第十章輸入/輸出系統10.1I/O系統概述10.2程序查詢輸入/輸出方式10.3程序中斷輸入/輸出方式10.4DMA方式10.5通道方式10.1I/O系統概述一I/O系統的功能與組成1.基本功能

選擇設備信息傳輸2.系統組成二、輸入\輸出設備的尋址方式基本原則：按地址訪問編址方式:

獨立編址、存儲器統一編址1.獨立編址對外圍設備統一編碼，從0開始。由于與存儲器分別編址，因此必須由單獨的I/O指令來訪問。

指令的地址碼字段指出輸入輸出設備的設備代碼10.1I/O系統概述⒉存儲器統一編址

在存儲器總的地址空間中分出一個區域，作為I/O系統中的設備代碼，當訪問這些地址時，表示被訪問的不是存儲器，而是I/O設備的設備寄存器。在這種情況下，CPU不設專門的I/O指令，一般訪問內存的指令都可以訪問外圍設備。各種尋址方式及數據處理指令也都可以被I/O端口使用。使得輸入輸出過程的處理更加靈活方便。10.1I/O系統概述三、輸入輸出數據傳送控制方式兩個問題：解決速度匹配提高整機性能1.程序查詢方式外圍設備的各種操作由CPU執行程序來實現控制2.中斷方式

即當外圍設備需要CPU為其服務時，才向CPU請求服務，CPU暫停當前的工作，轉而為外圍設備服務。當CPU為外圍設備的服務結束后，繼續原來的工作。

缺點：中斷過于頻繁，整機的性能會受到很大的影響。10.1I/O系統概述3.DMA方式原則：盡量不占用CPU方法：

在DMA方式中，CPU把部分輸入輸出的控制權交給了設備控制器，在外圍設備與主存之間傳送信息期間，CPU不必訪問主存，因此，信息傳送率較高。10.1I/O系統概述4.通道方式方法：輸入、輸出操作通過設備控制器執行自己的指令或程序來實現特點：只需中斷兩次CPU（啟動、結束）外圍設備、通道、CPU同時工作5.IO處理機方式把操作系統中有關外圍設備管理部分的功能分散到輸入輸出通道中，就形成了I/O處理機10.1I/O系統概述傳輸控制方式種類：

程序查詢方式、中斷方式、DMA方式、通道方式、IO處理機方式10.1I/O系統概述一、程序查詢方式的接口接口：計算機系統與外圍設備之間的一個邏輯部件功能：選擇外圍設備信息傳輸組成：10.2程序查詢輸入輸出方式二、程序查詢輸入輸出方式程序查詢方式一般采用狀態驅動方式。傳送時，CPU首先通過接口將命令字發給外圍設備，啟動外圍設備工作。接著CPU等待外圍設備完成接收或發送數據的準備工作。在等待時間內，CPU不斷地用一條測試指令測試外圍設備的狀態。一旦CPU檢測到外圍設備處于“就緒”狀態，就可以進行數據傳送。程序查詢方式的工作流程如右圖所示。10.2程序查詢輸入輸出方式服務子程序的功能：

①實現數據傳送。②修改內存地址，為下一個數據傳送作好準備。③修改傳送字節數，以便確定數據塊傳送是否完成。優先級10.2程序查詢輸入輸出方式一、中斷的基本概念中斷：

當外圍設備或其它急需處理的事件產生請求時，CPU暫時中斷正在執行的程序，轉至該服務程序去處理這一事件，待事件處理完畢后返回原程序繼續執行。10.3程序中斷輸入輸出方式例：現有1號、2號、3號外圍設備處于中斷工作方式，它們分別在時刻t1、t2和t3向CPU請求服務，其示意圖如下頁圖所示。10.3程序中斷輸入輸出方式中斷系統在計算機系統中的作用

