当前位置：首页 > news >正文

【2025年软考中级】第一章1.5 输入输出技术（外设）

news 来源：原创 2025/6/16 6:02:25

文章目录

- 输入输出技术（外设）
- - I/O设备
  - 总线结构
  - 输入输出控制
  - - 程序控制方式
    - 中断方式
    - 直接内存存取（DMAC）方式
    - IO通道方式和外围处理机（IOP）方式
  - 数据传输方式
  - 生物特征认证技术

输入输出技术（外设）

主存与外设之间的相互联系

I/O设备

IO设备可分为块设备和字符设备两类。块设备把信息存放在固定大小的块中，每个块都有自己的地址，独立于其他块，可寻址。例如磁盘、USB闪存、CD-ROM等。字符设备以字符为单位接收或发送一个字符流，字符设备不可以寻址。例如打印机、网卡、鼠标键盘等。

IO设备一般都包含设备控制器，一般以芯片的形式出现，如南桥芯片。不同的控制器可以控制不同的设备。南桥芯片中包含了多种设备的控制器，如硬盘控制器、USB控制器、网卡、声卡控制器等。IO设备通过总线以及卡槽与计算机其他部件进行连接，如PCI、PCI-E、SATA、

计算机系统中存在多种内存与接口地址的编址方法，常见的是下面两种：
- 1）内存与接口地址独立编址方法
  
  内存地址和接口地址是完全独立的两个地址空间。访问数据时所使用的指令也完全不同，用于接口的指令只用于接口的读／写，其余的指令全都是用于内存的。因此，在编程序或读程序时很易使用和辨认。这种编址方法的缺点是用于接口的指令太少、功能太弱。
- 2）内存与接口地址统一编址方法
  
  内存地址和接口地址统一在一个公共的地址空间里，即内存单元和接口共用地址空间。优点是原则上用于内存的指令全都可以用于接口，这就大大地增强了 缺点就在于整个地址空间被分成两部分，其中一部分分配给接口使用，剩余的为内存所用，这经常会导致内存地址不连续。
计算机和外设间的数据交互方式：（常考）
- 程序控制（查询/直接）方式：CPU主动查询外设是否完成数据传输，效率极低。
  
  等到外设传输完成后，cpu才能做别的，相当于串行
- **程序中断方式：**外设完成数据传输后，向cpu发送中断，等待cpu处理数据效率相对较高。**中断响应时间指的是从发出中断请求到开始进入中断处理程序；中断处理时间指的是从中断处理开始到中断处理结束。中断向量提供中断服务程序的入口地址。**多级中断嵌套，使用堆栈来保护断点和现场。
  
  可以同时进行
- DMA方式（direct memory access，直接主存存取）：cpu秩序完成必要的初始化等操作，数据传输的整个过程都由DMA控制器来完成，在主存和外设之间建立直接的数据通路，效率很高。
  
  cpu不参与，dma自己完成
在一个总线周期结束后，CPU会响应DMA请求开始读取数据；CPU响应程序中断方式请求是在一条指令执行结束时。

总线结构

总线（Bus），是指计算机设备和设备之间传输信息的公共数据通道。总线是连接计算机硬件系统内多种设备的通信线路，它的一个重要特征是由总线上的所有设备共享，因此可以将计算机系统内的多种设备连接到总线上。

一条总线同一时刻仅允许一个设备发送，但允许多个设备接收。

总线：连接多个部件的信息传输线，是各部件共享的传输介质

从广义上讲，任何连接两个以上电子元器件的导线都可以称为总线，通常分为以下三类：
- 内部总线（电路板上）：内部芯片级别的总线，芯片与处理器之间通信的总线。
  
  书上没这种，不考
  
  系统总线（内部线）：是板级总线用于计算机内各部分之间的连接，具体分为
  - 数据总线Data Bus DB（并行数据传输位数，如32位）
  - 地址总线AB（系统可管理的内存空间的大小（32位系统最大只能支持2^32=4gb内存））
  - 控制总线 CB（传送控制命令）。代表的有ISA总线、EISA总线、PCI总线。
  系统总线目的在于增减外设（更换内存条等），同时减少信息传输线（注意是线）的数量；但缺点在于降低了信息传输的并行性、信息的传输速度
  - 优点：
    - 简化了系统结构，便于系统设计制造
    - 大大减少了连线数目，便于布线，减小体积，提高系统的可靠性
    - 便于接口设计，所有与总线连接的设备均采用类似的接口
    - 便于系统的扩充、更新与灵活配置，易于实现系统的模块化
    - 便于设备的软件设计，所有接口的软件就是对不同的接口地址进行操作
    - 便于故障诊断和维修，同时也降低了成本
  特点：在某一时刻，只允许有一个不见向总线发生信息，但多个部件可同时从总线接受相同信息。总线的信息传输可以串行和并行
- 外部总线：设备一级的总线，微机和外部设备的总线。代表的有RS232（串行总线）、SCSI（并行总线）、USB（通用串行总线，即插即用，支持热插拔）。
  
