5-输入输出系统IO
【README】
1.本文總結自B站 《計算機組成原理（哈工大劉宏偉）》的視頻講解，非常棒，墻裂推薦；
【1】 IO概述
【1.1】輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展概況
?
?通道（通道是netty的io多路復用的底層原理，需要重點了解）：
- 可以看做是一個小型的功能更強的DMA控制器；能夠執(zhí)行通道程序，具有自己的指令系統(tǒng)； 通過執(zhí)行通道程序，可以連接通道上的IO設備與主機直接聯(lián)系；
【1.2】輸入輸出系統(tǒng)組成
1）IO指令
- 操作碼：類似于標志，標識該條指令為IO指令；
- 命令碼：io命令，表示對io設備做什么操作；
- 設備碼：io設備地址，或io設備中的寄存器地址（io端口）；
3）通道：
- 小型DMA處理器； 能夠?qū)崿F(xiàn)IO設備與CPU間的信息傳送；通道有自己的控制器，存儲器； 通道執(zhí)行通道指令； 通道下面可以連多個子通道；每個子通道可以連接設備控制器；每個設備控制器還可以連接多個設備；
硬件：
- 設備通過接口連接到總線上，和cpu完成信息交換；
- 如果是通道的話，那設備連接設備控制器，設備控制器連接通道，通道連接子通道；
【1.3】 IO設備與主機的聯(lián)系方式
統(tǒng)一編址： io設備地址，看做是內(nèi)存地址的一部分；
4）聯(lián)絡方式：
方式1：立即響應，如led燈； ?
方式2： 異步工作采用應答信號；
Cpu與IO接口間采用并行傳輸；步驟如下（輸出）：
- 步驟1：io接口（端口）把數(shù)據(jù)準備好了后，就發(fā)送 ready信號通知io設備說數(shù)據(jù)準備好；
- 步驟2： io設備接收到信號后，從io接口中讀取數(shù)據(jù)并給出應答信號（strobe-閃光或選通脈沖）；
- 若是輸入的話，則 IO接口（端口）的緩沖器一旦空了，則發(fā)送ready信號給io設備；io設備收到信號后，發(fā)送數(shù)據(jù)給io端口，并發(fā)送應答信號（strobe）；io端口把數(shù)據(jù)傳輸給cpu；
方式3： 同步工作采用同步時標：
- 某時間點，必須開始某項工作；
- 某時間點，必須結束某項工作；
5）IO設備與主機的連接方式
連接方式1：
- 輻射式連接 == 分散連接； 即增加一個外設，主機或cpu就會增加一套io控制線路；成本非常高；
連接方式2：
- 總線連接；可移植性高；
?【1.4】IO設備與主機信息傳送的控制方式（非常重要*）
- 程序查詢方式：cpu與外設采用串行方式工作 ；
- 程序中斷方式： cpu與IO設備采用部分并行工作；
- DMA方式： 把cpu進一步從數(shù)據(jù)輸入輸出中解放出來，使得外部設備和內(nèi)存間可以直接建立連接，由DMA控制器或DMA接口直接控制 外部設備與內(nèi)存間的數(shù)據(jù)交換 ；
1）程序查詢方式：
在等待過程中，cpu處于原地踏步等待狀態(tài)；大致過程為：
- cpu向外設發(fā)請求讀取數(shù)據(jù)；
- 外設準備好數(shù)據(jù)后通知cpu取數(shù)據(jù)（在外設準備數(shù)據(jù)期間，cpu一直等待）；
- cpu取數(shù)據(jù)到自身寄存器；
- cpu把寄存器的數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存；（但在外設準備數(shù)據(jù)的時候，cpu一直在等待，造成cpu效率非常低下）；
盡管cpu比較快，但外設準備數(shù)據(jù)比較慢；
2）程序中斷方式：
2.0）對程序查詢方式進行改進：
- 在io設備在準備數(shù)據(jù)時，cpu不會等待（不查詢）；
- 只有當外部設備與內(nèi)存間開始進行信息交換的時候，cpu才會暫停現(xiàn)行程序；然后為輸入輸出進行服務；
2.1）中斷方式過程：
2.2）上圖中表示：
2.3 在整個過程中，在外設準備階段，cpu沒有踏步等待；
- 這種方式可以使得 cpu與io部分的并行工作（cpu沒有參與外設準備階段，但參與了數(shù)據(jù)傳輸）；
2.4）缺點：
