第八章 计算机组成原理 输入输出系统讲授

1、第八章第八章 输入输出系统输入输出系统信息交换的几种控制方式信息交换的几种控制方式程序直接控制方式程序直接控制方式中断方式中断方式DMADMA方式方式通道方式通道方式基本概念基本概念输入输出系统输入输出系统包括输入输出设备、包括输入输出设备、输入输出接口和软件。既包括设备，又输入输出接口和软件。既包括设备，又包括各种设备如何与主机交换信息。包括各种设备如何与主机交换信息。输入输出（输入输出（I/OI/O）的概念是以主机为中心）的概念是以主机为中心而言的，将信息从外部设备传送到主机而言的，将信息从外部设备传送到主机叫输入，反之叫输出。叫输入，反之叫输出。输入输出系统的发展概况输入输出系统的发展概

2、况早期阶段早期阶段M.MCPUI/OI/O设备与主机交换信息都必须通过设备与主机交换信息都必须通过CPU。特点：特点： （1）每个）每个I/O设备都必须配备一套独立的设备都必须配备一套独立的逻辑电路与逻辑电路与CPU相连，实现信息交换。相连，实现信息交换。（2）I/O与与CPU是按串行方式工作，浪费时间。当是按串行方式工作，浪费时间。当I/O与主机交换信息时，与主机交换信息时，CPU不得不停止其各种运不得不停止其各种运算。算。（3）每个）每个I/O设备的逻辑电路与设备的逻辑电路与CPU的控制器构成的控制器构成一个不可分割的整体，彼此依赖。一个不可分割的整体，彼此依赖。输入输出系统的发展概况输入

3、输出系统的发展概况接口模块和接口模块和DMA阶段阶段主主机机接口接口接口接口接口接口设备设备1 1设备设备2 2设备设备n n总线总线I/O设备通过接口模块与主机相连，计算设备通过接口模块与主机相连，计算机系统采用了总线结构。机系统采用了总线结构。CPU与与I/O能并行工作，但在主机与能并行工作，但在主机与I/O交换信息时，交换信息时，CPU要中断现行程序。要中断现行程序。输入输出系统的发展概况输入输出系统的发展概况具有通道结构的阶段具有通道结构的阶段CPUCPUM.MM.M I/O I/O通道通道通道是一种具有特殊功能得处理器，用来负责通道是一种具有特殊功能得处理器，用来负责管理管理I/O设

4、备以及实现主存与设备以及实现主存与I/O设备之间交换设备之间交换信息的部件。信息的部件。I/O设备与主机交换信息时，设备与主机交换信息时，CPU不直接参与不直接参与管理，故管理，故CPU的资源利用率高。的资源利用率高。通道有专用的通道指令，能独立地执行用通道通道有专用的通道指令，能独立地执行用通道指令编写的输入输出程序，但它受指令编写的输入输出程序，但它受CPU的的I/O指令启动、停止或改变状态。指令启动、停止或改变状态。输入输出系统的发展概况输入输出系统的发展概况具有具有I/O处理机的阶段处理机的阶段I/O处理机又叫外围处理机处理机又叫外围处理机PPU，它独，它独立于主机工作，既可完成立于主

5、机工作，既可完成I/O通道要完通道要完成的成的I/O控制，还可完成格式处理、数控制，还可完成格式处理、数据块检错、纠错等操作。据块检错、纠错等操作。具有具有PPU的输入输出系统与的输入输出系统与CPU工作的工作的并行性更高。并行性更高。输入输出系统的组成输入输出系统的组成I/O软件软件其主要任务是其主要任务是： （1）如何将用户编制的程序（或数据）输）如何将用户编制的程序（或数据）输入到主机内；入到主机内；（2）如何将运算结果输送给用户；）如何将运算结果输送给用户；（3）如何实现）如何实现I/O系统与主机工作的协调系统与主机工作的协调等。等。I/O硬件硬件包括包括I/O设备和接口模块。设备和接

6、口模块。输入输出系统的特点输入输出系统的特点（1 1）异步性）异步性外设的工作速度与外设的工作速度与CPUCPU相差很大。外设相差很大。外设与主机交换数据时，什么时刻准备好数与主机交换数据时，什么时刻准备好数据，什么时刻请求传送，对据，什么时刻请求传送，对CPUCPU来说是来说是随机的。为了能使主机和外设充分提高随机的。为了能使主机和外设充分提高工作效率，则工作效率，则要求输入输出操作异步于要求输入输出操作异步于CPUCPU。输入输出的异步性使主机和外设并行工输入输出的异步性使主机和外设并行工作，把相互的牵制降低到最低限度。作，把相互的牵制降低到最低限度。输入输出系统的特点输入输出系统的特点(

7、2)(2)实时性实时性在将计算机用于现场测试或控制的场合，在将计算机用于现场测试或控制的场合，信号的出现是即时的，若不及时接收和信号的出现是即时的，若不及时接收和处理，就有丢失的危险。处理，就有丢失的危险。输入输出的操作必须按各设备实际工作输入输出的操作必须按各设备实际工作速度，控制信息流量和信息交换的时刻速度，控制信息流量和信息交换的时刻，这就是输入输出的实时性。这就是输入输出的实时性。输入输出系统的特点输入输出系统的特点(3)(3)设备无关性设备无关性各式各样的外设发送和接收信息的方法各不各式各样的外设发送和接收信息的方法各不相同，且数据格式及物理参数也极不相同。相同，且数据格式及物理参数

8、也极不相同。而主机与它们之间的控制信号和状态信号是而主机与它们之间的控制信号和状态信号是有限的，主机接收和发送数据的格式是固定有限的，主机接收和发送数据的格式是固定的。主机的输入输出不可能针对某一个设备的。主机的输入输出不可能针对某一个设备来设计，应该按统一的规则制定输入输出。来设计，应该按统一的规则制定输入输出。也就是说，也就是说，输入输出与具体设备无关，具有输入输出与具体设备无关，具有独立性，独立性，只有这样才能摆脱各种设备的要求。只有这样才能摆脱各种设备的要求。I/OI/O设备与主机的联系方式设备与主机的联系方式CPUCPU如何对如何对I/OI/O编址；编址；如何寻找如何寻找I/OI/O