⑴實現CPU和外圍設備并行工作⑵實現分時操作⑶監督現行程序，提高系統處理故障的能力，增強系統的可靠性。⑷實現實時處理⑸實現人機交換總之，中斷系統在計算機中具有很重要的作用。中斷系統和操作系統是密切相關的。在很多方面，操作系統是借助中斷系統來控制和管理計算機系統的。10.3程序中斷輸入輸出方式二、中斷方式的接口中斷方式接口的示意圖如下圖所示。10.3程序中斷輸入輸出方式三、中斷的響應和處理兩個階段：中斷響應，中斷處理響應階段主要解決三個問題：①正確地找到對應的中斷服務程序的入口地址；②為中斷返回作好準備；③保證中斷響應的完整性。10.3程序中斷輸入輸出方式中斷源識別：CPU必須知道對應中斷的中斷號或中斷向量獲取中斷號或中斷向量的方法是：在中斷響應期間，CPU往接口發送中斷響應信號INTA，接口接收到INTA信號后，將中斷號或中斷向量通過數據總線傳送給CPU10.3程序中斷輸入輸出方式正確返回的基礎第一，當外圍設備請求中斷后，CPU待當前基本操作結束后，才響應中斷；第二，CPU必須將當前程序計數器PC的值（斷點地址）及CPU的狀態（包括各種標志的程序狀態字）壓入堆棧保護起來，這些操作叫做現場保護解決方法：在中斷響應期間，置CPU內的中斷允許標志為無效狀態10.3程序中斷輸入輸出方式中斷服務程序的結構模式10.3程序中斷輸入輸出方式1.保護現場：將程序計數器、寄存器的內容及程序狀態字保護方法：

壓入堆棧保護2.中斷期間中斷允許標志清“0”，即CPU處于禁止中斷狀態3.恢復現場

壓入堆棧的內容從堆棧中彈出，傳送給原來的那些寄存器10.3程序中斷輸入輸出方式四、多級中斷多級中斷的情況：

一是兩個中斷源同時請求中斷；二是當CPU正在處理一個中斷時，又有新的中斷請求解決方案：

中斷優先級控制10.3程序中斷輸入輸出方式優先級原則：①當只有一個中斷源請求中斷時，CPU響應此中斷。②當有兩個中斷源同時請求中斷時，CPU先響應優先級別高的中斷源。③當CPU正在處理一個中斷時，有一新的中斷請求，且新的中斷源的優先級比正在處理的中斷源的優先級高，則CPU暫停當前中斷的處理，轉而響應和處理優先級高的中斷。待優先級別高的中斷處理完畢后，才再繼續原中斷的處理。④當CPU正在處理一個中斷時，有一新的中斷請求，且新的中斷源的優先級比正在處理的中斷源的優先級低，則待CPU處理完當前中斷后，才去響應和處理新的中斷。10.3程序中斷輸入輸出方式中斷優先級的解決方法軟件查詢法、硬件電路法1.軟件查詢法CPU在接到中斷請求信號后，用程序來查詢中斷源，以查詢到中斷源的先后次序來確定優先級，若改變查詢次序就可以修改優先級。在確認了有請求的中斷源后，轉入到相應的中斷服務程序：用軟件查詢法實現中斷優先級的處理電路簡單，但效率較低10.3程序中斷輸入輸出方式⒉硬件電路法種類：菊花鏈電路和專用判優邏輯兩種⑴菊花鏈電路：用于單線請求的計算機系統。菊花鏈電路實現中斷優先級的處理速度快，但功能固定，不夠靈活。10.3程序中斷輸入輸出方式⑵專用判優邏輯：用于多線中斷請求的計算機系統，它用可編程芯片實現，用戶可靈活設置中斷優先級、中斷號、屏蔽和開放中斷等內容10.3程序中斷輸入輸出方式10.4DMA方式一、DMA方式的基本概念直接存儲器存取（DMA）方式，是一種完全由硬件控制的輸入輸出工作方式，這種硬件就是DMA控制器。DMA方式一般用于高速地傳送成組數據10.4DMA方式DMA操作的主要優點：

速度快

因此，DMA方式能滿足高速外圍設備的要求，也有利于提高計算機的整機效率二、DMA傳送方式

CPU和DMA控制器都可以作為主控設備，它們可以分時控制總線，實現內存和外圍設備之間的數據傳送。DMA控制器和CPU分時使用總線的方式有以下三種：①停止CPU訪問；②周期挪用；③DMA控制器和CPU交替訪問內存。10.4DMA方式⒈停止CPU訪問停止CPU訪問方式，是指在DMA傳送過程中，CPU釋放總線的控制權，處于不工作狀態（保持狀態）。優點是控制簡單，它適用于高速的外圍設備與內存之間實現成組的數據傳送。由于外圍設備和內存傳送兩個數據之間的間隔一般總是大于內存存儲周期，因此，在DMA期間，一部分內存的工作周期處于空閑狀態，內存的效能未得到充分發揮。10.4DMA方式⒉周期挪用在周期挪用方式中，當外圍設備沒有DMA請求時，CPU按程序要求訪問內存；當外圍設備有DMA請求時，則由外圍設備挪用一個或幾個內存周期，實現外圍設備和內存之間的數據傳送兩種情況：CPU不需要訪問內存外圍設備、CPU都需要訪問內存外圍設備訪問內存的優先級比CPU要高10.4DMA方式周期挪用方式的特點：1.優點：外圍設備與CPU可以同時工作，提高了效率2.缺點：過程:申請－>創建－>釋放適用：

