计算机系统概论第八章

第八章 输入输出 到目前为止，我们还没有关注过I/O。我们在第四章注意到输入和输出是冯·诺依曼模型的重要组成部分。必须有一种方式让计算机获取信息以便进行处理，还必须有一种方式得到计算机处理信息的结果，从而让人们能使用它。图4.1给出了一些不同的输入和输出的设备。 在第五章我们建议通过执行TRAP指令来完成输入和输出，而TRAP指令是让操作系统为我们实现。图5.17显示了如何执行TRAP指令实现输入（在地址x3002）和输出（在地址x3010）。 在这一章，我们打算自己实现I/O。我们选择键盘和显示器作为输入和输出设备。不仅仅因为它们是最简单的设备，我们对其最为熟悉，还由于它们具有让我们学习到最基本的I/O概念的特征，而不必陷入不必要的细节之中。

8.1 I/O基础

8.1.1 设备寄存器 虽然我们经常把一个I/O设备当作一个单独的实体，但是与一个单独的I/O设备进行交互，往往意味着与一个以上的设备寄存器进行交互。最简单的I/O通常至少包含两个设备寄存器：一个保存在计算机和设备之间进行传输的数据，一个表示设备的状态信息。一个状态信息的例子是设备是处于可用的状态还是正忙于执行最近的I/O任务。

8.1.2 存储映射I/O 对 专门的I/O指令 一个与输入输出设备寄存器相互作用的指令必须能够标识出与之相互作用的特殊的输入输出设备寄存器。在过去，曾经有过两种机制被采用：有些计算机使用专门的输入与输出指令，有些则更愿意使用与传送数据进出存储器时所使用的相同的数据传送指令。 非常老的PDP-8（DEC 公司多年前——1965年生产）就是一个使用专门的输入输出指令的例子。12位的PDP-8指令包含了一个3位的操作码。如果操作码是110，就表示为一条I/O指令。PDP-8指令的其余的9位则指明了I/O设备寄存器，以及所要执行的操作。 大多数的计算机设计者都不愿增加一些额外的指令集来处理输入和输出，他们使用与用于在存储器和通用寄存器之间加载和存储数据的数据传送指令相同的指令。例如，源地址是一个输入设备寄存器的加载指令就是一条输入指令。同样的，目标地址是一个输出设备寄存器的存储指令就是一条输出指令。 正是因为程序员使用了和用于存储器的相同的数据传送指令，所以每一个输入和输出设备寄存器都应该采用与存储器地址被唯一标识的方式，被唯一标识出来。因此，每一个设备寄存器都被分配了一个ISA的存储器地址空间中的地址。也就是说，I/O设备寄存器被映射为存储器中的一系列地址，这些地址被分配给I/O设备寄存器，而不再是存储单元。存储映射的I/O因此得名。 最初的PDP-11 的ISA拥有16位的地址空间，所有的[15:13]位是111的存储器地址都被分配给了I/O设备寄存器。也就是说，在所有的216个地址中，只有57344个地址对应于存储器单元，其余的213个都是存储映射的I/O地址。 LC-3使用的是存储映射的I/O。地址x0000到xFDFF是分配给存储单元的，地址xFE00到xFFFF被保留为输入/输出寄存器。表A.3列出了到目前为止被分配的LC-3设备寄存器的存储映射地址。当新的令人激动的一个应用出现时，LC-3微处理器的将来的使用和销售或许需要扩展设备寄存器地址的分配。

8.1.3 异步 对 同步 多数的I/O执行时的速度比处理器的速度要慢的多。一个打字员在键盘上打字时，打字员每键入一个字符，输入设备寄存器就被加载进一个ASCII码。每次执行加载指令时，计算机都会去读取设备寄存器中的内容，其操作数的地址就是这个输入设备寄存器的存储器映射地址。 当今的许多微处理器都是在时钟的控制下执行指令，其时钟频率一般大于300MHz。即使其频率只有300MHz，一个时钟周期也只有3.3个十亿分之一秒。假设处理器一次执行一条指令，并且处理器执行读取输入设备寄存器和存储内容的指令需要10个时钟周期。以这样的速率，处理器能每33个十亿分之一秒读一次输入设备寄存器里的内容。不幸的是，人的打字速度不可能快到可以让处理器一直读取字符。问题：为了让处理器以最高速度接收字符，一个人必须以多快的速度打字？假设平均的字长是6个字符（习题8.3）。 我们可以通过设计硬件来调节这样悬殊的速度，这种硬件能以一个较低的固定的速度来接受输入的字符。举个例子，我们可以设计一个每3千万个时钟周期接受一个字符的硬件。这就要求打字速度是每分钟100个单词，这样就可行了。不幸的是，这要求打字员的工作必须和计算机时钟保持一致的步伐，这是不可接受的，因为打字速度（即使是同一个打字员）是随时变化的。 要点是什么？关键是I/O设备经常以不同于微处理器的速度运行，并且不是步伐一致的。后面的这种特征被称作异步。绝大多数处理器和I/O设备之间的交互是异步的。为了控制对异步问题的处理，我们就需要一些协议或握手机制。考虑键盘和显示器：对键盘来说，我们需要一个1位的状态寄存器（我们称作标志），来表明某个人是否输入了一个字符；对显示器来说，我们需要一个1位的状态寄存器来表明，最近被送给显示器的字符是否已被显示。 这些标志是最简单的同步方式。一个1位的标志（被称作就绪位）已经足够使一个每分钟打100个单词的打字员的输出和一个每秒钟接受3亿个字符的处理器的输入保持同步。每当打字员输入一个字符的时候，就绪位就被设为1。每当计算机读取了一个字符的时候，它将清空就绪位。通过在读一个字符前检查就绪位，计算机能知道是否已经读了最后输入的字符。如果就绪位被清空了，那么自从最后一次计算机读入字符后，没有字符被输入，那么就不会有进一步的读操作发生。当计算机检测出就绪位为1时，那只能是由输入了一个新字符引起的，计算机将会知道去再一次读字符。 一个1位的就绪位提供了一个足够的协议来保证微处理器和打字员之间的信息的异步交换能够被正确执行。 如果打字员能以固定的速度打字，并且我们有一个能以精确间隔来接受输入字符的硬件（例如，每3千万个时钟周期一个字符），那么我们就不需要就绪位。计算机将会简单的知道，在做了3千万个其它事情的时钟周期后，打字员已经再输入了一个字符，这样计算机会去读这个字符。在这种前提条件下，打字员将会和处理器保持一致的步伐，不再需要其他的同步机制。我们说这种计算机和打字员的操作是同步的，或者输入活动是同步的。 8.1.4 中断驱动 对 轮询 用来计算的处理器和打字员是两个不同的实体，各自做自己的事。然而它们需要交互，输入的数据必须进入计算机。中断驱动对轮询的问题就是谁控制这个交互的问题。是让处理器是一直做它自己的事直到被从键盘发来的信号打断吗？“嘿，已经打了一个字，其ASCII码位于输入设备寄存器里，你需要读取它“。这就叫做中断驱动的I/O，这是由键盘来控制交互。或者是由处理器控制交互，通过不停地询问（一次又一次的）就绪位直到它（处理器）检测出就绪位被设为1，那样的话，处理器就知道是时候读取设备寄存器里的内容了。第二种交互的方式叫做轮询，因为就绪位被处理器不停询问是否有字符输入。 8.2.2节讲述轮询方式怎样工作的。8.5节更深入的解释了中断驱动的I/O。

