07-输入输出系统

2023-05-16

IO系统基本概念(大纲已删)

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I/O控制方式简介

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I/O控制器多种多样，也会制定相应的标准，如:用于控制uSB设备的I/O接口、用于控制SATA 3.0硬盘的I/O接口等

(I/O控制器就是一块芯片）常被集成在主板上

CPU如何控制键盘I/O的完成?

1)程序查询方式:CPU不断轮询检查l/o控制器中的“状态寄存器”，检测到状态为“已完成”之后，再从数据寄存器取出输入数据

2)程序中断方式:等待键盘I/O时CPU可以先去执行其他程序，键盘I/O完成后I/O控制器向CPU发出中断请求，CPU响应中断请求，并取走输入数据

数据流:键盘→I/O接口的数据寄存器→数据总线→CPU某寄存器→主存（变量i的对应位置)

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注:DMA接口，即DMA控制器，也是一种特殊的I/O控制器

DMA控制方式:主存与高速I/O设备之间有一条直接数据通路（DMA总线）。CPU向DMA接口发出“读/写”命令，并指明主存地址、磁盘地址、读写数据量等参数。

DMA控制器自动控制磁盘与主存的数据读写，每完成一整块数据读写（如1KB为一整块），才向CPU发出一次中断请求。

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DMA控制器与主存每次传送1个字。当传送完一整块数据后才向CPU发出中断请求
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通道:可以理解为是“弱鸡版的CPU”。通道可以识别并执行系列通道指令，通道指令种类、功能通常比较单一

输入设备

键盘
键盘是最常用的输入设备，通过它可发出命令或输入数据。每个键相当于一个开关，当按下键时，电信号连通;

当松开键时，弹簧把键弹起，电信号断开。

键盘输入信息可分为3个步骤:

①查出按下的是哪个键;

②将该键翻译成能被主机接收的编码，如ASCIl码;

③将编码传送给主机。

鼠标

鼠标是常用的定位输入设备，它把用户的操作与计算机屏幕上的位置信息相联系。常用的鼠标有机械式和光电式两种。

工作原理:

当鼠标在平面上移动时，其底部传感器把运动的方向和距离检测出来，从而控制光标做相应运动。

输出设备

显示器

按显示设备所用的显示器件分类:

☆阴极射线管（CRT）

显示器液晶显示器（(LCD)

LED显示器
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注:现代计算机中，显存除了作为当前显示帧的缓存，还会用于保存即将渲染的图像数据。
集成显卡计算机中，通常分配一片内存作为显存

阴极射线管（CRT)显示器

CRT显示器主要由电子枪、偏转线圈、荫罩、高压石墨电极和荧光粉涂层及玻璃外壳5部分组成。具有可视角度大、无坏点、色彩还原度高、色度均匀、可调节的多分辨率模式、响应时间极短等目前LCD难以超过的优点。

液晶显示器(LCD)

原理:利用液晶的电光效应，由图像信号电压直接控制薄膜晶体管，再间接控制液晶分子的光学特性来实现图像的显示。特点:体积小、重量轻、省电、无辐射、绿色环保、画面柔不伤眼等。

LED (发光二极管）显示器

原理:通过控制半导体发光二极管进行显示，用来显示文字、图形、图像等各种信息。

LCD与LED是两种不同的显示技术，LCD是由液态晶体组成的显示屏，而LED则是由发光二极管组成的显示屏。与LCD相比，LED显示器在亮度、功耗、可视角度和刷新速率等方面都更具优势。

显示器-阴极射线管(CRT)显示器

按显示信息内容不同可分为

字符显示器

显示字符的方法以点阵为基础。点阵是指由m×n个点组成的阵列。点阵的多少取决于显示字符的质量和字符窗口的大小。字符窗口是指每个字符在屏幕上所占的点数，它包括字符显示点阵和字符间隔。

将点阵存入由ROM构成的字符发生器中，在CRT进行光栅扫描的过程中，从字符发生器中依次读出某个字符的点阵，按照点阵中0和1代码不同控制扫描电子束的开或关，从而在屏幕上显示出字符。对应于每个字符窗口，所需显示字符的ASCII代码被存放在视频存储器VRAM中，以备刷新。

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图形显示器

将所显示图形的一组坐标点和绘图命令组成显示文件存放在缓冲存储器中，缓存中的显示文件传送给矢量（线段）产生器，产生相应的模拟电压，直接控制电子束在屏幕上的移动。为了在屏幕上保留持久稳定的图像，需要按一定的频率对屏幕进行反复刷新。
这种显示器的优点是分辨率高且显示的曲线平滑。目前高质量的图形显示器采用这种随机扫描方式。缺点是当显示复杂图形时，会有闪烁感。