- 因為cpu保存程序現(xiàn)場，恢復程序現(xiàn)場是需要執(zhí)行額外指令的，比如10幾條指令； 如果傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量非常小，如1個字節(jié)，耗費的成本是多執(zhí)行10幾條保存與恢復現(xiàn)場指令，那么cpu利用率就不高；
2.5）小結
上述兩種方式的數(shù)據(jù)io都需要cpu來參與； cpu架起了 外設與內(nèi)存間的信息傳輸?shù)臉蛄?#xff1b;能不能不經(jīng)過cpu來進行數(shù)據(jù)傳輸，這就引入了DMA；
3）DMA方式
3.0）dma方式簡介：
- 內(nèi)存與io設備之間通過DMA控制器進行數(shù)據(jù)交換， 完全不需要cpu的參與，不需要程序中斷；
- 但DMA控制器需要用到 地址總線，數(shù)據(jù)總線，控制總線；
- 如果DMA使用了以上總線，則cpu需要讓出這些總線控制權給DMA控制器（周期挪用的意思）；
3.1） dma方式過程
- 步驟1：Cpu執(zhí)行主程序，在主程序中，碰到了io指令；
- 步驟2：Cpu發(fā)出啟動io指令；cpu繼續(xù)執(zhí)行自己操作；
- 步驟3：Io設備在dma控制器的控制下完成數(shù)據(jù)準備；
- 步驟4：當數(shù)據(jù)準備好以后，由DMA控制器發(fā)出DMA請求，占用總線使用權；占用一個存取周期，利用這個周期實現(xiàn) 外設與內(nèi)存間的數(shù)據(jù)交換；
3.2）缺點：在這個存取周期中，cpu無法使用總線，無法訪問內(nèi)存；
3.3）但是：
- 現(xiàn)代cpu并不是每執(zhí)行一條指令就取一條指令，指令是可以預取的；
- 在指令執(zhí)行之前，可能若干條指令已經(jīng)被預取到指令緩存中了；
- 只要這些指令不需要訪問內(nèi)存；
- 那么cpu就可以利用指令緩存中的指令和數(shù)據(jù)緩存中的數(shù)據(jù)繼續(xù)執(zhí)行主程序中的指令；
- 那么在這一個存取周期中，cpu也是可以并行操作的；（并行效率取決于指令是否訪問內(nèi)存，更加確切的說，cpu是否使用總線，如不使用總線，則cpu執(zhí)行指令，dma控制器利用總線完成數(shù)據(jù)io，兩者相互獨立不影響）；
補充：通道結構方式，IO處理機方式，參考其他材料；
?三種方式下的cpu工作效率比較
在io數(shù)據(jù)傳輸場景下，推薦使用dma控制器方式進行io傳輸；
【2】 外部設備
?
【2.1】 概述
機機通信設備，如網(wǎng)卡；
【2.2】 輸入設備
補充：鍵盤字母傳輸給cpu的過程：
- 步驟1：把若干鍵排列成矩陣，用計數(shù)器經(jīng)過行譯碼，列譯碼后，對鍵盤進行掃描；確定是哪個鍵被按下了；
- 步驟2：一旦掃描到被按下的鍵，則計數(shù)器可以停止；同時把計數(shù)器的輸出作為 rom 的輸入地址；這個rom就保存了鍵盤上每個鍵的 ascii 碼； cpu通過中斷方式可以讀入這個ascii碼；
- 步驟3：cpu讀入指令，經(jīng)過一段時間延遲后，可以輸入到中斷控制裝置來清除中斷標記；可以用于再一次啟動計數(shù)器，使計數(shù)器可以再一次對鍵盤進行掃描；為下一個字符的輸入做準備；?
【2.3】輸出設備
?
【2.4】其他
【3】 IO 接口
【3.1】 IO接口概述
為什么要設置接口（端口，或編址為內(nèi)存地址或其他地址）？
- 1）采用總線來連接外部設備與cpu；cpu通過地址來確認是和哪個設備傳輸；接口有地址（端口），可以實現(xiàn)設備選擇；
- 2）接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖； 不同外設速度不同，如硬盤快，但鍵盤慢；
- 3）Cpu與接口間采用并行傳輸，一次傳輸1個字或1個字節(jié)；但接口與外部設備間可能采用串行傳輸，一個bit一個bit的傳；數(shù)據(jù)要在接口當中完成組裝或拆解，以便做格式轉(zhuǎn)換；
- 4）電平轉(zhuǎn)換： cpu與外部設備工作的電平不一致，需要接口來完成轉(zhuǎn)換；
- 5）傳送控制命令：cpu把控制命令傳輸?shù)浇涌?#xff0c;由控制命令來控制外設來工作 ；
- 6）接口中有一些狀態(tài)標志，用于標識外設是忙，還是閑； 外部設備是否有中斷請求 ?
