考研笔记-计算机之计算机组成原理:I/O系统

表-I/O系统的组成

I/O系统的组成

软件

I/O指令

I/O指令属于CPU的指令系统。

I/O指令的组成：

操作码：与指令系统中其他类型指令的区别代码；

命令码：指示I/O设备的具体操作；

设备码：I/O设备的选择码。

通道指令

又称通道控制字，是通道自身的指令，不属于CPU的指令系统。通道程序由通道指令组成。

硬件

接口模块

I/O设备

表-I/O接口类型

分类依据

接口类型

工作方式

I/O接口

按数据传送方式

串行接口

接口与主机之间为并行传输，接口与I/O设备之间为串行传输

并行接口

接口与主机和I/O设备之间均为并行传输

按数据传送的控制方式

程序型接口

数据传送占用CPU

DMA型接口

数据传送不占用CPU

按功能选择的灵活性

可编程接口

功能及操作方式可以用程序来改变或选择

不可编程接口

功能及操作方式不能用程序来改变或选择，但可用硬连线逻辑来实现不同的功能

按通用性

通用接口

可供多种I/O设备使用

专用接口

只供某类I/O设备使用

说明：

1) I/O设备所共用的电路通常放在通用接口中，I/O设备所专用的电路通常放在设备控制器中；

2) I/O接口、设备控制器和I/O设备关系框图

表-I/O设备类型

I/O设备

人机交互设备

信息存储设备

机机通信设备

表-I/O设备与主机的联系方式

I/O设备与主机的联系方式

设备编址

统一编址

I/O地址看作主存地址的一部分，访问I/O设备的指令与访存指令相似。

独立编址

I/O地址和主存地址是分开的，对I/O设备的访问有专用的I/O指令。

设备寻址

I/O指令的设备码

设备接口电路中的设备选择电路根据送往该接口的I/O指令中的设备码判断是否接受该指令。

传送方式

串行传送

同一时刻，仅有1位信息在CPU和I/O设备间传送。需1根数据线。

并行传送

同一时刻，n位信息同时在CPU和I/O设备间传送。需n根数据线。

联络方式

按对应的I/O设备速度由低到高分

立即响应方式

I/O设备与CPU发生联系时，已准备就绪，处于等待状态，I/O指令一到，便立即响应，故无需特殊联络信号。

异步方式（应答信号）

在交换信息前，I/O设备与CPU各自完成自身的任务，一旦出现联络信号，彼此才准备交换信息。

同步方式（同步时标）

配有专用电路，用以产生同步时标来控制同步工作

连接方式

辐射式

每台I/O设备都有自己的一套控制线路和一组信号线。（独享）

总线式

使用一组总线，将所有的I/O设备与主机连接。（共用）

表-I/O设备与主机信息传送的控制方式

I/O设备与主机信息传送的控制方式

占用CPU的时间

软件方式

程序型接口

程序查询

I/O设备准备，数据传送。

程序中断

数据传送。（中断单位为字节）

硬件方式

DMA型接口

预处理，后处理。（中断单位为数据块）

I/O通道

两次进入管理程序分别完成为通道组织通道程序和响应中断（正常结束或故障）。

I/O处理机

完全不占用。

说明：

1) 区分软件方式和硬件方式的依据是数据传送是否占用CPU。

2) 除程序查询方式外，其他方式都可实现CPU和I/O设备的并行工作（判断是否是并行工作依据是CPU执行的操作是否为有效工作（CPU一直处于工作状态（调试状态除外），只不过有时其执行的操作可能为无效工作，如在程序查询方式中等待I/O设备就绪时），程序中断方式下CPU与I/O是并行工作，而不是串行工作，因为在I/O设备准备阶段CPU在执行其他任务，为有效工作；在执行中断服务程序阶段CPU虽然中断了正常任务的执行，但执行中断服务程序对CPU而言仍是有效工作。）

表-DMA工作原理

DMA

方式

停止CPU访问主存

一次DMA过程只需一次总线使用权的申请、建立和归还。

适用于数据传输率很高的I/O设备实现成组数据的传送。可在DMA接口中加入一个小容量存储器（与主存速度匹配的半导体存储芯片），使I/O设备先与小容量存储器交换数据，然后由小容量存储器与主存交换数据，可减少DMA传送数据时占用总线的时间，即可减少CPU暂停的时间。

主存周期窃取（挪用）

一次DMA过程需要多次总线使用权的申请、建立和归还。

适合于I/O设备的读写周期大于主存周期的情况。每当I/O设备发出DMA请求时，DMAC便挪用或窃取总线占用权一个或几个主存周期。

有三种情况：①I/O设备请求DMA时，CPU不需要访存，此时DMAC和CPU无访存冲突，DMAC可立即访存；②I/O设备请求DMA时，CPU正在访存，此时DMAC需等待CPU当前的访存周期结束并将总线占有权让出后才可访存；③I/O设备请求DMA时，CPU也需要访存，此时DMAC优先访存（因DMAC若不立即访存可能丢失数据）。

DMA与CPU交替访存

一次DMA过程不需要总线使用权的申请、建立和归还。

适合于CPU的工作周期比主存存取周期长的情况。此时，可将CPU的工作周期分为两部分，一部分专供DMA访存，另一部分专供CPU访存。

过程

预处理

由CPU负责，程序实现

数据传送

由DMAC负责，硬件自动完成

后处理

由CPU负责，程序实现

中断

DMA工作过程中只有一次中断，该中断触发后处理，由于DMA传送过程是由CPU主动发起（触发事件是不属于DMA的其他事件），交由DMA处理，故一开始无中断。

表-程序中断与DMA的比较

程序中断与DMA比较

程序中断

DMA

数据传送

程序传送

硬件传送

CPU响应时间

指令周期的执行周期结束时

指令周期内的任一存取周期结束时

异常处理能力

有

无

保护现场

有

无

优先级

相对较低

相对较高

表-激光打印机

工作原理

采用激光技术和照相技术。利用静电转印实现打印。

工作过程

充电

感光鼓（硒鼓）在黑暗中充电，使鼓表面均匀沉积一层电荷

曝光

扫描时激光束对鼓表面有选择的曝光，被曝光部分（无字符部分）产生放电，未被曝光部分（有字符部分）仍保留充电时的电荷，形成潜像

显形

潜像部分通过装有碳粉的显像系统，使潜像部分吸附上碳粉，形成显影

转印

在纸的背面施以反向的静电电荷，鼓面的碳粉被吸附到纸上，完成转印

定影

使用定影系统将碳粉永久地粘在纸上