9、设备号；设备号；信息传送是逐位串行还是多位并行；信息传送是逐位串行还是多位并行；I/OI/O与主机以什么方式进行联络；与主机以什么方式进行联络；I/OI/O与主机怎么连接等问题。与主机怎么连接等问题。I/OI/O接口的编址方式接口的编址方式I/OI/O接口有端口地址与主存统一编址方接口有端口地址与主存统一编址方式和端口地址单独编址方式。式和端口地址单独编址方式。统一编址方式统一编址方式统一编址是指统一编址是指把把I/OI/O端口当作存储器的单端口当作存储器的单元进行地址分配。元进行地址分配。这种方式这种方式CPUCPU不需要设不需要设置专门的置专门的I/OI/O指令，用统一的访问存储器指令，用

10、统一的访问存储器的指令就可访问的指令就可访问I/OI/O端口。端口。I/OI/O接口的编址方式接口的编址方式优点：不需要专门的输入输出指令，并使优点：不需要专门的输入输出指令，并使CPUCPU访问访问I/OI/O的操作更灵活、更方便，此的操作更灵活、更方便，此外还可使端口有较大的编址空间。外还可使端口有较大的编址空间。缺点：端口占用了存储器地址，使内存容缺点：端口占用了存储器地址，使内存容量变小。再者，利用存储器编址的量变小。再者，利用存储器编址的I/OI/O设设备进行数据输入输出操作执行速度较慢。备进行数据输入输出操作执行速度较慢。I/OI/O接口的编址方式接口的编址方式单独编址方式单独编址

11、方式单独编址是指单独编址是指I/OI/O端口地址与存储器地址端口地址与存储器地址无关，单独编址无关，单独编址CPUCPU需要设置专门的输入需要设置专门的输入输出指令访问内存输出指令访问内存。优点：输入输出指令与存储器指令有明显优点：输入输出指令与存储器指令有明显区别，程序编制清晰、便于理解。区别，程序编制清晰、便于理解。缺点：输入输出指令少，一般只能对端口缺点：输入输出指令少，一般只能对端口进行传送操作，尤其需要进行传送操作，尤其需要CPUCPU提供存储器提供存储器读读/ /写、写、I/OI/O设备读设备读/ /写两组控制信号，增加写两组控制信号，增加了控制的复杂性。了控制的复杂性。I/OI/

12、O设备与主机的联系方式设备与主机的联系方式CPUCPU如何对如何对I/OI/O编址；编址；如何寻找如何寻找I/OI/O设备号；设备号；信息传送是逐位串行还是多位并行；信息传送是逐位串行还是多位并行；I/OI/O与主机以什么方式进行联络；与主机以什么方式进行联络；I/OI/O与主机怎么连接等问题。与主机怎么连接等问题。设备寻址设备寻址每台设备都赋予一个设备号。每台设备都赋予一个设备号。当启动某一设备时，可由当启动某一设备时，可由I/O指令的指令的设备码字段直接指出该设备的设备号。设备码字段直接指出该设备的设备号。通过接口电路中的设备选择电路，便通过接口电路中的设备选择电路，便可选中要交换信息的设

13、备。可选中要交换信息的设备。I/OI/O设备与主机的联系方式设备与主机的联系方式CPUCPU如何对如何对I/OI/O编址；编址；如何寻找如何寻找I/OI/O设备号；设备号；信息传送是逐位串行还是多位并行；信息传送是逐位串行还是多位并行；I/OI/O与主机以什么方式进行联络；与主机以什么方式进行联络；I/OI/O与主机怎么连接等问题。与主机怎么连接等问题。传送方式并行传送并行传送：在同一瞬间，：在同一瞬间，n位信息同时从位信息同时从CPU输送到输送到I/O设备，或由设备，或由I/O设备输入到设备输入到CPU。速度快，数据线多。速度快，数据线多。串行传送串行传送：在同一瞬间只传送一位信息，：在同一

14、瞬间只传送一位信息，在不同时刻连续逐位传送一串信息。在不同时刻连续逐位传送一串信息。速度慢，成本低。速度慢，成本低。I/OI/O设备与主机的联系方式设备与主机的联系方式CPUCPU如何对如何对I/OI/O编址；编址；如何寻找如何寻找I/OI/O设备号；设备号；信息传送是逐位串行还是多位并行；信息传送是逐位串行还是多位并行；I/OI/O与主机以什么方式进行联络；与主机以什么方式进行联络；I/OI/O与主机怎么连接等问题。与主机怎么连接等问题。联络方式联络方式了解彼此的状态了解彼此的状态立即响应方式立即响应方式慢速设备，只要慢速设备，只要CPU的的I/O指令一到，它指令一到，它们便立即响应。们便立

15、即响应。异步工作采用应答信号联络异步工作采用应答信号联络CPUCPUI/O接口接口I/O设备设备ReadyStrobeI/O设备收到设备收到Ready后，立即从接口中取出数据，接后，立即从接口中取出数据，接着发回一个着发回一个Strobe信号，让接口转告信号，让接口转告CPU，接口中的，接口中的数据已被取走，数据已被取走，CPU可继续向此接口送数。可继续向此接口送数。联络方式联络方式了解彼此的状态了解彼此的状态同步工作采用同步时标联络同步工作采用同步时标联络同步工作要求同步工作要求I/O设备与设备与CPU的工作的工作速度完全同步。速度完全同步。这种联络互相之间需配有专用电路，这种联络互相之间需

