输入输出系统和中断总结

2024-09-04 09:12

本文主要是介绍输入输出系统和中断总结,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

IO系统基本概念

外部设备:包括输入输出设备以及通过输入输出接口才能访问的外存储设备
接口:在各个外设与主机之间传输数据时进行各种协调工作的逻辑部件
输入设备:用于向计算机系统输入命令和文本、数据等信息的部件
输出设备:用于将计算机系统中的信息输出到计算机外部进行显示、交换等部件
外存设备:除计算机内存及CPU缓存外的存储器

IO系统分为IO软件和IO硬件
软件:采用IO指令和通道指令实现CPU和IO设备的信息交换
硬件:通过设备控制器来控制IO设备的具体动作,通过总线相连

显示存储器VRAM
容量 = 分辨率 × 灰度级位数
带宽 = 分辨率 × 灰度级位数 ×帧数

中断和IO方式

其他方式在计组专题中有。这里着重讲解程序中断方式和异常中断的相关总结。

异常和中断处理系统

①CPU的数据通路中有相应的异常检测和响应逻辑
②外设接口中有相应的终端请求和控制逻辑
③操作系统重有相应的中断服务程序
这些中断硬件电路和中断服务程序有机结合,共同完成异常和中断的处理过程

异常性质:内部意外叫异常(内中断),CPU外部设备向CPU发出的中断请求叫中断(外中断)

内中断:CPU检测到的,与正在执行指令相关的同步事件
外中断:外部设备触发的,与当前执行指令无关的异步时间

异常:执行第i条指令检测到
中断:执行第i条指令检测到

1、异常分为:故障(指令执行中检测)、自陷(执行完自陷指令后才处理,非转移自陷指令跳到下一条指令,转移自陷指令返回转移目标指令进行,断点设置和单步追踪就是陷阱实现)和终止(无法继续执行的硬件故障)

2、中断:外部IO设备通过特定的终端请求信号线向CPU提出中断请求,CPU每执行完一条指令就检查中断请求信号线,如果检测到中断请求就进入响应周期。分为:可屏蔽中断(INTR发出),不可屏蔽中断(NMI发出)

此外,硬件故障=终止+外部中断,所有异常和中断都是硬件检测发现的。
根据识别中断服务程序地址方式:向量中断(硬件),软件中断(软件)

异常和中断响应

①关中断:保存断点和程序状态期间不可打断。
②保存断点和程序状态
③识别异常和中断并转到相应的处理程序:
软件识别(CPU设置一个异常状态寄存器,记录异常原因。OS使用一个统一的异常查询程序,按优先级查询,先查询到的先处理)
硬件识别(异常或中断处理程序的首地址叫做中断向量,所有中断向量都存放在中断向量表中,每个异常或中断都指定一个中断类型号)

整个响应过程不准被打断。响应过程后,CPU就从PC中取出服务程序开始执行,直至中断返回,这部分任务是由CPU通过执行中断服务程序完成的,整个中断处理过程就是软硬件协同实现的。

  • 响应优先级:当多个中断请求几乎同时到达CPU时,响应优先级决定了它们被处理的顺序。哪个中断的响应优先级高,哪个就先得到处理。
  • 处理优先级:处理优先级在中断正在进行中时发生作用。如果一个新的中断请求拥有更高的处理优先级,那么当前的中断处理会被打断,转而处理新的中断。

异常和中断处理系统是硬件层的,进程上下文切换是OS层的

程序查询方式

显然程序查询是外部中断的一种

CPU响应外部可屏蔽中断条件:
①中断源有中断请求
②CPU允许中断及开中断
③一条指令执行完毕而且没有更紧迫的任务

CPU响应中断后,经过某些操作,转去执行中断服务程序。这些操作是由硬件直接实现的,我们叫做中断隐指令(本质上是硬件一系列的自动操作)

中断隐指令包括:
①关中断 ②保存断点 ③引出中断服务程序 

CPU响应后,将服务程序的第一条地址送入PC中。中断请求和响应信号在控制线上传送,响应后从数据线上获取中断类型号。

中断处理流程:
上述①②③,其次④保存现场和屏蔽字 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

DMA方式
①预处理:舒适化DMA控制器中的有关寄存器、设置传送方向、测试并启动设备等。然后,CPU继续执行源程序,知道IO设备准备好发送/接受的数据,IO设备向DMA发送DMA请求,再由DMA向CPU发出总线请求(这两个过程叫做DMA请求)
②数据传送:DMA以数据块为基本传送单位。DMA占用总线后的数据IO都是循环实现的,这一循环就是有DMA控制器实现的,即数据传送阶段完全由DMA(硬件)控制
③后处理:DMA控制器向CPU发送中断请求,CPU执行中断服务程序叫做DMA结束处理,包括校验数据等后处理工作。

中断请求只能在指令结束的时候才响应,DMA可以发生在任意一个机器周期急速时。
DMA请求的优先级高于中断请求
中断方式具有处理异常事件的能力,而DMA方式仅限于大批数据的传送
中断方式靠程序传送,DMA方式靠硬件传送


 

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