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
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
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
平均存取时间
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
- 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）
- 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
- 读/写数据：从数据缓冲寄存器发送或读取数据
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
| 统一编址 | 独立编址 | |
|---|---|---|
| 定义 | 把I/O端口当做存储器的单元进行地址分配，用统一的访存指令就可以访问I/O端口——存储器映射方式 | I/O端口地址与存储器地址无关，独立编址CPU需要设置 专门的输入/输出指令 访问端口——I/O映射方式 |
| 区分内存和I/O设备 | 靠不同的地址码 - I/O地址要求固定在地址的某部分，不可随机存放 | 靠不同的指令区分内存和I/O设备 |
| 优点 | 不需要专门的输入/输出指令，所有访存指令都可直接访问端口，程序设计灵活性高 端口有较大的编址空间 读写控制逻辑电路简单 | 使用专用的I/O指令，程序编制清晰 I/O端口地址位数少，地址译码速度快 I/O端口的地址不占用主存地址 |
| 缺点 | 端口占用了内存地址空间，使内存地址空间变小 外设寻址时间长（地址位数多，地址译码速度慢） | I/O指令类型少，一般只能对端口进行传送操作，程序设计灵活性差 需要CPU提供存储器地址，增加了IO设备读/写两组控制信号，增加了控制逻辑实现的复杂性 |
6.1.3 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
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 $\frac{2\times2^{20}B}{4B}=2^{19}$ 次
每秒查询硬盘占用的时钟周期数 $2^{19}\times100=5.24\times 10^{7}$
查询硬盘所花费的时间比率=$\frac{5.24\times10^7}{50\times 10^6}=105\%$
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
关中断：实现原子操作
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
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
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
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）
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
| 子程序调用 | 中断 | |
|---|---|---|
| 发生时间 | 已知，固定 | 随机 |
| 产生 | 程序设计者实现安排 | 硬件电路产生 |
| 与主程序关系 | 主从关系 子程序完全为主程序服务 | 无关 |
| 硬件参与 | 软件处理过程 | 软/硬结合的系统 |
| 嵌套级 | 受限于堆栈大小 | 由中断优先级决定 |
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
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
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
- 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
- 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
- 主存中要开辟专用缓冲区，及时供给和接收外设的数据
- DMA传送速度快，CPU和外设并行工作，提高了系统效率
- 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
| 中断请求（CPU为核心） | DMA请求（存储器为核心） | |
|---|---|---|
| 数据传送 | 程序控制 程序的切换->保存和恢复现场 | 硬件控制 CPU只需进行预处理和后处理 |
| 中断请求 | 传送数据 | 后处理 |
| 响应 | 指令执行周期后响应中断 | 每个机器周期结束后均可，总线空闲时即可响应DMA请求 |
| 场景 | CPU控制，低速设备 | DMA控制器控制，高速设备 |
| 优先级 | 优先级低于DMA | 优先级高于中断 |
| 异常处理 | 能处理异常事件 | 仅传送数据 |
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
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
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
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
