目錄

一、輸入輸出系統(tǒng)的基本概念（一）I/O控制方式（二）I/O系統(tǒng)基本組成（三）本章回顧 二、外部設(shè)備（一）輸入設(shè)備（二）輸出設(shè)備（三）章節(jié)回顧 三、I/O接口（一）I/O接口的功能（二）I/O接口的結(jié)構(gòu)（三）I/O接口的工作原理（四）接口與端口（五）I/O接口的類型（了解）（六）知識(shí)回顧 四、I/O方式（一）?程序查詢方式?（二）中斷的作用和原理中斷的基本概念中斷請(qǐng)求的分類中斷判優(yōu) （三）?多重中斷?中斷屏蔽技術(shù) （四）?程序中斷方式?（五）DMA方式 補(bǔ)充

一、輸入輸出系統(tǒng)的基本概念

(資料圖)

I/O設(shè)備就是可以將數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)，或者接收計(jì)算輸出數(shù)據(jù)的外部設(shè)備。例如顯示器、鼠標(biāo)鍵盤?？山y(tǒng)稱為外部設(shè)備。I/O接口：又稱I/O控制器、設(shè)備控制器，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)主機(jī)與外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。因?yàn)镮/O設(shè)備繁多，所以I/O接口的種類也很多。

（一）I/O控制方式

程序查詢方式CPU執(zhí)行某程序，發(fā)出啟動(dòng)I/O設(shè)備指令，而后CPU對(duì)I/O接口的狀態(tài)寄存器進(jìn)行輪詢，判斷I/O設(shè)備是否響應(yīng)，如果有則CPU從數(shù)據(jù)寄存器中的內(nèi)容進(jìn)行轉(zhuǎn)存處理，否則進(jìn)行持續(xù)的輪詢忙等，造成CPU效率低。程序中斷方式CPU執(zhí)行某程序是，發(fā)出I/O啟動(dòng)命令，而后CPU執(zhí)行其他指令，當(dāng)I/O設(shè)備準(zhǔn)備完成后，I/O接口的狀態(tài)寄存器發(fā)出中斷請(qǐng)求，CPU在指令執(zhí)行周期結(jié)束后處理中斷服務(wù)，進(jìn)行I/O設(shè)備響應(yīng)處理。 ?DMA控制方式（三總線結(jié)構(gòu)）?DMA接口也是I/O控制器，只是為了?連接高速外設(shè)?。 主存與高速I/O設(shè)備之間有一條直接數(shù)據(jù)通路（DMA總線）。CPU向DMA接口發(fā)出“讀/寫”命令，并指名主存地址、磁盤地址、讀寫數(shù)據(jù)量等參數(shù)。 DMA控制器自動(dòng)控制磁盤與主存的數(shù)據(jù)讀寫，?每次只傳一個(gè)字，每完成一整塊的數(shù)據(jù)讀寫?（如1KB為一整塊），才向CPU發(fā)出一次中斷請(qǐng)求。 通道控制方式為了應(yīng)對(duì)一些大型商用設(shè)備會(huì)有很多I/O設(shè)備，全交給CPU導(dǎo)致CPU資源使用緊張或不足。 通道可以理解為是閹割版的CPU。通過程序編寫通道指令，存在內(nèi)存中，CPU需要對(duì)外部設(shè)備進(jìn)行交互時(shí)給出I/O指令，并指明I/O設(shè)備，然后通道就可以識(shí)別I/O指令，從內(nèi)存中取出通道指令并進(jìn)行處理，而后將數(shù)據(jù)存入內(nèi)存，然后向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求，CPU對(duì)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

（二）I/O系統(tǒng)基本組成

（三）本章回顧

二、外部設(shè)備

大部分了解，主要是帶?的知識(shí)點(diǎn)

（一）輸入設(shè)備

鍵盤鼠標(biāo)

