# 外设

• 外设种类很多
• 速度比 CPU 和 RAM 慢
• 外设不直接与系统总线连接
• 需要 IO 模块

# IO 模块

• 与 CPU 和内存的接口
• 与一个或多个外设的接口
• I/O 模块化架构旨在提供控制与外部世界交互的系统方法，并为操作系统提供信息以有效管理 I/O 活动

# 外设模块图

# IO 模块

# IO 模块的功能

• Control & Timing
• CPU ~ I/O Communication
• Device ~I/O Communication
• Memory ~ I/O communication
• Data Buffering
• Error Detection

# IO 步骤

• cpu 检查 io 模块的和设备状态
• IO 模块返回状态
• 如果 ready,cpu 请求数据传输
• IO 模块从设备获取数据
• IO 模块将信息传递给 CPU
  • 可编程 IO
  • 中断驱动 IO
  • DMA/Channel

# I/O Communication

• 命令译码
• 数据交换
  • 外部数据通过 local bus 传递给 IO buffer
  • IO buffer 通过系统总线传递给 CPU/memory
• 状态报告
• 地址识别

# data buffer

• IO 模块重要功能
• 使外设适应 CPU 或主存储器的速度
  • CPU/DRAM <–> I/O buffer
  • I/O buffer <–> peripherals

# 检错

包括硬件故障和软件故障

# IO 模块结构

# IO 模块决策

支持多个或单个设别

将设备属性隐藏或揭示给 CPU

控制设备功能 / 离开 CPU

# 编程式 IO

• With programmed I/O, data are exchanged between the CPU and I/O modular
• CPU has direct control over I/O in a program
  Sensing status
  Read/write commands
  Transferring data
• CPU waits for I/O module to complete operation when it issues an I/O command Wastes CPU time

# 执行过程

1. CPU 遇到一条 I/O 指令

2. 它通过向 I/O 模块发送一个命令来执行它，并等待 I/O 模块就绪

3. I/O 模块执行命令，然后在 I/O 状态寄存器中设置适当的位

4. CPU 定期检查状态位，直到它发现操作完成

# IO commands

• CPU 发送地址
  • Identifies module & device ( if >1 per module
• CPU 发送四种命令
  • control,test,read/write

# IO 设备的地址

• 在编程的 I / O 下，数据传输非常像内存访问（CPU 视角）
• 每个设备都有唯一标识符
• CPU 命令包含标识符（地址）

# IO mapping

• 存储器映射式 memory-mapped

设备和内存共享地址空间

I/O 看起来就像存储器 read/write

没有针对 I/O 的特别命令

• 分离式 isolated

单独的地址空间

需要 I/O 或存储器选择线

有 I/O 特殊命令：指令集不会太多

# 总结

• 优点
  简单、处理器完全在控制中
• 缺点
  轮询开销可能会消耗大量 CPU 时间
• 解决方案
  使用异常机制来帮助 I/O。 I/O 就绪时中断程序，数据传输完成后返回

# Interrupt Driven I/O Basic Operation

CPU 发出读取命令，然后执行其他操作
I/O 模块从外设获取数据，而 CPU 执行其他工作
I/O 模块中断中央处理器
中央处理器请求数据
I/O 模块通过总线传输数据
最后，CPU 恢复以前的工作

# CPU viewpoint

• 发出读取命令
• 做其他工作
• 在每个指令周期结束时检查中断
• 如果中断：
  保存上下文（寄存器）
  进程中断
  获取数据和存储
  还原上下文
• 继续以前的工作

# I/O module viewpoint

从 CPU 接收读取命令
检测外设的状态
从外设读取数据，将其放入寄存器
向 CPU 发出中断信号
等到 CPU 请求其数据
将数据放在数据总线上

# 处理中断

• 多条中断线
  每个模块的不同生产线，限制设备数量
• 软件轮询
  • CPU 通过中断服务子例程依次询问每个模块命令 + I/O 模块地址
    读取每个 I/O 模块中包含的可寻址状态寄存器
    CPU 分支到设备服务例程
  • 慢（耗时）
• 菊花链或硬件轮询总线
  所有 I/O 模块共享一个公共中断请求行
  一旦 CPU 检测到中断，中断确认就会沿着链向下发送
  模块负责在总线上放置矢量（地址，id）
  CPU 使用矢量指向适当的设备服务例程
  称为向量中断
• 仲裁（矢量）
  模块必须先声明总线，然后才能引发中断
  CPU 检测到中断，通过中断确认线响应。
  I/O 模块在数据总线上放置矢量
  例如 PCI 和 SCSI

# 多中断处理

对于多条线路，每条中断线都有一个优先级
优先级较高的行可能会中断优先级较低的行
使用软件轮询时，模块轮询的顺序决定了其优先级
使用菊花，雏菊上模块的顺序决定了它们的优先级

