Chapter 7. 输入/输出系统

公式与性质

• I/O 接口中的寄存器

  1. 数据缓冲寄存器：暂存与 CPU 或内存之间传送的数据信息。
  2. 状态寄存器：记录接口和设备的状态信息。
  3. 控制寄存器：保存 CPU 对外设的控制信息。
  • 状态寄存器与控制寄存器在传送方向上相反，在访问时间上错开，可以将二者合二为一。

• I/O 接口中的数据线、地址线、控制线

  1. 数据线：传送读/写数据、状态信息和中断类型号。
  2. 地址线：传送要访问的 I/O 接口中的寄存器的地址。
  3. 控制线：传送读/写控制信号，以确认是读寄存器还是写寄存器；还传送中断请求和响应信号、仲裁信号和握手信号。

• I/O 接口的类型

  • 按数据传送方式：并行接口、串行接口。
  • 按主机访问 I/O 设备的控制方式：程序查询接口、中断接口、 DMA 接口。
  • 按功能选择的灵活性：可编程接口和不可编程接口。

• 端口与接口不同，端口是指接口电路中可以进行读/写的寄存器。

• 中断处理流程

  • 由中断隐指令（硬件自动）完成：
    1 关中断。
    2 保存断点。
    3 中断服务程序寻址。
  • 由中断服务程序完成：
    4 保存现场和屏蔽字，现场是指用户可见的工作寄存器的内容。
    5 开中断。
    6 执行中断服务程序。
    7 关中断。
    8 恢复现场和屏蔽字。
    9 开中断、中断返回。
  • 现场和断点都不能被中断服务程序破坏。由于现场信息可用指令直接访问，因此通常在中断服务程序中通过指令把它们保存在栈中，即由软件实现；而断点信息由 CPU 在中断响应时自动保存到栈或指定的寄存器中，即由硬件实现。
  • 若为单重中断，去掉上述流程的 5 和 7 即可。

• 向量中断： CPU 响应中断后，通过识别中断源获得中断类型号，计算出对应中断向量的地址（硬件形成），再根据该地址从中断向量表中取出中断服务程序入口地址，送入 PC 。

概念

• I/O 设备要通过设备控制器与系统总线相连。

  系统总线不能直接与 I/O 端口相连。

考点

• 中断处理和子程序调用都需要压栈以保护现场，中断处理一定会保存而子程序调用不需要保存的是程序状态寄存器。

• 每条指令结束后， CPU 先检查是否有中断请求，没有则继续执行下一条指令。不是所有指令都有中断周期。

• 在 CPU 响应中断时，硬件需要保护的断点包括 PC 与 PSW 的内容。

  程序保护现场，硬件保护断点（中断返回地址）和机器状态信息。
  通用寄存器属于现场（用户能看到的内容）。

• 在中断处理或子程序调用过程中，一般将返回地址保存在栈或专门寄存器中。

• 在中断发生后，进入中断处理的程序属于操作系统程序。

• 若 CPU 检测到中断请求信号，则一定存在未被屏蔽的中断信号。

  被屏蔽一定检测不到。

• 隐指令是指指令系统中没有的指令（硬件的一系列自动操作）。

• 中断响应优先级由硬件决定；中断处理优先级可由中断屏蔽字控制，中断屏蔽字一般应当屏蔽自己本身。

• DMA 采用周期窃取方式时，窃取的时间是存取周期。

• DMA 请求的优先级高于中断请求（高于非屏蔽、可屏蔽中断）。

• 对中断请求对响应只能发生在每条指令结束时（执行周期后）；而对 DMA 请求的响应可以发生在任意一个机器周期结束时（取址、间址、执行周期后均可）。

• 在独立编址方式下，存储单元和 I/O 设备是依靠不同的指令来区分的。

  独立编址有单独的 I/O 指令。