计算机组成原理（IO，输入输出）

1、“821.2016T1(1)”，表示821真题，2016年的题，T1是 选择题/填空题/大题 的第一题，其他类似标记也是相通

2、个人小白总结自用，不一定适用于其他人，请自行甄别

3、有任何疑问，欢迎私信探讨，看到后会及时回复

选择题

  1. 计算机的外围设备指：主机（主机 = CPU + 内存储器）以外的设备，不止是输入输出设备，还包括外存…
  2. （821.07.T12）通道程序是通道控制字的有序集合

    通道程序，存放在主存，由“通道控制字“组成，由”通道“执行

  3. 磁盘位密度总结：

    ①磁盘的磁道：位密度（相同的长度下所包含的bit数的多少）不同（长度从内到外越来越大，但是每一圈的bit数都是相同的，所以最终导致各个圈的位密度不同）的同心圆

    ②CD-ROM 的光道是：位密度相同的螺旋线

  4. I/O的4种控制方式：

    程序查询 = 程序直接控制

    DMA传输方式，外设中的数据不直接和CPU中的寄存器进行交换

    DMA = Direct Memory Access = 直接存储器存取方式

    CPU响应DMA的时刻是：存储周期结束

  5. 中断：

    外部中断请求，所生成的与中断请求相对应的中断类型号是由：相关外设接口产生

    访管指令（访问管理程序的指令），中断响应优先级最高

    可屏蔽中断：键盘输入、磁盘寻道错中断、打印机输出中断

    不可屏蔽中断：掉电中断、缺页中断、运算溢出

  6. RAID，磁盘冗余阵列

    条带化：把数据分散到多个磁盘（408.13.T20），交叉并行读写，提高数据的存取速度，没有提高RAID的可靠性

填空题

  1. IO控制方式

    DMA访存的3个方式：全串行方式、周期挪用、交替访存方式

    DMA从CPU完全接管对总线的控制，数据交换不再通过CPU寄存器中转，而是直接IO设备和主存进行交换

    通道，按工作方式分为：字节多路通道、数组多路通道、选择通道

  2. IO设备的2种编址方式：统一编址、独立编址
  3. 中断响应 – 硬件
  4. 中断处理 – 软件（画表写出屏蔽字，只看中断处理的优先次序）
  5. 中断响应的3个条件：

    中断源有中断请求

    CPU允许中断（即开中断状态）

    CPU在一条指令执行完毕，且没有更紧迫的任务或事件

  6. 多级中断系统，中断服务程序内的执行顺序：删除画删除线后，就是单级中断

    保护现场和旧屏蔽字

    设置新的屏蔽字

    开中断

    中断处理

    关中断

    恢复现场和旧屏蔽字

    开中断

    中断返回

  7. I/O设备和I/O 接口，只是 I/O 的硬件部分，完整的I/O 系统应该包括 I/O硬件 和 I/O软件两个部分
  8. 每个外设都有以一个IO接口的电路与主机连接，一个IO接口中有多个端口，一个端口对应一个地址，这样主存可以用多个地址访问一个外设
  9. 中断向量=中断服务程序的入口地址（易混）不等于中断向量地址
  10. 中断向量地址=中断类型号

    是中断向量的地址，即是中断服务程序入口地址的地址

简答题

开中断，之前，必须保护现场

关中断，之后，再恢复现场

多级中断系统，中断服务程序内的执行顺序：

  1. 保护现场和旧屏蔽字
  2. 设置新的屏蔽字
  3. 开中断
  4. 中断处理
  5. 关中断
  6. 恢复现场和旧屏蔽字
  7. 开中断
  8. 中断返回

中断隐指令（王道P288）

CPU响应中断后，暂停当前的程序，是硬件的一系列操作，不是真正意义上的指令，一般有3个操作：

  1. 关中断，设置程序状态字寄存器PSW中的中断标志IF=0，即不允许响应其他中断；
  2. 保存断点和程序状态，（保存地址）将断点和程序状态保存到堆栈或特殊寄存器中。（易混）异常断点是保存当前指令的地址，因为异常处理后需要重新执行；中断的断点是保存下一条指令的指令；
  3. 中断服务程序寻址，通过硬件向量法或软件查询法（非硬件向量法，王道5.5小节） ，识别中断源，将对应的服务程序入口地址送给程序计数器PC。

中断处理过程（王道P288）

中断隐指令（3步）+ 中断服务程序（7步）

单重中断的中断服务程序执行顺序（408.10T21）：

  • 保护现场和屏蔽字
  • 执行中断服务程序
  • 恢复现场和屏蔽字
  • 开中断
  • 中断返回

多重中断，则在执行中断服务程序前后分别加：开中断、关中断

大题

  1. 画表，写出每一级的中断屏蔽码

    只看中断处理次序

  2. 画图，同时请求时，画出CPU执行程序的各个中断的运行轨迹
    • 先看中断响应次序最高的响应
    • 再响应该屏蔽字中为0的，中断处理次序最高的响应
    • 执行完再回到首次响应的中断处，看是否还有：未处理 且 屏蔽字为0