16、配有专用电路，用以产生同步时标来控制同步工作。用以产生同步时标来控制同步工作。I/OI/O设备与主机的联系方式设备与主机的联系方式CPUCPU如何对如何对I/OI/O编址；编址；如何寻找如何寻找I/OI/O设备号；设备号；信息传送是逐位串行还是多位并行；信息传送是逐位串行还是多位并行；I/OI/O与主机以什么方式进行联络；与主机以什么方式进行联络；I/OI/O与主机怎么连接等问题。与主机怎么连接等问题。I/O与主机的连接方式与主机的连接方式辐射式辐射式主主机机外设外设1外设外设2外设外设3主主机机接口接口接口接口接口接口设备设备1 1设备设备2 2设备设备n n总线总线总线式总线式每台每台I/

17、O设备都设备都有一套控制线有一套控制线路和一组信号路和一组信号线。线。 所有所有I/O设备通设备通过一组总线与过一组总线与主机相连。主机相连。 接口的功能接口的功能接口是一种为主机和外设之间传送信息而接口是一种为主机和外设之间传送信息而设置的硬件线路。设置的硬件线路。接口的接口的基本功能是在系统总线和外设之间基本功能是在系统总线和外设之间传输信号，提供缓冲作用，以满足接口两传输信号，提供缓冲作用，以满足接口两边的时序要求。边的时序要求。由于外设的多样性和复杂性，不同的外设由于外设的多样性和复杂性，不同的外设接口功能不尽相同。但一般讲，接口应具接口功能不尽相同。但一般讲，接口应具备如下的基本功能

18、：备如下的基本功能：接口的功能接口的功能(1)(1)识别设备并传送数据在主存中的地址。识别设备并传送数据在主存中的地址。(2)(2)输入输出功能。接口能按照读写信息输入输出功能。接口能按照读写信息从总线上接收从总线上接收CPUCPU送来的数据和控制信送来的数据和控制信息，或把数据和状态信息送到总线上。息，或把数据和状态信息送到总线上。(3)(3)数据缓冲功能。数据缓冲功能。CPUCPU与外设的速度往与外设的速度往往不匹配，为消除速度差异，接口必须往不匹配，为消除速度差异，接口必须提供数据缓冲功能。提供数据缓冲功能。接口的功能接口的功能(4)(4)数据转换功能。不同外设信息格式不同，数据转换功能

19、。不同外设信息格式不同，且不同于主机格式，接口应提供计算机与且不同于主机格式，接口应提供计算机与外设的信息格式的转换，比如串外设的信息格式的转换，比如串- -并转换、并转换、数数/ /模转换等。模转换等。(5)(5)传送主机命令，反映设备的工作状态。传送主机命令，反映设备的工作状态。(6)(6)其他。除上述功能外，接口还应有检错其他。除上述功能外，接口还应有检错纠错功能、中断功能、时序控制功能等。纠错功能、中断功能、时序控制功能等。I/OI/O接口的组成接口的组成I/OI/O接口由以下几个主要部件组成：接口由以下几个主要部件组成：(1)(1)数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器数据缓冲功能数据缓冲功能

20、(2)(2)设备地址识别电路设备地址识别电路识别设备识别设备(3)(3)设备状态字寄存器设备状态字寄存器把数据和状态把数据和状态信息送到总线上信息送到总线上(4)(4)主机命令字寄存器主机命令字寄存器从总线上接收从总线上接收CPUCPU送来的数据和控制信息送来的数据和控制信息I/OI/O接口的组成接口的组成(5)(5)数据格式转换线路数据格式转换线路比如串比如串- -并转换、并转换、数数/ /模转换等。模转换等。(6)(6)数据地址寄存器数据地址寄存器传送数据在主存传送数据在主存中的地址中的地址(7)(7)控制逻辑控制逻辑CPUCPU同输入输出设备交换数据的过程同输入输出设备交换数据的过程输入

21、过程：输入过程： (1)CPU(1)CPU把一个地址值放在地址总线上，把一个地址值放在地址总线上，这一步将选择某一输入设备；这一步将选择某一输入设备； (2)CPU(2)CPU等候输入设备的数据成为有效；等候输入设备的数据成为有效； (3)CPU(3)CPU从数据总线读入数据，并放在一从数据总线读入数据，并放在一个相应的寄存器中。个相应的寄存器中。 CPUCPU同输入输出设备交换数据的过程同输入输出设备交换数据的过程输出过程：输出过程： (1)CPU(1)CPU把一个地址值放在地址总线上，把一个地址值放在地址总线上，选择输出设备；选择输出设备； (2)CPU(2)CPU把数据放在数据总线上；把

22、数据放在数据总线上； (3)(3)输出设备认为数据有效，从而把数据输出设备认为数据有效，从而把数据取走。取走。CPUCPU同输入输出设备交换数据的过程同输入输出设备交换数据的过程问题的关键在于：问题的关键在于：究竟什么时候数据才成究竟什么时候数据才成为有效为有效? ? 很显然，由于输入很显然，由于输入/ /输出设备本身输出设备本身的速度差异很大，因此，对于不同速度的的速度差异很大，因此，对于不同速度的外围设备，应采用不同的控制方式。外围设备，应采用不同的控制方式。主机与外部设备之间的信息交换应随外部主机与外部设备之间的信息交换应随外部设备性质的不同而采用不同的控制方式。设备性质的不同而采用不同

23、的控制方式。信息交换的控制方式信息交换的控制方式例子例子假设幼儿园一个阿姨带假设幼儿园一个阿姨带10个孩子，个孩子，要给每个孩子分要给每个孩子分4块水果糖。假设孩子块水果糖。假设孩子们把们把4块糖都吃完，那么她采用什么方块糖都吃完，那么她采用什么方法呢法呢?信息交换的控制方式信息交换的控制方式方法方法1： 她先给孩子甲一块糖，盯着甲她先给孩子甲一块糖，盯着甲吃完，然后再给第二块，等吃完第二块吃完，然后再给第二块，等吃完第二块又给第三又给第三 块，吃完第三块又给第四块。块，吃完第三块又给第四块。接着给孩子乙，其过程与孩子甲完全一接着给孩子乙，其过程与孩子甲完全一样。依次类推，直至到样。依次类推，

