第8章输入输出系统

1、8.1 输入输出设备的编址方式输入输出设备的编址方式8.2 总线结构总线结构8.3 程序中断方式程序中断方式8.4 DMA方式方式8.5 通道和通道和I/O处理机方式处理机方式 输入输出系统包括输入输出设备、输入输出接口及相关软件，I/O接口(I/O适配器)是用来连接主机与I/O设备的,三者的关系如下:主机I/O接口I/O设备 8.1.1与主存储器统一编址方式 在主存储器的地址空间中划出某一区域专门作为外设地址区使用，即外设寄存器的地址包含在主存储器的地址空间内，划给外设的这部分区域不能配置存储器芯片。 优点：操作方式灵活,使用通用的MOV或访存指令也可以访问I/O接口. 缺点：需占用小部分存

2、储空间。CPU主存储器I/O接口I/O接口地址线 数据线 R/W控制线主存储区外设区主存地址空间00000HEFFFFHF0000HFFFFFH8.1. 2、I/O端口单独编址方式 设置单独的I/O地址空间,为I/O接口的有关寄存器分配I/O端口地址,使用专门的I/O指令去访问。 优点：不占用存储空间 缺点：需专门的I/O指令,其寻址方式较简单,编程灵活性稍差。C CP PU U主存储器I/O接口I/O接口地址线 数据线主存R/W控制I/O R/W控制8086 M/IORDWRMEMRMEMWI/O RI/O W例例:8.2 总线结构总线结构8.2.1 概述 总线是传送信息的通路，在计算机系统

3、中使用的总线可分成3类：(1)计算机系统中各部件内部传送信息的通路。例如：运算器内部寄存器与寄存器之间、寄存器与算术逻辑运算单元(ALU)之间的传送通路，通常称之为内部总线。(2)计算机系统中各部件之间传送信息的通路。例如CPU与主存储器之间，CPU与外设端口之间传送信息的通路，通常称之为“系统总线”。(3)计算机多机系统内部各计算机之间传送信息的通路，通常称之为“机间总线”或“多机总线”。 本节中讨论的主要是CPU与外设接口之间的系统总线，又可称作输入输出总线，简称IO总线。8.2.2 总线的控制方式以集中式总线控制方式为例来说明常用的3种总线控制与仲裁方式。1串行链式查询方式: 采用串行链

4、式查询方式来实现判优功能的连接图如图83所示。 (1)工作过程： 该总线上连接着多个部件，对各个部件来说，除了共享数据总线和地址总线外，还有3条控制线(构成控制总线)：总线请求信号线(BR)、总线忙信号线(BS)和总线认可信号线(BG)。 平时，BR、BS和BG线均无效，当某个或多个部件要求使用总线时，各部件通过BR线向总线控制器发出总线请求信号，总线控制器得到请求后置BG线有效，并首先进入“部件0”，若“部件0”有请求，则BG线将终止向后传送，由“部件0”发出总线忙(BR1)信号，表示当前总线由“部件0”占用；若“部件0”无请求，则BG线继续往后传送，一直传送到某个有总线请求的部件为止，这时

5、总线控制器将总线使用权交给该部件 （2）优先权：从上述查询过程中可以看出，离总线控制器最近的部件具有最高的优先权，最远的部件只有在它前面所有部件均不请求使用总线时，才有可能得到总线的使用权，这种不公平的待遇将保持不变。这种查询方式控制简单，控制线数量少，总线上要增、删部件很容易，但是对串行查询链上的电路故障非常敏感，如果某个部件的查询链出了故障，那么该部件之后的所有部件都将无法得到总线的使用权。2.计数定时查询方式计数定时查询方式连接图如图8-4所示在总线不忙的情况下(BS0)，任何部件需要使用总线时，通过BR线向总线控制器发出总线请求，总线控制器收到该请求信号时立即启动计数器开始计数，计数值

