第六章 輸入輸出系統——I/O系統
阿新 • • 發佈：2018-12-09
I/O系統的組成：
- 需要用於輸入、輸出和儲存資訊的裝置；
- 需要相應的裝置控制器；
- 控制器與CPU連線的高速匯流排；
- 有的大中型計算機系統，配置I/O通道；
裝置管理器： - 管理物件：
- I/O裝置和相應的裝置控制器（I/O系統組成） - 基本任務：
- 完成使用者提出的I/O請求，
- 提高I/O速率、改善I/O裝置的利用率。
- 為更高層程序方便使用裝置提供手段
I/O裝置的型別：
- 按傳輸速率分類：
- 低速、中速、高速（鍵盤、印表機、磁碟） - 按使用：儲存裝置、輸入輸出裝置
- 按資訊交換的單位分類：
- 塊裝置：有結構、速率高、可定址、DMA方式控制
- 字元裝置：無結構、速率低、不可定址、中斷方式控制 - 按裝置的共享屬性分類：
- 獨佔：印表機
- 共享：一個時刻上仍然是隻被一個程序佔用。可定址、可隨機訪問的色後備。磁碟。
- 虛擬：使一臺獨佔裝置變換為若干臺邏輯裝置，供給若干使用者“同時使用”
I/O系統介面：
- 塊裝置介面
- 流裝置介面
- 網路通訊介面
I/O裝置中的介面：
- 資料訊號線(進出資料轉換、緩衝後傳送)
- 控制訊號線(讀\寫\移動磁頭等控制)
- 狀態訊號線
裝置控制器：
- 裝置並不直接與CPU通訊
- 計算機中的一個實體——“裝置控制器”負責控制一個或多個I/O裝置，以實現I/O- 裝置和計算機之間的資料交換。
- 控制器是CPU與I/O裝置之間的介面，作為中間人接收從CPU發來的命令，並去控制I/O裝置工作，以使處理機脫離繁雜的裝置控制事務
- 常作成介面卡插入計算機
- 可編址，不同類
① 基本功能：
- 接收和識別CPU命令（控制暫存器：存放命令和引數）
- 標識和報告裝置的狀態（狀態暫存器）
- 資料交換（資料暫存器）
- 地址識別（控制器識別裝置地址、暫存器地址。地址譯碼器）
- 資料緩衝（協調I/O與CPU的速度差距）
- 差錯控制
② 組成：
- 裝置控制器與處理機的介面
- 裝置控制器與裝置的介面
- I/O邏輯
③ 處理機與裝置控制器間：
-實現CPU與裝置控制器之間的通訊。
- 共有三類訊號線：資料線、地址線、控制線
I/O通道
設定通道後
- CPU只需向通道傳送一條I/O指令即可不再幹預後續操作。
- 通道形成通道程式，執行I/O操作，完成後向CPU發中斷訊號
主要目的：
- 建立更獨立的I/O操作，解放CPU。
- 資料傳送的獨立
- I/0操作的組織、管理及結束處理也儘量獨立。 - 實際上I/O通道是一種特殊的處理機：
- 指令型別單一，只用於I/O操作；
- 通道沒有記憶體，它與CPU共享記憶體
通道型別：
- 位元組多路通道
- 陣列選擇通道
- 陣列多路通道
中斷機構與處理
中斷：CPU對I/O裝置發來的中斷訊號的一種響應，中斷是由外部裝置引起的，又稱外中斷。
陷入：由CPU內部事件所引起的中斷，通常把這類中斷稱為內中斷或陷入（trap）。
中斷和陷入的主要區別：是訊號的來源。
對多中斷源的處理方式：
- ①遮蔽（禁止）中斷：
- ②巢狀中斷：
中斷處理程式
主要工作
①進行程序上下文的切換
②對處理中斷訊號源進行測試
③讀取裝置狀態
④修改程序狀態
中斷處理流程
- 測定是否有未響應的中斷訊號
- 保護被中斷程序的CPU環境
- 轉入相應的裝置處理程式
- 中斷處理
- 恢復CPU的現場
直接儲存器訪問DMA方式
①該方式的特點是：
- 資料傳輸的基本單位是資料塊；
- 所傳送的資料是從裝置直接送入記憶體的，或者直接從記憶體進裝置；不需要CPU操作。
- CPU干預進一步減少：僅在傳送一個或多個數據塊的開始和結束時，才需CPU干預，整塊資料的傳送是在控制器的控制下完成的。
可見DMA方式又是成百倍的減少了CPU對I/O的干預，進一步提高了CPU與I/O裝置的並行操作程度。
②DMA控制器的組成
DMA控制器由三部分組成：
- 主機與DMA控制器的介面；
- DMA控制器與塊裝置的介面；
- I/O控制邏輯
裝置分配
所需資料結構：
- 裝置控制表
- 控制器控制表
- 通道控制表
- 系統裝置（總）表
分配裝置：
分配控制器：