24、直至到 第第10个孩子发完个孩子发完四块糖。看来这种方法效率太低，重要四块糖。看来这种方法效率太低，重要之点还在于孩子们吃糖时她一直在守之点还在于孩子们吃糖时她一直在守 候，候，什么事也不能干。什么事也不能干。信息交换的控制方式信息交换的控制方式方法方法2： 每人发一块糖各自去吃，并约每人发一块糖各自去吃，并约定谁吃完后就定谁吃完后就 向她举手报告，再发第向她举手报告，再发第二块。看来这种新方法提高了工作效二块。看来这种新方法提高了工作效率，而且在未接到孩子们吃完糖率，而且在未接到孩子们吃完糖 的的 报报告以前，她还可以腾出时间给孩子们告以前，她还可以腾出时间给孩子们改作业。但是这种方法还可以

25、改进。改作业。但是这种方法还可以改进。信息交换的控制方式信息交换的控制方式方法方法3： 进行批处理：每人拿进行批处理：每人拿4块糖各自去块糖各自去吃，吃完吃，吃完4块糖后再向她报告。显然这种方块糖后再向她报告。显然这种方法工作法工作 效率大大提高，她可以腾出更多的效率大大提高，她可以腾出更多的时间改作业。时间改作业。方法方法4： 权力下放，把发糖的事交给另一个权力下放，把发糖的事交给另一个人分管，只是必要时她才过问一下。人分管，只是必要时她才过问一下。在计算机系统中，在计算机系统中，CPUCPU管理外围设备也管理外围设备也有几种类似的方式。有几种类似的方式。信息交换的控制方式信息交换的控制方式

26、(1)(1)程序直接控制方式程序直接控制方式指指信息交换的控制完全由主机执行程序实信息交换的控制完全由主机执行程序实现。现。当主机进行当主机进行I/OI/O操作时，首先发出询操作时，首先发出询问信号，读取设备的状态，并根据设备状问信号，读取设备的状态，并根据设备状态决定下一步操作究竟是进行数据传送还态决定下一步操作究竟是进行数据传送还是等待。是等待。信息交换的控制方式信息交换的控制方式优点：这种控制方式的接口设计简单，优点：这种控制方式的接口设计简单，设备量少。设备量少。缺点：缺点：CPUCPU在信息传送过程中要花很多在信息传送过程中要花很多时间用于查询和等待，效率大大降低。时间用于查询和等待

27、，效率大大降低。信息交换的控制方式信息交换的控制方式外部设备在完成了数据传送的准备外部设备在完成了数据传送的准备工作后，工作后，主动向主动向CPUCPU提出传送请求，提出传送请求，CPUCPU暂停原执行的程序，转向信息暂停原执行的程序，转向信息交换服务交换服务。(2)(2)程序中断控制方式程序中断控制方式信息交换的控制方式信息交换的控制方式优点优点： （1 1）CPUCPU的效率得到提高的效率得到提高（2 2）它可以同时与多台设备进行数据传送。）它可以同时与多台设备进行数据传送。缺点缺点： （1 1）在信息传送阶段，在信息传送阶段，CPUCPU仍要执仍要执行一段程序控制，行一段程序控制，CPU

28、CPU还没有完全摆脱对输还没有完全摆脱对输入输出操作的具体管理。入输出操作的具体管理。信息交换的控制方式信息交换的控制方式（3 3）在中断服务程序中，用于保护）在中断服务程序中，用于保护CPUCPU现现场、恢复现场及返回断点等操作，要花费场、恢复现场及返回断点等操作，要花费CPUCPU几十微秒到几百微秒的时间。几十微秒到几百微秒的时间。 （4 4）每传送一个字或字节都要发生一次中）每传送一个字或字节都要发生一次中断，去执行一次中断服务程序。断，去执行一次中断服务程序。信息交换的控制方式信息交换的控制方式(3)(3)直接存储器存取控制方式直接存储器存取控制方式(DMA)(DMA)是是一种完全由硬

29、件进行成组信息传送一种完全由硬件进行成组信息传送的控制方式。的控制方式。由由DMADMA接替接替CPUCPU对输入对输入输出中间过程的具体干预，信息传送输出中间过程的具体干预，信息传送不再经过不再经过CPUCPU，而在内存和外设之间，而在内存和外设之间直接进行。直接进行。信息交换的控制方式信息交换的控制方式优点：具有程序中断控制方式的优点，即在设备优点：具有程序中断控制方式的优点，即在设备准备阶段，准备阶段，CPUCPU与外设能并行工作。由于在数据与外设能并行工作。由于在数据传送过程中不使用传送过程中不使用CPUCPU，也就不存在保护，也就不存在保护CPUCPU现现场、恢复现场等操作，所以数据

30、传送速度很高。场、恢复现场等操作，所以数据传送速度很高。这种方式适用于磁盘机、磁带机等高速设备大批这种方式适用于磁盘机、磁带机等高速设备大批量数据的传送。量数据的传送。DMADMA接口中，中断处理逻辑还要保留。不同的接口中，中断处理逻辑还要保留。不同的是，是，DMADMA接口中的中断处理逻辑仅用于故障中接口中的中断处理逻辑仅用于故障中断和正常传送结束时的处理断和正常传送结束时的处理。信息交换的控制方式信息交换的控制方式(4)(4)通道方式通道方式通道是一个具有特殊功能的处理器，某些通道是一个具有特殊功能的处理器，某些应用中称其为输入输出处理器应用中称其为输入输出处理器(IOP)(IOP)，它，

