1第8章 输入/输出系统8.1 CPU与外设之间的信息交换方式8.2 程序查询方式8.3 程序中断方式8.4 DMA方式8.5 通道方式
8.6 通用I/O标准接口返回28.1 CPU与外设之间的信息交换方式8.1.1 I/O接口与端口8.1.2 I/O操作的一般
过程8.1.3 I/O接口与外设间的数据传送方式8.1.4 CPU与I/O接口之间的数据传送38.1.1 I/O接口与端口外
设种类繁多，存在以下几种情况：不同种类的外设数据传输速率差别很大同一种设备在不同时刻传输速率也可能不同CPU通过I/O接口与外设连
接保证高速的主机和不同速度的外设之间的高效和可靠的交互I/O接口是由半导体介质构成的逻辑电路端口：命令口、状态口、数据口编址方式：
统一编址、独立编址48.1.1 I/O接口与端口CPU的I/O操作实际上分为两个传输阶段：I/O接口与外设之间的数据传送CPU与
I/O接口之间的数据传送58.1.2 I/O操作的一般过程输入过程三个步骤CPU把一个地址值放在地址总线上，选择某一输入设备；C
PU等待输入设备的数据成为有效；CPU从数据总线读入数据，并放入一个相应寄存器中。输出过程三个步骤CPU把一个地址值放在地址总线上
，选择一个输出设备；CPU把数据放在数据总线上；输出设备认为数据有效，从而把数据取走。68.1.3 I/O接口与外设间的数据传送
方式速度极慢或简单的外设无条件传送方式慢速或者中速的设备应答方式（异步传送方式）高速外设同步传送方式78.1.4 CPU与I/O
接口之间的数据传送无条件传送方式（简单I/O方式）程序查询（轮询）方式程序中断方式直接内存访问（DMA）方式通道和I/O处理器CA
I88.2 程序查询方式1、设备编址统一编址独立编址2、输入输出指令3、程序查询接口设备选择电路数据缓冲寄存器设备状态寄存器CAI
98.2 程序查询方式程序执行的动作如下：(1)先向I/O设备发出命令字，请求进行数据传送；(2)从I/O接口读入状态字；(3)检
查状态字中的标志，看看数据交换是否可以进行；(4)假如这个设备没有准备就绪，则第(2)、第(3)步重复进行，一直到这个设备准备好交
换数据，发出准备就绪信号“Ready”为止；(5)CPU从I/O接口的数据缓冲寄存器输入数据，或者将数据从CPU输出至接口的数据缓
冲寄存器。与此同时，CPU将接口中的状态标志复位。(6)数据传送。108.2 程序查询方式程序查询I/O设备流程图CAI118.3
程序中断方式8.3.1 中断的基本概念8.3.2 中断服务程序入口地址的获取8.3.3 程序中断方式的基本I/O接口8.3.4
单级中断8.3.5 多级中断8.3.6 Pentium中断机制128.3.1 中断的基本概念 中断（Interrupt）是指CPU
暂时中止现行程序，转去处理随机发生的紧急事件，处理完后自动返回原程序的功能和技术。中断系统是计算机实现中断功能的软硬件总称。一般在
CPU中设置中断机构，在外设接口中设置中断控制器，在软件上设置相应的中断服务程序。CAI138.3.1 中断的基本概念中断处理过程
注意几个问题： 响应中断时机：外界中断请求时随机的，但CPU只有在当前指令执行完毕后，才转至公操作 断点保护问题（PC，寄存器内容
和状态的保存） 原子操作：开中断和关中断问题。 中断是由软硬件结合起来实现的中断分为内中断（异常）和外中断148.3.1 中断的基
本概念CAI158.3.2 中断服务程序入口地址的获取向量中断：当CPU响应中断时，由硬件直接产生一个固定的地址(即向量地址)由向
量地址指出每个中断源设备的中断服务程序入口，这种方法通常称为向量中断。查询中断：硬件不直接提供中断服务程序的入口地址，而是为所有中
断安排一个公共的中断服务程序由该公共程序查询和跳转至相应中断服务子程序入口168.3.3 程序中断方式的基本I/O接口设备选择器。
设备选择器用来判别总线上送出的地址（或称呼叫的设备）是否为本设备，它实际上是设备地址的译码比较电路。BS外设接口忙（BuSy）标志
RD外设准备就绪（ReaDy）标志EI（Enable Interrupt中断允许触发器）IR（Interrupt Request）
中断请求触发器IM（Interrupt Mask）中断屏蔽触发器178.3.3 程序中断方式的基本I/O接口CAI188.3.3
程序中断方式的基本I/O接口(1)表示由程序启动外设，将该外设接口的“忙”标志BS置“1”，“准备就绪”标志RD清“0”；(2)表
示接口向外设发出启动信号；(3)表示数据由外设传送到接口的缓冲寄存器；(4)表示当设备动作结束或缓冲寄存器数据填满时，设备向接口送
出一控制信号，将数据“准备就绪”标志RD置“1”；(5)表示允许中断标志EI为“1”时，接口向CPU发出中断请求信号；(6)表示在