      有，则：继续b）c）

      无，则：执行完本中断，返回现行程序，继续执行其他：未处理 且 中断响应次序较高的中断，直到全部执行结束

  3. IO控制方式，CPU用于IO的时间，占整个CPU时间：

补充知识点

I/O端口的编址

统一编址
（只有单总线才可以）		优点
1、不需要专门的输入/输出指令，访存指令都可以直接访问端口，程序设计灵活
2、I/O端口有较大的编址空间（因为与主存共享空间）
3、CPU读写控制逻辑电路简单（逻辑电路不需要太大的改变）		缺点
1、I/O指令类型少，一般只能对端口进行传送操作，程序设计灵活性差
2、需要CPU提供：存储器读/写、I/O设备读/写，两组控制信号，增加CPU逻辑电路的复杂性		独立编址
(有专门的IO指令)
缺点
1、端口占用了主存地址空间，使主存地址空间变小
2、外设寻址时间长（地址位数多，导致地址译码速度慢）		优点
1、使用专用I/O指令，程序编制清晰
2、I/O端口的地址不占用主存地址空间
3、I/O端口地址位数少，地址译码速度快

I/O控制方式

　程序查询
程序直接控制		程序中断DMA
Direct Memory Access/直接存储器存取方式		通道控制
数据传送需要先找出1s需要查询多少次（王道P298T4/T7）程序控制，程序传送（软件传送）
用处理中断的时间传输数据（王道P298.T6）		硬件控制，硬件传送
周期挪用时，每次IO控制器中的数据缓存大小1B数据消耗1个存储周期，当传送数据达到大块数据规定的量时，消耗1次中断时间（王道P298.T6）		1、通道程序是“通道控制字”的有序集合（821.07.12）
2、CPU 查询通道的状态是通过：I/0 指令（821.05.T14）
3、一般用于大型计算机系统
中断方式无程序的切换--> 保存和恢复现场DMA不需要使用CPU内部寄存器，所以不需要保存CPU现场
除了预处理和后处理，其他时间不占用CPU资源/一个完整的DMA，只有前后需要CPU的参与
工作特点CPU与I/O一直都是串行工作CPU与外设并行工作
传送与主程序串行工作		CPU与外设并行工作
传送与主程序并行工作
中断请求无为了传送数据为了向CPU报告数据传输结束（后处理）
响应　指令执行周期结束后响应（除了关中断，不响应）存储周期结束后 = 一个总线事物完成后
每个机器周期结束均可（取指/间址/执行周期结束后均可），总线空闲时即可响应DMA请求
场景　CPU控制/低速设备DMA控制器控制/高速设备（磁盘）
优先级　DMA优先级高
因为DMA数据成组传输，如果不及时处理将丢失信息
处理异常　能不能，仅传送数据
执行　由硬件执行的中断隐指令和中断服务程序共同完成全部硬件
使用CPU占比（见公式整理）（见公式整理）
其他CPU询问I/O接口
CPU有“原地踏步”等待现象		1、浮点数运算下溢直接当作机器零处理，不会引发中断
2、中断优先级 王道.P287
DMA > NMI > CPU内部异常 > INTR
硬件故障 > 软件中断
高速设备 > 低速设备（DMA > I/O设备）
输入设备 > 输出设备
实时设备 > 普通设备		1、DMA数据传输的3个阶段
预处理：由每个设备自己的设备驱动程序，设置本次传送的参数。I/O设备向DMA控制器发送DMA请求，DMA接口向CPU发送总线请求。
数据传送：由DMA控制器直接控制总线完成
后处理：DMA向CPU发送中断请求，CPU执行中断服务程序，做DMA结束处理
（王道.P294.T06）
联系1、程序查询和程序中断，用于数据传输率低的设备（408.13.T22，并不是说适用于所有外设
DMA、通道控制方式，用于数据传输率较高的设备

 DMA的工作方式 / DMA与CPU共同访存的3种方式 / DMA数据传输方法（绿书P351/王道P292）

　全串行方式周期挪用/周期窃取交替访存方法/透明DMA方式
释义DMA传输时，CPU停止访存，DMA传送一块数据使用完总线后，再将总线控制权交给CPU即DMA有请求，则可挪用一个或若干个存储周期
传送完一个数据字后，马上释放总线（单字传送方式），单个字传送完后，CPU就可以访问存储器了（在DMA周期挪用时，CPU也可以访问存储器）		将一个CPU工作周期（机器周期）分为两个周期，一个周期DMA专用访存，另一个周期CPU专用访存
优点控制简单，适合高速外设即实现了IO的数据传送，又保证了CPU程序的执行，较好的发挥了主存和CPU的效率适合CPU工作周期（机器周期）比主存存储周期长得多得的情况，不需要总线使用权的申请、建立和归还
缺点1、DMA在访存时，CPU基本处于不工作或保持原状态
2、即使是高速外设，两个单位数据的准备间隔时间一般也是大于存储周期，所以存储器的效能未能充分发挥		DMA每次挪用一个存储周期，都要分别申请、建立、归还总线的控制权硬件逻辑复杂，且要求存储器速度快

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