31、它可以实现对外围设备的统一管理和外围设可以实现对外围设备的统一管理和外围设备与内存之间的数据传送。备与内存之间的数据传送。通道方式是通道方式是DMADMA方式的进一步发展，通方式的进一步发展，通道方式的出现进一步提高了道方式的出现进一步提高了CPUCPU的效率。的效率。信息交换的控制方式信息交换的控制方式(5)(5)外围处理机方式外围处理机方式外围处理机外围处理机(PPU)(PPU)方式是通道方式的进一步方式是通道方式的进一步发展。由于发展。由于PPUPPU基本上独立于主机工作，它基本上独立于主机工作，它的结构更接近于一般处理机，甚至就是一般的结构更接近于一般处理机，甚至就是一般的微型计算机。

32、的微型计算机。一些系统中设置了多台一些系统中设置了多台PPUPPU，分别承担，分别承担I/OI/O控制、通信、维护诊断等任务。从某种意义控制、通信、维护诊断等任务。从某种意义上说，这种系统上说，这种系统已变成分布式的多机系统已变成分布式的多机系统。信息交换的控制方式信息交换的控制方式程序查询方式和程序中断方式适用于数据传程序查询方式和程序中断方式适用于数据传输速率比较低的外围设备；输速率比较低的外围设备；DMADMA方式、通道方式和方式、通道方式和PPUPPU方式适用于数方式适用于数据传输速率比较高的设备。据传输速率比较高的设备。目前，小型机和微型机中大都采用程序查询目前，小型机和微型机中大都

33、采用程序查询方式、程序中断方式和方式、程序中断方式和DMADMA方式。通道方方式。通道方式和式和PPUPPU方式大都用在中型、大型计算机中。方式大都用在中型、大型计算机中。程序直接控制方式基本原理程序直接控制方式基本原理用程序实现主机与外设之间的信息交换。用程序实现主机与外设之间的信息交换。这种控制方式开始时需要对设备所处的工作状态这种控制方式开始时需要对设备所处的工作状态进行查询，因此又称为程序查询方式。进行查询，因此又称为程序查询方式。程序执行一次，只能传送一个数据，由一条程序执行一次，只能传送一个数据，由一条I/OI/O指令执行。指令执行。每次都要查询设备所处的状态，只有当设备准备每次都

34、要查询设备所处的状态，只有当设备准备好后才能传送，否则主程序作循环等待操作。因好后才能传送，否则主程序作循环等待操作。因此数据的传送速度很慢，此数据的传送速度很慢，CPUCPU的利用率较低。的利用率较低。程序直接控制方式的特点程序直接控制方式的特点(1)CPU(1)CPU能控制何时对何设备进行输入输出操作；能控制何时对何设备进行输入输出操作；(2)(2)外围设备和外围设备和CPUCPU处于异步工作关系；处于异步工作关系；(3)(3)数据的输入输出要经过数据的输入输出要经过CPUCPU；(4)(4)用于连接低速外围设备；用于连接低速外围设备；(5)(5)灵活性好；灵活性好；(6)(6)一般来说不

35、能实现处理机与外围设备的并一般来说不能实现处理机与外围设备的并行工作。行工作。程序查询方式的接口程序查询方式的接口设备选择电路设备选择电路接到总线的每个设备预先都给定了设备地址码。接到总线的每个设备预先都给定了设备地址码。CPUCPU执行执行I/OI/O指令时需要把指令中的设备地址送到指令时需要把指令中的设备地址送到地址总线上，用以指示地址总线上，用以指示CPUCPU要选择的设备。要选择的设备。每个设备接口电路都包含一个设备选择电路，用它每个设备接口电路都包含一个设备选择电路，用它判断地址总线上呼叫的设备是不是本设备。判断地址总线上呼叫的设备是不是本设备。如果是，本设备就进入工作状态，否则不予

36、理睬。如果是，本设备就进入工作状态，否则不予理睬。设备选择电路实际上是设备地址的译码器。设备选择电路实际上是设备地址的译码器。程序查询方式的接口程序查询方式的接口数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器当输入操作时，用数据缓冲寄存器来存放当输入操作时，用数据缓冲寄存器来存放从从I/OI/O设备读出的数据，然后送往设备读出的数据，然后送往CPUCPU；当输出操作时，用数据缓冲寄存器来存放当输出操作时，用数据缓冲寄存器来存放CPUCPU送来的数据，以便送给送来的数据，以便送给I/OI/O设备输出。设备输出。数据缓冲寄存器的作用是匹配主机与外设数据缓冲寄存器的作用是匹配主机与外设的速度差异。的速度差异。程序查询

37、方式的接口程序查询方式的接口设备状态位设备状态位设备状态位是接口中的标志触发器，如设备状态位是接口中的标志触发器，如“忙忙”、“准备就绪准备就绪”、“错误错误”等，等，用来标志设备的工作状态，以便接口对用来标志设备的工作状态，以便接口对外设进行监视。外设进行监视。一旦调用程序询问一旦调用程序询问I/OI/O设备时，将状态位设备时，将状态位信息取至信息取至CPUCPU进行分析。进行分析。程序直接控制方式程序直接控制方式程序查询方式基本接口及流程程序查询方式基本接口及流程控控制制寄存器寄存器CPUCPU0 10 1BSBS0 10 1RDRD数据缓冲器数据缓冲器动作动作开始开始动作动作结束结束输入

38、输入数据数据(1)S(1)S(5)(5)READYREADY(6)(6)数据数据(3)(3)(4)(4)(2)(2)启动设备启动设备查询设备状态查询设备状态准备好准备好传送数据传送数据内存地址递增内存地址递增传送量递减传送量递减传送完？传送完？关闭设备关闭设备NNNNY YY Y(1)CPU(1)CPU通过接口启动外设工作，将通过接口启动外设工作，将BSBS触发器置触发器置1 1，请求传送数据，同时将请求传送数据，同时将RDRD触发器置触发器置0 0；(2)(2)外设开始动作；外设开始动作； (3)(3)外设传送数据，同时外设传送数据，同时CPUCPU从从I/OI/O接口读入状态接口读入状态字