  书上没这种，不考
  
  总线的性能指标：
  
  带宽、位宽、工作频率
总线宽度指的是总线的位数，即数据信号的并行传输能力，也体现总线占用的物理空间和成本；总线的带宽指总线最大数据传输率，即每秒传输的数据总量，总线宽度和始终频率共同决定了总线的带宽：总线带宽=时钟频率/时钟周期*总线宽度

单总线：只有一条线，很多设备挂载在这一条线上，上面的设备都能同时接受数据，但同一时刻，只能由一台设备接受数据，不同时刻才能多台

输入输出控制

程序控制方式

（1）无条件传送：外设总是准备好的，无条件，随时接收和提供数据。
（2）程序查询方式：CPU利用程序来查询外设的状态，准备好了再传数据。

中断方式

CPU不等待，也不执行程序去查询外设的状态，而是由外设在准备好以后，向CPU发出中断请求信号通知CPU，CPU收到中断请求信号以后，保存正在执行程序的现场，转入I/0中断服务程序的执行，然后再返回到被打断的程序继续执行。
在有多个中断源的情况下，常用的处理方法有中断信号线法、中断软件查询法、菊花链法，总线仲裁法，中断向量表法。可以按中断源的优先级来安排服务的先后顺序。

（1）多中断信号线法。每个中断源都有属于自己的一根中断请求信号线向CPU提出中断
请求。
（2）中断软件查询法。当CPU检测到一个中断请求信号以后，即转入到中断服务程序去轮询每个中断源以确定是谁发出了中断请求信号。对各个设备的响应优先级由软件设定。
（3）菊花链法。软件查询的缺陷在于花费的时间太多。菊花链法实际上是一种硬件查询法所有的IO模块共享一根共同的中断请求线，而中断确认信号则以链式在各模块间相连。当CPU检测到中断请求信号时，则发出中断确认信号。中断确认信号依次在IO模块间传递，直到发出请求的模块，该模块则把它的I送往数据线由CPU读取
（4）总线仲裁法。一个IO设备在发出中断请求之前，必须先获得总线控制权，所以可由总线仲裁机制来裁定谁可以发出中断请求信号。当CPU发出中断响应信号后，该设备即把自己的ID发往数据线
（5）中断向量表法。中断向量表用来保存各个中断源的中断服务程序的入口地址。当外设发出中断请求信号（INTR）以后，由中断控制器（INTC）确定其中断号，并根据中断号查找中断向量表来取得其中断服务程序的入口地址，同时INTC把中断请求信号提交给CPU

中断嵌套：在一个中断中调用了另一个中断（优先级更高）

优先级情况：

多个中断源则选择优先级高的
中断嵌套问题

直接内存存取（DMAC）方式

数据的传输是在 主存和外设之间直接进行的，不需要cpu的干预，只需要cpu在过程开始和结束时发出一些命令，实际操作是由DMA硬件之间执行完成的，期间cpu可以处理别的任务

IO通道方式和外围处理机（IOP）方式

更进一步减轻了CPU对IO操作的控制，更进一步提高了CPU的工作效率，但是是以增加更多硬件为代价的

数据传输方式

控制	方式	特点	内容	子分类	备注
cpu	程序查询	CPU主动，轮询外设，原理简单，CPU效率低外设主动，		无条件传送	不考虑外设状态，假定它们随时可收发数据
	程序中断	外设主动，耗时	CPU需先新停当前工作，执行中断，然后返回	查询（有条件传送）	执行/操作前先查询设备状态，空闲时操作
DMAC	DMA	速度快 CPU不参与DMAC临时接管	1、DMA需CPU控制传输块大小和内存地址，IO通道不需要 2、DMA控制1台设备与内存传输，/0通道则控制多台		适合少量数据
IO通道	类似DMA	CPU干预更少			DMAC只负责传输，管理和控制/设备仍由CPU负是对DMA控制方式的发展

生物特征认证技术

指通过计算机利用人体固有生物特征（先天）或行为特征（后天）鉴别个人身份

人体特征转换为数字形式存储到计算机中，通过匹配算法完成验证和识别个人身份

生物特征（先天）
- 人脸识别
- 指纹识别
- 虹膜识别
- 掌静脉识别
- 声纹识别
行为特征（后天）
- 笔记识别
- 步态识别