王道計算機組成原理課代表 - 考研計算機 第七章 輸入輸出系統 究極精華總結筆記

本篇部落格是考研期間學習王道課程 傳送門 的筆記，以及一整年裡對

計算機組成

知識點的了解的總結。希望對新一屆的計算機考研人提供幫助！！！

關于對 “輸入輸出系統” 章節知識點總結的十分全面，涵括了《計算機組成原理》課程裡的全部要點（本人來來回回過了三遍視訊），其中還陸陸續續補充了許多内容，是以讀者可以相信本篇部落格對于考研計算機組成原理 “輸入輸出系統” 章節知識點的正确性與全面性；但如果還有自主命題的學校，還需額外讀者自行再觀看對應學校的自主命題材料。

食用說明書：

第一遍學習王道課程時，我的筆記隻有标題和截圖，後來複習發現看隻看圖檔，并不能很快的了解截圖中要重點表達的知識點。

在第二遍複習中，我給每一張截圖中 标記了重點，以及 每張圖檔上方總結了該圖檔 對應的知識點 以及自己的 思考 。

最後第三遍，查漏補缺。

是以 ，我把目錄放在部落格的前面，就是希望讀者可以結合目錄結構去更好的學習知識點，之後沖刺複習階段腦海裡可以浮現出該知識結構，做到對每一個知識點熟稔于心！

請讀者放心！目錄展示的知識點結構是十分合理的，可以放心使用該結構去記憶學習！

注意(⊙o⊙)！，每張圖檔上面的文字，都是該圖對應的知識點總結，友善讀者更快了解圖檔内容。

《計算機組成原理》第7章 輸入輸出系統

【考綱内容】

王道 P302 ~ 338

(一) I/O 接口（I/O控制器）

​ 網課耗時：

0.5 h

• I/O接口的功能 和 基本結構；
• I/O端口及其編址；

(二) I/O方式

​ 網課耗時：

2 h

• 程式查詢方式；
• 程式中斷方式：中斷的基本概念、中斷響應過程、中斷處理過程、多重中斷和中斷屏蔽的概念；
• DMA方式：DMA控制器的組成，DMA傳送過程；

