输入输出

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外围设备

输入/输出操作通过连接到输入输出模块的各种外部设备完成，这些外部设备提供了在外部环境和计算机系统之间的数据交换，通常称为外围设备，简称外设

  • 人可读设备：适用于与计算机用户通信

  • 机器可读设备：适用于与设备通信

  • 通信设备：适用于与远程设备通信

不能将外设直接连接到系统总线上

  • 外设的数据传送速度一般比存储器或处理器慢得多

  • 外设使用的数据格式和字长度通常与处理器不同

I/O模块

I/O模块是计算机内部系统和外设之间的桥梁

  • 通过系统总线或中央处理器和存储器连接

  • 通过专用数据线与一个或多个外设连接

外设接口

I/O模块的接口以控制、状态和数据信号的形式出现

  • 控制逻辑：控制外设的操作，以响应来自I/O模块的命令

  • 缓冲器：缓冲器用于缓存I/O模块和外设之间传送的数据

    • 缓冲器的大小一般是8位或16位

I/O模块的功能

  1. 处理器通信

    • 命令译码：I/O模块接受来自处理器的命令，这些命令一般作为信号发送到控制总线

    • 数据：数据是在处理器和I/O模块之间经由数据总线来交换的

    • 状态报告：由于外设速度很慢，所以知道I/O模块的状态很重要

    • 地址识别：I/O模块必须能识别它所控制的每个外设的唯一地址

  2. 设备通信

    通信内容包括命令、状态信息、数据

  3. 数据缓冲

    外设的数据传送速度一般比存储器或处理器的慢得多

    • 某些外设的数据传送速度比存储器或处理器要快

  1. 控制和定时

    处理器会非预期的与一个或几个外设进行通信

    一些内部资源是被共享的，如主存和数据总线

  2. 检错

    检错并把差错信息报告给处理器

    • 设备报告的机械和电路故障

    • 传输过程中数据位的变化

I/O模块结构

外部接口

  1. 并行接口：多跟线连接I/O模块和外设，同时传送多位数据

  2. 串行接口：只有一根线用于传输数据，每次只传输一位数据

由于并行接口要求每次同时传送，当传输速度和总线长度增加时，总线的时钟频率会受到限制

I/O操作技术

传递方式 无中断 使用中断
I/O与存储器之间的传递通过处理器实现 编程式I/O 中断驱动式I/O
I/O与存储器直接传送 直接存储器存取

  1. 编程式I/O

    处理器通过执行程序来直接控制I/O操作，当处理器发送一条命令到I/O模块时，它必须等待，直到I/O操作完成

  1. 中断驱动式I/O

    处理器发送一条I/O命令后，继续执行其他指令，并且当I/O模块完成其工作后，才去中断处理器工作

  1. 直接存储器读取：

    I/O模块与主存直接交换数据，而不需要处理器的干涉

编程式I/O

  • 当处理器在执行过程中遇到一条与I/O操作有关的指令时，它通过发送指令到适当的I/O模块来执行这条指令

  • I/O模块将执行所要求的动作，然后在I/O状态寄存器中设置一些适当的位

  • I/O不会中断处理器，因此处理器需要周期性地检查I/O模块的状态，直到发现该操作完成

I/O命令

为了执行I/O操作，处理器发送一个指定具体I/O模块和外设的地址，并发送一条I/O命令

  1. 控制命令：激活外设并告诉它要做什么

  2. 测试命令：测试I/O模块及其外设相关的各种状态条件

  3. 读命令：使I/O模块从外设获得一个数据，把它存入内部缓冲区

  4. 写命令：使I/O模块从数据总线获得一个数据，把它传入外设

I/O指令

I/O指令很容易映射为I/O命令，并且两者之间通常是简单的一一对应关系

  • 指令的形式取决于外设寻址的方式

编制方式：

  • 存储器映射式I/O：存储单元和I/O设备有统一的地址空间

    • 能用大的指令系统，可进行更有效的编程

  • 分离式I/O：让总线既有存储器的读线和写线，同时也有输入和输出命令线

中断驱动式I/O

  • 处理器发送一个I/O命令到模块，然后去处理其它有用的工作

  • 当I/O模块准备和处理器交换数据时，它中断处理器以请求服务

