计算机组成原理-学习笔记17-IO输入输出

二月 10, 2023 5668

Lecture 17 IO输入输出

外围设备：
- 外部设备提供了在外部环境和计算机系统之间的数据交换，通常被称为外围设备（peripheral device），简称为外设（peripheral）。
类型
- 人可读设备：适用于与计算机用户通信
  - 显示器，打印机， ……
- 机器可读设备：适用于与设备通信
  - 磁盘，磁带， ……
- 通信设备：适用于与远程设备通信

1.IO模块

产生背景

不可以将外设直接连接到系统总线上
- 外设操作方法多种多样
- 外设数据传送速度比cpu和存储器慢得多
- 某些外设数据传送速度比cpu和存储器快（反正就是不一样）
- 数据格式和字长度和cpu不同

IO模块是计算机内部系统和外设之间的桥梁。（仍属于计算机系统的一部分）

通过系统总线和中央交换器和存储器连接
通过专用数据线与一个或多个外设连接

采用统一的接口格式

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输入/输出模块的接口以控制、状态和数据信号的形式出现
与设备相关的控制逻辑控制外设的操作，以响应来自输入/输出模块的命令
缓冲器用于缓存输入/输出模块和外设之间传送的数据
- 目的：解决IO太快或太慢
- 缓冲器的大小一般为8位或16位
转换器：模拟信号与数字信号

1.1.IO模块的功能

双向通信

与处理器通信
- 命令译码： 输入/输出模块接收来自处理器的命令，这些命令一般作为信号发送到控制总线
- 状态报告： 由于外设速度很慢, 所以知道输入/输出模块的状态很重要
- 数据： 数据是在处理器和输入/输出模块之间经由数据总线来交换的
- 地址识别： 输入/输出模块必须能识别它所控制的每个外设的唯一地址
设备通信
- 通信内容包含命令、状态信息和数据

数据缓冲

类比银行柜员处理文件，排队

控制和定时

原因
- 处理器会非预期的与一个或几个外设进行通信
- 一些内部资源，如主存和系统总线，是被共享的

检错

检错并把差错信息报告给处理器
差错类型
- 设备报告的机械和电路故障
- 传输过程中数据位的变化

1.2.IO模块的结构

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大图=小图逆时针转了90°

左侧：状态/控制寄存器用来保存CPU对外设的命令
- 寄存器复用，知道状态才能控制
右侧：有多组外部设备

外部接口（上图左右的细化）

串行（用的多）：只有一根线用于传输数据，每次只传输一位数据
- 传得远，时钟频率高
并行：多根线连接输入/输出模块和外设，同时传送多位数据
- 并行多条线需要保持信息同步（多人走路）
- 当传输速度和总线长度增加时，总线的时钟频率会受到限制
  - 相邻传输间隔时间变长，避免混淆

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例子
- FireWire： IEEE标准1394串行总线
- USB：通用串行总线（Universal Serial Bus）
  - 更主流，更快

1.3.IO操作技术

编程式I/O：处理器通过执行程序来直接控制I/O操作，当处理器发送一条命令到I/O模块时，它必须等待，直到I/O操作完成
中断驱动式 I/O： 处理器发送一条I/O命令后，继续执行其他指令；并且当I/O模
块完成其工作后，才去中断处理器工作
直接存储器读取（Direct Memory Access，DMA）： I/O模块与主存直接交换数据，而不需要处理器的干涉
- 仅指数据处理不需要cpu。其他可能要用cpu

编程式IO

当处理器在执行过程中遇到一条与I/O操作有关的指令时，它通过发送指令到适当的I/O模块来执行这条指令
- 读状态->未就绪 / 就绪 / 出错
- 若就绪，由IO读取字
I/O不会中断处理器，因此处理器需要周期性地检查I/O模块的状态，直到发现该操作完成
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CPU全程100%投入

IO命令

处理器发送一个指定具体I/O模块和外设的地址，并发送一条I/O命令
控制命令： 激活外设并告诉它要做什么
测试命令： 测试I/O模块及其外设相关的各种状态条件
读命令： 使I/O模块从外设获得一个数据，把它存入内部缓冲区
写命令： 使I/O模块从数据总线获得一个数据，把它传入外设

IO指令

I/O指令很容易映射为I/O命令, 并且两者之间通常是简单的一一对应关系
编址方式
- 存储器映射式IO：存储单元和I/O设备有统一的地址空间
  - pros：能使用大的指令系统，可进行更有效的编程
    cons：I/O设备占用地址空间
- 分离式IO：让总线既有存储器的读线和写线，同时也有输入和输出命令线

中断驱动式IO

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处理器发送一个I/O命令到模块，然后去处理其它有用的工作
当I/O模块准备和处理器交换数据时，它中断处理器以请求服务

从IO模块角度：

I/O模块接收来自处理器的读命令
I/O模块从相关的外设中读入数据
一旦数据进入I/O模块的数据寄存器后，该模块通过控制总线给处理器发送中断信号
- 对应上方1.2 IO模块的结构
I/O模块等待直到处理器请求该数据时为止
- CPU可能有更重要的事
当处理器有数据请求时， I/O模块把数据传送到数据总线上，并准备另一个I/O操作

**从处理器的角度来看 **

处理器发送一个读命令
处理器离开去做其它的事情，并在每个指令周期结束时检查中断
当来自I/O模块的中断出现时，处理器保存当前程序的现场
处理器从I/O模块读取数据字并保存到主存中
处理器恢复刚才正在运行的程序的现场，并继续运行原来的程序