【複習提示】

​ I / O 方式 是本章的重點和難點，每年不僅會以 選擇題 的形式考查基本概念和原理，而且可能會以 綜合題 的形式考查；

• 各種I/O方式效率的相關計算；
• 中斷方式的各種原理、特點、處理過程、中斷屏蔽；
• DMA方式的特點、傳輸過程、與中斷方式的差別；

（注意，本章節帶 * 的内容，大綱已删除，僅供參考學習）

7.1 I/O系統基本概念 *

​ 本節實際就是對 I/O 系統 的簡易科普，重點内容會在後續展開介紹；

7.1.1 I/O 系統

​ ==I / O 接口：==負責協調 主機 與 外部裝置 之間的資料傳輸；

7.1.2 I/O 控制方式

​ 在 I / O 系統中，經常進行大量的資料傳輸，傳輸過程有各種不同的 I / O 控制方式，基本的控制方式有以下四種：

​ ① 程式查詢方式

​ ② 程式中斷方式

③ DMA控制方式

​ DMA接口 也是一種 I/O接口，隻不過DMA接口負責高速外設；

④ 通道控制方式

小結

7.1.3 I/O 外部裝置

1. 輸入裝置

2. 輸出裝置

小結

7.2 I/O接口

本節内容對标 《作業系統》5.1.2 I/O 控制器，兩個之間配合學習；

7.2.1 I/O 接口的功能

王道裡的 I/O 接口功能：

• 進行位址譯碼和裝置選擇；
• 實作主機和外設的通信聯絡控制；
• 實作資料緩沖；
• 信号格式的轉換；
• 傳送控制指令和狀态資訊；

7.2.2 I/O 接口的類型

7.2.3 I/O 接口的基本結構

7.2.4 I/O 端口及其編制

​ I/O 接口 = 若幹個 I/O 端口 + 控制邏輯；

​ I/O端口的編址方式分為兩種：

• 統一編址；
• 獨立編址；

章節小結

7.3 I/O方式 ⭐

本節内容對标 《作業系統》5.1.3 I/O 控制方式，兩個之間配合學習；

​ I / O 系統 實作主機與 I / O 裝置 之間的資料傳送，可以采用不同的 I / O 控制方式 ；

​ 三種 I/O 方式 的CPU過程；

7.3.1 程式查詢方式

​ 程式查詢方式 中資訊交換的控制完全由 CPU 執行程式實作；

​ 關于 程式查詢方式 的例題

​ 結論：對于快速I/O裝置，使用 程式查詢方式 會占用大量的CPU查詢時間；

小結

​ 定時查詢、獨占查詢

7.3.2 中斷系統

1. 中斷的基本概念

​ 中斷的主要功能 (了解即可) ：

• ① 實作 CPU 與 I/O 裝置的并行工作；
• ② 處理硬體故障和軟體錯誤；
• ③ 實作人機互動，使用者幹預機器需要用到中斷系統；
• ④ 實作多道程式、分時操作，多道程式的切換需借助于中斷系統；
• ⑤ 實時處理需要借助中斷系統來實作快速響應；
• ⑥ 實作應用程式和作業系統（管态程式）的切換，稱為“軟中斷”；
• ⑦ 多處理器系統中各處理器之間的資訊交流和任務切換；

​ 當CPU 檢測到中斷信号後，由 硬體 自動儲存被中斷程式的斷點 (即程式計數器PC).

​ 之後，硬體找到該中斷信号對應的中斷向量，中斷向量指明中斷服務程式入口位址

​ （各中斷向量統一存放在 中斷向量表 中，該表由作業系統初始化)。

​ 接下來開始執行中斷服務程式，儲存PSW、儲存中斷屏蔽字、儲存各通用寄存器的值，并提供與中斷信号 ==對應的中斷服務，==中斷服務程式屬于作業系統核心。

​ 程式中斷方式的思想：CPU執行程式無需一緻等待 I/O裝置，代I/O裝置完成之後發送中斷請求通知CPU；

​ 非屏蔽中斷 + 屏蔽中斷

2. 中斷請求标記

​ CPU設定 中斷請求标記 來判斷是哪個裝置發來的中斷信号 - 中斷請求标記标記觸發器INTR ；

.

CPU響應中斷必須滿足條件：

• ① 中斷源有中斷請求；
• ② CPU允許中斷及開中斷（異常和不可屏蔽中斷不受此限制）；
• ③ 一條指令執行完畢（異常不受此限制)，且沒有更緊迫的任務；

3. 中斷判優

​ 中斷判優：當有多個中斷信号同時到來，該選擇先處理哪個 ？

• 硬體排隊器 實作硬體判優，確定目前優先級最高的中斷的信号為1；
• 查詢程式 實作軟體判優，按優先級遞減順序查詢中斷；

​ 中斷優先級的設定原則

4. 中斷系統的工作流程

​ 中斷隐指令 并不是一條指令，而是CPU遇到中斷資訊，進行的一系列動作；

【問題一】PC的值如何儲存 ？

【問題二】儲存完PC的值之後，如何找到對應中斷處理程式的入口位址 ？

中斷隐指令 的主要任務：

• 關中斷
• 保持斷點
• 引出中斷服務程式

如何确定中斷信号對應的中斷服務程式的起始位址：

• 軟體查詢法
• 硬體向量法（重點）

​ 硬體向量法

​ 首先，可以給 中斷請求 編号，例如下圖中的 12H、13H、14H ；

​ 12H 中的 無條件轉移指令

JMP 200

，指明 12H 所對應的中斷服務程式；

​ 把 指向中斷服務程式的位址資訊 稱為 中斷向量 ；

​ 實際過程：由 硬體 産生 向量位址 ，再由 向量位址 找到 入口位址 ；

​ 中斷向量是函數的指令，向量位址是函數指針的指針；

​ 中斷服務程式 的主要任務;

• 保護現場
• 中斷服務
• 恢複現場
• 中斷傳回

小結

7.3.3 多重中斷

1. 多重中斷的概念

【問題一】為什麼在多重中斷中，要把開 中斷指令 放在保護現場之後呢 ？

​ 答：保護現場必須完全進行完，才可以開中斷，不然主程式的資訊可能會被新中斷影響，導緻未完全儲存；（恢複現場同理）

【問題二】中斷屏蔽字

​ 答：中斷屏蔽字，用來屏蔽優先級較低中斷。

2. 中斷屏蔽技術

​ 關于 中斷屏蔽技術 的例題

小結

7.3.4 程式中斷方式

​ 關于 程式中斷方式 的例題

小結

7.3.5 DMA方式

1. DMA控制器

2. DMA傳送過程

3. DMA傳送方式

​ DMA 方式 v.s 中斷方式

小結

7.4 常見問題和易混淆知識點

1. 中斷響應優先級和中斷處理優先級分别指什麼 ?