39、；字；程序直接控制方式程序直接控制方式程序查询方式基本接口及流程程序查询方式基本接口及流程控控制制寄存器寄存器CPUCPU0 10 1BSBS0 10 1RDRD数据缓冲器数据缓冲器动作动作开始开始动作动作结束结束输入输入数据数据(1)S(1)S(5)(5)READYREADY(6)(6)数据数据(3)(3)(4)(4)(2)(2)启动设备启动设备查询设备状态查询设备状态准备好准备好传送数据传送数据内存地址递增内存地址递增传送量递减传送量递减传送完？传送完？关闭设备关闭设备NNNNY YY Y(4)(4)假如这个设备尚未准备就绪，则第假如这个设备尚未准备就绪，则第(3)(3)步重步重复进行，一

40、直到这个设备准备好交换数据，复进行，一直到这个设备准备好交换数据，将将RDRD触发器置触发器置1 1；(5)(5)向向CPUCPU发出准备就绪信号发出准备就绪信号“Ready”Ready”；程序直接控制方式程序直接控制方式程序查询方式基本接口及流程程序查询方式基本接口及流程控控制制寄存器寄存器CPUCPU0 10 1BSBS0 10 1RDRD数据缓冲器数据缓冲器动作动作开始开始动作动作结束结束输入输入数据数据(1)S(1)S(5)(5)READYREADY(6)(6)数据数据(3)(3)(4)(4)(2)(2)启动设备启动设备查询设备状态查询设备状态准备好准备好传送数据传送数据内存地址递增内

41、存地址递增传送量递减传送量递减传送完？传送完？关闭设备关闭设备NNNNY YY Y(6)CPU(6)CPU从从I/OI/O接口的数据缓冲器读取数据，接口的数据缓冲器读取数据，或者将数据从或者将数据从CPUCPU输出至接口的数据缓冲输出至接口的数据缓冲器。与此同时，器。与此同时，CPUCPU将接口中的状态标志将接口中的状态标志复位。复位。程序直接控制方式流程图程序直接控制方式流程图实际中，程序查询实际中，程序查询方式的接口控制的方式的接口控制的设备有多个，设备有多个，CPUCPU在执行主程序的过在执行主程序的过程中可周期性地调程中可周期性地调用各用各I/OI/O设备询问设备询问子程序。子程序。设

42、备设备1 1是否准备好？是否准备好？设备设备2 2是否准备好？是否准备好？设备设备3 3是否准备好？是否准备好？设备设备4 4是否准备好？是否准备好？设备设备1 1服服务程序务程序设备设备2 2服服务程序务程序设备设备4 4服服务程序务程序设备设备3 3服服务程序务程序Y YY YY YY YNNNNNNNN程序查询的顺序决定了其优先级，要改变设备的程序查询的顺序决定了其优先级，要改变设备的优先级只需改变其查询次序。优先级只需改变其查询次序。程序中断方式的定义计算机系统运行时，出现来自处理机以外的任何现行程序不知道的事件，CPU暂停现行程序，转去处理这些事件，待处理完毕，再返回原来的程序继续执

43、行。这个过程称为中断，这种控制方式称为中断控制方式。程序中断方式的特点程序中断方式的特点(1)CPU(1)CPU与外围设备可以并行工作；与外围设备可以并行工作；(2)(2)能够处理异常事件；能够处理异常事件；(3)(3)数据的输入输出要经过数据的输入输出要经过CPUCPU；(4)(4)一般用来连接低速设备。一般用来连接低速设备。中断的作用中断的作用中断有中断有7 7个作用：个作用：(1)(1)实现实现CPUCPU与与I/OI/O设备并行工作设备并行工作中断服中断服务程序务程序中断服中断服务程序务程序执行主程序执行主程序继续执行主程序继续执行主程序主程序主程序主机主机启动启动I/OI/O响应中断

44、响应中断传送数据传送数据返回返回返回返回传送数据传送数据响应中断响应中断打印机打印机启动启动准备准备发中断请求发中断请求接收数据接收数据准备准备打印打印打印打印发中断请求发中断请求接收数据接收数据t tt t打印机打印一行字需要几毫秒到几十毫秒的时间，而中断处理时打印机打印一行字需要几毫秒到几十毫秒的时间，而中断处理时间是很短的，一般是微秒级。从宏观上看，间是很短的，一般是微秒级。从宏观上看，CPUCPU和和I/OI/O设备是并设备是并行工作的。行工作的。中断的作用中断的作用(2)(2)硬件处理硬件处理计算机运行时，如果硬件出现了某些故障，计算机运行时，如果硬件出现了某些故障，机器中断系统发出

45、中断请求，机器中断系统发出中断请求，CPUCPU响应中断响应中断后自动进行处理。后自动进行处理。(3)(3)实现人机联系实现人机联系在计算机工作过程中，如果用户要干预机器，在计算机工作过程中，如果用户要干预机器，例如抽查计算中间结果、了解机器的工作状例如抽查计算中间结果、了解机器的工作状态等，在没有中断系统的机器里，这些功能态等，在没有中断系统的机器里，这些功能几乎是无法实现的。利用中断系统实现人机几乎是无法实现的。利用中断系统实现人机通信是很方便、很有效的。通信是很方便、很有效的。中断的作用中断的作用(4)(4)实现多道程序和分时操作实现多道程序和分时操作实现多道程序运行是提高计算机效率的有