【3.2】接口的功能和組成
?
1）總線包括：
- 設備選擇線（設備地址或端口地址）；
- 數(shù)據(jù)線（完成數(shù)據(jù)的輸入和輸出）；
- 命令線（cpu命令，控制外設）；
- 狀態(tài)線（反應外設是忙，還是準備，還是已完成）；?
2）外部設備接口的功能和組成
設備狀態(tài)標記由一些列的觸發(fā)器來完成。如下：
- 完成觸發(fā)器 D；
- 工作觸發(fā)器 B；
- 中斷請求觸發(fā)器INTR；（設備準備好以后，主動向cpu提出中斷請求）
- 屏蔽觸發(fā)器 MASK ；（接口可能有中斷請求，但是否允許它向主機提出中斷請求，要看設備中斷請求的重要性，因此可以屏蔽中斷請求）
- 如果 屏蔽觸發(fā)器=1，那么盡管外設已經(jīng)完成了工作，但仍然不能向cpu發(fā)出中斷請求，因為cpu當前所處理工作的重要性比這次 io操作要高；
3）IO接口的基本組成
命令譯碼器：通過對命令譯碼，才知道cpu是要輸入，還是輸出還是其他操作；
【3.3】 接口類型
【4】 程序查詢方式
詳細內(nèi)容參見本文【1.4】程序查詢方式；
?
檢查狀態(tài)標記： 測試指令；
準備就緒： 轉(zhuǎn)移指令；
交換數(shù)據(jù)： 傳送指令； 輸入輸出指令；訪存指令；
設置計數(shù)器的值： 要傳送的字的個數(shù)；每傳輸一個字，就減1；
?
- 觸發(fā)器B（BUSY信號）：標記B為1，表示設備開始工作 ；設備處于忙的狀態(tài)；
- 觸發(fā)器D（READY信號）：標記D為0，表示數(shù)據(jù)沒有準備好；數(shù)據(jù)是否準備好的信號；數(shù)據(jù)準備好后，標記D設置為1；；
- DBR：數(shù)據(jù)緩沖寄存器；
【5】 程序中斷方式
詳細內(nèi)容參見 本文【1.4】程序中斷方式；
1）中斷定義：
- cpu在執(zhí)行程序過程中，如果發(fā)生意外事件，cpu要中斷當前程序的執(zhí)行轉(zhuǎn)而處理意外事件；通過執(zhí)行中斷服務程序的方式來處理意外事件；
如： cpu在執(zhí)行第k條指令的過程中，外設通過中斷請求線向cpu發(fā)送中斷請求；cpu在執(zhí)行完第k條指令后，會去查詢是否有中斷請求；如果有，能不能進行響應； 如果可以響應，則cpu執(zhí)行中斷服務程序處理中斷請求；
【5.1】中斷的概念
【5.2】IO中斷的產(chǎn)生
?
【5.3】 程序中斷方式的接口電路?
?
1）中斷請求觸發(fā)器：；
中斷屏蔽觸發(fā)器： ；
2）排隊器：同一個時刻，向cpu發(fā)出中斷請求的有多個設備；需要對中斷請求按照優(yōu)先級進行排序；
3）中斷向量地址形成部件：；
?【排隊器】
INTR1為1，則后面INTR(I,I>1)的為0；
確定了中斷源之后， 下一步是找到中斷服務程序的入口地址；因為cpu是執(zhí)行中斷服務程序來處理意外事件（中斷）的；
3）中斷向量地址形成部件：
中斷號：
- 如8086cpu支持256個中斷，那中斷號可以編為0~255 ；
中斷向量：
- 理解為中斷服務程序的入口地址； 在x86cpu中，可以理解為中斷服務程序的段地址和偏移量 組成的向量；也指程序狀態(tài)字； 如cpu發(fā)生中斷時，一些非體系結構寄存器或程序狀態(tài)寄存器，這些寄存器指令無法進行讀取，那么就把它集成為一個字，這個字稱為程序狀態(tài)字；
向量地址：
- 中斷向量所屬指令所在的內(nèi)存地址； 如中斷服務程序的入口地址，所保存的內(nèi)存單元地址；或跳轉(zhuǎn)指令所在的內(nèi)存地址；cpu通過跳轉(zhuǎn)指令轉(zhuǎn)到中斷服務程序（這時，向量地址指的是跳轉(zhuǎn)指令所在內(nèi)存地址，跳轉(zhuǎn)指令內(nèi)部再保存了入口地址）；如向量地址為 12H；存儲的指令為 JMP 200 ；而200是入口地址；
4）程序中斷方式接口電路的基本組成
?【5.4】IO中斷處理過程
?
