第5章 输入输出系统.docx
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第第5章章输入输出系统输入输出系统第第5章章输入输出系统输入输出系统本章主要介绍计算机中输入输出系统的相关知识，要求学生掌握几种典型的输入输出子系统的工作原理。
重点提示：
外围设备的定时方式与信息交换方式程序查询方式程序中断方式DMA方式通道方式5-1重点难点指导重点难点指导5-1-1输入输出系统概述输入输出系统概述一个I/O接口不是简单地把设备和系统总线连接起来的机械连接器，而是包含了在外设与总线之间执行通信功能的逻辑。
主机和外设信息交换必须通过接口的原因：
各种外设使用不同的操作方法，将控制一定范围的设备的必要逻辑放入处理器内是不切实际的。
外设的数据传送速度一般比存储器或处理器慢得多，是不切实际的。
外设的数据传送速度一般比存储器或处理器慢得多，使用高速的系统总线直接与外设通信是不切实际的。
外设经常使用与处理器不同的数据格式和字长度。
I/O接口的两大功能：
通过系统总线或中央交换器与处理器和存储器连接。
通过专用数据线与一个或多个外设连接。
接口的具体功能包括：
控制和定时处理器通信设备通信数据缓冲检错接口要向主机系统传送的信息有：
数据信息、控制信息和状态信息。
大多数计算机都把外部设备的状态信息视为输入数据，而把控制信息看成输出数据，并在接口中分设各自相应的寄存器，赋以不同的端口地址，各种信息分时地使用数据总线传送到各自的寄存器中去。
接口（Interface）与端口（Port）是两个不同的概念。
端口是指接口电路中可以被CPU直接访问的寄存器，若干个端口加上相应的控制逻辑电路才组成接口。
通常，一个接口中包含有数据端口、命令端口和状态端口。
存放数据信息的寄存器称为数据端口，存放控制命令的寄存器称为命令端口，存放状态信息的寄存器称为状态端口。
CPU通过输入指令可以从有关端口中读取信息，通过输出指令可以把信息写入有关端口。
CPU对不同端口的操作有所不同，有的端口只能写或只能读，有的端口既可以读又可以写。
接口的类型：
按数据传送方式分类：
有串行接口和并行接口。
按主机访问I/O设备的控制方式分类：
分为程序查询式接口、中断接口、DMA接口、通道、I/O处理机等。
按功能选择的灵活性分类：
有可编程接口和不可编程接口。
按通用性分类：
通用接口和专用接口。
按输入输出的信号分类：
数字接口和模拟接口。
为了能在众多的外设中寻找或挑选出要与主机进行信息交换的外设，就必须对外设进行编址。
外设识别是通过地址总线和接口电路中的外设识别电路来实现的，I/O端口地址就是主机与外设直接通信的地址，CPU可以通过端口发送命令、读取状态和传送数据。
如何实现对这些端口的访问，这就是所谓的I/O端口的寻址方式。
I/O端口寻址方式有两种：
存储器映射方式，即把端口地址与存储器地址统一编址；I/O映射方式，即把I/O端口地址与存储器地址分别进行独立的编址。
两种方式各自的特点：
统一编址优点在于访存指令同时也可进行外设端口的访问，指令格式统一，但外设端口要占用一部分主存的地址空间；独立编址的好处在于主存和外设都有自己独立的地址空间，但访问外设和主存所使用的指令不同。
主机和外设之间的信息传送控制方式，经历了由低级到高级、由简单到复杂、由集中管理到各部件分散管理的发展过程，按其发展的先后次序和主机与外设并行工作的程度，可以分为如下4种：
程序查询方式程序中断方式直接存储器存取（DMA）方式I/O通道控制方式这些控制方式由低级到高级，由简单到复杂，由集中管理到各部件分散管理，主机与外设并行工作程度由低到高。
5-1-2程序查询方式及其接口程序查询方式及其接口由CPU执行一段输入输出程序来实现内存与外设之间数据传送的方式叫做程序直接控制方式。
根据外设的不同性质，这种传送方式又可分为无条件传送和程序查询方式两种。
