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26考研 | 王道 | 计算机组成原理 | 七、输入输出系统

7.1 输入输出系统及I/O控制方式

I/O接口：又称I/O控制器、设备控制器、负责协调主机与外部设备之间的数据传输。（I/O控制器就是一块芯片，常被集成在主板上）

I/O控制方式简介

DMA控制方式

通道控制方式

I/O系统基本组成

在配有通道的计算机系统中，用户需要输入输出时，引起的中断是 访管中断 （因为这时调用的是系统提供的接口，要去请求操作系统服务，此时会使得访管中断）

外部设备(考纲没有，做个了解)

7.2 I/O接口

磁盘驱动器是磁头、磁盘和读写电路组成的，也就是常说的磁盘本身，不是I/O接口

功能：选址功能、传送命令功能、传送数据功能、反映I/O设备工作状态的功能

I/O接口的工作原理

接口和设备之间不会传送中断请求信号

接口与端口

统一编址 V.S. 独立编址

I/O接口的类型

磁盘驱动器向盘片磁道记录数据时采用穿行方式写入

USB就是串行接口

程序员进行系统调用访问设备使用的是逻辑地址

7.3 I/O方式

1.在各种I/O方式中，这三种方式的特点如下所示：

2.DMA优先级高于程序中断的优先级

3.程序中断方式需要保护现场，DMA方式在传输过程中不需要保护现场

4.程序中断过程是由硬件（称中断隐指令）和中断服务程序共同完成的

5.中断I/O方式下，CPU执行中断服务程序时会执行相应的I/O指令，实现CPU的通用寄存器和外设接口中的寄存器之间的直接数据交换

6.中断请求的是CPU时间，要求CPU执行程序来处理发生的相关事件

7.CPU对外部中断的响应不可能发生在一条指令的执行过程中

1. 程序查询方式

2. 中断的作用和原理

1.CPU响应中断的三个条件：中断源有中断请求、CPU允许中断以及开中断、一条指令执行完毕并且没有更紧迫的任务

（开中断时，CPU只要检测到中断请求就进行中断响应，不管多重还是单重）

2.中断服务程序一般是操作系统模块

3.中断向量方法可提高中断源的识别速度

4.中断向量地址是内存中存放中断向量的地址，也就是中断服务程序入口地址的地址，也就是说中断向量其实是中断服务程序入口地址

5.中断服务程序最后的指令是中断返回指令，不是无条件转移指令。不同的地方在于，不仅要修改PC值，还要恢复现场

6.中断响应的优先级不是由中断屏蔽字决定的，在中断响应阶段之前，CPU根据中断屏蔽字将所有未被屏蔽的中断请求送到硬件电路（或中断查询程序）进行中断响应判优

7.在中断响应周期，由中断隐指令将允许中断触发器置0，表示关中断

8.进入中断响应阶段时，CPU一定处于开中断状态（进入响应阶段，说明有请求并且CPU也响应了，那说明还可以收到请求，那说明就是开中断状态）

9.中断优先级包括响应优先级和处理优先级，响应优先级由硬件线路或者查询程序的查询顺序确定，不可动态改变，处理优先级由中断屏蔽字确定，可灵活改变

中断的基本概念

中断请求的分类

中断请求标记

中断判优实现

中断判优-优先级设置

中断处理过程

其实就是排队器选择一个中断后，把结果输入到中断向量地址形成部件，然后映射成向量地址

根据向量地址，我们就可以找到入口地址了

1.中断响应阶段（硬件自动完成）

• 中断请求
  • 操作：中断源（外设/定时器/异常）通过物理引脚（如INTR）或内部逻辑发送请求信号，并保持信号直至响应
  • 硬件支持：中断控制器（如APIC）管理多源请求的优先级
• 中断响应
  • 操作：CPU在当前指令的最后一个时钟周期扫描中断引脚。若中断使能（IF=1）且请求有效，发送应答信号（INTA）
  • 关键限制：长指令（如X86 REP MOVS）需执行完毕才响应
• 关闭中断
  • 操作：硬件自动清除标志寄存器（EFLAGS）的IF位，屏蔽后续可屏蔽中断，防止现场保护时被抢占
  • 例外：不可屏蔽中断（NMI）仍可触发
• 保护断点
  • 操作：CPU自动将程序计数器（PC/EIP） 和程序状态字（PSW/EFLAGS） 压入内核栈
  • 意义：确保中断返回后能继续执行原指令流。
• 中断源识别
  • 操作：通过中断向量号（如0x80为系统调用）查询中断描述符表（IDT），定位中断服务程序入口地址
  • 多源处理：共享中断（如PCI设备）需软件二次查询中断控制器状态

2. 中断处理阶段（操作系统/驱动主导）

• 保护现场
  • 操作：中断服务程序（ISR）开头用PUSH指令保存通用寄存器（EAX/EBX等）内容到栈中，防止主程序状态被破坏
  • 编程责任：由开发者编写保存代码，非硬件自动完成。
• 执行中断服务程序（ISP）
  • 上半部（Top Half）：
    • 立即处理关键操作：读取外设数据寄存器、清除中断标志
    • 特点：不可阻塞、不可嵌套（关中断状态下执行）。
  • 下半部（Bottom Half）：
    • 延迟处理耗时操作：网络包处理、磁盘I/O调度
    • 实现机制：
      • softirq：高优先级，多CPU并行执行
      • tasklet：单CPU串行执行
      • workqueue：可睡眠的线程上下文
• 恢复现场
  • 操作：ISP末尾用POP指令从栈中恢复寄存器原值，与保护现场成对出现

3. 中断返回阶段

• 恢复断点
  • 操作：执行IRET指令时，硬件自动从栈中弹出PC和PSW值，装载回寄存器
  • 原子性：恢复操作不可分割，防止状态不一致。
• 开中断
  • 操作：IRET指令隐式恢复标志寄存器（含IF位），重新允许响应中断
• 返回原程序
  • 操作：CPU从断点地址继续执行原指令流，中断处理结束

3. 多重中断

中断屏蔽技术

4. 程序中断方式

5. DMA方式

CPU会在每个存取周期（总线周期）结束后检查是否有DMA请求，而不是一条指令执行过程的末尾

只有具有DMA接口的设备才能产生DMA请求。否则即使是当前设备是高速设备或者需要与主机批量交换数据，也不能产生DMA请求

程序中断方式每次传输一次数据就得中断一次。

而DMA方式（并且没有DMA总线的情况下）每传输一次数据只需要占用一下系统总线（就是中间空下的那一个存取周期），若CPU此时没有访存操作，即不需要用到系统总线的操作，那么CPU可以执行其他程序，如果CPU有访存操作，即需要用到系统总线的操作，那么会等到DMA控制器用完以后，CPU再用，那就是中间的那个空下的存取周期

如果是三总线结构，即有DMA总线时，都不需要占用系统总线，只需要考虑和CPU是否会同时读写主存的问题，就是后面提到的三种策略

向CPU报告是发出一个中断信号

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