计算机组成-6.输入输出接口

概念

基本结构

数据传送方式

• 并行接口
  • 一个字节或者一个字所有位同时传送
• 串行接口
  • 一位一位地传送

功能

• 1. 数据缓冲
  • ◦解决CPU和外设之间的速度差距
• 2. 提供联络信息
  • ◦协调与同步数据交换过程
• 3. 信号与信息格式的转换
  • ◦模/数、数/模转换，串/并、并/串转换，电平转换
• 4. 设备选择
• 5. 中断管理
• 6. 可编程功能

I/O端口及其编址方式

• I/O端口

  • ◦ I/O接口内部包含一组称为I/O端口的寄存器
  • ◦ 每个I/O端口都需有自己的端口地址（或称端口号），以便CPU访问

• I/O端口的编址方式

  • I/O端口和存储器分开编址

    • ◦ I/O映像的I/O方式，I/O Mapped I/O
    • ◦ x86体系结构采用该方式

  • I/O端口和存储器统一编址

    • ◦ 存储器映像的I/O方式，Memory Mapped I/O
    • ◦ ARM、MIPS、PowerPC等体系结构采用该方式

I/O控制方式

• ◦ CPU如何控制外设的数据传送

1. 程序控制方式

• ① 无条件传送方式

  • ◦ 假定外设已经准备好
  • ◦ CPU直接使用指令与外设传送数据
  • ◦ 不查询外设的工作状态

• ② 程序查询传送方式

  • ◦ CPU通过执行一段程序，不断查询外设的工作状态
  • ◦ 在确定外设已经准备就绪时，才进行数据传送
  • 处理流程
    • ① CPU执行指令，将控制字写入接口的“控制寄存器”，从而设置接口的工 作模式
    • ② CPU执行指令，将数据写到接口的“输出缓冲寄存器”
    • ③ 接口将数据发到“并行数据输出”信号线上，并将“输出准备好”信号置为有效（亦可由CPU写控制字将该信号置为有效）
    • ④ 外设发现“输出准备好”信号有效后，从“并行数据输出”信号线上接收数据，并将“输出回答”信号置为有效
    • ⑤ 接口发现“输出回答”信号有效后，将“状态寄存器”中的状态位“输出 缓冲空”置为有效
    • ⑥ 在这个过程中，CPU反复执行指令从“状态寄存器”中读出状态字，直到发现“输出缓冲空”，然后开始下一个输出过程，继续输出新数据
    • 程序查询方式接口结构
  • 有点
    • 较好协调主机与外设之间的时间差异，所用硬件少。
  • 缺点
    • 主机与外设只能串行工作，主机一个时间段只能与一个外设进行通讯，CPU效率低。

2. 中断控制方式

• 数据输出过程
  • ① CPU执行指令，将控制字写入接口的“控制寄存器”，从而设置接口的工 作模式
  • ② CPU执行指令，将数据写到接口的“输出缓冲寄存器”
  • ③ 接口将数据发到“并行数据输出”信号，并将“输出准备好”信号置为有效（亦可由CPU写控制字将该信号置为有效）
  • ④ 外设发现“输出准备好”信号有效后，从“并行数据输出”信号接收数据， 并将“输出回答”信号置为有效
  • ⑤ 接口发现“输出回答”信号有效后，通过“中断控制逻辑”向CPU发出中 断请求信号，并将“状态寄存器”中的状态位“输出缓冲空”置为有效
  • ⑥ CPU收到中断请求后，进入中断服务程序，执行指令从“状态寄存器”中 读出状态字，发现“输出缓冲空”，因此开始下一个输出过程，继续输出 新数据
• 优缺点
  • 优点：避免频繁查询，适合随机出现的服务和中低速外设使用。
  • 缺点：成批数据交换时，中断影响传送效率，一次传送一个字符，中断处理时间大于传送数据时间。需要一定的硬件电路。

