【计组】IO系统

计算机组成原理归纳
1. 概述
2. 数的表示与计算
3. 存储器
4. 指令系统
5. 处理器
6. 总线
7. IO系统

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相对于主机的输入输出

输入：信息从外设传送到主机

输出：信息从主机传送到外设

6.1 I/O硬件

通过设备控制器来控制I/O设备的具体动作，通过I/O接口与主机(总线)相连

共享设备必须可寻址，可随机访问

6.1.1 外部设备(机械部件)

输入设备(低速I/O)

• 键盘

  查出按哪个键

  翻译出主机中的编码

  将编码传送到主机

• 鼠标

输出设备

显示器

分类

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性能指标

• 性能指标：以对角线长度表示，常用有12~29英寸

• 分辨率：所能表示的像素个数，屏幕上的每一个光点就是一个像素，以宽、高的像素的乘积表示

• 灰度级：灰度级是指黑白显示器中所显示的像素电脑的亮暗差别；

  在彩色显示器中表现为颜色不同，灰度级越多，图像层次越逼真

  n位可以表示 $2^n$ 种不同的亮度或颜色

• 刷新：光点只能保存极短时间，为此必须在光点消失之前再重新扫描显示一遍

  刷新频率：单位时间内扫描整个屏幕内容的次数

• 显示存储器（VRAM）：为了不断提高刷新图像的信号，必须把一帧图像信息存储在刷新存储器中。

  $VRAM容量=分辨率\times 灰度级位数$

  $VRAM带宽=分辨率\times 灰度级位数\times 帧频$

打印机

按工作方式

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，间歇驱动纵向送纸横向移动，同时驱动打印机间歇冲击色带，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打印。

  工作原理简单，造价低廉，耗材便宜

  打印分辨率和打印速度不够高

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，按一定比例同时喷射3中颜色的墨滴

• 特点：

  打印噪声少，可实现高质量彩色打印，通常打印速度比针式速度快

  防水性差，高质量打印需要专用打印纸

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

  耗材多，价格贵，不能复写打印多份，且对纸张的要求高。

外存(辅存)

磁表面存储器

原理

一次1bit的读写，需要串/并行转化

• 写线圈加电流，改变磁场方向
• 磁层产生磁场，读线圈切割磁感线产生电流
  

特点

优点

• 存储容量大，价位低
• 记录介质可重复使用
• 记录信息长期保存不丢失
• 非破坏性读出

缺点

• 存取速度慢

• 机械结构复杂

• 对工作环境要求高

• 串行机械设备

  从磁道读写数据时，每次只能读写1bit

  不能在同一时刻既读又写

  不能在同一时刻读两组或写两组数据

组成

存储区域

硬盘存储器

• 磁盘驱动器

  磁头组件：移动磁头

  盘片组件：旋转盘片

• 磁盘控制器（磁盘与主机的接口）

  IDE——ATA

  SATA——串行ATA

  SCSI

性能指标

容量：可存放的字节数

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记录密度：

• 道密度：沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数
• 位密度：磁道单位长度上能记录的二进制位数
• 面密度：位密度 *道密度
  

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平均存取时间
$$\begin{gathered} 平均存取时间=寻道时间+延迟时间+传输时间 \\ 平均存取时间=磁头移动到目标磁道+磁头定位到目标扇区+数据传输 \end{gathered}$$

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数据传输率

单位时间内向主机传送的字节数

工作过程

• 寻址
• 读盘
• 写盘

磁盘地址

存储阵列

RAID(Redundant Array of Inexpensive Disks，廉价冗余磁盘阵列)，将多个独立的物理磁盘组成一个独立的逻辑盘，数据在多个物理硬盘上分割交叉存储，并行访问

RAID0：无冗余和无校验的磁盘阵列

• 提高传输率：把连续多个数据块交叉地存放在不同物理磁盘邻近扇区中，几个磁盘交叉并行读写
• 提高存储系统的数据吞吐量：不仅扩大了存储容量，且提高了磁盘数据存取速度
• RAID0没有容错能力

RAID1：镜像磁盘阵列

• 提高传输率：把连续多个数据块交叉地存放在不同物理磁盘邻近扇区中，几个磁盘交叉并行读写
• 提高存储系统的数据吞吐量：不仅扩大了存储容量，且提高了磁盘数据存取速度
• 可靠性：使两个磁盘同时进行读写，互为备份
• 一个磁盘出现故障，可从另一个磁盘中读出数据
• 两个磁盘当一个磁盘使用，相当于减少一半容量

