第七章 IO系統
7.1 IO系統基本概念
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IO設備編址方式
（1）統一編址 ： 和主存統一編址
（2）不統一編址 ： 有專門的IO指令 -
設備選址
用設備選擇電路識別是否被選中 -
傳送方式：串行和並行
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聯絡方式：
（1）立即響應
（2）異步工作采用應答信號
並行：
串行：想象網絡傳輸的包
（3）同步工作采用同步時標 -
IO設備與主機的連接方式
（1）輻射式連接：每台設備都有一套控制線和一組信號線。不便於增刪設備
（2）總線連接：便於增刪設備 -
IO設備分類
（1）人機交互設備：鍵盤鼠標
（2）計算機信息存儲設備：磁盤光盤
（3）機機通信設備：網絡傳輸
7.2 CPU對IO設備的控制
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程序查詢方式
（1）由軟件控制查詢IO設備的狀態，只要設備沒准備好，CPU就會意志詢問狀態
（2）每次只能傳輸一個字，繼續傳輸CPU就要走下一個IO詢問
（3）踏步等待，串行傳輸，大量浪費CPU時間
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程序中斷方式
（1）CPU只發出IO請求，啟動設備，然后繼續執行其他工作。IO設備傳輸數據到緩沖寄存器中，存滿則對CPU發出中斷請求，請求把數據傳輸到CPU.
（2）IO操作和CPU的其他工作是並行進行的。沒有踏步等待，IO傳輸開始會中斷現行程序
（3）中斷服務程序，解決中斷酸發生的問題。（保留中斷前程序執行的現場，回復中斷后程序執行的現場）
（4）引起中斷的方式
人為設置的中斷：轉管指令
程序性故障：溢出，操作碼不能識別
硬件故障
I/O設備
外部事件用鍵盤中斷現行程序
（5）中斷系統需要解決的問題
各中斷源如何向CPU提出中斷請求
各中斷源同時提出中斷請求怎么辦
CPU什么條件，什么時間，以什么方式響應中斷
如何保護現場
如何尋找入口地址
如何恢復現場，如何返回
處理中斷的過程又出現新的中斷怎么辦？
（6）中斷響應的條件
中斷源提出中斷請求
中斷未被屏蔽
中斷源具有較高的優先級
CPU允許中斷
一條指令執行完畢
沒有更高級的中斷服務程序正在執行
（7）中斷請求標記和中斷判優邏輯
中斷請求標記：INTR。INTR是一個中斷請求標記觸發器，多個INTR觸發器組成一個中斷請求寄存器。：
（a）硬件實現排隊器（進行中斷判優）
分散在各個中斷源的接口電路中，形成鏈式排隊器
（b）軟件實現：按照優先級的順序一次查詢這些設備是否有請求
（8）中斷服務程序的尋址
硬件向量法：
把上面排隊器的輸出接入到鄉里那個地址形成部件，輸出一個主存地址。這個地址上的內容是提前服務程序
排隊器的輸出又稱”向量地址“，向量地址形成部件輸出的物理地址又稱”中斷服務程序的入口地址“
（8）中斷處理過程：
（a）執行中斷隱指令：
硬件關中斷：
保存斷點：保存當前程序斷點PC.到特定地址（0號地址），斷點進棧
尋找中斷服務程序入口地址：向量地址->PC（硬件向量法）
中斷服務程序入口地址M -> PC （軟件查詢法）
（b）轉入中斷服務程序：
保護現場：保護CPU的主要狀態，PCB保存等。通用寄存器入棧保存
開中斷：為了響應其它優先級更高的中斷請求。另外在小中斷服務程序執行完畢后，再次響應
中斷處理。
結尾部分：關中斷，以防止在恢復現場的過程中被新的中斷打斷。
恢復現場
開放中斷
中斷返回
【注】：保護現場和恢復現場只是一半指令的疊加，例如PC值入棧等操作。這些操作計算並不能意識到是他個數的操作，所以要先關閉中斷，在進行保存和回復操作.