图像显示器

打印机

打印机是计算机的输出设备之一，用于将计算机处理结果打印在相关介质上。按印字原理不同可分为

击打式打印机:利用机械动作使印字机构与色带和纸相撞而打印字符

优:设备成本低印字质量好

缺:噪声大速度慢

非击打式打印机:采用电、磁、光、喷墨等物理、化学方法来印刷字符

优:速度快

噪声小缺:成本高

按打印机工作方式不同可分为

串行打印机:逐字打印

速度慢

行式打印机:逐行打印

速度快

按工作方式可分为

（1针式打印机

原理:在联机状态下，主机发出打印命令，经接口、检测和控制电路，间歇驱动纵向送纸和打印头横向移动，同时驱动打印机间歇冲击色带,o在纸上打印出所需内容。

特点:针式打印机擅长“多层复写打印”，实现各种票据或蜡纸等的打印。它工作原理简单，造价低廉，耗材（色带）便宜，但打印分辨率和打印速度不够高

（2喷墨式打印机

原理:带电的喷墨雾点经过电极偏转后，直接在纸上形成所需字形。彩色喷墨打印机基于三基色原理，即分别喷射3种颜色墨滴，按一定的比例混合出所要求的颜色。

特点:打印噪声小，可实现高质量彩色打印，通常打印速度比针式打印机快;但防水性差，高质量打印需要专用打印纸。

（3激光打印机

原理:计算机输出的二进制信息，经过调制后的激光束扫描，在感光鼓上形成潜像，再经过显影、转印和定影，便在纸上得到所需的字符或图像。

特点:打印质量高、速度快、噪声小、处理能力强;但耗材多、价格较贵、不能复写打印多份，且对纸张的要求高。激光打印机是将激光技术和电子显像技术相结合的产物。感光鼓（也称为硒鼓)是激光打印机的核心部件。

I/O接口

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I/O接口的作用

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数据缓冲:通过数据缓冲寄存器（DBR）达到主机和外设工作速度的匹配

错误或状态监测:通过状态寄存器反馈设备的各种错误、状态信息，供CPU查用

控制和定时:接收从控制总线发来的控制信号、时钟信号

数据格式转换:串-并、并-串等格式转换

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①发命令:发送命令字到I/O控制寄存器，向设备发送命令（需要驱动程序的协助)

②读状态:从状态寄存器读取状态字，获得设备或I/O控制器的状态信息

③读/写数据:从数据缓冲寄存器发送或读取数据，完成主机与外设的数据交换

控制寄存器、状态寄存器在使用时间上是错开的，因此有的I/O接口中可将二者合二为一

外部接口:外部接口通过接口电缆与外设相连，外部接口的数据传输可能是串行方式，因此I/o接口需具有串/并转换功能。

内部接口:内部接口与系统总线相连，实质上是与内存、CPU相连。数据的传输方式只能是并行传输。

如何确定要操作的设备?
每个设备对应一组寄存器，操作不同的寄存器就是在操作不同的设备

I/O端口

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统一编址vs独立编址

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分类

（1 按数据传送方式可分为

并行接口:一个字节或一个字所有位同时传送。

串行接口:一位一位地传送。

注:这里所说的数据传送方式指的是外设和接口一侧的传送方式,而在主机和接口一侧，数据总是并行传送的。接口要完成数据格式转换。

（2 按主机访问I/O设备的控制方式可分为

程序查询接口

中断接口DMA接口

（3 按功能选择的灵活性可分为

可编程接口

不可编程接口

程序查询方式

x86中的IO指令实例

IN Rd, Rs:把IO端口Rs的数据输入到CPU寄存器Rd

OUT Rd,Rs:把CPU寄存器Rs的数据输出到IO端口Rd

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CPU一旦启动I/O，必须停止现行程序的运行，并在现行程序中插入一段程序。

主要特点:CPU有“踏步”等待现象，CPU与I/O串行工作。

优点:接口设计简单、设备量少。

缺点:CPU在信息传送过程中要花费很多时间用于查询和等待,而且如果采用独占查询,则在一段时间内只能和一台外设交换信息，效率大大降低。

独占查询: CPU 100%的时间都在查询I/O状态，完全串行

定时查询:在保证数据不丢失的情况下，每隔一段时间CPU就查询一次I/O状态。查询的间隔内CPU可以执行其他程序

中断的作用和原理

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单重中断:执行中断服务程序时不响应新的中断请求。

中断的基本概念

程序中断是指在计算机执行现行程序的过程中，出现某些急需处理的异常情况或特殊请求，CPU暂时中止现行程序，而转去对这些异常情况或特殊请求进行处理，在处理完毕后CPU又自动返回到现行程序的断点处，继续执行原程序。