一条指令执行末尾CPU检查中断请求线，将中断请求线的请求信号接收到“中断请求”标志IR；(7)表示如果“中断屏蔽”标志IM为“0”
时，CPU在一条指令执行结束后受理外设的中断请求，向外设发出响应中断信号并关闭中断；(8)表示转向该设备的中断服务程序入口；(9)
表示在中断服务程序通过输入指令把接口中数据缓冲寄存器的数据读至CPU中的寄存器；(10)表示CPU发出控制信号C将接口中的BS和R
D标志复位。198.3.4 单级中断单级中断的概念：所有中断源属于同一级，离CPU越近，优先级越高。中断源的识别：串行排队链法IR
1，IR2，IR3为中断请求信号IS1，IS2，IS3为中断选中信号INTI为中断排队输入INTO为中断排队输出中断向量的产生向量
地址转移法208.3.4 单级中断CAI218.3.4 单级中断CAI228.3.5 多级中断概念每级有一个中断优先权一维多级中断
和二维多级中断说明：一个系统有n级中断，则CPU中有n个IR，n个IM，某级中断被响应后，则关闭本级和低于本级的IM，开放更高级的
IM。多级中断可以嵌套，但同一级的中断不允许嵌套中断响应时，确定哪一级中断和中断源采用硬件实现。采用了独立请求方式和链式查询方式相
结合的方式。使用多级堆栈保存现场（包括IM）238.3.5 多级中断CAI248.3.5 多级中断多级中断源的识别中断优先排队电路
中断向量产生电路CAI258.3.5 多级中断例1、参见图8.9所示的二维中断系统。请问：(1)在中断情况下，CPU和设备的优先级
如何考虑?请按降序排列各设备的中断优先级。(2)若CPU现执行设备B的中断服务程序，IM2，IM1，IM0的状态是什么?如果CPU
执行设 备D的中断服务程序，IM2，IM1，IM0的状态又是什么?(3)每一级的IM能否对某个优先级的个别设备单独进行屏蔽?如果不
能，采取什么办法可达到目的?(4)假如设备C一提出中断请求，CPU立即进行响应，如何调整才能满足此要求?268.3.5 多级中断[
例1] 解：(1)在中断情况下，CPU的优先级最低。各设备的优先次序是：A→B→C→D→E→F→G→H→I→CPU。(2)执行设备
B的中断服务程序时IM2IM1IM0=111；执行设备D的中断服务程序时，IM2IM1IM0=011。(3)每一级的IM标志不能对
某个优先级的个别设备进行单独屏蔽。可将接口中的EI(中断允许)标志清“0”，它禁止设备发出中断请求。 (4)要使设备C的中断请求及
时得到响应，可将设备C从第2级取出来，单独放在第3级上，使第3级的优先级最高，即令IM3=0即可。278.3.5 多级中断[例2]
参见例1所示的系统，只考虑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对中断请求进行服务。假设：(1)CP
U“中断批准”机构在响应一个新的 中断之前，先要让被中断的程序的一条指令一定要执行完毕；(2)TDC为查询链中每个设备的延迟时间；
(3)TA，TB，TC分别为设备A，B，C的服务程序所需的执行时间； (4)TS,TR为保存现场和恢复现场所需的时间；(5)主存工
作周期为TM。 试问：就这个中断请求环境来说，系统在什么情况下达到中断饱和?28 [例2] 解：中断处理流程，并假设执行一条指令的
时间也为TM。如果三个设备同时发出中断请求，那么依次分别处理设备A、设备B、设备C的时间如下： tA = 2TM + TDC +
TS + TA + TRtB = 2TM + 2TDC + TS + TB + TRtC = 2TM + 3TDC + TS +
TC + TR处理三个设备所需的总时间为：T=tA+tB+tCT是达到中断饱和的最小时间，即中断极限频率为：f=1/T8.3.5
多级中断29中断控制器8259中断控制器是一个集成电路芯片，它将中断接口与优先级判断等功能汇集于一身，常用于微型机系统。其内部结构
如图8.11所示。8位中断请求寄存器(IR)接受8个外部设备送来的中断请求，每一位对应一个设备。中断请求寄存器的各位送入优先权判断
器，根据中断屏蔽寄存器(IM)各位的状态来决定最高优先级的中断请求，并将各位的状态送入中断状态寄存器IS。IS保存着判优结果。由控
制逻辑向CPU发出中断请求信号INT，并接受CPU的中断响应信号INTA。数据缓冲器用于保存CPU内部总线与系统数据总线之间进行传
送的数据。读/写逻辑决定数据传送的方向，其中IOR为读控制，IOW为写控制，CS为设备选择，A0为I/O端口识别。30中断控制器C
AI31中断控制器多个8259进行级联以处理多达64个中断请求。在这种情况下允许有一个主中断控制器和多个从中断控制器，称为主从系统
。优先级选择方式有四种：①完全嵌套方式：是一种固定优先级方式，连至IR0的设备优先级最高，IR7的优先级最低。这种固定优先级方