（二）輸出設(shè)備

1、顯示器屏幕大小：以對(duì)角線長度表示，常用的有12~29尹村 分辨率：所能表示的像素個(gè)數(shù)，頻幕上的每一個(gè)光電就是一個(gè)像素，以寬、高的像素的乘積表示，例如，800x600 灰度級(jí)：灰度級(jí)是指黑白顯示器中所顯示的像素點(diǎn)的亮暗差別，在彩色顯示器中則表現(xiàn)為顏色的不同，灰度級(jí)越多，圖像層次越清楚逼真，典型的有8位（256級(jí)）、16位等。n位可以表示2n種不同的亮度或顏色。 刷新：光點(diǎn)只能保持極短的時(shí)間便會(huì)小事，為此必須在光點(diǎn)消失之前再重新掃描顯示一遍，這個(gè)過程稱為刷新。刷新頻率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)掃描整個(gè)屏幕內(nèi)容的次數(shù)，按照人的樹蕨生理，刷新率大于30Hz時(shí)才不會(huì)感到閃爍，通常顯示器刷新頻率在60~120Hz。 ?顯示存儲(chǔ)器（VRAM）?：也稱刷新存儲(chǔ)器，為了不斷提高刷新圖像的信號(hào)，必須把一幀圖像信息存儲(chǔ)在刷新存儲(chǔ)器中。其存儲(chǔ)容量由圖像分辨率和灰度級(jí)決定，分辨率越高，灰度級(jí)越多，刷新存儲(chǔ)器容量越大。 ?VRAM容量 = 分辨率 X 灰度級(jí)位數(shù)??VRAM帶寬 = 分辨率 X 灰度級(jí)位數(shù) X 幀頻?

2、顯示器的分類陰極射線管（CRT）顯示器3、 打印機(jī)

（三）章節(jié)回顧

三、I/O接口

（一）I/O接口的功能

數(shù)據(jù)緩沖：通過數(shù)據(jù)緩沖寄存器（DBR）達(dá)到主機(jī)和外設(shè)工作速度的匹配錯(cuò)誤或狀態(tài)監(jiān)測(cè)：通過狀態(tài)寄存器反饋設(shè)備的各種錯(cuò)誤、狀態(tài)信息，供CPU查用控制和定時(shí)：接收從控制總線發(fā)來的控制信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換：串行轉(zhuǎn)并行、并行轉(zhuǎn)串行等格式轉(zhuǎn)換與主機(jī)和設(shè)備通信：實(shí)現(xiàn)主機(jī)——I/O接口——I/O設(shè)備之間的通信

（二）I/O接口的結(jié)構(gòu)

內(nèi)部接口：內(nèi)部接口與系統(tǒng)總線相連，實(shí)質(zhì)上是與內(nèi)存、CPU相連。數(shù)據(jù)的傳輸方式可能串行也可能并行。 外部接口：外部接口通過接口電纜與外設(shè)相連，外部接口的數(shù)據(jù)傳輸可能是串行方式，因此I/O接口需具有串/并轉(zhuǎn)換的功能。 ?有的I/O接口可以連接多個(gè)設(shè)備?

（三）I/O接口的工作原理

①發(fā)命令：發(fā)送**命令字（控制字）**到I/O控制寄存器，向設(shè)備發(fā)送命令（這一步需要驅(qū)動(dòng)程序的協(xié)助）②讀狀態(tài)：從狀態(tài)寄存器讀取狀態(tài)字，獲得設(shè)備或I/O控制器的狀態(tài)信息③讀/寫數(shù)據(jù)：從數(shù)據(jù)緩沖寄存器發(fā)送或讀取數(shù)據(jù)，完成主機(jī)與外設(shè)的數(shù)據(jù)交換

