第十七讲 输入输出
外围设备
输入/输出操作通过连接到输入输出模块的各种外部设备完成，这些外部设备提供了在外部环境和计算机系统之间的数据交换，通常被称为外围设备（peripheral device），简称为外设（peripheral）
为什么不能把外设直接连接到系统总线上
- 外设种类繁多，操作方法多种多样
- 外设的数据传送速度一般比存储器或处理器的慢得多
- 某些外设的数据传送速度比存储器或处理器要快
- 外设使用的数据格式和字长度通常与处理器不同
I/O模块: 计算机内部系统和外设之间的桥梁
- 通过系统总线或中央交换器和存储器连接
- 通过专用数据线与一个或多个外设连接
外围设备的接口
- 输入/输出模块的接口以控制、状态和数据信号的形式出现
- 与设备相关的控制逻辑控制外设的操作，以响应来自输入/输出模块的命令
- 缓冲器用于缓存输入/输出模块和外设之间传送的数据
- 缓冲区大小一般为8位或16位
I/O模块的功能
- 处理器通信
- 命令译码：输入/输出模块接收来自处理器的命令，这些命令一般作为信号发送到控制总线
- 数据：数据是在处理器和输入/输出模块之间经由数据总线来交换的
- 状态报告：由于外设速度很慢, 所以知道输入/输出模块的状态很重要
- 地址识别：输入/输出模块必须能识别它所控制的每个外设的唯一地址
- 设备通信
- 通信内容包含命令、状态信息和数据
- 数据缓冲
- 外设的数据传送速度一般比存储器或处理器的慢得多
- 某些外设的数据传送速度比存储器或处理器要快
- 控制和定时
- 检错
外部接口
并行接口：多根线连接输入/输出模块和外设，同时传送多位数据
串行接口：只有一根线用于传输数据，每次只传输一位数据
由于并行接口要求每次同时传送，当传输速度和总线长度增加时，总线的时钟频率会受到限制
FireWire: IEEE标准1394串行总线
USB：通用串行总线
I/O操作技术
编程式I/O
- 当处理器在执行过程中遇到一条与I/O操作有关的指令时，它通过发送指令到适当的I/O模块来执行这条指令
- I/O模块将执行所要求的动作，然后在I/O状态寄存器中设置一些适当的位
- I/O不会中断处理器，因此处理器需要周期性地检查I/O模块的状态，直到发现该操作完成
- I/O命令
- 控制命令：激活外设并告诉它要做什么
- 测试命令：测试I/O模块及其外设相关的各种状态条件
- 读命令：使I/O模块从外设获得一个数据，把它存入内部缓冲区
- 写命令：使I/O模块从数据总线获得一个数据，把它传入外设
- I/O指令
- I/O指令很容易映射为I/O命令, 并且两者之间通常是简单的一一对应关系
- 存储器映射式I/O：存储单元和I/O设备有统一的地址空间
- 分离式I/O：让总线既有存储器的读线和写线，同时也有输入和输出命令线
中断驱动式I/O
- 处理器发送一个I/O命令到模块，然后去处理其它有用的工作
- 当I/O模块准备和处理器交换数据时，它中断处理器以请求服务
- 处理器执行数据传送，最后恢复它原先的处理工作
- 从I/O模块的角度来看
- I/O模块接收来自处理器的读命令
- I/O模块从相关的外设中读入数据
- 一旦数据进入I/O模块的数据寄存器后，该模块通过控制总线给处理器发送中断信号
- I/O模块等待直到处理器请求该数据时为止
- 当处理器有数据请求时，I/O模块把数据传送到数据总线上，并准备另一个I/O操作
- 从处理器的角度来看
- 处理器发送一个读命令
- 处理器离开去做其它的事情，并在每个指令周期结束时检查中断
- 当来自I/O模块的中断出现时，处理器保存当前程序的现场
- 处理器从I/O模块读取数据字并保存到主存中
- 处理器恢复刚才正在运行的程序的现场，并继续运行原来的程序
中断驱动式I/O的设备识别
- 多条中断线:即使有多条中断线可用，每条线上也需要采用其它三种技术中的一种
- 软件轮询:轮询每一个I/O模块来确定是哪个模块发生的中断
- 菊花链:所有的I/O模块共享一条中断请求线，中断应答线采用菊花链穿过这些中断模块
- 独立请求:特定的中断控制器用于解码和分析优先级
直接存储器(DMA)存取
前几种方式的不足: I/O传送速度受处理器测试和服务设备速度的限制, 处理器负责管理I/O传送，对于每一次I/O传送，处理器必须执行很多指令
直接存储器存取: 无需经过处理器即可直接访问内存的模块
处理器通过发送以下信息向DMA模块发出命令
- 读/写
- I/O设备地址
- 内存中的起始位置
- 字数
处理器继续进行其他工作
DMA模块将全部数据块，每次一个字，直接将数据传输到存储器或从存储器读出，而无需经过处理器
当传输完成时，DMA模块向处理器发送一个中断信号
DMA内存访问: CPU停止法
- 优点: 控制简单
- 缺点：影响CPU，没有充分利用内存
- 适用：高速I/O设备的块传输
DMA内存访问: 周期窃取法
- 优点: 充分利用CPU和内存，及时响应I/O请求
- 缺点：DMA每次都请求总线
- 适用：I/O周期大于存储周期
DMA内存访问: 交替分时访问
- 优点: CPU未停止或等待，DMA不请求总线
- 缺点：CPU周期大于存储周期
DMA配置机制: 单总线分离DMA
- 所有模块共享相同的系统总线
- DMA模块使用编程式I/O，通过DMA模块在存储器和I/O模块之间交换数据
- 便宜但低效
DMA配置机制：单总线集合的DMA-I/O
- DMA逻辑实际上可能是I/O模块的一部分，也可能是控制一个或多个I/O模块的单独模块
- 减少总线周期数
DMA配置机制：I/O 总线
- 使用I/O总线将I/O模块连接到DMA模块
- 多个I/O模块共享DMA，且易于扩展
I/O模块的演变
- CPU直接控制外设
- 增加控制器或I/O模块，CPU使用编程式I/O，将CPU与外围设备的细节分离
- 采用中断，CPU无需花费时间等待外围设备就绪
- I/O模块可通过DMA直接存取存储器，无需CPU负责存储器和I/O模块之间的数据传递
- I/O通道（I/O channel）：I/O模块有自己的处理器，带有专门为I/O操作定制的指令集
- I/O处理器（I/O processor）：I/O模块有一个局部存储器，I/O模块成为一个自治的计算机，常用于与交互式终端进行通信