8.2 从键盘输入

8.2.1 基本的输入寄存器（KBDR和KBSR） 我们已经注意到为了处理从键盘输入的字符，我们需要两样东西：一个存储输入字符的数据寄存器和一个让处理器知道输入已经发生的同步机制。这个同步机制包含在键盘的状态寄存器中。 这两个寄存器叫做键盘数据寄存器（KBDR）和键盘状态寄存器（KBSR）。它们被分配的地址来自存储器地址空间。正如A.3表中所表示的，KBDR分配到xFE02；KBSR分配到xFE00。 尽管一个字符只需要8位，同步机制只需要1位，但给每一个寄存器分配16位（与所有LC-3的存储器地址一样）会更方便。对于KBDR，[7：0]位用来存放数据，[15：8]位包含x00。对于KBSR，[15]位存放同步机制，就是就绪位。图8.1展示了键盘需要的两个设备寄存器。

8.2.2 基本的输入服务程序 KBSR[15]控制了缓慢的键盘和快速的处理器的同步。当键盘上的一个键被敲击时，这个键的ASCII码被存储在KBDR[7：0]，然后与键盘相关的电路便自动的把KBSR[15]设为1。当LC-3读取KBDR时，与键盘相关的电路自动清除KBSR[15]为0，允许另一个字符被输入。若KBSR[15]=1，最后一个被输入的字符所对应的ASCII码还未被读取，那么键盘是不可用的。 若输入-输出被处理器所控制（即轮询），那么由一个程序重复地测试KBSR[15]直到它发现那一位已被设置为1。此时，处理器能读取包含在KBDR中的ASCII码到LC-3寄存器之一。既然处理器仅当KBSR[15]为1加载ASCII码，就不存在多次读取一个被输入的字符的危险。不仅如此，因为直到前一个ASCII码被读取之前键盘是不能用的，也不存在处理器丢失被输入的字符的情况。采用这种方法，KBSR[15]提供了保证每个被输入的字符只被加载一次的机制。 接下来的输入程序加载已通过键盘输入的字符的ASCII码到R0中，然后程序将执行NEXT_TASK。 01 START LDI R1, A ; 测试是否有字符被输入 02 BRzp START 03 LDI R0, B 04 BRnzp NEXT_TASK ; 执行下一个任务 05 A .FILL xFE00 ; KBSR的地址 06 B .FILL xFE02 ; KBDR的地址 只要KBSR[15]为0，就表示自从处理器最后一次读取数据寄存器后，没有字符被键入。01，02行组成一个测试KBSR的[15]位的循环。注意LDI指令，就是读取xFE00中的内容到R1中，xFE00是KBSR的存储映射的地址。若就绪位，即[15]位被清空，BRzp将分支转移到START，开始又一次的循环。当某人键入一个字符，KBDR将被加载那个字符的ASCII码，并且KBSR的就绪位将被设置为1。这将引起分支转移指令的条件不再成立，03行的指令将被执行。再次注意LDI指令的用途，这次是读取xFE02的内容到R0中，xFE02是KBDR的存储映射的地址。输入程序完成，因此程序无条件转移到NEXT_TASK。

8.2.3 存储映射输入的实现 图8.2显示了实现存储映射输入所需的数据通路。你在第五章已经熟悉了实现加载指令的执行阶段所需的数据通路，本质上需要3步： 1、 加载要读取的存储单元的地址到MAR； 2、 读取存储器，结果加载该存储单元中的内容到MDR； 3、 加载MDR的内容到目标寄存器（DR）。 在存储映射输入的情况下，同样的一系列步骤要被执行，不同的是，不是加载要读取的存储单元的地址到MAR，而是加载设备寄存器的地址到MAR；地址控制逻辑也不是使存储器去读，而是选择相应的设备寄存器提供输入给MDR。