CPU通過地址線確定要讀取的I/O端口，通過控制線發(fā)出讀/寫端口信號(hào)、中斷請(qǐng)求信號(hào)。數(shù)據(jù)總線用于讀寫數(shù)據(jù)、傳送狀態(tài)字、控制字、中斷類型號(hào)。 控制寄存器、狀態(tài)寄存器在使用時(shí)間上是錯(cuò)開的，因此有的I/O接口中可將二者合二為一。 I/O控制器中的各種寄存器稱為I/O端口。

（四）接口與端口

I/O端口是指接口電路中可以被CPU直接訪問的寄存器 統(tǒng)一編制（RISC機(jī)器常用） V.S. 獨(dú)立編制統(tǒng)一編制就是和主存同用一套連續(xù)的地址，寄存器地址唯一。獨(dú)立編制就是主存和I/O設(shè)備地址有重復(fù)，兩套連續(xù)地址。需要通過I/O指令來區(qū)分是訪問主存的指令還是訪問I/O端口的指令。

1、統(tǒng)一編制

優(yōu)點(diǎn)不需要專門的輸入/輸出指令，所有訪存指令都可直接訪問端口，程序設(shè)計(jì)靈活性高；端口有較大的編址空間；讀寫控制邏輯電路簡(jiǎn)單缺點(diǎn)端口占用了主存地址空間，使主存地址空間變小外設(shè)尋址時(shí)間長（地址位數(shù)多，地址譯碼速度慢）

2、獨(dú)立編制

優(yōu)點(diǎn)使用專門的I/O指令，程序編制清晰；I/O端口地址位數(shù)少，地址譯碼速度快；I/O端口的地址不占用主存地址空間缺點(diǎn)I/O指令類型少，一般只能對(duì)端口進(jìn)行傳送操作，程序設(shè)計(jì)靈活性差；需要CPU提供存儲(chǔ)器讀/寫、I/O設(shè)備讀/寫兩組控制信號(hào)，增加了控制邏輯電路的復(fù)雜性。

（五）I/O接口的類型（了解）

（六）知識(shí)回顧

四、I/O方式

（一）?程序查詢方式?

?優(yōu)點(diǎn)：接口設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、設(shè)備量少??缺點(diǎn)：CPU在信息傳送過程中要花費(fèi)很多時(shí)間用于查詢和等待，而且在一段時(shí)間內(nèi)只能和一臺(tái)外設(shè)交換信息，效率大大降低。?

CPU發(fā)出I/O指令后，就會(huì)開始進(jìn)入忙等，等待I/O設(shè)備處理完后才會(huì)結(jié)束，所以這段時(shí)間內(nèi)CPU獨(dú)占資源且只等待外設(shè)，造成資源利用率低下。

本節(jié)回顧?注意程序查詢方式包含獨(dú)占查詢和定時(shí)查詢兩種方式，定時(shí)查詢方式的前提是保證數(shù)據(jù)不丟失的情況下。?

（二）中斷的作用和原理

中斷的基本概念

程序中斷是指在計(jì)算機(jī)執(zhí)行現(xiàn)行程序的過程中，出現(xiàn)某些急需處理的異常情況或特殊請(qǐng)求，CPU暫時(shí)中止現(xiàn)行程序，而轉(zhuǎn)去對(duì)這些異常情況或特殊請(qǐng)求進(jìn)行處理，在處理完畢后CPU又自動(dòng)返回到現(xiàn)行程序的斷點(diǎn)處，繼續(xù)執(zhí)行原程序。 工作流程

中斷請(qǐng)求中斷源向CPU發(fā)送中斷請(qǐng)求信號(hào)中斷響應(yīng)判斷是否響應(yīng)中斷，某些關(guān)中斷程序不響應(yīng)中斷請(qǐng)求信號(hào) 中斷判優(yōu)，多個(gè)中斷源同時(shí)提出請(qǐng)求時(shí)，根據(jù)優(yōu)先級(jí)判斷執(zhí)行順序中斷處理中斷隱指令，即PC指向中斷服務(wù)地址 執(zhí)行中斷服務(wù)程序

中斷請(qǐng)求的分類

?關(guān)中斷的作用：實(shí)現(xiàn)原子操作。?原子操作：即開啟關(guān)中斷后，直至結(jié)束關(guān)中斷期間所執(zhí)行的指令不允許被打斷，一氣呵成的執(zhí)行完畢。 ??CPU的標(biāo)志寄存器PSW中，IF=1表示開中斷（允許中斷）；IF=0表示關(guān)中斷（不允許中斷）??