3. 直接存储器访问(DMA)方式

• 定义
  • ◦ 数据传送过程不需要CPU干预（不需要执行程序指令）
  • ◦ 由专门硬件控制电路控制，进行外设与存储器间直接数据传送
  • ◦ 该专门硬件控制电路称为DMA控制器，简称DMAC
• 工作原理
  • 在外围设备和主存之间开辟直接的数据通路。在正常工作时，所有的工作周期均用于执行CPU的程序。当外围设备完成I/O的准备工作后，占用CPU的工作周期，和主存直接交换数据。完成后，CPU又继续控制总线，执行原程序。完成这项工作的是系统中增设的DMA控制器。
• 工作步骤 - 1、CPU设置DMAC内部配置寄存器 - 2、DMAC处于空闲等待状态 - 3、I/O接口向DMAC发出DMA传送申请 - 4、DMAC响应I/O接口的申请 - 5、DMAC向I/O接口发起总线读传输 - 6、DMAC向存储器发起总线写传输 - 7、重复5~6直到本次DMA传送完成 - 8、返回2，等待下一次DMA传送申请
• 缺点
  • 每个需要进行DMA传送的外设都要对应一个DMA控制器，且DMA控制器是由硬件实现的，不易修改。于是在大型计算机系统中通常设置专门的硬件装置—通道。
    • 独立的dma控制器和自带的dma控制器

4、I/O通道控制方式

• 定义
  • 说通道是一种弱鸡版的CPU是因为，与CPU相比，通道可以执行的指令很单一，并且通道程序是放在主机内存中的，也就是说通道与CPU共享内存。
• 工作原理
  • I／O通道具有少数专用的指令系统，能实现指令所控制的操作，管辖其相应的设备控制器，所以I／O通道已具备简单处理机的功能。但它仅仅是面向外围设备的控制和数据的传送，其指令系统也仅仅是几条简单的与I／O操作有关的命令。
  • I／O通道要在CPU的I／O指令指挥下启动、停止或改变工作状态。因此，l／O通道不是一个完全独立的处理机，它只是从属于CPU的一个专用I／O处理器。它的进一步发展是引入专用的输入输出处理机。
• 工作步骤
• 特点
  • 通道方式的出现进一步提高了CPU的效率。但需更多的硬件电路。

5、 输入输出处理机(IOP)方式

• 有单独的存储器和独立的运算部件，可访问系统的内部存储器
• 除数据传输外，还应有以下功能：能处理传送过程中出错及异常情况，数据格式翻译，数据块校验。
• IOP方式是通道方式的进一步的发展。它们大多应用在中、大型计算机中。
• 对比
  • 我们其实可以发现，程序中断方式和DMA方式主要是针对CPU参与的两个过程：I/O准备和数据传送来做出改进。
  • 中断方式是对I/O准备做出改进，它不需要CPU不断查询来确认外设状态，而是引入了中断机制，在I/O准备好后，通过中断请求通知CPU，而在外设准备阶段，CPU是可以执行原来的主程序，也就是说CPU只参与数据传送阶段。而DMA方式更是将数据传送阶段也给省了，将数据传送的工作交给DMA控制器，使得CPU更加专注于主程序的执行。

设备

CPU执行指令除了访问内存之外还要访问很多设备（Device），如键盘、鼠标、硬盘、显示器等，那么它们和CPU之间如何连接呢？如下图所示。

IO端口的编址方式

有些设备像内存芯片一样连接到处理器的地址总线和数据总线，正因为地址线和数据线上可以挂多个设备和内存芯片所以才叫“总线”，但不同的设备和内存芯片应该占不同的地址范围。访问这种设备就像访问内存一样，按地址读写即可，但和访问内存不同的是，往一个地址写数据只是给设备发一个命令，数据不一定要保存，而从一个地址读数据也不一定是读先前保存在这个地址的数据，而是得到设备的当前状态。设备中可供读写访问的单元通常称为设备寄存器（注意和CPU寄存器不是一回事），操作设备的过程就是读写这些设备寄存器的过程，比如向串口发送寄存器里写数据，串口设备就会把数据发送出去，读串口接收寄存器的值，就可以读取串口设备接收到的数据。

还有一些设备集成在处理器芯片中。在上图中，从CPU核引出的地址和数据总线有一端经总线接口引出到芯片引脚上了，还有一端没有引出，而是接到芯片内部集成的设备上，无论是在CPU外部接总线的设备还是在CPU内部接总线的设备都有各自的地址范围，都可以像访问内存一样访问，很多体系结构（比如ARM）采用这种方式操作设备，称为内存映射I/O（Memory-mapped I/O）。但是x86比较特殊，x86对于设备有独立的端口地址空间，CPU核需要引出额外的地址线来连接片内设备（和访问内存所用的地址线不同），访问设备寄存器时用特殊的in/out指令，而不是和访问内存用同样的指令，这种方式称为端口I/O（Port I/O）。

