计算机组成原理【CO】Ch7 I/O大题

本文主要是介绍计算机组成原理【CO】Ch7 I/O大题，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

I/O大题解题方法

I/O接口

各种I/O方式的特点

I/O端口编址

程序查询方式

中断控制方式

DMA控制方式

程序中断的工作流程

DMA方式和中断方式的区别

I/O大题解题方法

CPU	程序查询中断 DMA
I/O接口的类型	按字传输：每次传输一个字程序查询中断按块传输：每次传输一整块 DMA
设备	霸道总裁型： IO设备按自己的节奏往IO缓冲区冲入数据如果CPU不及时取走数据，就可能会导致数据的丢失乖乖听话型： IO设备会根据CPU的指挥，往IO缓冲区冲入数据 CPU从缓冲区中取走一个字的数据后，会指挥IO设备输入下一个字的数据，不会有数据丢失的问题
传输总线	并行：多位一起传串行：一位一传可能会有附加的校验位、起始位、结束位

CPU每次介入的动作

程序查询方式
- 每次检查IO接口的数据是否准备完毕
- 一次程序查询的时间开销：需要执行多少指令？需要多少个时钟周期？
- CPU的介入频率
  - 取决于查询程序上CPU的时间频率
中断控制方式
- 中断响应（隐指令）
  - 时间开销
  - 通常以时钟数作为条件
- 中断服务程序
  - 时钟数
  - 指令总数、结合CPI
- CPU介入的频率
  - 取决于IO接口发来中断的频率
DMA控制方式
- 预处理
  - 让DMA接口输入一块数据
- 后处理
  - 一整块数据传输完成后DMA接口给CPU中断，CPU处理中断
- CPU介入的频率
  - 每传一块介入一次

数据丢失问题

程序查询方式
- 当IO接口缓冲区大小有限时，每一次数据冲入后，CPU都需要及时把数据取走，防止丢失
- 若CPU每次查询的时间开销太久，跟不上数据冲入的速度，则数据可能丢失
中断控制方式
- 判断是否会数据丢失：中断处理的时间总共花了多少？是否大于IO接口冲入一次数据的时间？
- 若中断处理的时间太久，可能导致IO接口数据被覆盖
DMA控制方式
- 不会数据丢失，DMA接口的总线使用优先级高

I/O接口【也叫I/O控制器】

I/O接口的功能

地址译码、设备选择：通过CPU中来的外设的地址码，找到指定的设备
主机和外设的通信联络控制：时序配合，协调不同工作速度的外设和主机之间交换信息
数据缓冲：CPU与外设之间的速度不匹配，设置数据缓冲寄存器，避免丢失数据
信号格式的转换：电平转换、串/并转换、数/模转换
控制命令、状态信息：
- CPU要启动外设时，通过I/O接口重点命令寄存器向外设发出启动命令
- 外设准备就绪后，将“准备好”的转台信息送回I/O接口中的状态寄存器，并反馈给CPU

I/O接口的基本结构

端口(Port)：接口电路中可以进行读写的寄存器
接口(Interface)：若干端口加上相应的控制逻辑
I/O指令：对数据缓冲寄存器、状态/控制寄存器的进行访问操作的指令
- 只能在OS内核的底层I/O软件中使用
- I/O指令实现的数据传送通常发生在通用寄存器和I/O端口之间
- 是一种特权指令
数据线：【双向传输】
- 命令字、状态字、中断类型号
- 外设将状态信息传中到CPU
- CPU对外设的控制命令
- 发往CPU的中断类型号
- 【因为是从外部设备传输到CPU，故只能从数据线传输】
地址线：【单向传输】
- 要访问的I/O接口中的寄存器的地址
控制线：【单向传输】
- 仲裁信号
- 握手信号
I/O总线：
- 控制线、地址线：单向传输，从CPU传送给IO接口
- 数据线：双向传输，命令字、状态字、中断类型号均是IO接口发往CPU

I/O接口的类型

按数据传输方式分

📢接口要完成数据格式的转换

📢这里的数据传送方式是指外设和接口一侧的传送方式

按主机访问I/O设备的控制方式分

按功能选择的灵活性分

常见的I/O接口：打印机适配器、网络控制器、可编程中断控制器

程序查询	完全采用软件的方式实现。
中断方式	通过中断服务程序实现数据传送，但中断处理需要相关硬件的实现。
DMA方式	完全采用硬件控制数据交换的过程。
通道	采用软硬件结合的方法，通过执行通道程序(由通道指令组成)控制数据交换的过程。

	统一编址（存储器映射方式）	独立编址（I/O映射方式）
定义	把I/O端口当做存储器的单元进行地址分配 CPU不需要设置专门的I/O指令，用统一的访存指令就可以访问I/O端口	I/O端口的地址空间与主存地址空间无法从地址码的形式上区分需要设置专门的I/O指令来访存I/O端口
特点	依靠地址码的不同区分存储单元和I/O设备	通过专门的I/O指令来区分存储单元和I/O设备
优点	不需要专门的I/O指令可以使CPU访问I/O的操作更灵活、更方便还可以使端口有较大的编址空间	输入/输出指令与存储器指令有明显区别程序编制清晰，便于理解
缺点	端口占用存储器地址，使内存容量变小 I/O设备进行数据输入/输出操作时，执行速度较慢	输入/输出指令少，一般只能对端口进行传送操作尤其需要CPU提供存储器读/写、I/O设备读/写两组控制信号增加了控制的复杂性

程序查询方式
- 每次检查IO接口的数据是否准备完毕
- 一次程序查询的时间开销：需要执行多少指令？需要多少个时钟周期？
- CPU的介入频率
  - 取决于查询程序上CPU的时间频率

DMA	中断方式
DMA方式靠硬件传送	中断方式靠程序【软件】传送
请求的是总线的使用权	请求的是CPU处理时间
DMA方式除了预处理和后处理，其他时候不占用CPU资源	中断方式是程序的切换，需要保护和恢复现场
对DMA请求的响应可以发生在每个机器周期结束时，在取指周期、间址周期、执行周期后都可以【一个总线事务后】	对中断请求的响应只能发生在每条指令执行完毕时即指令的执行周期后
DMA传送过程不需要CPU的干预，因此数据传输率非常高，适合于高速外设的成组数据传送	中断传送过程需要CPU的干预
DMA方式仅局限于传送数据块的I/O操作	中断方式具有对异常事件的处理能力