无条件传送：
I/O端口总是准备好接收主机的输出数据，或总是准备好向主机输入数据，只适用于一些简单设备；程序查询方式：
可适用于大多数的低速外设。
程序查询的基本思想：
CPU在程序中查询外设的工作状态，来保证数据传送的正确进行。
程序查询方式的工作过程：
1、预置传送参数2、向外设接口发出命令字3、从外设接口取回状态字4、查询外设标志5、传送数据6、判断传送是否结束通常接口中至少有两个寄存器，一个是数据缓冲寄存器，即数据端口，用来存放与CPU进行传送的数据信息；另一个是供CPU查询的设备状态寄存器，即状态端口，这个寄存器由多个标志位组成，其中最重要的是“外设准备就绪”标志（输入或输出设备的准备就绪标志可以不是同一位）。
当CPU得到这位标志后就进行判断，以决定下一步是继续循环等待还是进行I/O传送。
也有些计算机仅设置状态标志触发器，其作用与设备状态寄存器相同。
当使用程序查询方式实现对多个外设进行信息交换时，可采用轮询的方式。
5-1-3程序中断方式及其接口程序中断方式及其接口程序查询方式虽然简单，但却存在着下列明显的缺点：
在查询过程中，CPU长期处于踏步等待状态，使系统效率大大降低；CPU在一段时间内只能和一台外设交换信息，其他设备不能同时工作；不能发现和处理预先无法估计的错误和异常情况。
程序中断方式的基本思想：
实现主动权的变化，在程序查询方式中，CPU是主动的查询外设的状态，而在中断方式中，外设主动的向CPU报告自己的状态。
中断方式在一定程度上实现了CPU和外设的并行工作，使CPU的效率得到充分的发挥。
中断系统是计算机实现中断功能的软、硬件总称。
一般在CPU中配置中断机构，在外设接口中配置中断控制器，在软件上设计相应的中断服务程序。
中断的基本类型：
自愿中断和强迫中断内中断和外中断向量中断和非向量中断单重中断和多重中断中断源：
是指中断请求的来源，即引起计算机中断的事件。
可采用具有存储功能的触发器来记录中断源，这个触发器称为中断请求触发器（INTR）。
中断源的中断请求信号传送到CPU的方式：
独立请求线公共请求线二维结构确定中断优先级的原则是：
对那些提出中断请求后需要立刻处理，否则就会造成严重后果的中断源规定最高的优先级；而对那些可以延迟响应和处理的中断源规定较低的优先级。
中断判优的方法可分为下列两种：
软件判优法：
灵活性强，但速度慢；硬件判优电路：
优先级别固定，但速度快，是目前常用的方法。
CPU响应中断必须满足下列条件：
CPU接收到中断请求信号CPU允许中断一条指令执行完毕CPU响应中断之后，经过某些操作，转去执行中断服务程序。
这些操作是由硬件直接实现的，把它称为中断隐指令。
中断隐指令完成的操作主要有：
保存断点暂不允许中断引出中断服务程序识别中断源的目的在于使CPU转入为该中断源专门设置的中断服务程序。
解决这个问题的方法可以用软件，也可以用硬件，或用两者相结合的方法。
硬件向量中断：
当CPU响应某一中断请求时，硬件能自动形成并找出与该中断源对应的中断服务程序的入口地址。
向量地址通常有两种情况：
向量地址是中断服务程序的入口地址向量地址是中断向量表的指针中断现场：
指的是发生中断时CPU的主要状态，其中最重要的是断点，另外还有一些通用寄存器的状态。
现场的保护和恢复方法有纯软件和软、硬件相结合两种。
中断嵌套：
中断嵌套的层次可以有多层，越在里层的中断请求越急迫，优先级越高，因此优先得到CPU的服务。
在多重中断中需要注意的问题：
若一个系统中有n级中断，CPU中就要有n个中断请求触发器与之相对应，被称为中断请求寄存器。
多级中断系统中的每一级可以是一个中断源，也可以是多个中断源。
多级中断之间可以实现中断嵌套，但同一级内的中断源的中断是不能嵌套的。
多级中断系统同样使用堆栈保存断点信息。
在多重中断系统中应开中断的情况：
