通道和I/O处理机方式 【更新日志】最近更新: 暂时没有编辑记录,后续会持续完善优化 计算机统考408考纲要求2021计算机统考408考纲计算机组成原理学科考察目标 理解单处理器计算机系统中各部件的内部工作原理、组成结果以及相互连接方式,具有完整的计算机系统的整机概念理解计算机系统层次化结构概念,熟悉硬件与软件之间的界面,掌握指令集体系结构的基本知识和基本实现方法能够综合运用计算机组成的基本原理和基本方法,对有关计算机硬件系统中的理论和实际问题进行计算、分析,对一些基本部件进行简单设计,并能对高级程序设计语言(如C语言)中的相关问题进行分析2021计算机统考408计算机组成原理考纲变动情况 发展: 早期阶段:I/O设备种类较少,I/O设备与主存信息交换须通过CPU(即I/O设备与CPU直接串行相连) 接口模块和DMA阶段:I/O设备通过接口模块与主机连接(采用总线结构) 通道结构阶段:通道是用来负责管理I/O设备,实现主存与I/O设备间信息交换的部件,可以视为一种具有特殊功能的处理器。通道有专用的通道指令,能独立地执行用通道指令编写的输入输出程序,但不是完全独立的处理器,它依据CPU的I/O指令进行启动、停止或改变工作状态,是一个从属于CPU的专用处理器。依赖通道管理的I/O设备在与主机交换信息时,CPU不直接参与管理,故提高了CPU的资源利用率 I/O处理机阶段:I/O处理机又称为外围处理机,基本独立于主机工作,既可完成I/O通道要完成的I/O控制,又可完成码制变换、格式处理、数据块检错、纠错等操作。具有I/O处理机的输入输出系统与CPU的并行性更高,有更大的独立性 【详细见本栏文章《总线系统总结——基本知识要点汇总》总线结构部分】 组成: I/O软件与I/O硬件,即外部设备、接口总线、总线以及相应的管理软件统称为计算机的输入输出系统,简称I/O系统 I/O软件:包括驱动程序、用户程序、管理程序、升级补丁等,通常采用I/O指令(CPU指令的一部分)、通道指令实现CPU和I/O设备的信息交换I/O硬件:I/O接口、接口总线、总线、外部设备基本功能: 完成计算机内部二进制信息与外部多种信息形式间的交流保证CPU能够正确选择输入输出设备并实现对其控制,传输大量数据、避免数据出错利用数据缓冲,选择合适的数据传送方式等,实现主机与外设间速度的匹配概况说即完成信号转换、数据暂存、地址译码、控制设备、暂存设备状态等功能 特点: 异步性,即外围设备相对于处理机通常是异步工作的实时性与设备无关性性能: 按主要完成的工作可分为存储I/O、通信I/OI/O系统的性能对CPU性能有很大影响,若两者性能不匹配,I/O系统可能成为整个系统的瓶颈连接特性(哪些I/O设备可以和计算机系统相连)I/O系统的容量(I/O系统可容纳的I/O设备数)响应时间(通常由I/O系统响应时间和CPU的处理时间构成,单位通通常为秒)和吞吐率(单位时间完成的I/O操作次数) I/O接口(I/O控制器)基本结构: 功能: 主机和外设通道的通信联络控制进行地址译码和设备选择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端口及其编址: 通常将I/O设备码看作地址码,对I/O地址码的编址可采用两种方式:统一编制或不统一编址,详细见下文I/O设备同主机的联系方式 I/O设备同主机的联系方式I/O端口: 接口电路中可被CPU直接访问的寄存器,主要有 数据端口(读写)状态端口(读)控制端口(写)I/O设备编址方式: 通常将I/O设备码看作地址码,对I/O地址码的编址可采用两种方式:统一编制或不统一编址 统一编址:将I/O端口地址看做是存储器地址的一部分,所用指令与访存指令相似![]() ![]() 设备寻址: 每台设备都赋予一个设备号,当要启动某一设备时,可由I/O指令的设备码字段直接指出该设备的设备号,通过接口电路中的设备选择电路,便可选中要交换信息的设备 传送方式: 串行方式或并行方式 联络方式: 按I/O设备工作速度的不同,可分为三种联络方式 不需要定时的设备采用立即响应方式,只要指令一到,它们便立即响应 异步定时工作采用应答信号联络 同步定时工作采用同步时标联络 不同速度I/O设备与CPU的定时与控制详细见下文,与总线相关知识详细见本栏文章《总线系统总结——基本知识要点汇总》总线通信与总线控制部分 I/O设备与主机的连接方式: 辐射式连接方式![]() ![]() 由于不同I/O设备速度差异很大,为保证CPU与外部设备工作有序,在进行数据传送时,对于不同速度的外围设备,需要有不同的定时方式与控制方式 简单外围设备: CPU和这类设备的数据交换不需要定时,CPU认为它们始终处于就绪状态,例如机械开关, CPU认为输入设备的数据一定就绪,因为只要根据开关的闭/合就可以输入0/1信号 CPU和这类设备的数据交换一般采用无条件传送方式 慢速外围设备: 由于这类设备的速度和CPU的速度不在一个数量级上(如打印机),或由于设备本身是在不规则时间间隔下操作的(如键盘)。