地址線的設備選擇信號和啟動命令一并達到，才會啟動外設接口；
?
【5.5】中斷服務程序流程
2）多重中斷：
- 表示的是中斷嵌套；
- 即 cpu正在執(zhí)行中斷服務程序1； 這時，又有優(yōu)先級更高的中斷2產(chǎn)生；則cpu保存中斷服務程序1的執(zhí)行現(xiàn)場，然后轉(zhuǎn)而執(zhí)行中斷服務程序2；這就叫嵌套；
3）單重中斷和多重中斷的服務程序流程 ：
中斷隱指令：
- 并不是一條實際指令，它指定的是中斷處理的一系列指令的集合；
4）主程序和服務程序搶占CPU示意圖
?
cpu響應中斷過程如下：
- 步驟1：Cpu向io設備發(fā)送啟動外設請求；
- 步驟2：io設備啟動，準備數(shù)據(jù)；
- 步驟3：io設備準備好數(shù)據(jù)后，向cpu發(fā)送中斷請求；
- 步驟4：cpu執(zhí)行完指令后，查看是否存在中斷請求；若有，則保存現(xiàn)場，轉(zhuǎn)而執(zhí)行中斷服務程序；
- 步驟5：cpu執(zhí)行完中斷服務程序后，恢復程序現(xiàn)場，繼續(xù)執(zhí)行主程序；
?【6】DMA方式（非常重要*）
詳情可以參見 本文 【1.4】-dma方式 ；
【6.1】DMA方式特點
1）DMA和程序中斷兩種方式的數(shù)據(jù)通路比較
?
1.11）引入DMA的背景：
- 因為中斷方式中，當io設備把數(shù)據(jù)準備好之后，cpu會響應io設備的中斷請求；暫停執(zhí)行主程序，保存現(xiàn)場，然后轉(zhuǎn)而執(zhí)行中斷服務程序；影響了主程序的執(zhí)行效率；
- 所以io設備的數(shù)據(jù)傳輸還是會影響cpu的執(zhí)行；
1.2）DMA不一樣： 把cpu從io數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中解放出來；
- 主存和io設備間的數(shù)據(jù)傳輸直接通過DMA控制器，而不是cpu；
- 但DMA控制器需要占用總線，而此時cpu不能使用總線，無法訪問內(nèi)存；
- 所以DMA還是會影響cpu的執(zhí)行；（但cpu可以預取指令，如果執(zhí)行的指令不訪問內(nèi)存或不使用總線，則影響比較小）
2）DMA與主存交換數(shù)據(jù)的三種方式 ：
方式1： 停止cpu訪問主存；
該方式的問題在于， DMA工作期間，cpu無法訪問內(nèi)存；
方式2：周期挪用（推薦*）；
方式3：DMA與 CPU交替訪問（不推薦，效率低）：
?DMA與cpu交替使用內(nèi)存，但實用性不強；
【6.2】 DMA接口功能與組成
1）DMA 接口功能 ：
?
- 步驟1：DMA向cpu申請總線和內(nèi)存的控制權；
- 步驟2：總線和內(nèi)存控制器的轉(zhuǎn)交；
- 步驟3： 管理系統(tǒng)總線，控制數(shù)據(jù)傳送； 是輸入還是輸出；
- 步驟4：；
- 步驟5：；
2）DMA 接口組成 ：
2.1）寄存器列表：
- 地址寄存器AR：給出傳輸數(shù)據(jù)的內(nèi)存地址；
- 計數(shù)器：WC，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量（word count）；
- 數(shù)據(jù)緩沖器：BR， buffer；
- 設備地址寄存器：DAR（把io設備地址保存在其中），供設備選擇電路使用； 或當硬盤訪問內(nèi)存是，可以保持盤面好，磁柱，扇區(qū)號；
2.2）信號列表：
- DREQ：設備請求縮寫；
- DACK：應答信號；
- HRQ： 總線請求信號；
- HLDA：總線應答信號；
2.3）中斷機構：
- 用于數(shù)據(jù)傳輸完成后，對后續(xù)工作進行處理； 如當WC=0，表示數(shù)據(jù)準備完成；
- WC就會向中斷機構的中斷觸發(fā)器發(fā)送請求，表示數(shù)據(jù)準備完成；
- 再由中斷機構向cpu發(fā)出中斷請求；
【6.3】 DMA數(shù)據(jù)傳輸方式
1）DMA傳送過程：
1.1）預處理：
1.2）DMA傳送過程示意：
?