RAID2：采用纠错的海明码的磁盘阵列

RAID3：位交叉奇偶校验的磁盘阵列

RAID4：块交叉奇偶校验的磁盘阵列

RAID5：无独立校验的奇偶校验磁盘阵列

光盘

支持随机存取

固态硬盘SSD

利用闪存作为硬盘记录数据

6.1.2 I/O接口(电子部件)

I/O控制器、设备控制器，实现CPU对IO设备控制

功能

接收和识别CPU发出的命令

• 控制寄存器：存放参数和命令

错误或状态检测：通过状态寄存器反馈设备的各种错误、状态信息，供CPU查用

• 状态寄存器

数据缓冲：暂存数据

• 通过数据缓冲寄存器（DBR）达到主机与外设工作速度的匹配

地址译码与设备选择：I/O接口对CPU送来的地址进行译码以产生设备选择信息

• 设备选择信息

  一个设备对应一组端口

  地址总线，分两次传输：指明读写的端口，指明要操作的设备编号

与主机和设备通信：实现主机-I/O接口-I/O设备间的通信

控制和定时：接收从控制总线发来的控制信息，时钟信息

数据格式转换：串行-并行，并行-串行的数据格式转换

• 磁盘一次只能读出1bit，总线一次传输1字长

组成与原理

I/O端口：I/O控制器中的各种寄存器称为I/O端口

数据线：读写数据、状态字、控制字、中断类型号

地址线：传送I/O端口

控制线：读/写IO端口的信号、中断请求的信号

状态/控制寄存器：在使用时间上是错开的，因此有的I/O接口中将二者合并

1. CPU通过数据线发送命令字到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
3. 读/写数据：从数据缓冲寄存器发送或读取数据

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不同的I/O控制器有不同标准

控制不同类型的设备

• 有的I/O接口可接入多种设备(USB)
• 有的I/O接口只能接一个设备(SATA)

I/O逻辑

接收识别CPU的各种命令：CPU通过控制线发出I/O指令(读/写)

对设备发出命令

控制器与设备接口

实现控制器与设备通信

CPU与控制器接口

实现CPU与控制器之间的通信

端口编址

I/O端口为接口中的寄存器

6.1.4 I/O总线

6.2 I/O方式

6.2.1 程序查询方式

CPU不断查询I/O控制器中的 状态寄存器 ，在等待IO完成的过程中CPU需要不断轮询检查

优点：实现简单

缺点：CPU和IO设备只能串行工作，CPU需要一直轮询检查，长期处于 忙等 状态，CPU利用率低

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定时查询

频率：CPU的时钟频率为50MHz，即每秒 $50\times 10^6$ 个时钟周期

鼠标

每秒查询鼠标占用的时钟周期数为 $30\times 100=3000$

查询鼠标所花费的时间比率= $\frac{3000}{50\times 10^6}=0.006\%$

所以对鼠标的查询基本不影响CPU性能

硬盘

每秒需要查询 $\frac{2\times 2^{20}B}{4B}=2^{19}$ 次

每秒查询硬盘占用的时钟周期数 $2^{19}\times 100=5.24\times 10^7$

查询硬盘所花费的时间比率=$\frac{5.24\times 10^7}{50\times 10^6}=105\%$

CPU将全部时间都用于对硬盘的查询也不能满足磁盘传输的要求

数据通路

外设->IO接口中数据寄存器->数据总线->CPU寄存器->主存

传输单位为字节

6.2.2 程序中断方式

工作流程

中断请求

中断源向CPU发送中断请求

中断请求分类：内中断和外中断

中断响应

在每个指令周期末尾检查中断

响应中断的条件

• 中断源有中断请求
• CPU开中断
• 一条指令执行完成，无其余紧急任务

中断判优

优先级设置

• 硬件故障>访管指令>外部中断
• 硬件故障>软件中断
• 非屏蔽中断> 可屏蔽中断
• 高速设备> 低速设备：DMA请求高于IO设备传送数据的中断请求
• 输入设备> 输出设备
• 实时设备>普通设备

中断处理

中断隐指令

由硬件实现，一系列操作，不是指令

• 保存当前PC的值
• 将PC的值修改位指向中断服务程序的第一条指令

操作

1. 关中断：实现原子操作

2. 保存断点：

   保存当前程序的断点PSW

   存入内核堆栈或指定内存单元

3. 引出中断服务程序：实质为将PC值修改为中断服务程序的入口地址

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中断向量

• 由硬件找到 中断向量地址
• 中断向量地址 为中断服务程序的入口地址
• 通过数据总线传给CPU

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实现

硬件向量法


软件查询法

中断服务程序

• 保护现场

  保存PSW，中断屏蔽寄存器和通用寄存器中的内容

  堆栈

• 中断服务

• 恢复现场

  通过出栈或取数指令将信息写回寄存器中

中断返回

中断服务程序的最后一条指令——中断返回指令

单重中断

指令中断过程不响应新的中断请求

多重中断

中断优先级次序决定CPU响应次序

• 中断优先级决定哪个先开始

中断屏蔽字决定是否可打断当前进程

• 中断屏蔽字决定那个先结束

中断屏蔽技术

在中断服务程序中提前设置开中断指令

优先级高的中断源有权中断优先级低的中断源

特点

• 每个中断源一定要屏蔽自身
• 所有屏蔽触发器组合成屏蔽字寄存器
• 屏蔽字寄存器中的内容称为屏蔽字

一般用 “1” 表示屏蔽，“0” 表示正常申请

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

屏蔽字中“1”越多，优先级越高。每个屏蔽字中至少有一个 “1” （至少要屏蔽自身的中断）

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设某主机有4个中断源A、B、C、D，其硬件排队优先次序为 A>B>C>D，现要求将中断处理次序改为 D>A>C>B