已响应中断请求转向中断服务程序，在保护完中断现场之后；在中断服务程序执行完毕，即将返回被中断的程序之前。
在多重中断系统中应关中断的情况：
当响应某一级中断请求，不再允许被其他中断请求打断时；在中断服务程序的保护和恢复现场之前。
中断屏蔽：
中断源发出中断请求之后，这个中断请求并不一定能真正送到CPU去，在有些情况下，可以用程序方式有选择地封锁部分中断。
中断屏蔽的实现是使用中断屏蔽寄存器，中断屏蔽寄存器和中断请求寄存器相对应，在多级中断系统中，中断屏蔽寄存器的内容是一个很重要的程序现场。
大体上可以把中断全过程分为五个阶段：
中断请求中断判优中断响应中断处理中断返回中断控制机构至少应包括下列几个部分：
中断请求电路中断优先级电路向量地址形成部件5-1-4DMA方式及其接口方式及其接口直接存储器访问DMA（DirectMemoryAccess）是一种完全由硬件执行I/O交换的工作方式，这种方式中在外设和内存之间开辟一条“直接数据通道”，在不需要CPU干预也不需要软件介入的情况下在两者之间进行的高速数据传送方式。
DMA方式具有下列特点：
它使内存与CPU的固定联系脱钩。
内存既可被CPU访问，又可被外设访问；在数据块传送时，内存地址的确定、传送数据的计数等都用硬件电路直接实现；内存中要开辟专用缓冲区，及时供给和接收外设的数据；DMA传送速度快，CPU和外设并行工作，提高了系统的效率；DMA在传送开始前要通过程序进行预处理，结束后要通过中断方式进行后处理。
DMA和中断的区别在于：
中断方式是程序切换，需要保护和恢复现场；而DMA方式除了开始和结尾时，不占用CPU的任何资源。
对中断请求的响应只能发生在每条指令执行完毕时；而对DMA请求的响应可以发生在每个机器周期结束时。
中断传送过程需要CPU的干预；而DMA传送过程不需要CPU的干预，故数据传送速率非常高，适合于高速外设的成组数据传送。
DMA请求的优先级高于中断请求。
中断方式具有对异常事件的处理能力、而DMA方式仅局限于完成传送信息块的I/O操作。
DMA方式的主要优点是速度快。
由于CPU不参加传送操作，省去了CPU取指令、取数、送数等操作。
在数据传送过程中，没有保存现场、恢复现场之类的工作。
DMA方式一般应用于内存与高速外设间的简单数据传送。
主要的应用有：
磁盘数据块的读写通信设备的数据交换大批量数据采集系统DRAM的刷新DMA控制器的功能：
接受外设发出的DMA请求，并向CPU发出总线请求；确定传送数据的内存单元地址及传送长度，并自动修改内存地址计数值和传送长度计数值；规定数据在内存与外设之间的传送方向，发出读写或其他控制信号传送的操作；向CPU报告DMA操作的结束（通过中断方式）。
DMA接口又常被称为DMA控制器。
DMA接口的复杂程度要高于程序查询式接口和程序中断式接口，DMA接口在中断接口的基础上再加上DMA机构组成。
DMA控制器的基本组成如下：
内存地址计数器传送长度计数器数据缓冲寄存器DMA请求触发器控制/状态逻辑中断机构DMA控制器的引线：
地址总线数据总线控制数据传送方式的信号线DMA控制器与外设之间的联络信号线DMA控制器与CPU之间的联络信号线DMA控制器进行数据传送与CPU和外设之间的信号交换方式，主要的信号有DREQ、DACK、HRQ、HLDA。
DMA控制器与CPU通常采用以下三种方法共享内存：
CPU停止访问内存法：
这种传送方法的优点是控制简单，适用于数据传输率很高的设备进行成组传送。
缺点是DMA控制器访问内存阶段，相当一部分内存工作周期是空闲的，内存的效率没有得到充分发挥。
存储器分时法（透明DMA方式）：
适用于CPU工作周期比内存周期长很多的情况。
优点是无需申请和归还总线，使总线控制权的转移几乎不需要什么时间。
缺点是要求内存的工作速度提高一倍。
周期挪用法：
适用于I/O设备读写周期大于内存存储周期的情况。
周期挪用方式既实现了I/O传送，又较好的发挥了内存和CPU的效率，是一种广泛采取的方法。