1.3）數(shù)據(jù)傳送過程（輸入 ） ：
步驟列表（數(shù)據(jù)從外設送入到內(nèi)存） ： ?
- 步驟1： 外部設備把數(shù)據(jù)送入br 數(shù)據(jù)緩沖器；
- 步驟2： 外部設備向DMA控制器發(fā)送DREQ信號，說我已經(jīng)把數(shù)據(jù)準備好了；
- 步驟3： DMA控制器向cpu發(fā)送 HRQ信號，申請占用總線請求；
- 步驟4： cpu在允許的情況下，會給出應答 HLDA，這時cpu會放棄對總線和內(nèi)存的占用； 而總線和內(nèi)存由DMA接口來控制；
- 步驟5： DMA接口中的AR寄存器把內(nèi)存地址（目的地址）通過地址總線傳給內(nèi)存；
- 步驟6：DMA控制器給外設返回一個應答信號DACK，告訴外設數(shù)據(jù)傳輸可以開始了；
- 步驟7： DMA控制器發(fā)出讀寫控制指令，同時BR寄存器把數(shù)據(jù)送入到數(shù)據(jù)總線上，進而送入到AR寄存器指定的內(nèi)存地址；
- 步驟8：每傳輸一個數(shù)據(jù)，AR內(nèi)容加1（以便下一次傳輸使用加1后的地址）；WC字計數(shù)器也加1；
- 步驟9：判斷是否傳輸完成？ 若沒有完成，則繼續(xù)傳輸下一個字；若完成，則WC的值發(fā)生溢出，溢出信號發(fā)送給中斷機構，使得中斷機構中的中斷請求觸發(fā)器設置為1，參加中斷排隊；然后發(fā)出中斷請求；
- 步驟10：cpu接收到中斷請求后，暫停當前出現(xiàn)執(zhí)行，轉(zhuǎn)而執(zhí)行中斷服務程序（以便進行后置處理）；
1.4）數(shù)據(jù)傳送過程（輸出）
1.5）后處理
?
?
2）DMA接口與系統(tǒng)的連接方式
2.1）具有公共請求線的 DMA 請求
一臺機器可以有多個DMA接口；多個DMA接口可以連接到總線上； ?
- 即，所有DMA接口共享一條DMA請求線，連接到CPU；
2.2）獨立的DMA請求
每個DMA接口都有獨立的 請求和響應總線；
3）DMA方式與程序中斷方式比較：
【6.4】 DMA接口的類型 （非常重要，netty中io多路復用底層原理）
【6.4.1】選擇型
設備地址寄存器用于選擇是哪個設備（是否當前設備）與主存進行連接； 一旦設置后， 只能有1個設備使用DMA接口；
【6.4.2】 多路型
多路型的DMA接口應用到了通道-io多路復用技術上，如netty（非常重要）；
- 但真正傳輸數(shù)據(jù)的時候，也只能有1個外設與內(nèi)存進行數(shù)據(jù)傳輸；
- 邏輯上連接多個設備，指的是數(shù)據(jù)準備階段，可以有多個設備同時進行數(shù)據(jù)準備； ?
以通道為例：
- 通道也是一個小型的DAM控制器，用的也是DMA接口；
- 1個通道包含多個子通道；每個子通道有自己獨立的寄存器，包括字計數(shù)器，地址寄存器，數(shù)據(jù)緩沖寄存器等；
- 多個外部設備對應不同的子通道，可以同時進行數(shù)據(jù)準備；如磁盤和磁帶同時準備數(shù)據(jù)；
- 外部設備準備好了，通過子通道向通道提出數(shù)據(jù)傳輸請求；
- 在數(shù)據(jù)傳輸過程中，只能有一個外設與內(nèi)存進行傳輸，即數(shù)據(jù)傳輸是串行的，但數(shù)據(jù)準備可以并行同時進行；
?【6.4.3】多路型 DMA接口原理
據(jù)上圖，我們看出：
- 一個多路型的通道，即便連接了多個外設，但在傳輸過程中，可以看出通道還有很多個時間片是空閑狀態(tài)； 還可以連接更多的外設；
總結
以上是生活随笔為你收集整理的5-输入输出系统IO的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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