第七章 I/O系统

7.1 I/O系统基本概念

I/O接口：又称I/O控制器、设备控制器，负责协调主机与外部设备之间的数据传输。就是一块芯片，集成在主板上。

I/O控制方式

CPU如何知道键盘I/O的完成？

程序查询方式

CPU不断轮询检查I/O控制器中的“状态寄存器”，检测到状态为“已完成”之后，再从数据寄存器取出输入数据。CPU一直等待，无法执行其他程序

程序终端方式

等待键盘I/O时CPU可以先去执行其他程序，键盘I/O完成后I/O控制器向CPU发出终端请求，CPU响应中断请求，并取走输入数据

数据流：键盘→I/O接口的数据寄存器→数据总线→CPU某寄存器→主存（程序变量的对应位置）

DMA控制方式

对于快速I/O设备（如磁盘），如果每准备好一个字就向CPU发出一次中断请求，则中断频率会过高，如何解决？

高速外设通过DMA接口（也是一种I/O接口）和DMA总线直接与主存交换数据。

DMA控制方式：主存与高速I/O设备之间有一条直接数据通路（DMA总线）。CPU向DMA接口发出“读/写”命令，并指明主存地址、磁盘地址、读写数据量等参数。

DMA控制器自动控制磁盘与主存的数据读写，每次读写占用一个存取周期。每完成一整块数据读写（如1KB为一整块），才向CPU发出一次中断请求。

通道控制方式

通道是具有特殊功能的处理器，能对I/O设备进行统一管理。

通道可以识别并执行一系列通道指令，通道指令种类、功能通常比较单一。

通道执行完规定的任务后，再向CPU发出中断请求，之后CPU对中断进行处理。

I/O系统的基本组成

• I/O硬件：包括外部设备、I/O接口、I/O总线等
• 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指令和通道指令实现主机和I/O设备的信息交换。
• I/O指令：是CPU指令的一部分，操作码（识别I/O指令）+命令码（对哪个设备进行操作）+设备码（做什么操作）
• 通道指令：通道能识别的命令。通道程序提前编制好放在主存中

7.2 输入输出设备

显示器

显存

显示存储器VRAM：也称为刷新存储器，为了不断提高刷新图像的信号，必须把一帧图像信息存储在刷新存储器中。其存储容量由图像分辨率和灰度级决定，分辨率越高、灰度级越多，刷新存储器容量越大。

显存的理论最小值是一帧图像的大小。

VRAM容量=分辨率*灰度级位数

VRAM带宽=分辨率*灰度级位数*刷新频率

现代计算机中，显存除了作为当前显示帧的缓存，还会用于保存即将渲染的图像数据

字符显示器

以点阵为基础。将字符点阵存入由ROM构成的字符发生器中，CRT控制器根据键盘I/O接口信息，从显存中找对应的ASCII码，再从字符发生器中读出相应字符的点阵，最后通过CRT显示

7.3 I/O接口

• 主机和外设之间的交接界面
• 实现主机和外设之间的信息交换
• 解决主机和外设之间信息形式和工作速度的差异问题

I/O接口的功能

• 地址译码和设备选择
• 实现主机和外设之间的通信联络控制
• 数据缓冲
• 信号格式的转换。如电平转换、串/并转换或并/串转换、模/数转换或数/模转换等
• 传送控制命令和状态信息。

I/O接口的工作原理

1. 主机通过数据线向I/O控制寄存器发送命令字/控制字
2. 主机从状态寄存器读取状态字，获得设备或I/O控制器的状态信息
3. 读/写数据：从数据缓冲寄存器发送或读取数据，完成主机与外设的数据交换

一个I/O接口可能连接多个I/O设备。这种情况下，每个设备都对应接口中的一组寄存器，操作不同的寄存器就是在操作不同的设备。

I/O接口的类型

• 按数据传送方式
• 并行接口
• 串行接口
• 按主机访问I/O设备的控制方式
• 程序查询接口
• 中断接口
• DMA接口

I/O端口及其编址

I/O接口中的各种寄存器称为I/O端口。

• 数据寄存器/端口：CPU能读写，通过数据线，实现CPU和外设之间的数据缓冲
• 状态寄存器/端口：CPU只能读，通过数据线，获取执行结果和设备的状态信息
• 控制寄存器/端口：CPU只能写，通过地址线和控制线写地址和命令，以便启动命令或更改设备模式

