Nameless Site

But one day, you will stand before its decrepit gate,without really knowing why.

0%

输入输出系统

Posted on In ,
Symbols count in article: 5.4k Reading time ≈ 5 mins.

输入输出接口概述

输入/输出系统组成：外部设备、接口部件、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。
image-20191226193057280

I/O系统基本功能：

  • 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。

I/O系统特点：

  • 异步性：外围设备相对于处理机通常是异步工作的；
  • 实时性：当外围设备与处理机交互时，由于设备的类型不同，它们的工 作步调是不同的，处理机必须按照不同设备所要求传送方式和传输速率 不失时机地为设备提供服务，这就要求实时性控制；
  • 与设备无关性：各种外部设备必须根据其特点和要求选择一种标准接口 和处理机进行连接，它们之间的差别必须由设备本身的控制器通过硬件 和软件来填补；这样，处理机本身无须了解外设的具体细节，可以采用 统一的硬件和软件对其管理。

输入/输出设备同CPU交换数据的过程

输入过程：

  • CPU把一个地址值放在地址总线上，这一步将选择某一输入设备；
  • CPU等候输入设备的数据成为有效；
  • CPU从数据总线读入数据，并放在一个相应的寄存器中

输出过程：

  • CPU把一个地址值放在地址总线上，选择输出设备
  • CPU把数据放在数据总线上；
  • 输出设备认为数据有效，从而把数据取走

I/O系统性能

按照主要完成的工作可以分为以下二类：存储 I/O 通信 I/O

I/O系统的性能对CPU的性能有很大的影响，若两者的性能不匹配，I/O系统就有可能成为整个系统的瓶颈。

评价I/O系统性能的主要参数：

  • 连接特性：哪些I/O设备可以和计算机系统相连接
  • I/O系统的容量：I/O系统可以容纳的I/O设备数
  • 响应时间和吞吐率等
  • 系统的响应时间：从用户输入命令开始，到得到结果所花费的时间； 由I/O系统的响应时间和CPU的处理时间两部分构成，单位通常用秒（s）表示。
  • I/O的吞吐率：单位时间完成的I/O操作次数，单位通常用IOP表示。

输入输出方式

输入/输出方式：

  • 无条件I/O方式
  • 程序控制I/O方式
  • 中断I/O方式
  • DMA（Direct Memory Access）方式
  • 通道方式
  • I/O处理机方式

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；
  • 硬件接口电路和软件控制程序都比较简单。输入时，必须确保CPU执行 I/O指令读取数据时，外设已将数据 准备好；输出时，必须确保外部设备 的数据锁存器为空，即外设已将上次 的数据取走，等待接收新的数据，否 则会导致数据传送出错，但一般的外设难以满足这种要求。

程序控制方式

一种早期计算机采用的输入/输出方式，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。

程序查询的I/O原理：

  • 程序先向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，看是否可以进行数据交换；
  • 若设备未准备就绪，则返回到上步，重复查询；否则，发出设备准备就绪信号；
  • CPU与I/O接口的数据缓冲寄存器进行数据交换，与此同时，将接口中的状态标志复位
    image-20191226194626791

设备状态字寄存器：

  • 用来标志设备的工作状态，以便接口对外部设备进行监视。
  • CPU通过程序查询设备状态位来判断设备的状态。
  • 因此，设备状态寄存器是设备对主机的窗口，主机通过它了解设备的 状态，并对设备设置操作方式。
  • 设备状态寄存器又叫设备状态字（DSW）是设备所有状态的集合，每 种状态均用一个触发器来表示。

特点：何时对何设备进行输入输出操作完全受CPU控制， 外围设备与CPU处于异步工作关系，数据的输入/输出都要经过CPU。
优点：计算机和外设之间能够同步，控制简单，硬件简单。
缺点：CPU的大量时间用来查询外设的状态

中断I/O方式

  • 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；
  • 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（现场和断点的保护）。
应用场合：实时性要求高，且数据传输量又不大的场合

DMA方式

  • 是一种完全由硬件执行的I/O交换方式
  • 当外设准备好后，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控制器将总线控制权交还给 CPU，整个数据交换的过程不需要CPU参与。

优点：既有中断的优点，同时又降低了服务开销。
缺点：控制电路更加复杂。
应用场合：高速、大批量数据传输。

通道和I/O处理机方式

  • 复杂的计算机系统中，外围设备的台数一般比较多，设备的种类、工作方式 和工作速度的差别很大，为了把对外围设备的管理工作从CPU中分离出来，采 用通道或I/O处理机方式。
  • 通道是能够专门执行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。
  • 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。

