计算机组成原理(7):输入输出系统-考研笔记

7.1 I/O 系统基本概念

基本概念

• 外部设备
• 接口：外设和主机传输数据时协调工作的逻辑部件
• 输入设备
• 输出设备
• 外存设备
• I/O 软件：驱动程序、用户程序等
• I/O 硬件：包括外部设备、设备控制器和接口、I/O 总线等

I/O 控制方式

• 程序查询方式
• 程序中断方式
• DMA 方式
• 通道方式

7.2 外部设备

输入设备

• 键盘
• 鼠标

输出设备

• 显示器
  • 主要参数
    • 屏幕大小：以对角线长度为标准
    • 分辨率
    • 灰度级
    • 刷新
    • 刷新频率
    • 显示存储器 (VRAM)
      • 容量
      • 带宽
  • 种类
    • CRT(Cathode-ray tube) 阴极射线管显示器
      • 字符显示器
      • 图形显示器
    • LCD(Liquid Crystal Display)液晶显示器
    • LED(Light-Emitting Diodes)发光二极管显示器
• 打印机
  • 种类
    • 针式打印机
    • 喷墨式打印机
    • 激光打印机

外存储器

• 磁盘存储器
  • 存储区域
    • 记录面（磁头数）
    • 磁道（柱面数）
    • 扇区（块）
  • 组成
    • 磁盘驱动器
    • 磁盘控制器
  • 记录原理
    • 通常调频制 FM 或改进型调频 MFM
  • 性能指标
    • 容量
    • 密度
      • 道密度、位密度、面密度
    • 平均存取时间
    • 数据传输率
  • 磁盘地址
  • 工作过程
    • 寻址、读盘、写盘
  • 磁盘阵列
    • RAID0, RAID1, RAID2, RAID 3, RAID 4, RAID 5
• 光盘存储器
  • CD-ROM:只读
  • CD-R:一次可写
  • CD-RW:可重复读写
  • DVD-ROM(Digital Versatile Disc):高容量CD-ROM
• 固态硬盘

7.3 I/O接口

接口功能

• 控制主机与外设的联络
• 选择设备和译码
• 缓冲数据
• 转换信号格式
• 发送控制命令和状态信息

端口

• 指接口电路中可以进行读写的寄存器

基本结构

• 数据缓冲寄存器
• 状态/控制缓冲寄存器
• 地址译码和I/O逻辑控制
• 外设界面控制逻辑

I/O接口类型

• 按并行与串行
• 按控制方式
  • 程序查询接口
  • 中断接口
  • DMA 接口
• 按功能灵活性
  • 可编程接口
  • 不可编程接口

I/O 端口编址

• 统一编制：又称存储器映射方式
• 独立编址：又称 I/O 映射方式

7.4 I/O 方式

程序查询方式

程序中断方式

• 过程
  1. 关中断
  2. 保存断电
  3. 引出中断服务程序
  4. 保存现场和屏蔽字
  5. 开中断
  6. 执行中断程序
  7. 关中断
  8. 恢复现场和屏蔽字
  9. 开中断
  10. 中断返回
• 多重中断和中断屏蔽技术

DMA 方式

• 特点
  • 传输时不需要经过CPU
  • 传输速度快
  • 传输开始前通过程序进行预处理，结束后通过中断进行后处理
• DMA 控制器
  • 功能
    • 接受外部 DMA 请求，并向 CPU 发出总线请求
    • 接管总线，并操作 DMA
    • 确定传输地址和长度，并自动修改地址计数器
    • 规定传输方向，发出读写等信号执行传输操作
  • 组成
    • 主存地址计数器
    • 传送长度计数器
    • 数据缓冲寄存器
    • DMA 请求触发器
    • “控制/状态”逻辑
    • 中断机构
  • 传送方式
    • 停止 CPU 访问主存
    • DMA 与 CPU 交替访问主存
    • 周期挪用
  • 传送过程
    • 预处理
    • 数据传送
    • 后处理