注意：
当I/O设备和CPU发生访内冲突时，I/O设备访内优先，因为I/O访内有时间要求。
DMA的传送过程可分为三个阶段：
DMA传送的预处理、数据传送和传送后的结束处理。
其中前后两个阶段的工作都由CPU来完成，只有数据传送由DMA控制器完成。
5-1-5通道方式及其接口通道方式及其接口在大、中型计算机系统中，所连接的I/O设备数量多，输入输出频繁，要求整体的速度快，单纯依靠主CPU采取中断和DMA等控制方式已不能满足要求，于是通道控制方式被引入计算机系统。
DMA方式的不足体现在：
DMA方式只能进行简单的数据传输，这在某些场合下是不够的；DMA传送方式在预处理和后处理阶段仍需要CPU的大量介入，因此不适合连接大量的外围设备。
通道控制方式与DMA方式的区别通过执行通道程序，通道具有更强的独立处理数据输入输出的功能；一个通道可以同时控制许多台同类或不同类的设备。
一个具有通道的计算机从逻辑结构上，具有4级连接：
主机通道设备控制器外部设备。
通道有以下几个方面的功能：
接受CPU的I/O指令，按指令要求与指定的外设进行联系；执行通道程序，进行设备控制；实施内存和外设间的数据传送；从外设获得设备的状态信息，形成并保存通道本身的状态信息，根据要求将这些状态信息送到内存的指定单元，供CPU使用；将外设的中断请求和通道本身的中断请求按次序及时报告CPU。
设备控制器的功能：
从通道接收控制信号，控制外部设备完成所要求的操作；向通道反馈外部设备的状态；将外部设备的各种不同信号转换为通道能识别的标准信号。
按照输入输出信息的传送方式，通道可分为三种类型：
字节多路通道：
数据传送的基本单位是字节，各个子通道分时使用通道，用于连接大量低速的设备。
选择通道：
又称为高速通道，在物理上可连接多个设备，但这些设备不能同时工作。
主要用于连接高速外围设备。
数组多路通道：
数据传输的基本单位是数据块。
物理上可连接多个设备，多个设备可同时工作，但只能有一个设备进行传输型操作，其他设备进行控制型操作。
在采用通道的计算机系统中，输入输出操作可分为两个层次：
主CPU执行I/O指令生成输入输出程序；通道执行所生成的程序，完成输入输出。
具体过程如图5-1-1所示。
图5-1-1带有通道的计算机系统输入输出过程示意图5-2典型例题解典型例题解析析1、考虑A，B，C三个设备组成的单级中断结构，它要求CPU在执行完当前指令时转向对中断请求进行服务。
现假设：
TDC为查询链中每个设备的延迟时间。
TA，TB，TC分别为设备A，B，C的服务程序所需要的执行时间。
TS，TR为保存现场和恢复现场所需时间。
试问：
就这个中断请求环境来说，系统在什么情况下达到饱和？
也就是说，在确保请求服务的三个设备都不会丢失信息的条件下，允许出现中断的极限频率有多高？
注意：
“中断允许”机构在确认一个新中断之前，先要让即将被中断的程序的一条指令执行完毕。
设主存的工作周期TM。
解析：
假设执行一条指令时间也为TM，三个设备同时发出中断请求，那么依次分别处理设备C，B，A时间如下：
tC2TMTDCTSTCTRtB2TM2TDCTSTBTRtA2TM3TDCTSTATR三个设备所花的总时间为：
T=tC+tB+tA2、磁盘，磁带，打印机三个设备同时工作：
磁盘以30s的间隔向控制器发DMA请求，磁盘以45s的间隔发DMA请求，打印机以150s的间隔发DMA请求，假设DMA控制器没完成一次DMA传送所需时间为5s，画出多路MDA控制器工作时空图。
解析：
根据传送速率，磁盘优先权最高，磁带次之，打印机最低。
工作时空图如图5-2-1所示。
图5-2-1工作时空图3、单级中断,采用串行链法来实现具有公共请求线的中断源优先级识别，请画出中断向量为001010，001011，001000三个设备的判优识别逻辑图。
解析：
