【组成原理·硬件】7IO

实现方式：

I/O 指令：由 CPU 执行。

通道指令：由 通道（一个专门处理I/O的处理器）执行。

打印机

按工作方式分类：点阵打印机 / 针式打印机，喷墨式打印机，激光打印机

按能否打出汉字分类（此分类较传统）：点阵打印机（可以打印汉字），活字打印机（如传统英文打字机，不能灵活打印汉字）

显示器

按器件原理分类：

CRT（阴极射线管）显示器

LCD（液晶）显示器

LED（发光二极管）显示器

工作方式：点阵方式。屏幕图像由无数个独立的像素点组成。

主要性能参数：

屏幕大小：以屏幕对角线长度表示（如英寸）。

分辨率：屏幕能表示的像素个数。表示方法：宽 × 高（如 1920 × 1080）。分辨率越高，图像越细腻。

灰度级：像素点的亮暗差别（在彩色显示器中即颜色数）。灰度级/颜色数越多，图像越逼真。

刷新频率：单位时间内（通常为秒）扫描整个屏幕内容的次数。频率过低会导致屏幕闪烁。

显示存储器（VRAM）：又名刷新存储器。为了持续刷新屏幕，必须将一整幅屏幕图像（一帧）的信息存储在这里。

容量计算：
VRAM 容量 = 分辨率 × 灰度级位数

带宽计算：
VRAM 带宽 = 分辨率 × 灰度级位数 × 帧

实现主机与 I/O 设备之间的数据传送。

传递 CPU 的控制命令。

检测并向 CPU 报告设备的状态（如忙、就绪、错误）。

缓冲：解决主机与外设之间的速度差异（数据缓存）。

驱动：提供足够的电信号驱动能力。

1️⃣预置参数：CPU 执行初始化程序，设置传送地址、计数器等。

2️⃣启动设备：向 I/O 接口发出命令字，启动 I/O 设备。

3️⃣读取状态：从外设接口读取设备状态。

4️⃣查询等待：CPU 不断循环查询设备状态，直到设备就绪。➜ “踏步”现象

独占查询：一旦设备被启动,CPU就一直持续查询接口状态,CPU花费100%的时间用于I/O操作,此时外设和CPU完全串行工作。

定时查询：CPU周期性地查询接口状态,每次总是等到条件满足才进行一个数据的传送,传送完成后返回到用户程序。定时查询的时间间隔与设备的数据传输速率有关。

5️⃣数据传送：设备就绪后，进行一次数据传送。

6️⃣修改参数：更新内存地址，计数器减1。

7️⃣判断结束：检查传送是否完成。若未结束，跳回步骤(3)继续查询。

缺点：CPU 与 I/O 设备串行工作，CPU 效率极低（大量时间用于等待）。

优点：硬件结构简单，易于实现。

中断源：引起中断的事件或设备。

中断请求标记：一个寄存器，每位对应一个中断源，1 表示有中断请求。

中断类型：

可屏蔽中断 (INTR)：可以被 CPU 忽略（通过“关中断”指令）。优先级较低。

不可屏蔽中断 (NMI)：必须立即响应，如电源掉电、硬件故障。优先级最高。

响应优先级：硬件电路（排队器）决定的、CPU 响应中断请求的顺序。固定不变。

一般优先级规则：

不可屏蔽中断 > 内部异常 > 可屏蔽中断

DMA 请求 > I/O 传送请求

高速设备 > 低速设备；
输入设备 > 输出设备

中断源有请求。

CPU 处于开中断状态（对于可屏蔽中断而言）。

当前指令执行完毕（在指令周期的末尾响应）。

1️⃣向量中断

中断向量：中断源的 唯一的类型号对应的 中断服务程序的 入口地址。

中断向量表：存放所有中断向量的内存区域。

过程：CPU 根据中断类型号，计算出中断向量在表中的位置（地址），然后取出该地址中的内容（中断向量）并送入 PC，从而开始执行服务程序。

2️⃣非向量中断：软件查询法（第5章已介绍）。

关中断：保护现场不被新的中断打断。

保存断点：将程序计数器(PC)和程序状态字(PSW)压栈。

中断服务程序寻址：获取中断服务程序的入口地址。

保存现场和屏蔽字：保护通用寄存器等现场信息。

开中断：允许更高级的中断请求，实现中断嵌套。

执行中断服务程序：处理 I/O 数据传送或其他事务。

关中断：保证恢复现场时不被干扰。

恢复现场和屏蔽字：恢复之前保存的寄存器和状态。

开中断：为返回后响应新中断做准备。

中断返回：通过中断返回指令，恢复断点(PC和PSW)，回到原程序。

中断隐指令：步骤 1-3 是由硬件直接完成的操作，不是一条具体的指令，故称为“隐指令”。

在执行中断服务程序期间，关闭中断，不响应任何新的中断请求。

在执行低级中断服务程序时，允许响应更高级的中断请求。

实现条件：