因此CPU与这类设备之间通常采用异步定时方式 ○ 输入:CPU读取外部设备的状态位,如果数据就绪则通过数据总线输入数据,否则循环等待直到数据就绪;或者由外部设备在数据就绪时通知CPU,CPU通过数据总线输入数据 ○ 输出:CPU读取外部设备的状态位,如果状态就绪则通过数据总线输出数据,否则循环等待直到外设就绪;或者由外部设备在状态就绪时通知CPU,CPU通过数据总线输出数据CPU和这类设备的数据交换一般采用程序查询方式或者中断方式高速外围设备: 由于这类外设是以相等的时间间隔操作的,则CPU可以用等间隔的速率执行输入/输出指令。因此CPU与这类设备之间的通常采用同步定时方式。例如外设的速度是2400B/s,则CPU每隔1/2400执行一次输入指令即可CPU和这类设备的数据交换一般采用DMA方式或通道方式 I/O设备控制方式 无条件I/O方式在程序的适当位置直接安排I/O指令,当程序执行到这些I/O指令时,CPU默认外设始终是准备就绪的(I/O总是准备好接收CPU的输出数据,或总是准备好向CPU输入数据),无需检查I/O的状态,就进行数据的传输 程序控制I/O方式(程序查询方式) 数据在计算机和外设之间的传送全部靠计算机程序控制,计算机执行I/O指令时,先获取外设状态,并根据外设的状态决定下一步操作程序向I/O设备发出I/O命令字——> 读取I/O设备工作状态信息——> 检查状态字中的标志——> 若设备未准备就绪,则返回上步重复查询(即踏步等待,CPU和I/O串行工作),否则发出设备准备就绪的信号——> CPU与I/O接口的数据缓冲寄存器进行数据交换,接口中的状态标志复位![]() ![]() 中断I/O方式概述: 当外设准备好后,主动通知CPU并进行接收或输出数据的方法当CPU接到外设的通知后暂停现行的工作,转入中断服务程序,和外设交换数据,等中断程序处理完毕后,再返回到被中断的原程序中继续以前被暂停的工作优点:节约CPU时间,实时性好缺点:控制电路相对复杂,服务开销较大应用场合:实时性要求高,且数据传输量不大的场合中断概念: 计算机执行现行程序的过程中,出现某些急需处理的异常情况或特殊请求,CPU暂时中止现行程序,转而处理异常或特殊请求,处理完毕后CPU又自动返回现行程序断点处
单重中断(单极中断): 在单级中断系统中,所有的中断源都属于同一级,所有中断源触发器排成一行,其优先次序是离CPU近的优先权高。当响应某一中断请求时,执行该中断源的中断服务程序。在此过程中,不允许其他中断源再打断中断服务程序,即使优先权比它高的中断源也不能再打断采用串行排队链法(称为菊花链法)来实现具有公共请求线的中断源判优识别
DMA方式概述: 优点外设准备好后,通知DMA控制器,DMA控制器从CPU接管总线,并完成外设和内存之间的大量数据传输;传输完成后DMA控制器将总线控制交还给CPU优点:既有中断的优点,又降低了服务开销缺点:控制电路复杂应用场合:高速、大批量数据传输DMA概念: 直接内存访问技术,在DMA方式下,外部设备利用专门的接口电路直接和内存进行高速的数据交换,不需要CPU的干预。这样在进行数据传输时就不需要像中断那样要进行保护断点之类的一系列操作,使CPU的利用率得到大幅度的提高 DMA特点: 使主存与CPU的固定联系脱钩,主存既可被CPU访问,又可被外设访问在数据块传送时,主存地址的确定、传送数据的计数等都由硬件电路直接实现主存中要开辟专用缓冲区,及时供给和接收外设的数据DMA传送速度快,CPU和外设并行工作,提高了系统效率DMA在传送开始前要通过程序进行预处理,结束后要通过中断方式进行后处理基本DMA控制器: 外设准备进行DMA操作时,DMA控制器必须能够接收外设发来的DMA请求信号,并向CPU发送总线请求信号CPU接收到总线请求信号后,如果同意放弃总线,向DMA控制器发送总线请求应答信号DMA控制器得到总线控制权后,能向地址总线发地址信号指示出写入数据的内存单元或者读出数据的内存单元,因此DMA控制器中必须有地址寄存器存放读写数据的起始内存单元的地址。而且每传送一个字节,会自动对地址寄存器进行修改,指向下一个要传送的字节DMA控制器应该能判断DMA过程是否结束,即一次传送的字节数,因此 DMA控制器必须有字节计数器,用来存放要传递的字节数,并且每传递一个字节,字节计数器自动减1DMA过程结束时,DMA控制器能向CPU发DMA中断结束信号,交还总线控制权。
DMA方式与中断方式对比: 通道概念: 是能够专门执行I/O指令的处理机,它可以实现对外围设备的统一管理,以及外设与主存之间的数据传输 通道是一个特殊功能的处理器,它有自己的指令和程序专门负责数据输入输出的传输控制,而CPU将传输控制的功能下放给通道后只负责数据处理功能通道与CPU分时使用内存,实现了CPU内部运算与I/O设备的平行工作,进一步提高了CPU的效率具有通道的计算机系统具有两种类型的总线,一种是存储总线,承担通道与内存、CPU与内存之间的数据传输任务。另一种是通道总线,承担外围设备与通道间的数据传送任务从逻辑结构上讲,输入输出系统一般具有四级连接:CPU与内存通道设备控制器外围设备
I/O处理机: 是通道方式的进一步发展,它的结构更接近于一般处理机 持续更新中…… 我是桐小白,一个摸爬滚打的计算机小白 |
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