计算机组成原理第五章：输入输出系统

本章知识架构

接口

接口分类：

1. 并行接口：接口与系统总线，接口与外设均按并行方式传送数据

2. 串行接口：接口与系统总线并行，与外部设备串行

3. 按I/O传送控制方式划分：

   1. 直接程序传送接口
   2. 中断接口
   3. DMA接口

接口的主要作用：

1. 寻址
2. 数据缓冲
3. 预处理
4. 控制功能

总线

定义：一组能为多个部件分时共享的信息传送线路

功能分类：

1. CPU内总线：CPU芯片内寄存器与算数逻辑部件之间互联的总线（ALU总线）
2. 部件内总线：插件板内各芯片之间互连的总线
3. 系统总线：各个功能部件之间或者插线板之间互连的总线
4. 外总线：计算机系统之间或计算机系统与其他系统之间互联的总线

时序控制方式分类：

1. 同步总线：由统一时序控制总线传送，在固定时钟周期内完成数据传输，由同步脉冲定时打入
   

2. 异步总线：以异步应答方式控制总线传送操作

中断

定义： CPU暂时中止现行程序的执行，转去执行为某个随机事态服务的中断处理程序，处理完毕后自动恢复源程序的执行

实质： 程序切换

1. 方法：保存断点，保护现场，恢复现场，恢复断点
2. 时间：一条指令结束时切换，保证了指令的完整性

中断类型：

1. 硬中断（由硬件请求信号引发中断）和软中断（由软中断指令引发中断）
2. 内中断（中断源来自主机内部）和外中断
3. 可屏蔽中断（可通过屏蔽字屏蔽该类请求，关中断时不响应该类请求）和非屏蔽中断
4. 向量中断（由硬件提供服务程序入口地址）和非向量中断

中断的全过程（外中断）：

• 中断请求的提出与传递

  1. 产生中断请求：外设工作完成——>“完成”标志位为1
  2. CPU允许请求——>"屏蔽"标志位为0
     
  3. 传送中断请求可用单独请求线或者公共请求线

• 中断判优

  1. 优先顺序：故障，DMA，外中断（输入，输出）

• 中断响应

  1. 响应条件：外设有请求，且未被屏蔽，CPU开中断，一条指令结束，无故障，DMA等优先级更高的请求
  2. 如何获取中断服务程序的入口地址：
     1. 非向量中断：将服务程序入口组织在查询程序中，CPU响应时执行查询程序
     2. 将服务程序入口地址（中断向量）组织在中断向量表中，CPU响应时由硬件直接产生相应向量地址，按地址查表，取得服务程序入口，转入相应服务程序

• 中断处理：

  1. 单级中断：CPU响应后只处理易哥中断源的请求，处理完毕后才能响应新的请求
  2. 多重中断：在某次中断过程中允许响应处理更高级别的中断请求
     

DMA

定义： 直接依靠硬件实现主存与I/O间的数据传输，传输期间不需CPU干预

过程：三个阶段：

1. 程序准备：CPU程序实现初始化信息
2. DMA传送：DMA控制器掌握总线权，控制传送
3. 善后处理：CPU执行中断程序做结束处理

DMA与中断的不同：

• 中断：用程序实现，低俗I/O，能处理复杂事态，一条指令结束时响应请求。程序切换
• DMA：硬件实现，高速，简单的I/O传送，一个总线周期结束时响应请求。总线权切换

应用：