①在中断服务程序中提前设置开中断指令。

②优先级别高的中断源有权中断优先级别低的中断源。

中断处理优先级是指多重中断的实际优先级处理次序，可以利用中断屏蔽技术动态调整，从而可以灵活地调整中断服务程序的优先级，使中断处理更加灵活。

若不使用中断屏蔽技术，则处理优先级和响应优先级相同。

现代计算机中，每个中断源都有一个屏蔽触发器，1表示屏蔽该中断源的请求，0表示可以正常申请，所有屏蔽触发器组合在一起构成屏蔽字寄存器，其内容称为屏蔽字。

1）中断屏蔽字

中断屏蔽字格式：按顺序 A B C D，1 表示屏蔽，0 表示开放。

A：优先级最高，屏蔽所有（包括自己），屏蔽字 = 1111

D：仅被 A 中断，屏蔽 B、C、D，不屏蔽 A，屏蔽字 = 0111

C：被 A、D 中断，屏蔽 B、C，不屏蔽 A、D，屏蔽字 = 0110

B：被 A、D、C 中断，只屏蔽 B，屏蔽字 = 0100

2）CPU 执行程序轨迹

用户程序
  │
  ↓ (A,C,D 同时请求，响应 A)       响应优先级起作用
A 的服务程序 [屏蔽字 1111，不被任何中断打断]                        处理优先级起作用
  │
  ↓ (返回用户程序)
用户程序
  │ (C,D 仍在请求，响应 C)          响应优先级起作用
  ↓
C 的服务程序 [屏蔽字 0110，开中断后立即被 D 打断]               处理优先级起作用
  │
  ↓ (转去响应 D)
D 的服务程序 [屏蔽字 0111]                                                          处理优先级起作用
  │
  ↓ (D 完成，返回 C) 
C 的服务程序，这时出现了B的中断请求

 [屏蔽字 0110，B 请求被屏蔽，继续执行完]                               处理优先级起作用
  │
  ↓ (返回用户程序)
用户程序
  │ (B 请求还在，响应 B)
  ↓
B 的服务程序 [屏蔽字 0100，无更高请求打断]
  │
  ↓ (返回用户程序)
用户程序

①数据传输不需要 CPU 干预，CPU 与外设并行工作效率高。

②主存可被 CPU 和 DMA 控制器交替访问。

③传送前需要 CPU 预处理，传送后需要 中断后处理。

①接收外设的 DMA 请求。

②向 CPU 申请总线使用权。

③管理数据传送：发出内存地址、读写控制信号、计数等。

④传送结束后，向 CPU 发出中断请求进行后处理。

停止 CPU 访问：DMA 传送时，CPU 完全停止访问内存。控制简单，但 CPU 利用率低。

DMA 与 CPU 交替访存：将 CPU 周期分为两部分，一部分专供 DMA 使用。不需要申请总线，效率高，但要求 CPU 周期 > 内存存取周期。

周期挪用（周期窃取） ✅ 常用：DMA 趁 CPU 不访问内存时“挪用”总线周期。若冲突，则 DMA 优先，因为 I/O 数据不及时处理可能会丢失。DMA 每次传送一个数据（字/字节）后即释放总线。

预处理 (CPU负责)：CPU 初始化 DMAC，设置内存起始地址、传送字节数、传送方向等。然后 CPU 继续执行原程序。

数据传送 (DMAC负责)：

外设准备好后，向 DMAC 发请求。

DMAC 向 CPU 申请总线。

CPU 完成当前总线周期后，释放总线控制权给 DMAC。

DMAC 控制外设与内存直接进行数据传送。

后处理 (CPU负责)：

数据块传送完毕后，DMAC 向 CPU 发中断请求。

CPU 执行中断服务程序，检查 DMA 操作是否正确，决定是否继续传送等。

是功能更强的 I/O 控制器，有专门的通道处理器。

通过执行存放在主存中的通道程序来管理 I/O，几乎不需要 CPU 干预。

通道程序的生成和管理由操作系统负责。

CPU 只需发出“启动I/O通道”指令即可。

选择通道：

连接多台高速设备（如磁盘），但一次只为一台设备服务。

通道数据传输率 = 所连接设备中速率最高的一台。

字节多路通道：

连接多台低速设备（如打印机、终端），以字节为单位，为多台设备交叉服务。

通道数据传输率 = 各设备传输率之和。

数组多路通道：

结合了以上两者的优点。连接多台高速设备，以数据块为单位，为多台设备交叉服务。

通道数据传输率 = 各设备传输率之和。