前言

计算机组成原理的知识抽象、晦涩、不易理解并记忆，在此对“输入/输出（I/O）系统”一章中重点知识总结成提纲。

输入/输出（I/O）系统的组成

输入/输出（I/O）硬件
输入/输出（I/O）软件

输入/输出（I/O）系统的控制方式

程序查询方式
程序中断方式
直接存储器访问（DMA）方式
通道方式

程序查询方式的过程

对中央处理器（CPU）：

执行初始化程序，预置传送参数（计数器参数和数据首地址）
向输入/输出（I/O）接口发送命令字，启动输入/输出（I/O）设备
从输入/输出（I/O）接口接收输入/输出（I/O）设备的状态信息
不断查询输入/输出（I/O）设备的状态，直到设备准备就绪
与输入/输出（I/O）设备传送一次数据
修改传送参数（计数器参数和数据首地址）
判断数据传送是否结束（计数器参数是否归零），若未结束（未归零）则转第3步；若结束（归零）则结束相应程序

中断技术/系统的功能

实现中央处理器（CPU）和输入/输出（I/O）设备的并行工作
实现处理硬件故障和软件错误
实现应用程序和操作系统的切换（软中断）
实现人机交互
实现多道程序、分时操作
实现实时处理
实现多处理器系统中各处理器之间的信息交流和任务切换

中断的流程

中断请求
中断响应
中断处理

中央处理器（CPU）响应中断的条件

中央处理器（CPU）允许中断/开中断（不可屏蔽中断、异常不受限制）（中断屏蔽触发器置位）
一条指令执行完毕（异常不受限制），且无更紧迫的任务
中断源有中断请求（中断请求触发器、中断允许触发器置位）

中断的优先级

中断优先级=中断响应优先级（不易改变）+中断处理优先级（可由中断屏蔽字动态改变）

不可屏蔽中断>内部异常>可屏蔽中断
内部异常中，硬件故障>软件中断
直接存储器访问（DMA）>输入/输出（I/O）设备
输入/输出（I/O）设备中，高速设备>低速设备，输入设备>输出设备，实时设备>普通设备

中断识别的类型

向量中断（硬件向量法）
非向量中断（软件查询法）

向量中断/硬件向量法的过程

识别中断源
获取中断类型号
计算中断向量地址
依据中断向量地址从中断向量表中获取中断服务程序的入口地址（间接寻址）

单重中断的响应、处理过程

关中断
保存断点（硬件实现）
寻址中断服务程序
保存现场（软件实现）
执行中断服务程序
恢复现场和屏蔽字
开中断
中断返回

注意：中断的断点是下一条指令的地址，异常的断点是当前指令的地址
第1-3步由硬件/中断隐指令实现，4-8步由软件/中断服务程序实现

中央处理器（CPU）能够多重中断的条件

中断服务程序中提前设置开中断指令
优先级高的中断源有权中断优先级低的中断源

多重中断的响应、处理过程

关中断
保存断点（硬件实现）
寻址中断服务程序
保存现场和屏蔽字（软件实现）
开中断（允许多重中断/中断嵌套）
执行中断服务程序
关中断
恢复现场和屏蔽字
开中断
中断返回

第1-3步由硬件/中断隐指令实现，4-10步由软件/中断服务程序实现

直接存储器访问（DMA）控制器（DMAC）的组成

直接存储器访问（DMA）请求触发器
控制/状态逻辑电路
主存储器（MM）地址计数器
传送长度计数器
数据缓冲寄存器（DBR）
中断机构

直接存储器访问（DMA）控制器（DMAC）的工作过程

接收输入/输出（I/O）设备的直接存储器访问（DMA）请求（狭义）
向中央处理器（CPU）发送总线请求
中央处理器（CPU）响应总线请求，向直接存储器访问（DMA）控制器（DMAC）发送总线响应信号
接管总线控制权，进入直接存储器访问（DMA）操作周期
确定传送数据的主存储器地址和传送长度，自动修改地址和长度计数
规定数据在主存储器和输入/输出（I/O）设备的传送方向，发送读写等控制信号，执行数据传送操作
向中央处理器（CPU）报告直接存储器访问（DMA）操作结束

广义直接存储器访问（DMA）请求=输入/输出（I/O）设备向直接存储器访问（DMA）控制器（DMAC）发送的直接存储器访问（DMA）请求（狭义）+直接存储器访问（DMA）控制器（DMAC）向中央处理器（CPU）发送的总线请求

直接存储器访问（DMA）的传送方式

停止中央处理器（CPU）访存
中央处理器（CPU）和直接存储器访问（DMA）交替访存
周期挪用/窃取

直接存储器访问（DMA）的数据传送过程

预处理
数据传送
后处理

外部设备举例

输入设备：

键盘
鼠标

输出设备：

显示器

存在显示存储器（VRAM）

打印机

外部存储器（辅存）：

磁表面存储器（磁盘、磁带、磁鼓存储器）
光盘存储器
固态硬盘（SSD）

输入/输出（I/O）接口的功能

地址译码和设备选择
通信联络控制
数据缓冲
信号格式转换
控制命令和状态信息传送

或：

设备选址
命令传送
数据传送
输入/输出（I/O）设备的工作状态反馈

输入/输出（I/O）接口的分类

按数据传送方式（输入/输出（I/O）接口和外部设备一侧）：

串行接口
并行接口

因为中央处理器（CPU）速度快，所以输入/输出（I/O）接口和主机一侧一定是并行接口

按主机访问输入/输出（I/O）设备的控制方式：

程序查询接口
程序中断接口
直接存储器访问（DMA）接口
通道接口

按功能选择的灵活性：

可编程接口
不可编程接口

输入/输出（I/O）接口的结构

内部接口（输入/输出（I/O）接口和主机一侧）
外部接口（输入/输出（I/O）接口和外部设备一侧）
控制逻辑电路
状态/控制寄存器
数据缓冲寄存器（DBR）
设备选择电路
命令寄存器和命令译码器

输入/输出（I/O）端口的组成

注意：输入/输出（I/O）端口指接口电路中可以被中央处理器（CPU）直接访问、进行读/写的寄存器；输入/输出（I/O）接口=若干输入/输出（I/O）端口+控制逻辑电路

控制端口，只写
状态端口，只读
数据端口，可读写

输入/输出（I/O）端口的编址方式

（与存储器）统一编址/存储器映射方式
（与存储器）独立编址/输入/输出（I/O）映射方式

总结

计算机组成原理的知识抽象、晦涩、不易理解并记忆，在此对“输入/输出（I/O）系统”一章中重点知识总结成提纲。

参考资料

《2023年计算机组成原理考研复习指导》组编：王道论坛
哔哩哔哩平台《王道计算机考研计算机组成原理》视频课

作者的话

感谢参考资料的作者/博主
作者：夜悊
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