​ 中斷響應優先級是由硬體排隊線路或中斷查詢程式的查詢順序決定的，不可動态改變;而中斷處理優先級可以由中斷屏蔽字來改變，反映的是正在處理的中斷是否比新發生的中斷的處理優先級低（屏蔽位為“0”，對新中斷開放)，若是，則中止正在處理的中斷，轉到新中斷去處理，處理完後再回到剛才被中止的中斷繼續處理。

2. 向量中斷、中斷向量、向量位址三個概念是什麼關系 ?

​ 中斷向量：每個中斷源都有對應的處理程式，這個處理程式稱為中斷服務程式，其入口位址稱為中斷向量；

​ 所有中斷的中斷服務程式入口位址構成一-個表，稱為中斷向量表;也有的機器把中斷服務程式入口的跳轉指令構成一張表，稱為中斷向量跳轉表。

​ 向量位址：中斷向量表或中斷向量跳轉表中每個表項所在的記憶體位址或表項的索引值，稱為向量位址或中斷類型号；

​ 向量中斷：指一種識别中斷源的技術或方式；

​ 識别中斷源的目的是找到中斷源對應的中斷服務程式的入口位址的位址，即獲得向量位址；

3. 程式中斷和調用子程式有何差別 ?

​ 兩者的根本差別主要表現在服務時間和服務對象上不一樣；

​ 1) 調用子程式過程發生的時間是已知的和固定的，即在主程式中的調用指令(CALL)執行時發生主程式調用子程式過程，調用指令所在位置是已知的和固定的。而中斷過程發生的時間一般是随機的，CPU 在執行某個主程式時收到中斷源提出的中斷申請，就發生中斷過程，而中斷申請一般由硬體電路産生，申請提出時間是随機的。也可以說，調用子程式是程式設計者事先安排的，而執行中斷服務程式是由系統工作環境随機決定的；

​ 2）子程式完全為主程式服務，兩者屬于主從關系。主程式需要子程式時就去調用子程式，并把調用結果帶回主程式繼續執行。而中斷服務程式與主程式二者一般是無關的，不存在誰為誰服務的問題，兩者是平行關系；

​ 3）主程式調用子程式的過程完全屬于軟體處理過程，不需要專門的硬體電路；而中斷處理系統是一個軟/硬體結合的系統，需要專門的硬體電路才能完成中斷處理的過程；

​ 4）子程式嵌套可實作若千級，嵌套的最多級數受計算機記憶體開辟的堆棧大小限制；而中斷嵌套級數主要由中斷優先級來決定，一般優先級數不會很大；

​ 從宏觀上看，雖然程式中斷方式克服了程式查詢方式中的CPU“踏步”現象，實作了CPU與IO 并行工作，提高了CPU的資源使用率，但從微觀操作分析，CPU在進行中斷服務程式時，仍需暫停原程式的正常運作，尤其是當高速IO裝置或輔助存儲器頻繁地、成批地與主存交換資訊時，需要不斷打斷CPU 執行現行程式，而執行中斷服務程式；

1) IO裝置有哪些編址方式 ? 各有何特點 ?

​ 統一編址和獨立編址；

​ 統一編址是在主存位址中劃出一定的範圍作為IO位址，以便通過訪存指令即可實作對IO的通路，但主存的容量相應減少；

​ 獨立編址是指IO位址和主存是分開的，IO位址不占主存空間，但訪存需專門的IO指令；

2) CPU響應中斷應具備哪些條件 ?

​ 在CPU内部設定的中斷屏蔽觸發器必須是開放的；

​ 外設有中斷請求時，中斷請求觸發器必須處于“1”狀态，保持中斷請求信号；

​ 外設（接口）中斷允許觸發器必須為“1"，這樣才能把外設中斷請求送至CPU；

​ 具備上述三個條件時，CPU在現行指令結束的最後一個狀态周期響應中斷；