中断请求与响应

中断：是指CPU在正常运行程序时，由于内部/外部事 件（或由程序）引起CPU中断正在运行的程序，而转到 为中断事件服务的程序中去，服务完毕，再返回执行原 程序的这一过程。
中断的特征：具有随机性。

中断的作用：

  • 实现主机与外设之间的并行工作
  • 故障处理：中断系统能使计算机在运行过程中出现故障的时候， 调用相应的中断服务程序处理故障。

  • 实时处理
    image-20191226200348777

    中断的类型

    • 内部中断
    • 软件中断
    • 异常
      • 故障(Fault)
      • 自陷(Trap)
      • 终止(Abort)

  • 外部中断

    • 可屏蔽中断INTR
    • 不可屏蔽中断NMI

  • 内部中断：来自于CPU内部的指令中断请求，分为软件中断和异常。

  • 外部中断：中断请求来自CPU外部，又分为可屏蔽和不可屏蔽中断。
  • 不可屏蔽中断NMI：由系统内部硬件引发的中断，优先级高于外部硬 件中断，且不受中断允许标志位的影响，所以是不可屏蔽中断。
  • 可屏蔽中断：由外设通过中断请求线向处理器申请而产生的中断，处 理器可以用指令来屏蔽（禁止），即不响应它的中断请求。

中断系统的基本功能

  • 中断请求信号保持与清楚
  • 中断优先级
  • 中断源识别
  • 中断的处理
  • 中断控制

中断请求信号保持与清除

  • 中断号：是系统分配给每个中断源的代号，以便识别和处理。中断号在中断处理过程中起到很重要的作用。
  • 中断号的获取：CPU对系统中不同类型的中断源，获取它们的中断号 的方法是不同的。

image-20191226200930087

中断控制

中断触发方式：是指外设以什么逻辑信号去申请中断，即边沿触发和电 平触发两种方式。
中断排队方式：当系统有多个中断源时，就可能出现同时有几个中断源 都申请中断，而处理器在一个时刻只能响应并处理一个中断请求；为此， 要进行中断排队。处理器按“优先级高的先服务”的原则提供服务。

  • 按优先级排队：根据任务的轻重缓急，给每个中断源指定CPU响应的 优先级，任务紧急的先响应，可以暂缓的后响应。
  • 循环轮流排队：不分级别高低，CPU轮流响应各个中断源的中断请求。

中断嵌套：

  • 当CPU正在处理某个中断时，会出现优先级更高的 中断源申请中断；为了使更紧急的、级别更高的中断源及时得到服务，需要暂时打断（挂起）当前正 在执行的中断服务程序，去处理级别更高的中断请 求，处理完成后再返回被打断了的中断服务程序继 续执行。
  • 但级别相同或级别低的中断源不能打断级别高的中 断服务，这就是所谓的中断嵌套。
  • 可屏蔽中断可以进行中断嵌套。NMI不可以进行中断嵌套。

中断屏蔽：

  • 处理器用指令来控制中断屏蔽触 发器的状态，从而控制是否接受 某个特殊外设的中断请求。
  • 处理器内部也有一个中断允许触 发器，只有当其为“1”（即开中 断），CPU才能响应外部中断。

中断优先级：是指CPU响应和处理中断请求的先后次序
为了兼顾中断响应的时效与配置的灵活，通常采用两套机制结合组成 中断优先序管理体系：

  • 硬件响应优先序：未被屏蔽的几个中断源同时提出申请时， CPU选择服务对象的顺序由硬件电路实现，用户不能修改。
  • 软件服务优先序：在各中断服务程序开头，用软件设置自己 的中断屏蔽字，以此改变实际服务顺序。

中断处理

  • 中断响应周期：当CPU收到外设的中断请求后，如果当前一条指令已执行完，且允许中断， CPU进入中断响应周期，发出中断应 答信号完成一个中断响应周期。
  • 中断响应：读取中断源的中断号，完成中断申请与中断响应的握手过程。

中断处理：

  • 标志位的处理与断点保存
    处理器获得外部中断源的中断号后，保存断点（返回地址），关闭中断，保护现场。
  • 向中断服务程序转移并执行中断服务程序

  • 返回断点
    中断服务程序执行完毕后，恢复断点和现场， 要返回主程序。

    单级中断处理流程：
    image-20191226201407259

    多级中断处理流程：
    image-20191226201438871

    DMA方式

DMA方式的基本原理：数据的传送不经过CPU，由DMA控制器实现内存和外设、外设和外 设之间的直接快速传送。
用于需要高速大批量数据传送的系统中。
image-20191226202606347

DMA传输计算机系统构成：

  • DMA控制器作为主设备之一
    image-20191226202653346
  • DMA控制器与I0接口集成
    image-20191226202732946
  • DMA控制器提供专门I/O中间
    image-20191226202757677