# DMA

# 概念

中央处理器外部
总线上的附加模块（硬件）
DMA 控制器接管 CPU 进行 I/O
将数据块传入或传出内存，无需 CPU 干预
事实上，DMA 也是一个 I/O 模块
在公共汽车上充当激射器
内存系统就像从属系统
管理字节字转换
优先级：DMA > CPU

# CPU 和 DMA 之间的三种数据传输模式：

• 块传输模式（垄断模式）
  整个数据块以一个连续的序列传输
  如果 DMA 传输数据，CPU 将禁用一段时间，直到 DMA 释放总线
  用于将程序或数据文件加载到内存中
• 周期窃取模式
  DMA 仅在 CPU 不需要总线或强制 CPU 暂时挂起操作时使用总线
  DMA 传输一字数据，然后释放总线
  DMA 交错指令和数据传输
• 透明模式（备用模式）
  DMA 和 CPU 按除数时间使用总线多路复用
  需要最多时间，但效率最高

# DMA 结构

# DMA 操作

• 预处理：CPU 告诉 DMA 控制器
  读 / 写
  设备地址
  数据内存块起始地址
  要传输的数据量
  CPU 继续进行其他工作
• 数据传输：DMA 控制器处理传输（逐字）
• 后处理：DMA 控制器完成后发送中断
  

# DMA 传输周期窃取

• DMA 控制器接管总线一个周期
• 传输一个字的数据
• 不是中断
  CPU 不切换上下文
• CPU 在访问总线之前挂起
  即在操作数或数据获取或数据写入之前
• 降低 CPU 速度，但不如 CPU 进行传输

# DMA 三种结构

# I/O Channels

I/O 通道是一个 I/O 模块，具有自己的处理器，可以执行 I/O 程序
I/O 程序位于主内存中
I/O 通道能够通过执行 I/O 程序来控制整个 I/O 操作
CPU 和内存←→通道←→IO 模块←→外围设备
事实上，I/O 通道代表了 DMA 概念的扩展。

# IO 通道的功能

从中央处理器接收命令
从内存加载 I / O 程序，然后解码每个指令并将命令发送到设备
缓冲、控制和传输数据，提供传输路径
报告设备状态或中断

# 工作原理

主 CPU 发送 I/O 命令并等待通道和设备准备就绪
通道数
设备数量
频道节目录入
数据大小
主控 CPU 启动通道并返回主程序
通道执行 I/O 程序以在内存和设备之间传输数据
数据传输完成后，中断 CPU

# I/O 通道的类型

信道容量 / 数据传输速率
每单位通道时间传输的最大数据
选择器通道
在任何时候，只选择一个设备来传输数据
高速设备

# 多路复用器通道

• 字节多路复用器通道
  设备之间的循环
  对于设备，仅传输一个字节的数据
  用于低速设备
• 块多路复用器通道
  设备之间的循环
  对于设备，传输的 K 字节数据

# I/O 功能的演变

• CPU 直接控制外设
• 添加了控制或 I/O 模块
  编程 I/O
• 中断驱动的 I/O
• DMA
  设备–内存
• I/O 通道
  I/O 处理器，无本地内存
• I/O 处理器
  I/O 处理器 + 本地内存

# 连接设备

• 点对点
  I/O 模块和外部设备之间的专用线路
  例如键盘、打印机、调制解调器等。
• 点到多点
  外部总线
  外部大容量存储
  多媒体设备（光盘、视频、音频）
  FireWire & InfiniBand

# 串行或并行

打印机、鼠标、键盘等
磁盘、磁带等

# 从 I/O 模块到外设的写入操作

I/O 模块发送控制信号，请求发送数据的权限
外设确认请求
I/O 模块传输数据
外设确认收到数据

# 小型计算机系统接口 （SCSI）

用于 CD-ROM 驱动器、音频设备、外部大容量存储设备的标准接口
并行接口
8、16、32 位数据线
菊花链式本地总线，连接到 PCI
设备是独立的
设备可以相互通信以及主机

# firewire

高性能串行总线，带简单连接器，单端口上最多 63 个设备
菊花链或树结构
热插拔，自动配置
快
成本低，易于实施
也用于数码相机、录像机和电视

# firewire 3 层协议

• 物理的
  传输介质、电气和信号特性
  数据速率从 25 到 400Mbps
  仲裁：优先权
• 链接
  数据包中的数据传输
  两种传输类型：
  异步
  等时的
• 交互
  请求 - 响应协议

# 词汇

1. Cycle stealing: 周期窃取

2. Interrupt: 中断

3. Isolated I/O: 分离式 I/O

4. Memory-mapped I/O: 存储映射式 I/O

5. Multiplexor channel: 多路转换通道

6. Parallel I/O: 并行器 I/O

7. Peripheral device : 外围设备

8. Selector channel: 选择通道

# keypoint

Functions of I/O Module?
I/O module structure
Input Output Modes
DMA &channel
SCSI
Firewire