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中断请求标记

每个中断源向CPU发出中断请求的时间是随机的。

为了记录中断事件并区分不同的中断源，中断系统需对每个中断源设置中断请求标记触发器INTR，当其状态为“1"时，表示中断源有请求。

这些触发器可组成中断请求标记寄存器，该寄存器可集中在CPU中，也可分散在各个中断源中。

对于外中断，CPU是在统一的时刻即每条指令执行阶段结束前向接口发出中断查询信号，以获取I/O的中断请求，也就是说，CPU响应中断的时间是在每条指令执行阶段的结束时刻。

CPU响应中断必须满足以下3个条件:

①中断源有中断请求。

②CPU允许中断即开中断。

一条指令执行完毕，且没有更紧迫的任务。
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中断判优

中断判优既可以用硬件实现，也可用软件实现:

硬件实现是通过硬件排队器实现的，它既可以设置在CPU中，也可以分散在各个中断源中;

软件实现是通过查询程序实现的。

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1.硬件故障中断属于最高级，其次是软件中断;

2.非屏蔽中断优于可屏蔽中断;

3.DMA请求优于I/O设备传送的中断请求

4．高速设备优于低速设备;

5.输入设备优于输出设备;

6.实时设备优于普通设备。

中断处理过程

硬件向量法

中断隐指令的主要任务:

①关中断。在中断服务程序中，为了保护中断现场（(即CPU主要寄存器中的内容）期间不被新的中断所打断，必须关中断，从而保证被中断的程序在中断服务程序执行完毕之后能接着正确地执行下去。

②保存断点。为了保证在中断服务程序执行完毕后能正确地返回到原来的程序，必须将原来程序的断点（即程序计数器（PC）的内容）保存起来。可以存入堆栈，也可以存入指定单元。

③引出中断服务程序。引出中断服务程序的实质就是取出中断服务程序的入口地址并传送给程序计数器(PC) 。

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中断服务程序

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中断服务程序的主要任务:

①保护现场

保存通用寄存器和状态寄存器的内容（eg:保存ACC寄存器的值），以便返回原程序后可以恢复CPU环境。可使用堆栈，也可以使用特定存储单元。

②中断服务(设备服务）

主体部分，如通过程序控制需打印的字符代码送入打印机的缓冲存储器中（eg:中断服务的过程中有可能修改Acc寄存器的值)

③恢复现场

通过出栈指令或取数指令把之前保存的信息送回寄存器中（eg:把原程序算到一般的Acc值恢复原样)

④中断返回

通过中断返回指令回到原程序断点处。

多重中断

单重中断与多重中断

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中断屏蔽技术

中断屏蔽技术主要用于多重中断，CPU要具备多重中断的功能，须满足下列条件。

①在中断服务程序中提前设置开中断指令。

②优先级别高的中断源有权中断优先级别低的中断源。

每个中断源都有一个屏蔽触发器，1表示屏蔽该中断源的请求0表示可以正常申请，所有屏蔽触发器组合在一起，便构成一个屏蔽字寄存器，屏蔽字寄存器的内容称为屏蔽字。

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屏蔽字设置的规律:
1.一般用’1’表示屏蔽，'O’表示正常申请。

2.每个中断源对应一个屏蔽字(在处理该中断源的中断服务程序时，屏蔽寄存器中的内容为该中断源对应的屏蔽字)。

3.屏蔽字中’1’越多，优先级越高。每个屏蔽字中至少有一个’1’(至少要能屏蔽自身的中断)。

例题

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中断小结

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程序中断方式

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例题

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DMA方式

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DMA控制器

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DMA传送方式

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主存和DMA控制器之间有一条数据通路，因此主存和/O设备之间交换信息时，不通过CPU。但当I/O设备和CPU同时访问主存时，可能发生冲突，为了有效地使用主存，DMA控制器与CPU通常采用以下3种方法使用主存。

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DMA方式的特点

主存和DMA接口之间有一条直接数据通路。
由于DMA方式传送数据不需要经过CPU，因此不必中断现行程序，I/O与主机并行工作，程序和传送并行工作。
DMA方式具有下列特点:
①它使主存与CPU的固定联系脱钩，主存既可被CPU访问，又可被外设访问。
②在数据块传送时，主存地址的确定、传送数据的计数等都由硬件电路直接实现。
③主存中要开辟专用缓冲区，及时供给和接收外设的数据。
④DMA传送速度快，CPU和外设并行工作，提高了系统效率。
⑤DMA在传送开始前要通过程序进行预处理，结束后要通过中断方式进行后处理。

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DMA方式与中断

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DMA方式的特点

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DMA方式与中断

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