46、效实现多道程序运行是提高计算机效率的有效手段。多道程序的切换运行需借助于中断系手段。多道程序的切换运行需借助于中断系统。在一道程序的运行中，由统。在一道程序的运行中，由I/OI/O中断系统切中断系统切换到另外一道程序运行。也可以通过给每道换到另外一道程序运行。也可以通过给每道程序分配一个固定的时间片，利用时钟定时程序分配一个固定的时间片，利用时钟定时发中断请求进行程序切换。发中断请求进行程序切换。(5)(5)实现实时处理实现实时处理所谓实时处理，是指在某个事件或现象出现所谓实时处理，是指在某个事件或现象出现时及时地进行处理，而不是集中起来再进行时及时地进行处理，而不是集中起来再进行批处理。批处

47、理。中断的作用中断的作用(6)(6)实现应用程序和操作系统（管态程序）的实现应用程序和操作系统（管态程序）的联系联系可以在用户程序中安排一条可以在用户程序中安排一条“Trap”Trap”指令进指令进入操作系统，称之为入操作系统，称之为“软中断软中断”。其中断处。其中断处理过程与其他中断类似。理过程与其他中断类似。(7)(7)多处理机系统中各处理机间的联系多处理机系统中各处理机间的联系在多处理机系统中，可以通过中断来实现处在多处理机系统中，可以通过中断来实现处理机和处理机之间的信息交换和任务切换。理机和处理机之间的信息交换和任务切换。中断的分类中断的分类请求请求CPUCPU中断的设备或事件称为中

48、断的设备或事件称为中断源中断源。根据中断源。根据中断源的不同类别，可以把中断分为的不同类别，可以把中断分为内中断内中断和和外中断外中断两种。两种。中断中断内中断内中断自愿中断自愿中断指令中断指令中断强迫中断强迫中断硬件故障硬件故障软件中断软件中断外中断（强迫中断）外中断（强迫中断）外设请求外设请求人的干预人的干预发生在主机内部的发生在主机内部的中断中断在在CPUCPU没有事先预料的情没有事先预料的情况下发生的，此时况下发生的，此时CPUCPU不不得不停下现行的工作。得不停下现行的工作。包括指令出错、程序出错、包括指令出错、程序出错、地址出错、数据出错等地址出错、数据出错等集成电路芯片、元件、集

49、成电路芯片、元件、器件等故障器件等故障出于计算机系统管理的需要自愿地进入中出于计算机系统管理的需要自愿地进入中断。自愿中断是可以预料的。断。自愿中断是可以预料的。由主机外部事件引起的中断由主机外部事件引起的中断程序中断的处理过程程序中断的处理过程中断的处理按照严格的顺序执行。中断的处理按照严格的顺序执行。(1)(1)中断请求：设备准备好传送数据或机中断请求：设备准备好传送数据或机器发生故障，请求器发生故障，请求CPUCPU为自己服务。为自己服务。(2)(2)中断响应：中断响应：CPUCPU接到中断请求，执行接到中断请求，执行完一条指令后，进入中断周期，这由硬完一条指令后，进入中断周期，这由硬件

50、完成。件完成。程序中断的处理过程程序中断的处理过程(3)(3)中断识别：识别请求中断的中断源。中断识别：识别请求中断的中断源。有程序识别、单线查询和中断向量法三有程序识别、单线查询和中断向量法三种方法。中断向量法是目前较采用的方种方法。中断向量法是目前较采用的方法。法。(4)(4)中断服务：由中断服务程序完成。中断服务：由中断服务程序完成。(5)(5)中断返回：返回主程序断点，由中中断返回：返回主程序断点，由中断返回指令完成。断返回指令完成。中断源的建立中断源的建立为了记录中断事件是否发生，利用了具为了记录中断事件是否发生，利用了具 有存储有存储功能的触发器，一般称为功能的触发器，一般称为中断

51、请求触发器中断请求触发器。当一个中断源有中断请求时，其相应的中断触当一个中断源有中断请求时，其相应的中断触发器置成发器置成“1”1”状态。此时，该中断源向状态。此时，该中断源向CPUCPU发出中断请求信号。发出中断请求信号。多位中断触发器构成一个多位中断触发器构成一个中断请求寄存器中断请求寄存器，其，其中每一位对应一种中断请求。中每一位对应一种中断请求。中断寄存器的内容称为中断寄存器的内容称为中断字或中断码中断字或中断码。CPUCPU进行中断处理时，根据中断字确定中断源，转进行中断处理时，根据中断字确定中断源，转入相应的服务程序。入相应的服务程序。中断源的屏蔽中断源的屏蔽为了便于为了便于控制中

52、断请求信号的产生，控制中断请求信号的产生，以及利用屏蔽码改变中断处理的优以及利用屏蔽码改变中断处理的优先级别，先级别，当产生中断请求后，用程当产生中断请求后，用程序方式有选择地封锁部分中断，而序方式有选择地封锁部分中断，而允许其余部分中断仍得到响应，称允许其余部分中断仍得到响应，称为为中断屏蔽中断屏蔽。中断源的屏蔽中断源的屏蔽实现方法：为每个中断源设置一个实现方法：为每个中断源设置一个中断中断屏蔽触发器屏蔽触发器来屏蔽该设备的中断请求。来屏蔽该设备的中断请求。具体来说，用程序方法将该触发器置具体来说，用程序方法将该触发器置“1”1”，则对应的设备中断被封锁；若，则对应的设备中断被封锁；若将其置

53、将其置“0”0”，则允许该设备的中断请，则允许该设备的中断请求得到响应，由各设备的中断屏蔽触发求得到响应，由各设备的中断屏蔽触发器组成器组成中断屏蔽寄存器中断屏蔽寄存器。中断源的屏蔽中断源的屏蔽有些中断请求是不可屏蔽的，即不管有些中断请求是不可屏蔽的，即不管中断系统是否开中断，这些中断源的中断系统是否开中断，这些中断源的中断请求一旦提出，中断请求一旦提出，CPUCPU必须立即响必须立即响应。例如，电源掉电就是不可屏蔽中应。例如，电源掉电就是不可屏蔽中断。所以，中断又分为断。所以，中断又分为可屏蔽中断和可屏蔽中断和非屏蔽中断非屏蔽中断两种。两种。非屏蔽中断具有最非屏蔽中断具有最高优先权。高优先权