  • 处理器执行数据传送，最后恢复它原先的处理工作

从I/O模块的角度看：

  1. I/O模块接收来自处理器的读命令

  2. I/O模块从相关的外设中读入数据

  3. 一旦数据进入I/O模块的数据寄存器后，该模块通过控制总线给处理器发送中断信号

  4. I/O模块等待直到处理器请求该数据时为止

  5. 当处理器有数据请求时，I/O模块把数据传送到数据总线上，并准备另一个I/O操作

从处理器的角度看：

  1. 处理器发送一个读命令

  2. 处理器离开去做其它的事情，并在每个指令周期结束时检查中断

  3. 当来自I/O模块的中断出现时，处理器保存当前程序的现场

  4. 处理器从I/O模块读取数据字并保存到主存中

  5. 处理器恢复刚才正在运行的程序的现场，并继续运行原来的程序

中断禁止和中断允许

中断要把上下文环境放置到栈中

有些正在处理中关于数据读取等操作不可以直接打断

响应优先级和处理优先级

假设响应优先级为 $L_1 > L_2 > L_3 > L_4$，处理优先级为 $L_1 > L_4 > L_3 > L_2$，而 $L_1,L_3,L_4$ 在主程序运行时同时发生了中断请求，而 $L_2$ 的中断请求发生在处理 &L_3& 中断的时候

  • 屏蔽字是由处理优先级来进行处理的

    • 每一个都能屏蔽自己

    • 如上的屏蔽字中，行屏蔽列

设备识别

  • 多条中断线：即使有多条中断线可用，每条线上也需要采用其他三种技术中的一种

  • 软件轮询：轮询每一个I/O模块来确定是哪个模块发生的中断

  • 菊花链：所有的I/O模块共享一条中断请求线，中断应答线采用菊花链穿过这些中断模块

  • 独立请求：特定的中断控制器用于解码和分析优先级

分配优先级

  • 多条中断线：处理器仅仅挑选具有最高优先级的中断线

  • 软件轮询：模块的轮询次序就决定了模块的优先级

  • 菊花链：链接模块次序就决定了模块的优先级

  • 独立请求：中断控制器决定

直接存储器存取

无需经过处理器即可访问内存的模块

不足：

  1. I/O传输速率受处理器测试和服务设备的速度限制

  2. 处理器负责管理I/O传送，对于每一次I/O传送，处理器必须执行很多指令

DMA模块

  • 处理器通过发送以下信息向DMA模块发出命令：读/写、I/O设备地址、内存中的起始位置、字数

  • 处理器继续进行其他工作

  • DMA模块将全部数据块，每次一个字，直接将数据传输到存储器或从存储器读出，而无需经过处理器

  • 当传输完成时，DMA模块向处理器发送一个中断信号

内存权限

CPU停止法

优点：控制简单

缺点：影响CPU，没有充分利用内存

适用：高速I/O设备的块传输

周期窃取

优点：充分利用CPU和内存，及时响应I/O请求

缺点：DMA每次都请求总线

适用：I/O周期大于存储周期

交替分时访问

优点：CPU未停止或等待，DMA不请求总线

缺点：CPU周期大于存储周期

DMA配置机制

单总线分离DMA

所有模块共享相同的系统总线

DMA模块使用编程式I/O，通过DMA模块在存储器和I/O模块之间交换数据

  • 便宜但低效
单总线集合的DMA-I/O

DMA逻辑实际上可能是I/O模块的一部分，也可能是控制一个或多个I/O模块的单独模块

  • 减少周期数

I/O总线

使用I/O总线将I/O模块连接到DMA模块

  • 多个I/O模块共享DMA，且容易扩展

I/O模块的演变

  • CPU直接控制外设

  • 增加控制器或I/O模块，CPU使用编程式I/O，将CPU与外围设备的细节分离

  • 采用中断，CPU无需花费时间等待外围设备就绪

  • I/O模块可通过DMA直接存取存储器，无需CPU负责存储器和I/O模块之间的数据传递

  • I/O通道：I/O模块有自己的处理器，带有专门为I/O操作定制的
    指令集

    • CPU指示I/O通道执行存储器中的I/O指令，只有在执行完成后才会中断CPU

  • I/O处理器：I/O模块有一个局部存储器，I/O模块成为一个自治的计算机，常用于与交互式终端进行通信

    • 只需最少的CPU参与即可控制大量I/O设备