令中断向量001010为A设备，001011为B设备，001000为C设备，三个设备的判优识别逻辑如图5-2-2所示。
图5-2-2判优识别逻辑图5-3练习题练习题一、选择题1、在微型机系统中，外围设备通过_与主板的系统总线相连接。
A.DMA控制器B.设备控制器C.中断控制器D.I/O端口2、在采用_对设备进行编址的情况下，不需要专门的I/O指令。
A.统一编址法B.单独编址法C.两者都是D.两者都不是3、以下有关I/O接口功能和结构的叙述中，错误的是_。
A.I/O接口就是像显卡或网卡之类的一种外设控制逻辑B.CPU可以向I/O接口传送用来对设备进行控制的命令C.CPU可以从I/O接口取状态信息，以了解接口和外设的状态D.主机侧传输的数据宽度与设备侧传输的数据宽度是一样的4、以下有关I/O端口的叙述中，错误的是_。
A.I/O接口中用户可访问的寄存器被称为I/O端口B.命令端口和状态端口可以共用一个C.I/O端口可以和主存统一编号，也可以单独编号D.I/O端口的地址位数比主存地址位数长5、某终端通过RS-232串行通信接口与主机相连，采用起止式异步通信方式。
若传输速率为1200波特，字符格式为：
一位起始位、8位数据位、无校验位、一位停止位。
则传送一个字节所需时间约为_。
A.6.7msB.7.5msC.8.3msD.9.2ms6、某终端通过RS-232串行通信接口与主机相连，采用起止式异步通信方式。
若每秒钟传送2400个字符，字符格式为：
一位起始位、8位数据位、无校验位、两位停止位。
则传送一个字节所需时间约为_。
A.3.3微秒B.3.3毫秒C.4.6微秒D.4.6毫秒7、下述I/O控制方式中，主要由硬件而不是软件实现数据传送的方式是_。
A.程序查询方式B.程序中断方式C.DMA方式8、周期挪用方式常用于_方式的输入/输出控制中。
A.DMAB.中断C.程序查询D.通道9、采用“周期挪用”方式进行数据传送时，每传送一个数据要占用一个_的时间。
A.指令周期B.机器周期C.时钟周期D.存储周期10、以下是有关程序查询方式的叙述：
程序查询方式通过CPU执行程序来完成数据传送CPU向I/O端口送数据或取数据之前，要查看相应的状态CPU和外设是完全串行的程序查询方式也称为程序直接控制方式以上叙述中，正确的有_。
A.仅和B.仅和和C.仅和和D.全部11、下述有关程序中断I/O方式的叙述中，错误的是_。
A.外设中断请求时，实际上是请求CPU执行相应的程序来处理外设发生的相关事件B.I/O中断响应不可能发生在一条指令执行过程中C.外设的数据是和CPU直接交换的D.只要有未被屏蔽的中断请求发生，在一条指令结束后，就会进入中断响应周期12、某计算机系统中软盘以中断方式与处理机进行I/O通信，通信中以16bit为传输单位，传输率为50KB/s，每次传输的开销（包括中断）为100个CPU时钟，处理器的主频为50MHZ，则软盘使用时占处理器时间的比例是_。
A.0%B.5%C.1.5%D.15%13、中断向量地址是_。
A.子程序入口地址B.中断服务程序入口地址C.中断服务程序入口地址指示器D.例行程序入口地址14、当有中断源发出中断请求时，CPU执行相应的中断服务程序进行中断处理。
对于I/O中断的情况，提出中断请求的部件可以是_。
A.ALUB.寄存器C.键盘D.Cache15、以下_情况不会引起中断请求。
A.一条指令执行结束B.一次I/O操作结束C.键盘缓冲已满D.一次DMA操作结束16、以下_情况出现时，会自动查询有无I/O中断请求，进而可能进入中断响应周期。
A.一条指令执行结束B.一次I/O操作结束C.机器内部发生故障D.一次DMA操作结束17、采用DMA方式传送数据时，每传送一个数据就要占用一个_的时间A.指令周期B.机器周期C.存储周期D.总线周期18、在采用DMA方式高速传输数据时，数据传送是_。