54、。屏蔽中断请求的方法屏蔽中断请求的方法INRINRD DIRQIRQ& &INMINMD D中断中断请求请求屏蔽码屏蔽码D D& &INRINRD DINMINMD D屏蔽码屏蔽码D D中断请求中断请求IRQIRQ在中断请求进入中在中断请求进入中断请求触发器断请求触发器INRINRD D之前屏蔽。之前屏蔽。在中断请求进入在中断请求进入中断请求触发器中断请求触发器INRINRD D之后屏蔽。之后屏蔽。当当中断屏蔽触发器中断屏蔽触发器的输入的输入D D为为0 0时，能产生中断时，能产生中断请求信号请求信号IRQIRQ；D D为为1 1时，屏蔽中断请求信号。时，屏蔽中

55、断请求信号。CPUCPU响应中断的条件响应中断的条件(1)(1)在在CPUCPU内部设置的内部设置的中断允许触发器中断允许触发器必须是开必须是开放的。放的。在在CPUCPU内部设有一个内部设有一个“中断允许中断允许”触发器触发器。只有该触发器为只有该触发器为“1”1”状态时，才允许处理机响状态时，才允许处理机响应中断；如果该触发器被清除，则不响应所有应中断；如果该触发器被清除，则不响应所有中断源申请的中断。中断源申请的中断。前者叫做前者叫做允许中断允许中断，后者叫做，后者叫做禁止中断禁止中断。“中中断允许断允许”触发器通过触发器通过“开中断开中断”或或“关中断关中断”指令来置位、复位。指令来置

56、位、复位。进入中断服务程序后自动进入中断服务程序后自动“关中断关中断”。CPUCPU响应中断的条件响应中断的条件(2)(2)外设有中断请求时，中断请求触发器外设有中断请求时，中断请求触发器必须处于必须处于“1”1”状态，保持中断请求信号。状态，保持中断请求信号。(3)(3)外设接口中断屏蔽触发器必须为外设接口中断屏蔽触发器必须为“0”0”，这样才能把外设中断请求送至，这样才能把外设中断请求送至CPUCPU。(4)CPU(4)CPU在现行指令结束的最后一个状态在现行指令结束的最后一个状态周期。周期。(5)(5)无无DMADMA请求。请求。程序中断的处理过程程序中断的处理过程关中断关中断保存断点保

57、存断点识别中断源识别中断源保存现场和屏蔽字保存现场和屏蔽字设置新的屏蔽字设置新的屏蔽字开中断开中断执行中断服务程序主体执行中断服务程序主体关中断关中断恢复现场和屏蔽字恢复现场和屏蔽字开中断开中断中断返回恢复断点中断返回恢复断点硬件完成硬件完成硬件完成硬件完成中断程序完成中断程序完成进入不可再次响应进入不可再次响应中断的状态，因为中断的状态，因为接下去要保存断点接下去要保存断点和保护现场。在保和保护现场。在保存现场过程中，即存现场过程中，即使有更高级的中断使有更高级的中断源申请中断，源申请中断，CPUCPU也不应该响应；否也不应该响应；否则，如果现场保存则，如果现场保存不完整，在中断服不完整，在

58、中断服务程序结束之后就务程序结束之后就不能正确地恢复现不能正确地恢复现场并继续执行现行场并继续执行现行程序。程序。关中断关中断程序中断的处理过程程序中断的处理过程硬件完成硬件完成执行中断服务程序主体执行中断服务程序主体关中断关中断保存断点保存断点识别中断源识别中断源保存现场和屏蔽字保存现场和屏蔽字设置新的屏蔽字设置新的屏蔽字开中断开中断关中断关中断恢复现场和屏蔽字恢复现场和屏蔽字开中断开中断中断返回恢复断点中断返回恢复断点硬件完成硬件完成中断程序完成中断程序完成保存断点保存断点为了在中断处理结束为了在中断处理结束后能正确地返回到中后能正确地返回到中断点，在响应中断时，断点，在响应中断时，必须把

59、当前的程序计必须把当前的程序计数器数器PCPC中的内容（断中的内容（断点）保存起来。点）保存起来。程序中断的处理过程程序中断的处理过程执行中断服务程序主体执行中断服务程序主体硬件完成硬件完成关中断关中断保存断点保存断点识别中断源识别中断源保存现场和屏蔽字保存现场和屏蔽字设置新的屏蔽字设置新的屏蔽字开中断开中断关中断关中断恢复现场和屏蔽字恢复现场和屏蔽字开中断开中断中断返回恢复断点中断返回恢复断点硬件完成硬件完成中断程序完成中断程序完成识别中断源，转向中断识别中断源，转向中断服务程序服务程序在多个中断源同时请求在多个中断源同时请求中断的情况下，本次实中断的情况下，本次实际响应的只能是优先权际响应

60、的只能是优先权最高的那个中断源，所最高的那个中断源，所以需进一步判别中断源，以需进一步判别中断源，并转入相应的中断服务并转入相应的中断服务程序入口。程序入口。程序中断的处理过程程序中断的处理过程执行中断服务程序主体执行中断服务程序主体硬件完成硬件完成关中断关中断保存断点保存断点识别中断源识别中断源保存现场和屏蔽字保存现场和屏蔽字设置新的屏蔽字设置新的屏蔽字开中断开中断关中断关中断恢复现场和屏蔽字恢复现场和屏蔽字开中断开中断中断返回恢复断点中断返回恢复断点硬件完成硬件完成中断程序完成中断程序完成保存现场和屏蔽字，设保存现场和屏蔽字，设置新的屏蔽字置新的屏蔽字进入中断服务程序后首先进入中断服务程序后首先要保存现场，要保存现场，