本次筆記内容：
P49 計算機組成原理（49）
P50 計算機組成原理（50）
我的計組筆記彙總：計算機組原理成筆記
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教學内容安排
主要教學内容
計算機系統作用與功能
個人計算機的組成
I/O 裝置
要解決的問題
輸入輸出方式
程式直接控制
程式直接控制方式特點
程式中斷方式
中斷的一些概念
中斷的完整過程
中斷裝置接口組成
8259A中斷控制器
程式中斷方式應用場景
中斷控制方式特點
直接存儲通路（DMA）
DMA控制器組成
DMA資料傳送過程
DMA方式的問題
DMA方式的特點
通道控制方式
通道的功能
通道的類型
外圍處理機
設計輸入/輸出系統
輸入/輸出系統
第一講：輸入/輸出系統概述和輸入/輸出方式
第二講：總線
第三講：接口電路和外部裝置
大實驗答辯
第四講：課程總結
期末考試
輸入輸出系統的作用、功能及與其他系統的關系
輸入/輸出系統組成
輸入/輸出方式
中斷
DMA
通道
<code>與計算機外部交換資訊</code>的通道：
早期
穿孔機、紙帶
中期
鍵盤、顯示器、列印機、滑鼠
現在
語音、圖象、圖形等多媒體資料（掃描器、DC）
計算機網絡
将來
無所不在的計算、普适計算
人機互動、腦機互動
如上，主機在變小，外部裝置越來越多。
繁多的輸入/輸出裝置
功能多樣
滿足各種要求
服務對象不同
人、計算機、其他裝置
資料傳輸率差别很大
鍵盤、滑鼠
顯示器、網卡
多：種類繁多
雜：功能繁雜
異：速度不一
如何管理外部裝置？
控制方式：
CPU如何控制輸入/輸出？（輸入/輸出方式）
傳輸方式：
傳輸通道、方式、速率等（總線、接口）
資料識别和轉換：
數/模轉換、語音識别等，轉換為字元、資料等計算機能識别的格式（裝置）
程式直接控制：
CPU直接使用輸入/輸出指令來控制外部裝置
程式中斷：
外部裝置請求，CPU響應，CPU與外設并行工作
直接存儲通路（DMA）：
專用輸入/輸出控制器
CPU方：
查詢接口狀态（循環等待）
直到外設已經接收到該字元
讀字元
外設方：
往接口資料緩沖中送字元
處理完後，置狀态寄存器
等待下一個字元
但是此時，CPU一直在循環，什麼也幹不了。
成本低
效率低
嚴重占用CPU資源
适用情況
早期計算機中高速裝置
CPU和外部裝置同時工作：
外部裝置發起請求
CPU暫停正在執行的程式，進行響應
處理完成後，繼續執行原來的程式
提高CPU的效率
可以同時管理多個外部裝置
中斷源
外中斷：I/O裝置等
異常(内中斷)：處理器硬體故障、程式“出錯”，Trap
中斷觸發器
中斷狀态寄存器
中斷優先級
響應中斷的順序
禁止中斷與中斷屏蔽
中斷允許觸發器（EI、DI）
有選擇封鎖
中斷請求
中斷源裝置設定中斷觸發器
每個中斷源有1個中斷觸發器
同時可設定1個中斷屏蔽觸發器
中斷響應
響應條件
允許中斷、目前指令結束、優先級
響應實作
硬體實作的中斷隐指令，儲存斷點
中斷處理
儲存現場資訊
運作中斷服務程式
中斷傳回
中斷響應時：除了儲存下一條指令PC，還需要儲存程式狀态的寄存器。
中斷請求寄存器
中斷屏蔽寄存器
優先級排隊線路
資料緩沖寄存器
中斷控制和工作狀态邏輯
裝置選擇器
中斷向量表
如上，在圖右側，表示可以接 8 個中斷裝置。
CPU與外部裝置并行工作
硬體故障處理
人機互動
多道程式和分時操作
實時處理（監控）
應用程式和作業系統之間的聯系
多處理機中各處理機之間聯系
傳輸速度不高
傳輸量不大
對CPU幹擾較大
I/O裝置和主存儲器之間的直接資料通路，為專設的硬體，用于高速I/O裝置和主存儲器之間成組傳送資料。
資料傳輸過程由DMA自行控制
主存儲器需要支援成組傳送
資料傳送開始前和結束後通過程式或中斷方式對 DMA進行預處理和後處理
DMA工作方式
獨占總線方式
周期竊取方式
由中斷，發現缺頁：
DBR ，需要換一頁出去，方向寄存器；
ADR 記錄記憶體的起始位址；
WC 描述這頁有多大；
MAR 描述哪個裝置接收；
CSR 描述狀态。
不會很打擾 CPU 。
虛拟位址和實位址：
DMA采用實位址：虛拟位址連續，但實位址不連續
采用虛拟位址：DMA進行虛實位址轉換
Cache一緻性：
主存中的資料可能不是最新的
采用直接寫會帶來性能的降低
DMA查詢Cache，降低性能
直接設計硬體控制
與裝置一對一服務
多DMA控制器同時工作可能發生沖突
對CPU打擾适中
初始化
周期挪用
無法适用大量高速裝置的管理（沖突在于 DMA卡是一對一工作）
I/O通道是計算機系統中代替CPU管理控制外設的獨立部件，是一種能執行有限I/O指令集合——通道指令的I/O處理機。
一對多的連接配接關系
适應不同速度、不同種類的外部裝置，可并行工作
根據CPU要求選擇某一指定外設與系統相連，向該外設發出操作指令，進行初始化
指出外設讀/寫資訊的位置以及與外設交換資訊的主存緩沖區位址
控制外設與主存之間的資料交換
指定資料傳送結束時的操作内容，檢查外設的狀态
位元組多路通道
簡單的共享通道，分時處理，面向低、中速字元裝置
選擇通道
選擇一台外設獨占整個通道，以成組傳送方式傳送資料塊，效率高，适合快速裝置
數組多路通道
上兩種方式的結合，效率高，控制複雜
通道型處理機
共享記憶體
通用計算機
獨立完成輸入/輸出功能
通過通道方式與主機進行互動
性能
考慮吞吐量和延遲
适應各種不同類别的裝置的性能的差異
從作業系統、驅動程式等各方面綜合考慮
考慮到裝置性能的提高
可擴充性
允許更多的裝置接入到輸入/輸出系統
可适應性
裝置有無
裝置故障
輸入/輸出裝置多，功能複雜，速度不一
多種控制方式，解決速度不一的問題，盡量少地占用CPU資源
作業系統管理
硬體直接支援
與不同的裝置有直接的依賴關系（驅動程式）
盡量使裝置使用統一的标準——虛拟裝置