中斷判優(yōu)

?中斷判優(yōu)既可以用硬件實(shí)現(xiàn)，也可用軟件實(shí)現(xiàn)?：硬件實(shí)現(xiàn)是通過硬件排隊(duì)器實(shí)現(xiàn)的，它它既可以設(shè)置在CPU中，也可以分散在各個(gè)中斷源中；軟件實(shí)現(xiàn)是通過查詢程序?qū)崿F(xiàn)的。 用軟件實(shí)現(xiàn)需要寫程序，速度會(huì)比硬件中斷慢。

中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)置

硬件故障中斷屬于最高級(jí)，其次是軟件中斷非屏蔽中斷優(yōu)于可屏蔽中斷DMA請(qǐng)求優(yōu)于I/O設(shè)備傳送的中斷請(qǐng)求高速設(shè)備優(yōu)于低速設(shè)備輸入設(shè)備優(yōu)于輸出設(shè)備實(shí)時(shí)設(shè)備優(yōu)于普通設(shè)備

中斷隱指令中斷隱指令是指一系列的指令，并不是一條指令。

關(guān)中斷。為了中斷程序?qū)崿F(xiàn)原子操作保存斷點(diǎn)。將原PC值保存，存入堆棧中。引出中斷服務(wù)程序。將中斷地址傳送給程序計(jì)數(shù)器PC

硬件向量法排隊(duì)器指名中斷部件交由中斷向量地址形成部件，中斷向量形成部件會(huì)給出向量地址，通過向量地址找到中斷向量，即中斷程序在內(nèi)存中的首地址，然后跳轉(zhuǎn)至中斷程序執(zhí)行。

中斷服務(wù)程序

保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)：使用堆棧或特定存儲(chǔ)單元，將通用寄存器和狀態(tài)寄存器的內(nèi)容中斷服務(wù)（設(shè)備服務(wù)）：執(zhí)行中斷程序恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)：通過出棧指令或取數(shù)指令把之前保存的信息送回寄存器中中斷返回（開中斷）：通過中斷返回指令回到原程序斷點(diǎn)處，從堆棧中彈出原PC值。

（三）?多重中斷?

單重中斷：執(zhí)行中斷服務(wù)程序時(shí)不響應(yīng)其他中斷程序 ?多重中斷?：又稱中斷嵌套，執(zhí)行中斷服務(wù)程序時(shí)可響應(yīng)新的中斷請(qǐng)求 屏蔽字：CPU在處理某些中斷時(shí)，需要一個(gè)屏蔽字來指明接下來哪些中斷請(qǐng)求要被屏蔽。屏蔽字=1表示屏蔽，程序執(zhí)行過程中不允許被對(duì)應(yīng)設(shè)備中斷，屏蔽字=0時(shí)表示不屏蔽，程序執(zhí)行過程中允許被該設(shè)備中斷。

中斷屏蔽技術(shù)

中斷屏蔽技術(shù)主要用于多重中斷，CPU要具備多重中斷的功能，須滿足下列條件。

在中斷服務(wù)程序中提前設(shè)置中斷指令優(yōu)先級(jí)別高的中斷源有權(quán)中斷優(yōu)先級(jí)別低的中斷源

每個(gè)中斷源都有一個(gè)屏蔽觸發(fā)器，1表示屏蔽該中斷源的請(qǐng)求，0表示可以正常申請(qǐng)，所有屏蔽觸發(fā)器組合在一起，便構(gòu)成一個(gè)屏蔽字寄存器，屏蔽字寄存器的內(nèi)容稱為屏蔽字。 屏蔽字設(shè)置的規(guī)律

