【计算机组成原理】计算机系统结构笔记（4）：输入输出系统

200801本篇是郑纬民《计算机系统结构》的读书笔记，欢迎各位路过指正！今天是第四章：输入输出系统。

4. 输入输出系统

针对实时性，采用层次结构的方法；针对与设备无关性，采用分类处理的方法；针对异步性，采用自治控制的方法，
输入输出系统的组织方式：自治控制、层次结构、分类组织（面向字符的设备和面向数据块的设备）。
三种输入输出方式：
- 程序控制输入输出方式：分为状态驱动输入输出方式、应答输入输出方式、查询输入输出方式、条件驱动输入输出方式。
- 中断输入输出方式：CPU暂停执行现行程序，转去处理这些事件，等处理完成后再返回来继续执行原先的程序。
- 直接存储器访问方式：直接存储器访问方式 ( DMA），主要用来连接高速外围设备。**数据的传送过程不需要CPU的干预。**全部用硬件实现，不需要做保存现场和恢复现场等工作。
目前使用的DMA方式：
- 周期窃取方式：在每一条指令执行结束时，CPU测试有没有DMA服务申请。
- 直接存取方式：整个工作流程全部用硬件完成。
- 数据块传送方式：在设备控制器中设置一个比较大的数据缓冲存储器。采用程序中断方式进行。

引起中断的各种事件称为中断源。
中断源的种类：外围设备、处理机、存储器、控制器、总线、实时过程控制、多机理机系统、程序调试断点、硬件故障、电源故障。
中断系统的软硬件分配：考虑中断响应时间和灵活性。必须用硬件实现的有：保存中断点和进入中断服务程序入口。必须用软件实现的有：中断服务和返回到中断点。
中断响应时间影响因素：最长指令执行时间、处理其它更紧急的任务所用时间、从第一次关CPU中断到第一次开CPU中断所经历的时间和通过软件找到中断服务程序入口所用时间。
中断源的识别方法：查询法（所有中断源共用一条中断请求线）、软件排队链法（设置一个中断请求寄存器，每个中断源在其中中占据一位）、硬件排队链法（用硬件排队器和编码器，在所有请求中断服务的中断源中，找出具有最高优先级的中断源）、中断向量法（在主存储器的固定区域中开辟出一个专用的中断向量区）、独立请求法（各个中断源使用自己独立的中断请求线）。
识别中断源的分组独立请求法：把独立请求法与串行排队链法结合起来。组内采用串行排队链法，组间采用独立请求法。

把外围设备的管理工作从CPU中分离出来。
通道的工作过程：在用户程序中使用访管指令进入管理程序，由CPU通过管理程序组织一个通道程序，并启动通道。通道处理机执行通道程序，完成指定的数据输入输出工作。通道程序结束后再次调用管理程序进行处理。每完成一次输入输出工作，CPU需要两次调用管理程序。

【计算机组成原理】计算机系统结构笔记（4）：输入输出系统

通道种类：字节多路通道（为多台低中速的外围设备服务有多个子通道，每个子通道连接一个控制器）、选择通道（为高速外围设备服务只有一个以成组方式工作的子通道）、数组多路通道（每次为一台高速设备传送一个数据块并轮流为多台外围设备服务。）
通道中的数据传送过程： $T_S$ 为设备选择时间。 $T_D$ 为传送一个字节的时间。 $D_{ij}$ 为第 $i$ 台设备的第 $j$ 个数据。
字节多路通道的数据传送过程用时 $T_{BYTE} = (T_S+T_D)\times P\times n$ 。选择通道的数据传送过程用时 $T_{SELECT}=(T_S/n+T_D)\times P\times n$ 。数组多路通道的数据传送过程用时 $T_{BLOCK}=(T_S/k+T_D)\times P\times n$ 。
增大通道流量的方法：增加通道的最大工作流量、动态改变设备的优先级、增加缓冲存储器。

【计算机组成原理】计算机系统结构笔记（4）：输入输出系统

输入输出处理机的种类：
- 是否共享主存储器：共享主存储器、不共享主存储器的输入输出处理机。
- 运算部件和指令控制部件：合用同一个、独立运算部件和指令控制部件