A.在总线控制器发出的控制信号控制下完成的B.在DMA控制器本身发出的控制信号控制下完成的C.由CPU执行程序完成的D.由CPU相应中断处理完成的19、下列陈述中正确的是_。
A.中断相应过程是由硬件和中断服务程序共同完成的B.每条指令的执行过程中，每个总线周期要检查一次有无中断请求C.检测有无DMA请求，一般安排在一条指令执行过程的末尾D.中断服务程序的最后一条指令是无条件转移指令20、下列陈述中正确的是_。
A.在DMA周期内，CPU不能执行程序B.中断发生时，CPU首先执行入栈指令将程序计数器的内容保护起来C.DMA传送方式中，DMA控制器每传送一个数据就挪用一个指令周期D.输入输出操作的最终目的是要实现CPU与外设之间的数据传输21、DMA方式的数据交换不是由CPU执行一段程序来完成，而是在_之间建立一条逻辑上的直接数据通路，由DMA控制器来实现的。
A.CPU与主存之间B.外设与外设之间C.外设与CPU之间D.外设与主存之间22、以下有关DMA方式的叙述中，错误的是_。
A.DMA方式下，DMA控制器向CPU请求的是总线使用权B.DMA方式可以用于键盘和鼠标器的数据输入C.在数据传送阶段，不需要CPU介入，完全由DMA控制器控制D.DMA方式下要用到中断处理23、以下关于DMA控制器和CPU关系的叙述中，错误的是_。
A.DMA控制器和CPU都可以作为总线的主控设备B.当DMA控制器和CPU都需要使用总线访问内存时，CPU优先级高C.CPU可以通过执行I/O指令来访问DMA控制器sD.CPU可通过执行指令来启动DMA控制器24、通道对CPU的请求形式是_。
A.自陷B.中断C.通道指令D.跳转指令25、CPU对通道的请求形式是_。
A.自陷B.中断C.通道指令D.I/O指令26、如果认为CPU等待设备的状态信号是处于非工作状态（即踏步等待）那么，在下面几种主机与设备数据传输方中，_主机与设备是串行工作的，_主机与设备是并行工作的，_主程序与外围设备是并行运行的。
A.程序查询方式B.中断方式C.DMA方式27、中断发生时，由硬件保护片更新程序计数器PC，而不是由软件完成，主要是为了_。
A.能进入中断处理程序并能正确返回原程序B.节省内存C.提高处理机的速率D.使中断处理程序易于编制，不易出错。
28、单级中断与多级中断的区别_。
A.单级中断只能实现单中断，而多级中断可以实现多重中断B.单级中断的硬件结构是一维中断，而多级中断的硬件结构是二维中断C.单级中断，处理机只通一根外部中断请求线接到它的外部设备系统；而多级中断，每一个I/O设备都有一根专用的外部中断请求线29、在单级中断系统中，CPU一旦响应中断，则立即关闭_标志，以防止本次中断服务结束前同级的其他中断源产生另一次中断进化干扰。
A.中断允许B.中断请求C.中断屏蔽30、CPU输出数据的速度远远高于打印机的打印速度，为解决这一矛盾，可采用_。
A.并行技术B.通道技术C.缓冲技术D.虚拟技术31、中断允许触发器用来_。
A.表示外设是否提出了中断请求B.CPU是否响应了中断请求C.CPU是否正在进行中断处理D.开放或关闭可屏蔽硬件中断32、硬中断服务程序结束返回断点时，程序末尾要安排一条指令IRET，它的作用是_。
A.构成中断结束命令.B.恢复断点信息并返回C.转移IRET的下一条指令D.返回到断点处33、如果有多个中断同时发生，系统将根据中断优先级响应优先级最高的中断请求。
若要调整中断事件的响应次序，可以利用_。
A.中断嵌套B.中断向量C.中断响应D.中断屏蔽34、通道是重要的I/O方式，其中适合连接大量终端与打印机的通道是_。
A.数组多路通道B.选择通道C.字节多路通道35、通道程序是由_组成。
A.I/O指令B.通道指令（通道控制字）C.通道状态字36、为了便于实现多级中断，保存现
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