一般用“1”表示屏蔽，“0”表示不屏蔽，可多重中斷每個(gè)中斷源對(duì)應(yīng)一個(gè)屏蔽字（在處理該中斷源的中斷服務(wù)程序時(shí)，屏蔽寄存器中的內(nèi)容為該中斷源對(duì)應(yīng)的屏蔽字）屏蔽字中“1”越多，優(yōu)先級(jí)越高。每個(gè)屏蔽字中至少有一個(gè)“1”（其自身屏蔽自身中斷）

（四）?程序中斷方式?

例題

（五）DMA方式

DMA控制器通常用來控制塊設(shè)備和高速設(shè)備，如磁盤。 當(dāng)設(shè)備中的數(shù)據(jù)傳完一個(gè)字到數(shù)據(jù)緩沖寄存器中，然后設(shè)備給DMA請(qǐng)求觸發(fā)器發(fā)送一個(gè)1，控制邏輯單元收到高電平給CPU發(fā)從總線請(qǐng)求，DMA控制器接管系統(tǒng)總線。 ?在DMA傳送過程中，DMA控制器將接管CPU的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線，CPU只能進(jìn)行等待，只有當(dāng)DMA傳送結(jié)束后，CPU才能恢復(fù)控制權(quán)。?

DMA傳送方式在三總線方式中，主存和DMA控制器之間有一條專門的DMA數(shù)據(jù)通路，因此不通過CPU即可和主存進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。但是若主存不是雙端口主存時(shí)，會(huì)造成訪存沖突，為了有效的使用主存，DMA控制器與CPU通常采用以下3中方法使用主存。

停止CPU訪問工作狀態(tài)：DMA控制器工作期間CPU不執(zhí)行程序。 優(yōu)點(diǎn)：控制簡(jiǎn)單 缺點(diǎn)：CPU處于不工作狀態(tài)或保持狀態(tài)，未充分發(fā)揮CPU對(duì)主存的利用率。DMA與CPU交替訪存工作狀態(tài)：將一個(gè)CPU周期分為兩個(gè)周期，DMA控制器和CPU分別在一個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行訪存。 優(yōu)點(diǎn)：不需要總線使用權(quán)的申請(qǐng)、建立和歸還過程 缺點(diǎn)：硬件邏輯更為復(fù)雜周期挪用（周期竊取）工作狀態(tài)：這里的周期是指存取周期，DMA訪存會(huì)出現(xiàn)以下情況：當(dāng)CPU此時(shí)不訪存時(shí)不產(chǎn)生沖突；CPU正在訪存時(shí)，在CPU存取周期結(jié)束讓出總線給DMA控制器；CPU與DMA同時(shí)請(qǐng)求訪存，則讓DMA控制器優(yōu)先訪存。

DMA方式的特點(diǎn)三總線方式，由于DMA方式傳送數(shù)據(jù)不需要經(jīng)過CPU，因此不必中斷現(xiàn)行程序，?I/O與主機(jī)并行工作，程序和傳送并行工作?。

DMA方式與中斷方式

小節(jié)回顧

補(bǔ)充

中斷向量產(chǎn)生的是中斷程序入口地址的地址從正方向超過了數(shù)的表示范圍，稱為上溢；從負(fù)方向超過了數(shù)的表示范圍，則稱為下溢。上溢需要進(jìn)行中斷處理，下溢則視為機(jī)器數(shù)零，不需要中斷處理。硬件排隊(duì)次序決定中斷響應(yīng)次序，中斷屏蔽標(biāo)志決定中斷處理次序DMA中斷中，相對(duì)CPU，DMA控制器對(duì)總線的使用優(yōu)先級(jí)更高