DMA控制器(DMAC)：
DMA控制器的两种工作状态

  • 被动态（受控器）：未取得总线控制权，受CPU的控制。
  • 主动态（主控器）：接管并取得总线控制权，取代CPU而成为系统的主控者。

DMA传输步骤

  • 申请阶段：一个设备接口试图通过总线直接向另一个设备发送数据(一般是大批量的数据)，它会先向 CPU发送DMA请求信号；
  • 响应阶段：CPU收到DMA请求信号后，在当前的总线周期结束后，会按DMA信号的优先级和提出 DMA请求的先后顺序响应DMA信号；
  • 数据传送阶段 CPU对某个设备接口响应DMA请求时，会让出总线控制权；于是在DMA控制器的管理下，外设和存储器直接进行数据交换，而不需CPU干预；
  • 传送结束阶段 ：数据传送完毕后，设备接口会向CPU发送DMA结 束信号，交还总线控制权。

DMA操作类型

  • 数据传送：把源地址的数据传输到目的地址去（存储器或I/O）。
  • 数据校验：不进行数据传输，只对数据块内部的每个字节进行某种校验； 这种数据校验一般安排在读数据块之后，以便校验所读的数据是否有效。
  • 数据检索：不进行数据传输，只是在指定的内存区域内查找某个关键字节 或某几个数据位是否存在

DMA操作方式

  • 单字节传输模式：每次DMA操作传送一个字节后，接着释放总线。
  • 块传输模式：连续传送多个字节，每传输一个字节，当前字节计数器 减1，当前地址寄存器加1或减1，直到所要求的字节数传输完（当前 字节计数器减至0），然后释放总线。
  • 请求传输模式：DMA控制器要询问外设，当外设请求信号无效时， 暂停传输（不释放总线）；当请求信号再次有效后，继续进行传输。
  • 级联传输模式：多片DMA控制器级联，构成主从式DMA系统。

DMA传输模式

停止CPU访问内存

当需要传送一批数据时，DMA控制器首先要求CPU放弃对总线的控制权；然后开始进行数据传送。在一批数据传送完毕后，DMA控制器通知CPU可以使用内存，并把总线控制权交还给CPU。
在这种DMA传送过程中，CPU基本处于不工作状态或者说保持状态。
优点：控制简单，它适用于数据传输率很高的设备进行成组传送。
缺点：在DMA控制器访内存阶段，内存的效能没有充分发挥，相当一部分内存 工作周期是空闲的。这是因为，传送两个数据之间的间隔一般总是大于内 存存储周期，即使高速I/O设备也是如此。

请求传输模式——周期挪用

当I/O设备没有DMA请求时，CPU按程序要求访问内存；一旦I/O设备有DMA请求，则由I/O设备挪用一个或几个内存周期。
I/O设备要求DMA传送时可能遇到两种情况：

  • 当CPU不需要访内时，此时I/O访内与CPU访内没有冲突，即 I/O设备挪用一二个内存周期对CPU执行程序没有任何影响；
  • CPU也同时要求访问内存，这就产生了访存冲突，在这种情况 下I/O设备访存优先。
    优点：既实现了I/O传送，又较好地发挥了内存和CPU的效率，是一种广泛采 用的方法。
    缺点：I/O设备每一次周期挪用都有申请、建立、归还总线控制权的过程，所 以传送一个字对内存来说要占用一个周期，但对DMA控制器来说一般要2-5个内存周期；因此，周期挪用方法适用于I/O设备读写周期大于内存存储周期的 情况。

请求传输模式——DMA与CPU交替访存

如果CPU的工作周期比内存存取周期长很多，此时采用交替访存的方法，可以使DMA传送和CPU同时发挥最高的效率。
这种方式不需要总线使用权的申请、建立和归还过 程，总线使用权是通过分 时进行的，这种总线控制权的转移几乎不需要什么时间，所以对DMA传送来讲效率是很高的。
这种传送方式又称为”透明的DMA”方式，在透 明的DMA方式下工作，CPU既不停止主程序的 运行，也不进入等待状态，同样是一种高效率的 工作方式。
缺点：相应的硬件逻辑也就更加复杂。

习题

采用DMA方式传送数据时，每传送一个数据就要用一个（存储周期）时间。

通道对CPU的请求形式是(中断)

描述PCI总线中基本概念正确的句子是（ACD）。
A.HOST 总线不仅连接主存，还可以连接多个CPU
B.以桥连接实现的PCI总线结构不允许许多条总线并行工作
C.PCI 总线体系中有三种桥，它们都是PCI 设备
D.桥的作用可使所有的存取都按CPU 的需要出现在总线上

中断向量地址是中断服务例行程序入口地址的指示器