6、作为地址通过设备地址线传送到各部件去，各部件内部都设有地址符合线路。当计数值与本部件地址符合时，立即停止计数，并产生总线忙信号(BS1)，表示当前本部件取得总线使用权。采用这种查询方式，若计数器每次从“0”开始计数，则像链式查询方式一样，使用总线的优先权由高到低，总是地址号最小的部件具有最高的优先权。但是如果每次计数从中止值开始，那么各个部件使用总线的优先权将基本上相等。此外，计数器的初值还可以用软件来设定，这样便可以灵活地改变总线上各部件的优先级别。3.独立请求方式独立请求方式连接图如图8-5所示。从图8-5中可以看出，独立请求方式是以增加控制线数为代价的，共享总线的各个部件均分别有两条控制

7、线BRi和BGi。任何部件要求使用总线时，通过自己的BRi线独立发出总线请求信号，总线控制器内部设有排队线路，根据既定的优先权策略决定允许哪一个部件当前使用总线，则给该部件发出总线认可信号(BGi1)。这种查询方式速度快、效率高，但是增加了控制线的数量，内部还需另设排队器。 8.2.3 总线通信方式共享总线的部件获得总线使用权后，相互通信的方式通常有同步方式和异步方式两种。1同步方式 同步通信方式指通信双方由定宽、定距的时标控制总线上数据的传送。 同步通信适用于总线较短、通信双方速率相等或比较接近的场合，这种情况下一般都具有较高的数据传送速率。2异步方式 异步通信方式是指通信的双方按照各自的时

8、钟频率工作，在进行数据通信之前，双方必须通过联络信号(或称“握手”信息)取得联系后方可进行正常通信。根据联络信号的相互关联可分成非互锁、半互锁和全互锁三种方式。 8.2.4总线上信息传送方式主要由串行传送方式和并行传送两种。串行传输：并行传输： 8.2.5总线接口总线接口又可称作输入输出接口，这是因为主机通过总线与各种类型的输入输出设备相连，并且相互交换信息，但是由于它们之间存在着很大的差异，它们的工作方式不同，传输速率不同，结构方式不同，使用器件不同，因此各种输入输出设备必须要通过相应的接口，通过输入输出总线方能与主机交换信息。 接口与主机和外部设备之间的连接如图8-8所示。 1接口的分类

9、根据接口的不同特点可有多种分类方法。 (1)根据数据传送的方式可分成并行接口和串行接口。 (2)根据主机对I/O设备的访问方式可分成查询式接口，中断接口和DMA接口等。查询式接口是指通过硬件或软件方式根据外设的优先级别由高到低顺序查询哪个设备当前要进行输入/输出操作。中断接口是指哪个外设需要向主机输入/输出信息时，立即向主机发出中断请求，由中断接口来处理有关的事件。DMA接口是由它代替CPU完成高速外设与主机之间成块交换信息。 (3)根据功能选择的灵活性可分为可编程接口和不可编程接口。 可编程接口是指接口的功能可由初始化程序来定义。这种接口，一般功能比较强。不可编程接口，一般只具有单一功能。

10、(4)根据输入输出信号的性质可分数模转换接口和模数转换接口。 数模转换接口(D/A)是能将计算机输出的数字信号变换成模拟信号。 模数转换接口(A/D)是能将模拟信号转换成数字信号输入到计算机中。2接口的功能 接口种类繁多，功能各异，主要的功能可概括为以下几个方面：(1)数据缓冲功能： 在计算机主机与外部设备之间信息传送过程中，被传送数据可在接口中缓冲，以匹配两者之间的速度差别。(2)数据转换功能： 在串行通信中，从CPU并行输出的数据应能转换成串行数据逐位输出到外部设备中去，反之，串行接收到的数据应能转换成并行数据输入到CPU中去。 (3)数据的装配与拆卸功能：许多外部设备的数据端口只有8位，