適用于外圍設備讀寫周期大于內存存取周期的情況10.4DMA方式⒊DMA控制器和CPU交替訪問內存實現原理：

總線控制權分兩個周期分時由DMA控制器和CPU控制，DMA控制器和CPU有各自的訪問內存地址寄存器、數據寄存器和讀寫控制邏輯透明的DMA：

DMA傳送對CPU來說是透明的，沒有任何感覺和影響該方式訪問效率高，應用廣泛，硬件控制復雜10.4DMA方式三、基本的DMA控制器

DMA控制器可以作為主控部件控制總線實現內存與外圍設備之間的數據傳送，因此，它具有總線請求和響應、總線控制、傳送地址，對傳送的字數據計數等功能。DMA控制器的邏輯結構如下圖所示。10.4DMA方式四、

DMA工作過程

DMA的數據傳送過程可分為兩個階段：DMA傳送前的預處理及數據傳送。⒈DMA傳送預處理

DMA傳送預處理是對DMA控制器的初始化操作。初始化命令字主要包括6個方面10.4DMA方式⑴設置DMA傳送方式的數據傳送方向。DMA數據傳送方向由三種選擇：

①外圍設備到內存的數據傳送②內存到外圍設備的數據傳送③內存到內存的數據傳送⑵設置DMA的數據傳送方式⑶設置DMA各通道的優先級⑷開放或屏蔽DMA通道⑸設置DMA傳送的字數據數⑹設置DMA傳送的內存初始地址10.4DMA方式⒉數據傳送過程。

在DMA傳送過程中，DMA控制器作為主控部件，控制總線實現數據傳送。下面以外圍設備向內存傳送數據為例說明DMA的數據傳送過程：

⑴外圍設備向DMA控制器請求DMA傳送⑵若該通道未被屏蔽，則DMA控制器進行優先級裁決。⑶CPU結束當前正在進行的基本操作后，釋放總線的控制權，并向DMA控制器發一個總線響應信號10.4DMA方式⑷DMA控制器接收總線響應信號后，獲得總線的控制權，并將DMA響應信號傳遞給外圍設備⑸DMA控制器將地址寄存器的內容發往地址總線，同時發I/O讀和存儲器寫等控制信號，以傳送一個字數據。⑹地址寄存器的內容加1，字計數器的內容加1。⑺若為單字傳送，則DMA過程結束。若為數據塊傳送，則判斷字計數器是否溢出，如果未溢出，則繼續第⑸步；若溢出，則DMA傳送結束。⑻若DMA結束，則DMA控制器將總線控制權交還給CPU，CPU繼續原來的處理10.5通道方式一、通道的作用和功能存在問題：CPU的負擔較重，整個計算機的性能勢必降低如何讓DMA控制器能被多臺外圍設備共享通道的引入通道處理機能夠負擔外圍設備的大部分輸入輸出工作，包括所有按字節傳送方式工作的低速和中速外圍設備，按數據塊傳送方式工作的高速外圍設備10.5通道方式四級層次結構計算機系統通道1通道n······設備控制器1設備控制器m······外圍設備1外圍設備k······第一層第二層第三層第四層10.5通道方式通道的基本功能：執行通道指令、組織外圍設備和內存之間的數據傳送，按I/O指令要求啟動外圍設備，向CPU報告中斷

⑴接收CPU的I/O指令，按指令要求與指定的外圍設備進行通訊。⑵從內存取出屬于該通道程序的通道指令，經譯碼后向設備控制器或外圍設備發出各種命令。⑶組織外圍設備與內存之間進行數據傳送，并根據需要提供數據傳送的緩存空間，提供數據存入內存的地址和傳送的數據量。

10.5通道方式⑷從外圍設備得到狀態信息，形成并保存通道本身的狀態信息，根據要求將這些狀態信息送到內存的指定單元，供CPU使用。⑸將外圍設備的中