输入输出系统¶

I/O接口¶

I/O接口的基本功能设备寻址,数据交互,设备控制,状态检测,数据缓冲.格式转换,中断,时序控制和数据检错,纠错等功能(具体看课本)

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总线接口按照总线标准进行设计
内部接口因设备的不同而不同,是非标准的
数据缓存寄存器(DBR) 用于缓冲数据,匹配CPU与外部设备之间的速度差异
设备状态寄存器(DSR) 用于反馈设备状态在程序查询方式中,CPU通过读取状态寄存器来判断设备的状态
设备命令寄存器(DCR) 用于接收CPU发送的设备控制命令
设备存储器常用于设备自身的运算和处理

I/O接口的编址 I/O接口中的各种寄存器,存储器都由CPU进行统一分配设备地址,并通过对应的设备地址访问,通常可以分为统一编址和独立编址两类

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统一编址内存映射编址(Memory-mapped) 外部设备与内存地址统一编址,二者在逻辑上属于同一地址空间,通过不同区域来区分访问内存还是访问外设.

使用统一的访存指令访问内存与I/O设备
通常不能使用Cache进行缓存
系统I/O接口的地址是固定,而热插拔的I/O设备通常是在计算器启动过程中动态分配的

独立编址端口映射编址(Port-mapped) I/O地址空间和主存地址空间相互独立, 此时I/O地址又称为I/O端口

必须使用特殊的I/O指令访问外部设备
系统I/O端口号通常是固定,热插拔I/O的端口号是启动过程中动态分配的

I\O控制方式

程序控制方式¶

程序控制方式(PIO) CPU直接执行一段输入输出的程序来实现CPU与外部设备的数据交换.

分为程序查询(轮询方式) 每次传送前都要查询设备状态,只有设备准备就绪后才可进行后续操作(条件传送)
直接传送无须查询设备状态,直接进行数据交互(无条件传送)

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程序查询有两种策略忙等待(独占式查询)和定时轮询

独占式查询策略中CPU在等待设备准备数据的过程中会不断查询设备的状态寄存器
定时轮询策略中CPU会通过定时时钟中断,并调度其他进程上CPU执行

程序中断控制方式¶

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中断优先级和中断屏蔽字

中断优先级 CPU响应并处理中断请求的优先级
- 响应优先级 CPU对各设备中断请求进行响应的先后次序,在硬件线路上是固定的,不便于改动
  - 不可屏蔽中断 > 内部异常 > 可屏蔽中断
  - 内部异常中硬件终止属于最高级,其次是指令异常或自陷等程序故障
  - DMA中断请求优于I/O设备传送的中断请求
  - 高速设备优于低速设备;输入设备优于输出设备;实时控制设备优于普通设备
- 处理优先级中断嵌套的实际优先级处理次序,利用中断屏蔽技术动态调整
  - 若不采用中断屏蔽技术,则与响应优先级保持一致中断屏蔽字

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在终端控制器中设置一个中断屏蔽寄存器(IMR),其中的每一位对应一个设备的中断源
- 为1的时候表示屏蔽对应设备的中断请求信号
- 为0的时候表示允许对应设备的中断请求信号
  - 若允许多重中断则可以打断先去的中断处理程序
CPU为每个设备分配不同的中断屏蔽字,CPU执行某设备的中断服务的时候回将该设备的中断屏蔽字载入IMR,所有中断请求回遇IMR中对应的位的值进行逻辑与

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通过调整中断屏蔽字可以将高响应优先级的中断进行屏蔽,从而提高低响应优先级的处理优先级
中断屏蔽字只对CPU运行中断服务程序时的中断嵌套有用,并不具备改变CPU运行主程序时的中断响应优先级
- 同时到达的多个为屏蔽中断,只能按照响应优先级进行处理

单级中断与多重中断

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区分二者并不是~~单级中断没有优先级;多级中断有优先级~~
而是多级中断的高优先级中断可以打断低优先级的中断

中断优先级的示例

中断请求¶

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INTR 中断请求线缆 INTA 中断响应线缆
独立请求方式每个中断源独立请求独立响应,方便实现向量中断,可以快速找到中断入口地址;但系统拓展困难
链式请求方式所有中断源共享一条请求线缆,系统拓展容易
- 硬件查询法 CPU给出中断应答信号,通过串行电路从左往右顺序查询, 离CPU越近中断响应优先级越高
- 软件查询法通过公共中断服务程序轮询每个中断源,优先级与轮询方式有关,越早轮询优先级越高
中断控制器方式中断控制器负责实现外部中断的优先级仲裁逻辑与中断识别
- 支持中断屏蔽字技术
分组链式独立请求与链式请求的折中办法

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中断请求的硬件支持

中断请求寄存器(IRR) IRR中的内容即中断字,通过中断字确定中断源,并转入对应中断服务
中断屏蔽寄存器(IMR) 用于动态改变中断处理优先级
- 其内的每一位取反后与IRR中的位进行逻辑与
- IMR中为1的中断源被屏蔽,为0的中断源不会被屏蔽
中断服务寄存器(ISR) 在多重中断中用于存放正在被服务的中断请求,包含以及得到中断响应但中断服务尚未结束的所有中断请求.
- 普通屏蔽模式当新的中断请求比ISR中最高优先级的中断源还高的时候才会中断当前服务.
- 特殊屏蔽模式不判断ISR中的优先级,这样未被屏蔽的中断都可以打断当前中断
中断优先级排队电路(PR)
中断允许触发器(IE/IF) 也称中断使能位,中断标志位,用于开,关中断控制.
- 仅能关闭可屏蔽中断的中断请求

中断响应¶

中断响应的条件

中断响应过程-CPU

CPU在进行中断响应过程不能执行其他任务
中断隐指令是CPU在执行中断响应过程中这一系列操作的总称,并非真的指令

中断识别¶

中断识别通常由两种非向量中断和向量中断, 其中非向量中断即链式请求的软件查询法,通过一个公共的中断服务程序轮询设备.

向量中断

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中断号每个设备的中断源唯一的中断编号
- 中断号由计算机系统统一分配,通常是固定不变的
- 可屏蔽的外部中断,其中断号在中断响应周期内从中断控制器获得
- 系统调用等自陷指令的中断号由指令直接给出
- 不可屏蔽中断以及异常的中断号则有系统预先设置
中断向量对应中断源的中断服务程序的入口地址(可能包括程序状态字)
中断向量表中断向量的集合
- 中断向量表通常常驻内存
- 在计算机启动初期,OS内核引导阶段由硬件初始化中断向量表
- 当OS内核启动后,交给OS管理中断向量表
向量地址(中断指针) 用于访问中断向量表的某一表项的地址

中断的处理¶

中断VS子程序调用

中断处理的流程

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顶半(Top half)和底半(Bottom Half) Linux中为了解决中断服务需要长期关中断的策略
- Top half 由实际中断服务程序完成,关中断执行,只完成简单的寄存器交互
- Bottom half 开中断运行,负责完成耗时较大的任务,如实际数据传输工作
关中断由硬件(中断隐指令)完成,而开中断则是由软件(指令)时间的