IO与进程

从CPU的角度来看，访问设备只有内存映射I/O和端口I/O两种，要么像内存一样访问，要么用一种专用的指令访问。其实访问设备是相当复杂的，计算机的设备五花八门，各种设备的性能要求都不一样，有的要求带宽大，有的要求响应快，有的要求热插拔，于是出现了各种适应不同要求的设备总线，比如PCI、AGP、USB、1394、SATA等等，这些设备总线并不直接和CPU相连，CPU通过内存映射I/O或端口I/O访问相应的总线控制器，通过总线控制器再去访问挂在总线上的设备。所以上图中标有“设备”的框可能是实际的设备，也可能是设备总线的控制器。

在x86平台上，硬盘是挂在IDE、SATA或SCSI总线上的设备，保存在硬盘上的程序是不能被CPU直接取指令执行的，操作系统在执行程序时会把它从硬盘拷贝到内存，这样CPU才能取指令执行，这个过程称为加载（Load）。程序加载到内存之后，成为操作系统调度执行的一个任务，就称为进程（Process）。进程和程序不是一一对应的。一个程序可以多次加载到内存，成为同时运行的多个进程，例如可以同时开多个终端窗口，每个窗口都运行一个Shell进程，而它们对应的程序都是磁盘上的/bin/bash文件。

操作系统（Operating System）本身也是一段保存在磁盘上的程序，计算机在启动时执行一段固定的启动代码（称为Bootloader）首先把操作系统从磁盘加载到内存，然后执行操作系统中的代码把用户需要的其它程序加载到内存。操作系统和其它用户程序的不同之处在于：操作系统是常驻内存的，而其它用户程序则不一定，用户需要运行哪个程序，操作系统就把它加载到内存，用户不需要哪个程序，操作系统就把它终止掉，释放它所占的内存。**操作系统最核心的功能是管理进程调度、管理内存的分配使用和管理各种设备，做这些工作的程序称为内核（Kernel），在我的系统上内核程序是/boot/vmlinuz-2.6.28-13-generic文件，它在计算机启动时加载到内存并常驻内存。**广义上操作系统的概念还包括一些必不可少的用户程序，比如Shell是每个Linux系统必不可少的，而Office办公套件则是可有可无的，所以前者也属于广义上操作系统的范畴，而后者属于应用软件。

IO与中断

访问设备还有一点和访问内存不同。内存只是保存数据而不会产生新的数据，如果CPU不去读它，它也不需要主动提供数据给CPU，所以内存总是被动地等待被读或者被写。而设备往往会自己产生数据，并且需要主动通知CPU来读这些数据，例如敲键盘产生一个输入字符，用户希望计算机马上响应自己的输入，这就要求键盘设备主动通知CPU来读这个字符并做相应处理，给用户响应。这是由中断（Interrupt）机制实现的，每个设备都有一条中断线，通过中断控制器连接到CPU，当设备需要主动通知CPU时就引发一个中断信号，CPU正在执行的指令将被打断，程序计数器会指向某个固定的地址（这个地址由体系结构定义），于是CPU从这个地址开始取指令（或者说跳转到这个地址），执行中断服务程序（ISR，Interrupt Service Routine），完成中断处理之后再返回先前被打断的地方执行后续指令。比如某种体系结构规定发生中断时跳转到地址0x00000010执行，那么就要事先把一段ISR程序加载到这个地址，ISR程序是内核代码的一部分，在这段代码中首先判断是哪个设备引发了中断，然后调用该设备的中断处理函数做进一步处理。

由于各种设备的操作方法各不相同，每种设备都需要专门的设备驱动程序（Device Driver），一个操作系统为了支持广泛的设备就需要有大量的设备驱动程序，事实上Linux内核源代码中绝大部分是设备驱动程序。设备驱动程序通常是内核里的一组函数，通过读写设备寄存器实现对设备的初始化、读、写等操作，有些设备还要提供一个中断处理函数供ISR调用。