11、对于字长比较长的主机，例如字长32位，接口应能将从主机获得的32位数据拆卸为4个字节，逐个字节传送到外部设备中去。反之，由外部设备逐字节接收到的数据应能装配成32位数据再向主机输入。(4)接口中如果设置有地址寄存器和字节计数器，应能完成其修改功能。(5)启停控制功能：接口应能根据CPU的要求，对所选定的外部设备实现启动和停止功能。(6)命令、状态信息的传送功能：接口应能将CPU发出的命令传送到外部设备中。外部设备在工作过程中的状态信息应能反馈到主机中去。(7)与CPU之间取得联系： 如果CPU与外部设备之间以中断方式交换信息，那么应能及时向CPU发出中断请求，如果以DMA方式传送信息，那么应能

12、及时向CPU发出请求。 3接口芯片举例8.3 输入输出控制方式解决：外设的要求如何被满足 外设和主机如何同步1.程序查询方式：由CPU执行一段输入输出程序来控制实现主机与外设之间的数据传送。CPU利用率很低，但接口简单。2.程序中断方式：当外设数据准备就绪后，“主动”向CPU发出请求中断的信号，CPU响应中断时，暂停主程序的执行，转移到请求中断的外设的中断服务程序，中断服务程序结束后，CPU再返回原主程序。3.直接存储器存取（DMA）方式：是一种完全由硬件执行I/O交换的工作方式。该方式中，DMA控制器接替CPU对总线的控制，数据交换直接在主存和I/O设备之间进行，而不经过CPU。4.通道和I

13、/O处理机方式：由通道或I/O处理机控制实现数据输入输出，通道与CPU分时使用内存，实现了CPU与外设的并行工作。8.3 .1 8.3 .1 程序查询方式程序查询方式1. 程序查询方式接口CPU控制寄存器0 1忙0 1就绪数据缓冲寄存器设备选择动作开始动作结束输入数据DBAB(1)(2)(3)(4)(5)(6)接口设备（1）CPU启动接口，置“忙”为1，“就绪”为0 。 （2）设备“动作开始”。 （3）设备向接口“输入数据”。CPU控制寄存器0 1忙0 1就绪数据缓冲寄存器设备选择动作开始动作结束输入数据DBAB(1)(2)(3)(4)(5)(6)接口设备（4）设备“动作结束”，置“就绪”为1

14、 。 （5）CPU检测到“就绪”（14期间，CPU始终检测就绪否）。（6）CPU从接口接收数据。 2. 程序查询方式总结特点：CPU与外设处于串行工作方式，主程序与外设的服务子程序的执行不能同时进行优点：接口简单缺点：CPU效率低（查询的过程是快速CPU等待慢速外设的过程）8.3.2 程序中断方式8.3.2.1 中断的基本概念 1.中断：在接到随机请求后，CPU暂停执行原来的程序，转去执行中断处理程序，为响应的随机事件服务,处理完毕后CPU恢复原程序的继续执行，这个过程称为中断。CPU主程序中断请求响应返回中断服务程序外设工作外设工作CPU查询CPU查询CPU工作CPU工作CPU工作外设工作C

15、PU工作中断请求中断服务外设工作CPU工作中断请求中断服务 与程序查询方式比较2. 中断源：请求CPU中断的设备或事件中断内中断：发生在主机内部的中断外中断：由主机外部事件引起的中断8.3.2.2 程序中断的处理过程1. 程序中断的处理过程(1) 中断请求：即中断源向CPU发出中断请求。(2) 中断响应：是中断处理开始的公操作,包括:关中断,即CPU内部的中断屏蔽寄存器IM置位(IM=1)中断现行程序并保护断点(PC及PSW的内容)发中断响应信号(3)中断识别：确定应该处理哪一个中断,并调用其对应的中断服务程序，中断源的识别方法有软件查询和中断向量法。(4) 中断服务：由中断服务程序完成，包括