统一编址/存储器映射方式

I/O端口当作存储器的单元进行地址分配。用统一的访存指令访问I/O端口。依靠不同的地址码区分内存和I/O设备

优点：不需要专门的I/O指令，程序设计灵活性高；端口有较大编址空间；读写控制逻辑电路简单

缺点：端口占用了主存地址空间；外设寻址时间长（地址位数多，地址译码速度变慢）

独立编址/IO映射方式

I/O端口所用的地址单独编码。用专门的I/O指令访问I/O端口。

优点：使用专用I/O指令，程序编制清晰；I/O端口地址位数少，地址译码速度快；I/O端口的地址不占用主存地址空间

缺点：I/O指令类型少，一般只能对端口进行传送操作，程序设计灵活性差；需要CPU额外提供I/O设备读/写的控制信号，增加控制逻辑电路的复杂性。

7.4 控制方式

程序查询方式

1. CPU执行初始化程序，预置传送参数
2. 向I/O接口发出命令字，启动I/O设备
3. 从外设接口读取其状态信息
4. CPU不断查询I/O设备状态，直到外设准备就绪
5. 传送一次数据，修改地址和计数器参数
6. 判断传送是否结束，若未结束转第3步，直到计数器为0

特点：CPU“踏步”等待现象，CPU与I/O串行工作

优点：接口设计简单，设备量少

缺点：CPU在信息传送过程中花费大量时间查询和等待，且一段时间内只能与一台外设交换信息，效率大大降低

程序中断方式

中断系统

• 中断的基本概念

在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，转而处理这些异常情况或特殊请求。处理完毕后CPU自动返回到现行程序的断点处，继续执行原程序。

• 工作流程

• 中断请求：中断源向CPU发送中断请求信号

  • 若处于关中断状态，则不会响应任何中断请求
  • 关中断状态位存储在PSW寄存器中
  • 每个中断源都有一个中断请求标记触发器，当其状态为1时表示中断源有请求

• 中断响应判优

  • 中断请求标记：用专门的中断请求标记寄存器的各个位来区分不同的中断源
  • 中断判优：硬件排队器（硬件）或查询程序（软件）实现
  • 响应优先级（在硬件线路上固定，不便改动）
  • 不可屏蔽中断＞内部异常＞可屏蔽中断
  • 硬件故障＞软件中断
  • DMA中断＞I/O设备中断请求
  • 高速设备＞低速设备，输入设备＞输出设备，实时设备＞普通设备
  • 响应时间：每条指令执行阶段的结束时刻（注：内部异常引发的中断不受此限制）

• CPU响应中断的条件

  1. 中断源有中断请求
  2. CPU允许中断及开中断（异常和不可屏蔽中断不受限制）
  3. 一条指令执行完毕（异常不受限制），且没有更紧迫的任务

• 中断响应过程

  CPU响应中断后，需要进行一些操作，再转去中断服务程序。这些操作是由硬件直接实现的，称为中断隐指令。

  操作过程是：

  1. 关中断（允许中断触发器置0）。

  2. 保存断点。将PC和PSW内容这两种不可通过指令访问的信息保存在栈或特定寄存器中。如果该中断是异常，则保存的PC地址是当前指令的地址；若是其他中断，则保存的是下一条指令的地址

  3. 引出中断服务程序。识别中断源，将对应的服务程序入口地址（中断向量）送入PC

     • 如何根据中断请求找到对应的中断服务程序的起始地址/入口地址？

     硬件向量法：给中断请求一个编号，中断向量地址形成部件根据中断请求产生对应的向量地址，再由向量地址在主存中找到对应的跳转指令，该跳转指令的地址码就是中断服务程序的入口地址，也称中断向量。

     所以中断向量是个地址，而中断向量地址是地址的地址，两者是不同的。

• 中断处理过程

  1. 进入中断服务程序后，首先通过指令保存现场和中断屏蔽字
  2. 开中断（允许中断触发器置1）。允许更高级中断请求得到响应，实现中断嵌套
  3. 执行中断服务程序
  4. 关中断。避免恢复现场和屏蔽字时被打断
  5. 恢复现场和屏蔽字
  6. 开中断、中断返回

• 多重中断

• 又称为中断嵌套，即在中断服务程序执行过程中又被中断，转去执行其他的中断服务程序。

• 中断屏蔽字：虽然有多重中断，但是如果处理高速I/O的中断被处理低速I/O的中断打断了，优先处理低速I/O的中断的话，显然是不科学的。故不同类型的中断应屏蔽掉优先级比它更低的中断请求，以免被它们打断。这就用到了中断屏蔽字。

