計算機組成原理——I/O接口以及I/O設備數據傳送控制方式

接口能夠看做是兩個部件之間交接的部分。硬件與硬件之間有接口，硬件與軟件之間有接口，軟件與軟件之間也有接口。

 這裏咱們所說的I/O接口，一邊鏈接着主機，一邊鏈接着外設。

 

I/O接口的功能

 

 

I/O接口的基本結構

CPU和外設之間一般傳遞的信息：數據、狀態、控制。

組成:寄存器組、控制邏輯電路、主機與接口和接口與I/O設備之間的信號聯接線、數據地址線、控制狀態信號線。

 

 

其實中間紅框內的部分就是對應到電路板上的插口，又分爲內部接口和外部接口兩種。

內部接口：與系統總線相連，實質上是與內存、CPU相連。數據的傳輸方式也只能是並行傳輸。

外部接口：經過接口電纜與外設相連，外部接口的數據傳輸多是串行方式，所以I/O接口需具備串並轉換功能。

 

 接口與端口

接口就是I/O接口，端口實質接口電路中能夠被CPU訪問的寄存器。

 

 

 I/O端口及其編址

爲了便於CPU對I/O設備進行尋址和選擇，必須給衆多的I/O設備進行編址，也就是說給每一臺設備規定一些地址碼，稱之爲設備號或端口地址。

統一編址：與存儲器共用地址，用訪存指令訪問I/O設備。

獨立編址：單獨使用一套地址，有專門的I/O指令。

 

 

接口類型

 

 

I/O設備數據傳送控制方式

1.程序直接控制傳送方式

又叫查詢方式。是徹底經過程序來控制主機和外圍設備之間的信息傳送。
一般的辦法是在用戶的程序中安排一段由輸入輸出指令和其餘指令所組成的程序段直接控制外圍設備的工做。也就是說CPU要不斷地查詢外圍設備的工做狀態，一旦外圍設備「準備好」或「不忙」，便可進行數據的傳送。

該方法是主機與外設之間進行數據交換的最簡單、最基本的控制方法。
無條件傳送：只有在外設總處於準備好狀態
程序查詢方式
優勢：
較好協調主機與外設之間的時間差別，所用硬件少。
缺點：
主機與外設只能串行工做，主機一個時間段只能與一個外設進行通信，CPU效率低。

程序查詢方式接口結構：

 

一次只能查詢一個字的緣由？在這種傳送方式下，外部數據是要存到CPU寄存器中的，故須要一個字。

 咱們經過一個例題來定量分析一下這種方式下CPU佔用狀況：

能夠發現用程序查詢的方式來管理高速設備是不科學的，該方式傳單位是字，而高速方式產生一個字的時間是很是短的，在使用程序查詢方式的時候，沒查詢這樣一個字，CPU都要執行一次程序查詢方式，而且這裏僅僅考慮了查詢的那部分時間，而數據處理的時間尚未考慮，如果考慮進去那就更不能知足高速設備的管理要求了。

 

2.程序中斷傳送方式

當外圍設備完成數據傳送的準備後，便主動向CPU發出「中斷請求」 信號。若CPU容許中斷，則在一條指令執行完後，響應中斷請求，轉去執行中斷服務子程序，完成數據傳送，一般傳送一個字或一個字節。傳送完後繼續執行原程序。
中斷請求方式在必定程度上實現了CPU和外圍設備的並行工做。
若在某一時刻有幾臺設備發出中斷請求，CPU可根據預先定好的優先級，去處理幾臺外設的數據傳送。
可是對於工做頻率較高的外設，如磁盤，數據交換一般是成批的，若採用中斷方式，則不合適。通常採用DMA方式。
優勢：避免頻繁查詢，適合隨機出現的服務和中低速外設使用。
缺點：成批數據交換時，中斷影響傳送效率，一次傳送一個字符，中斷處理時間大於傳送數據時間。須要必定的硬件電路。

三、直接存儲器訪問方式

1.    DMA方式的引入
前兩種方式以CPU爲中心，佔用CPU時間。DMA方式之內存爲中心。
2.    基本工做原理
在外圍設備和主存之間開闢直接的數據通路。在正常工做時，全部的工做週期均用於執行CPU的程序。當外圍設備完成I/O的準備工做後，佔用CPU的工做週期，和主存直接交換數據。完成後，CPU又繼續控制總線，執行原程序。
完成這項工做的是系統中增設的DMA控制器。
DMA控制器在進行DMA傳送以前，由CPU將每次傳送的主存地址、數據的個數等參數傳送給DMA控制器，而後具體的數據傳送就由DMA控制器實現，無須CPU的參與。
缺點:
 CPU須要在DMA傳送的開始和結束時參與；
 每一個須要進行DMA傳送的外設都要對應一個DMA控制器，且DMA控制器是由硬件實現的，不易修改。因而在大型計算機系統中一般設置專門的硬件裝置—通道。

三種方式的 CPU 工做效率比較：

 觀察上圖，咱們其實能夠發現，程序中斷方式和DMA方式主要是針對CPU參與的兩個過程：I/O準備和數據傳送來作出改進。

中斷方式是對I/O準備作出改進，它不須要CPU不斷查詢來確認外設狀態，而是引入了中斷機制，在I/O準備好後，經過中斷請求通知CPU，而在外設準備階段，CPU是能夠執行原來的主程序，也就是說CPU只參與數據傳送階段。而DMA方式更是將數據傳送階段也給省了，將數據傳送的工做交給DMA控制器，使得CPU更加專一於主程序的執行。

 

四、I/O通道控制方式

I／O通道具備少數專用的指令系統，能實現指令所控制的操做，管轄其相應的設備控制器，因此I／O通道已具有簡單處理機的功能。但它僅僅是面向外圍設備的控制和數據的傳送，其指令系統也僅僅是幾條簡單的與I／O操做有關的命令。
I／O通道要在CPU的I／O指令指揮下啓動、中止或改變工做狀態。所以，l／O通道不是一個徹底獨立的處理機，它只是從屬於CPU的一個專用I／O處理器。它的進一步發展是引入專用的輸入輸出處理機。
 通道方式的出現進一步提升了CPU的效率。但需更多的硬件電路。

 

五、 輸入輸出處理機(IOP)方式

有單獨的存儲器和獨立的運算部件，可訪問系統的內部存儲器除數據傳輸外，還應有如下功能：能處理傳送過程當中出錯及異常狀況，數據格式翻譯，數據塊校驗。IOP方式是通道方式的進一步的發展。它們大多應用在中、大型計算機中。