16、如下处理： 保护现场 执行中断服务程序 恢复现场(5) 中断返回：返回主程序断点,由中断返回指令IRET完成。2.中断服务程序：是中断处理的核心,不同的中断要求配置不同的中断服务程序.其流程如下:保护现场交换屏蔽字开中断中断服务关中断恢复现场恢复屏蔽字开中断中断返回前处理部分主体部分后处理部分3.嵌套中断 定义：优先级别高的中断打断优先级别低的中断,称为嵌套中断 方法：在中断服务程序中设置“开放中断”，以便CPU能够接受其它中断请求。用堆栈保护断点。主程序中断请求PC=ASPASP主程序中断请求PC=A中断请求PC=B主程序中断请求PC=A中断请求PC=B中断请求PC=CABSPABCSP主程

17、序中断请求PC=A中断请求PC=B中断请求PC=CIRET主程序中断请求PC=A中断请求PC=B中断请求PC=CIRETIRETABSP主程序中断请求PC=A中断请求PC=B中断请求PC=CIRETIRETIRETASP主程序中断请求PC=A中断请求PC=B中断请求PC=CIRETIRETIRETSP例:某计算机系统共有5级中断,其中断响应优先级从高到低为1 2 3 4 5,先按如下规定修改:各级中断处理时均屏蔽本级中断,且处理1级中断时屏蔽2、3、4、5级中断；处理2级中断时屏蔽3、4、5级中断；处理4级中断时不屏蔽其它中断；处理3级中断时屏蔽4级和5级中断；处理5级中断时屏蔽4级中断。试问

18、中断处理优先级(从高到低)顺序如何排列?并给出各级中断处理程序的中断屏蔽字?解:实际中断处理优先级(从高到低)顺序为1 2 3 5 4 1级中断屏蔽字为: 11111; 2级中断屏蔽字为: 01111; 3级中断屏蔽字为: 00111; 4级中断屏蔽字为: 00001; 5级中断屏蔽字为: 000118.3.3直接存储器访问方式8.3.4通道方式和IOP方式1通道的基本功能(1)接受CPU的I/O指令，按要求启动外设。(2)执行通道指令。(3)组织外设与主存间的数据传送。(4)向CPU报告外设的状态信息和中断信息。2通道的类型(1)字节多路通道字节多路通道主要用于连接大量的低速设备，这些设备的

19、数据传输速率很低，而通道从设备接收或发送一个字节只需要几百纳秒，因此通道在传送两个字节之间有很多空闲时间，字节多路通道正是利用这个空闲时间为其他设备服务的。(2)选择通道 选择通道又称高速通道，在物理上它可以连接多个设备，但是这些设备不能同时工作，在某一段时间内通道只能选择一个设备进行工作，当这个设备的通道程序全部执行完毕后，才能执行其他设备的通道程序。选择通道主要用于连接高速外围设备，如磁盘、磁带等，信息以成组方式高速传输。由于数据传输速率很高，通道在传送两个字节之间已很少空闲，所以在数据传送期间只为一台设备服务。(3)数组多路通道数组多路通道是对选择通道的一种改进，它的基本思想是当某设备进

20、行数据传送时，通道只为该设备服务；当设备在执行寻址等辅助性动作时，通道暂时断开与这个设备的连接，挂起该设备的通道程序，去为其他设备服务，即执行其他设备的通道程序。 由于数组多路通道既保留了选择通道高速传送数据的优点，又充分利用了辅助性操作的时间间隔为其他设备服务，使通道效率充分得到发挥，因此数组多路通道在实际系统中得到较多的应用。 3通道的工作过程 通道的工作过程如图所示。 可以分为3个步骤：用户程序中调用访管指令进入管理程序，由CPU通过管理程序组织一个通道程序，并启动通道。通道处理机执行CPU为其组织的通道程序，完成指定的数据输入输出工作。当通道启动后，CPU可以退出操作系统的管理程序，返