两种状态：中断允许/禁止

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有时数据过多，需要传送数据时便设为“中断禁止”
中断处理时，也是“中断允许”状态
- 可嵌套中断，涉及优先级

响应优先级和处理优先级

例子：公交车上抢座位，响应优先级是小伙子腿脚麻利。处理优先级是老太太有让座权
存在两个优先级都高的中断源。而高中断源会屏蔽低中断源，只看到更高中断源

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掩码字：根据处理优先级，表示会不会屏蔽其他中断。1表示屏蔽
- 行屏蔽列
- 主程序的优先级可以看作最低的
例子流程：
- 1：主程序
- 2：先中断1（响应优先级）
  - 中断关闭，处理保存，中断1开始
- 3：处理完1，恢复主程序（pop栈）
- 4：响应3（push栈3）（响应优先级）
- 5：中断4抢夺3（push栈4）（处理优先级）（3还没动）
- 6：恢复3，对2视而不见（处理优先级）
- 7：恢复主程序
- 8：push2
- 9：恢复主程序

设备识别

例：设备有多个USB插口

多条中断线：处理器仅仅挑选具有最高优先级的中断线
- 固定优先级
- 即使有多条中断线可用，每条线上也需要采用其它三种技术中的一种
软件轮询：模块的轮询次序就决定了模块的优先级
- 轮询顺序决定优先级
- 轮询每一个I/O模块来确定是哪个模块发生的中断
菊花链：链接模块次序就决定了模块的优先级
- 总线结构决定优先级
- 所有的I/O模块共享一条中断请求线，中断应答线采用菊花链穿过这些中断模块
独立请求：中断控制器决定
- 特定的中断控制器用于解码和分析优先级

DMA直接存储器存取

前两种技术的不足

I/O传送速度受处理器测试和服务设备速度的限制
处理器负责管理I/O传送，对于每一次I/O传送，处理器必须执行很多指令

DMA：无需经过处理器即可直接访问内存的模块

解放了CPU，需要另一个硬件去控制
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CPU需要通知DMA
- 处理器通过发送以下信息向DMA模块发出命令：读/写、 I/O设备地址、内存中的起始位置、字数
- 处理器继续进行其他工作
- DMA模块将全部数据块，每次一个字， 直接将数据传输到存储器或从存储器读出，而无需经过处理器
- 当传输完成时，DMA模块向处理器发送一个中断信号
- DMA优先于CPU访问内存，因为IO设备更快
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DMA访问法

CPU停止法

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优点：控制简单
缺点：影响CPU，没有充分利用内存
适用：高速I/O设备的块传输（数据连续）

周期窃取法

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优点： 充分利用CPU和内存，及时响应I/O请求
缺点： DMA每次都请求总线
适用： I/O周期大于存储周期（一波波数据）

交替分时访问法（各占一半）

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优点： CPU未停止或等待， DMA不请求总线
缺点： CPU周期大于存储周期

DMA配置

(以下方式IO聚合度逐渐提高)

单总线分离DMA
- 相当于编程式直接分离CPU

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单总线集合的DMA-I/O
- DMA成为IO的一部分

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I/O 总线
- 共享DMA

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DMA总流程

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由此可知：查询传送参数、寻道、查找扇区、校验都需要CPU，DMA只在连续读写发挥作用。

1.4.IO模块的演变

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发展趋势：效率提高、模块分离。

2.exam

4/5为重点

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本质上是寻址题。分辨有几位端口就是2的几次方

“隐含”并不影响结果

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知识点：扫描能使缓存清空。扫描间隔必须小于缓冲区存满的时间

频率（次数） = 1 / 时间

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(a)每秒传64kb，中断64x1000/8 = 8k次，共计 8k * 100μs = 800ms，80%

1秒(s) ＝1000毫秒(ms)
1毫秒(ms)＝1000微秒 (μs)
1微秒(μs)＝1000纳秒 (ns)
1纳秒(ns)＝1000皮秒 (ps)

(b)

中断处理 ≠ 中断服务
中断耗时 = 中断处理时间 + 中断服务（题中说“延长”，故增加(16-1)*8μs）
处理间隔变长了

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a)直接查询方式

夺取总线+交回总线200+200
IO数据传送与总线数据传送同时进行
- 故有max(128*500ns，128B/400kbs) + 500ns（最后一次一定为总线上）
- ms和ns隔了6次方
0.02ms是从？

b)周期窃取

仅计算切换时间和总线传输时间。
IO传输时间2.56ms/128 = 0.02ms为什么不计？

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类似题4

直接查询方式 image-20230225093908586
- 1GHz=1000MHz = 10^9Hz
- 比较IO传输时间(20μs)与总线传输时间(1000 * 1ns)，最后加上总线时间1μs
- CPU占用率一定为100%
中断驱动image-20230225093914432
- a)中断 = 中断请求 + 中断响应 + 中断执行 = 1202周期
- b)每个字节传送时间(IO->CPU->内存，和cpu处理IO无关) + 处理每次中断时间 = 总时间
DMA
- a)CPU时间只与DMA初始化后处理有关。2000 x 1s x 1000
- b)总时间 = 每个字节传送时间 + DMA挪用时间(1000周期) + DMA处理时间(a中时间)