  中断屏蔽字中，1表示屏蔽，0表示正常申请。因此一个中断源的屏蔽字中1越多，表明这个中断源的优先级越高。且每个屏蔽字中至少要有一个1（屏蔽掉同种中断源的中断）

例题

一个时钟周期为$\frac{1}{50\times 10^6}=20ns$，完成任务所需的时间为$1000\times(10+20\times4+0.5ms/20ns)=1000\times(10+80+25000)=25090000$个时钟周期

CPU用于该任务的时间为$1000\times(10+80)=9\times10^4$个时钟周期

DMA方式

直接在外设与内存之间开辟一条“直接数据通道”

数据传送不经过CPU，不需要保护、恢复CPU现场等操作

在数据准备阶段，CPU与外设并行工作

DMA控制器的组成

1. 主存地址计数器：存放要交换数据的主存地址
2. 传送长度计数器：记录要传送数据的长度，计数溢出时数据传送完毕，自动发中断请求
3. 数据缓冲寄存器：暂存每次传送的数据
4. DMA请求触发器：每当I/O设备准备好数据后，给出一个控制信号，使DMA请求触发器置位
5. “控制/状态”逻辑：由控制和时序电路及状态标志组成，用于指定传送方向，修改传送参数，并对DMA请求信号、CPU响应信号进行协调与同步
6. 中断机构：当一个数据块传送完毕后触发中断机构，向CPU提出中断请求

DMA工作流程

1. CPU向DMA控制器指明要输入还是输出；要传送多少个数据
2. DMA控制器接受外设发出的DMA请求，并向CPU发出总线请求
3. CPU响应此总线请求，发出总线响应信号，接管总线控制权，进入DMA操作周期
4. 确定传送数据的主存单元地址及长度，并能自动修改主存地址计数和传送长度计数
5. DMA控制器规定数据在主存和外设间的传送方向（实际上是CPU告诉的），发出读写等控制信号，执行数据传送操作
6. 向CPU报告DMA操作的结束

DMA传送过程

1. 预处理
2. 主存起始地址→AR（DMA内的主存地址计数器）
3. I/O设备地址→DAR（存储要访问的数据在I/O设备中的地址）
4. 传送数据个数→WC（DMA内的传送长度计数器）
5. 启动I/O设备
6. 数据传送
7. CPU继续执行主程序
8. DMA控制器允许I/O设备将数据写入数据缓冲寄存器DR，当DR写满后，DMA请求触发器向DMA控制/状态逻辑发送DMA请求，再有DMA控制/状态逻辑向总线发送总线请求
9. DMA控制器将数据缓冲寄存器中的数据写入主存。
10. 后处理
11. 需要读写的I/O数据全部读写完毕，DMA控制器通过中断机构向CPU发出中断请求
12. 做DMA结束处理：如校验送入主存的数据是否正确、决定是否继续用DMA传送其他数据块等

注意：

• 每写满一次DR，才发出一次DMA请求，将DR中的数据写入主存
• 全部数据都写入主存后，DMA控制器才向CPU发出中断请求

DMA传送方式

当I/O设备与CPU同时访问主存时，可能发生冲突，因此需要规定访问方式。

1. 停止CPU访问主存

当DMA控制并使用主存时，禁止CPU访问主存

1. DMA与CPU交替访存

一个CPU周期，分为C1和C2两个周期。C1专供DMA访存，C2专供CPU访存

把访存时间固定。不需要总线使用权的申请、建立和归还

1. 周期挪用（周期窃取）

若I/O设备需要访存时，CPU正在访存：则等待存取周期结束让出总线

若CPU与DMA同时请求访存：则I/O访存优先，因为I/O不立即访存就可能丢失数据，此时挪用一个或几个存取周期，传送完一个数据后立即释放总线。

因为这导致了CPU在一个指令周期内部的存取周期不得不延后开始，所以为周期挪用

DMA方式与程序中断方式

	程序中断	DMA
数据传送	程序控制（程序的切换→保存和恢复现场）	硬件控制（CPU只需进行预处理和后处理）
中断请求	传送数据	后处理
响应	指令执行周期结束后响应中断	每个机器周期结束均可，总线空闲时即可响应DMA请求
场景	CPU控制，低速设备	DMA控制器控制，高速设备
优先级	优先级低于DMA	优先级高于中断
异常处理	能处理异常事件	仅传送数据