21、回用户程序中继续执行。 通道程序结束后向CPU发中断请求。CPU响应此中断请求后，第二次进入操作系统，调用管理程序对输入输出中断进行处理。 4通道方式与DMA方式的比较DMA和通道控制方式最基本的相同点是把外设与主机交换数据过程控制权从CPU中接管，使外设能与主机并行工作。它们之间主要的不同在于如下几个方面。(1)DMA与通道的工作原理不同：DMA完全采用硬件控制数据交换的过程，速度较快：而通道则采用软硬件结合的方法，通过执行通道程序控制数据交换的过程。(2)DMA与通道的功能不同：通道是在DMA的基础上发展来的，因此，通道功能要比DMA的功能更强。在DMA中，CPU必须进行设备的选择、切换、

22、启动、终止，并进行数据校验。CPU在输入输出过程中的开销较大，通道控制则把这些工作都接管，以减轻CPU的负担。(3)DMA与通道所控制的外设类型不同：DMA只能控制速度较快、类型单一的外设，而通道则可支持多种类型的外设。 几种IO方式的比较 在计算机系统中，CPU管理外围设备的方式有程序查询方式、程序中断方式、DMA方式、通道方式和外围处理机方式。其中前3种技术在现在的微型计算机系统中是非常常见的，后两种主要用于比较复杂的高档计算系统中，外围处理机方式可以看成是通道处理机的进一步扩展。图下所示是一个分类示意图。 习题及参考答案1计算机系统中，CPU与1/0设备交换信息的方式有哪几种?分别说明它

23、们的主要特点。解：一般有程序控制输入输出、中断输入输出、直接存储器访问(DMA)、IO通道和外围处理机5种方式。(1)程序控制输入输出方式CPU控制何时对何设备进行输入输出操作；外围设备和CPU处于异步工作关系；数据的输入输出要经过CPU；用于连接低速外围设备，如终端和打印机。其特点在于：灵活性好：一般说来不能实现处理机与外围设备的并行工作。(2)中断输入输出方式主要是为克服程序控制输入输出方式中处理机与外围设备不能并行工作的缺点而设置的。它的定义是：当出现来自处理机以外的任何现行程序不知道的事件时，CPU暂停现行程序，转去处理这些事件，然后再返回原来执行程序的方式。它有4个特点：CPU与外围

24、设备可以并行工作；能够处理异常事件；数据的输入输出要经过CPU,一般用来连接低速设备。(3)直接存储器访问(DMA)方式主要用来连接高速外设； 由外部设备直接访问系统存储器空间，无须CPU的参与。它有以下特点：主存储器既可以被CPU访问也可以被外设访问；在外围设备与主存储器之间不需要执行程序，所以不需要作现场保存与恢复，使其工作速度加快；DMA控制器中需要设置数据缓冲寄存器、设备状态寄存器和控制寄存器之外，还需要设置主存储器地址寄存器、设置各地址寄存器和数据交换计数器；在DMA开始之前需要对DMA控制器进行初始化； 在此方式下，CPU不仅可以和外围设备并行工作，并且整个数据的传送过程不需CPU

25、的干预。 (4)通道方式通道是一个特殊功能的处理机，它有自己的指令和程序，专门负责数据输入输出的传输控制，而CPU将传输控制功能交给通道后只负责数据处理功能。这样CPU和通道同时使用内存，实现了CPU运算与I/0设备的并行工作。它有以下特点：根据CPU要求选择某一指定的外设与系统相连，向该外设发出操作命令，并进行初始化；指出外设读/写信息的位置以及与外设交换信息的主存缓冲区的地址：控制外设与主存之间的数据交换，并完成数据字分析与装配；指定数据传送结束时的操作内容，并检验外设的状态。 (5)外围处理机方式 外围处理机结构更接近于一般处理机，或者就是选用已有的通用机，外围机基本上是独立于主处理机工作的，应用于大型高效率的计算机系统中。 2向量中断和非向量中断有何区别?答：向量中断和非向量中断的