(1)写出每个中断源对应的屏蔽字

(2)按下图所示的时间轴给出四个中断源的请求时刻，画出CPU执行程序的轨迹。

程序中断方式

CPU与外设并行工作，数据传输与主程序串行工作

工作流程

等待IO设备数据同时，CPU可先去执行其他程序

IO完成后，IO控制器向CPU发出中断请求

CPU响应中断，从IO接口数据寄存器取出数据

子程序调用与中断区别

特点

CPU需要花费大量时间处理中断服务程序，CPU的利用率下降

6.2.3 DMA方式

数据传输单位

一个数据块或多个连续的数据块

• 若是多个数据块，必须是连续的数据块，且在内存中必须连续存放

DMA过程

预处理（CPU参与）

• 测试IO设备状态

• 向DMA控制器的有关寄存器置初值（指明主存，磁盘位置等参数）

• 设置传送方向，启动设备

  数据量

  数据在主存中的位置

  数据在外设中的位置

• 发出上述指令后，继续执行原来程序

• IO设备就绪后（将一块数据写入数据缓冲寄存器），向DMA控制器发出MDA请求

• DMA控制器向CPU发出总线请求

数据传送（CPU不参与）

• DMA传送数据，以字节或数据块为基本单位
• 完全由DMA控制

后处理（CPU参与）

• 完成一个数据块传输，DMA控制器向CPU发出中断请求
• CPU执行中断服务程序做DMA结束处理

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以数据输入为例

DMA控制器

组成

DMA请求触发器：每当I/O设备准备好数据后给一个控制信号，使DMA请求触发器置位

• DMA每次传送以数据块为单位

控制/状态逻辑：由控制和时序电路及状态标记组成，用于指定传送方向，修改传送参数，并对DMA请求信号和CPU响应信号进行协调和同步

数据缓冲寄存器：用于暂存每次传送的数据

• 串行外设每次读/写1bit数据

DC（数据计数器）：剩余读/写字节数

CR（命令状态寄存器）：CPU发来的IO命令和设备状态

主存地址寄存器：存放要交换数据的主存地址

传送长度计数器：用于记录传送数据的长度，计数器溢出时，数据即传送完毕，自动发中断请求信号

中断机构：当一个数据块传送完毕后触发中断机构，向CPU提出中断请求

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• 当传送长度计数器 达到阈值后，发出溢出信号，中断机构向CPU发出中断请求，表示一个数据块传输完成

• DMA数据传送期间，CPU无法使用总线，DMA优先使用

功能

DMA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、擦混送数据的计数等都是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
4. DMA传送速度快，CPU和外设并行工作，提高了系统效率
5. DMA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

IO与主机并行工作，程序和传送并行工作

每个机器周期结束后，CPU可响应DMA请求

缺点

• 若要读/写离散区域的数据块，CPU要发出多条IO指令，进行多次中断才能完成

DMA传送方式

采用三总线结构，主存与DMA接口间有一直接数据通路，存在CPU与DMA的访存冲突

DMA传送方式解决访存仲裁问题

• 周期窃取指DMA占用存取周期

停止CPU访问主存

CPU处于不工作状态或保持状态

未能充分发挥CPU对主存的利用率

控制简单

DMA与CPU交替访存

不需要总线使用权的申请、建立和归还过程

硬件逻辑更为复杂

周期挪用

DMA此时有三种可能

• 若CPU不访存，则DMA直接访存

• 若CPU正访存，结束后CPU让出总线

• CPU与DMA同时请求，IO访存优先

  数据缓存寄存器中的数据若不及时传送会造成数据丢失

DMA请求与中断请求

6.2.4 通道控制方式

通道是一种硬件技术，CPU只在启动通道时参与

1. CPU向通道发出I/O指令，指明通道程序在内存中的位置，并指明要操作的是哪个I/O设备，之后CPU就切换到其他进程执行了

2. 通道执行内存中的通道程序指明了要读入/写出多少数据，读写数据应放在内存的什么位置等信息

   通道程序：通道指令集合

3. 通道执行完规定任务后，向CPU发出中断信号，之后CPU对中断进行处理

特点

优点：CPU，通道，IO设备并行工作，CPU利用率高

缺点：实现复杂，需要专门通道硬件支持

DMA方式与通道方式对比

每个DMA控制器对应一台设备与内存传送数据

每个通道对应多个设备与内存进行数据交换

IO指令与通道指令