（9）中斷屏蔽技術
（a）多重中斷的概念：在執行中斷服務程序的時候，該程序被優先級更高的中斷請求中斷。前提是先開中斷
（b）屏蔽技術 ：
I. 中斷的優先級是硬件電路實現的，所謂屏蔽，就是在每個電路上，加上mask掩碼電路。
ii. 通過設置mask掩碼電路的值，和原中斷優先級的判斷進行與操作，來對中斷進行屏蔽。
iii. （因此，mask值為1不進行屏蔽，為0進行屏蔽）
V. 中斷屏蔽字的編碼：把所有中斷操作列出01序列，優先級高的位設置為0。eg：中斷屏蔽字為A：1111，B：0100，C：0110，D：0111。中斷優先級為：ADCB（0的個數依次增多）
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DMA方式：
（1）概念：
（a）在數據准備階段，CPU與外設並行工作。數據傳輸階段，DMA方式在外設和主存之間開辟一條”直接數據通道“，數據不再經CPU轉存
（b）DMA是純硬件方式進行成組信息傳送的IO方式
（c）因為數據不再經CPU轉存，所以也就不會有CPU保護恢復現場的操作，因此，DMA也稱數據直接存儲
（2）總線征用方式：因為CPU和DMA控制器都能向總線傳輸數據，所以會導致總線沖突
（a）停止CPU訪問主存
（b）DMA與CPU交替訪問主存
（c）周期挪用
（3）DMA傳送過程
（a）預處理：由CPU完成一些准備工作。測試IO設備狀態，啟動設備等。當IO設備准備好發生的數據或接受的數據后，設備向DMA控制器發送DMA請求，然后DMA控制器向CPU發送總線請求
（b）數據傳送：完全有DMA控制器協調主存和外設進行傳輸數據
（c）后處理：當數據傳輸完畢，DMA控制器向CPU發送中斷請求，CPU執行中斷服務程序校驗傳輸數據是否准確，是否需要繼續傳輸其他塊等
【注】：DMA方式，只有預處理和后處理需要CPU進行干預。
DMA和CPU同時向主存寫入數據時，DMA優先級高於CPU。先讓DMA寫入數據
不競爭的情況下，CPU在執行完指令后，會空出一個存儲周期，用於DMA中斷
7.3 輸入輸出設備
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輸入設備
（1）鍵盤：將此鍵翻譯成ASCII碼（編碼鍵盤） -
輸出設備
（1）顯示器：
分辨率：顯示器所能顯示的像素個數
灰度級：像素點的亮暗差別（黑白）顏色。每個像素對應的舒心存儲器的位數
刷新：反復不斷的掃面整個屏幕
刷新存儲器：容量 = 分辨率*灰度級 -
外存儲器：硬盤
（1）按序存儲，不能隨機存儲
（2）存儲密度：
道密度：沿磁盤半徑方向單位長度上的磁道數。單位是道/英寸
位密度：磁道單位長度上能記錄的二進制字節數。單位是位/英寸
面密度：位密度和道密度的乘積，單位是位/平方英寸
（3）磁盤總的平均存取時間
存取時間\(T_a\)：存取時間是指從發出讀寫命令后，磁頭從某一個起始位置移動到新的記錄位置，到開始從盤面讀出或寫入信息加上傳送數據所需要的時間。
平均找道時間\(T_s\)：將磁頭移動到所要求的磁道上所需的時間（磁臂移動到哪個同心圓）
平均等待時間\(\frac{1}{2r}\)：在同心圓上，移動到哪個圓弧段。（用磁盤旋轉一周所需時間的一半）
數據傳輸時間\(\frac{b}{rN}\)：磁盤存儲器在單位時間內向主機傳送的字節數。
設磁盤轉速為r轉/秒，每條磁道容量為N個字節，數據傳輸率為\(D_r = rN\)字節/秒
7.4 IO接口
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IO接口又稱作IO控制器，是主機和外設之間的交接面。用來實現主機和外設質檢的信息交互。主機和外設的工作方式和工作速度具有很大差異，接口正是為了解決這些差異而出現的
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IO接口的功能
（1）實現主機和外設的通信聯絡控制
（2）進行地址譯碼和設備選擇：把CPU傳來的地址號轉換為制定設備
（3）實現數據緩沖
（4）電平信號轉換：外社和主機的電平信號不同，要通過轉換
（5）傳送控制命令和狀態信息：接收CPU傳來的啟動設備命令，和向CPU傳遞設備准備就緒信號 -
接口的邏輯電路
（1）CPU同外設之間的信息傳送實質是對接口中某些寄存器（端口）進行讀寫。eg：傳送數據就是對DBR讀寫
（2）內部接口：與系統總線相連，實質上是與內存，CPU相連。數據傳輸方式只能是並行傳輸
外部接口：外部接口通過接口電纜和外設相連，外部接口的數據傳輸方式是串行傳輸。
因此，接口要有串並轉換功能