式对级别低的中断不利，在有些情况下最低级别的中断请求可能一直不能被处理。②轮换优先级方式A：每个级别的中断保证有机会被处理，将给定
的中断级别处理完后，立即把它放到最低级别的位置上去。③轮换优先级方式B：要求CPU可在任何时间规定最优优先级，然后顺序地规定其他I
R线上的优先级。④查询方式：由CPU访问8259的中断状态寄存器，一个状态字能表示出正在请求中断的最高优先级IR线，并能表示出中断
请求是否有效。32中断控制器8259提供了两种屏蔽方式：①简单屏蔽方式，提供8位屏蔽字，每位对应着各自的IR线。被置位的任一位则禁
止了对应IR线上的中断。②特殊屏蔽方式，允许CPU让来自低优先级的外设中断请求去中断高优先级的服务程序。当8位屏蔽位的某位置“0”
时，例如屏蔽字为11001111，说明IR4和IR5线上的中断请求可中断任何高级别的中断服务程序。8259中断控制器的不同工作
方式是通过编程来实现的。CPU送出一系列的初始化控制字和操作控制字来执行选定的操作。338.3.6 Pentium中断机制中断类型
中断服务子程序进入过程中断处理过程CAI348.4 DMA方式8.4.1 DMA的基本概念8.4.2 DMA传送方式8.4.3 基
本的DMA原理8.4.4 选择型和多路型DMA控制器 358.4.1 DMA的基本概念直接存储器访问（Direct Memory
Address）DMA方式是为了在主存储器与I／O设备间高速交换批量数据而设置的。基本思想是：通过硬件控制实现主存与I／O设备间的
直接数据传送，在传送过程中无需CPU的干预。数据传送是在DMA控制器控制下进行的，优点：速度快。有利于发挥CPU的效率。368.4
.2 DMA传送方式1、停止CPU访问内存主机响应DMA请求后，让出存储总线，直到一组数据传送完毕后，DMA控制器才把总线控制权交
还给CPU，采用这种工作方式的I／O设备，在其接口中一般设置有小容量存储器，I／O设备先与小容量存储器交换数据，然后由小容量存储器
与主机交换数据，这样可减少DMA传送占用存储总线的时间，也即减少了CPU暂停工作的时间。371、停止CPU访问内存优点: 控制简单
，它适用于数据传输率很高的设备进行成组传送。缺点: 在DMA控制器访内阶段，内存的效能没有充分发挥，相当一部分内存工作周期是空闲的
。这是因为，外围设备传送两个数据之间的间隔一般总是大于内存存储周期，即使高速I/O设备也是如此。8.4.2 DMA传送方式388.
4.2 DMA传送方式2、周期挪用方式DMA控制器与主存储器之间传送一个数据，占用（窃取）一个CPU周期，即CPU暂停工作一个周期
，然后继续执行程序。398.4.2 DMA传送方式3、DMA与CPU交替访内如果CPU的工作周期比内存存取周期长很多，可以采用该种
方法总线控制权的转移速度快，DMA效率高。408.4.3 基本的DMA原理1、DMA基本构成(1)内存地址计数器(2)字计数器(3
)数据缓冲寄存器(4)“DMA请求”标志(5)“控制/状态”逻辑(6)中断机构CAI418.4.3 基本的DMA原理2、 DMA数
据传送过程当外设有DMA请求时，通常CPU在本机器周期结束后，响应DMA请求。CAI428.4.4 选择型和多路型DMA控制器选择
型多路型CAICAI438.4.4选择型和多路型DMA控制器典型DMA芯片CAI44 [例3] 下图中假设有磁盘、磁带、打印
机三个设备同时工作。磁盘以30μs的间隔向控制器发DMA请求，磁带以45μs的间隔发DMA请求，打印机以150μs间隔发DMA请求
。根据传输速率，磁盘优先权最高，磁带次之，打印机最低，图中假设DMA控制器每完成一次DMA传送所需的时间是5μs。若采用多路型DM
A控制器，请画出DMA控制器服务三个设备的工作时间图。 45CAI46 [例3] 解： 由图看出，T1间隔中控制器首先为打印
机服务，因为此时只有打印机有请求。T2间隔前沿磁盘、磁带同时有请求，首先为优先权高的磁盘服务，然后为磁带服务，每次服务传送一个字节
。在120μs时间阶段中，为打印机服务只有一次(T1)，为磁盘服务四次(T2，T4，T6，T7)，为磁带服务三次(T3，T5，T8
)。从图上看到，在这种情况下DMA尚有空闲时间，说明控制器还可以容纳更多设备。 8.4.4 选择型和多路型DMA控制器478.5
通道方式8.5.1 通道的功能8.5.2 通道的类型8.5.3 通道结构的发展 488.5.1 通道的功能执行通道指令，组织外围设
备和内存进行数据传输，按I/O指令要求启动外围设备，向CPU报告中断等，具体有以下五项任务：(1)接受CPU的I/O指令，按指令要
求与指定的外围设备进行通信。(2)从内存选取属于该通道程序的通道指令，经译码后向设备控制器和设备发送各种命令。 (3)组织外围设
备和内存之间进行数据传送，并根据需要提供数据缓存的空间，以及提供数据存入内存的地址和传送的数据量。 (4)从外围设备得到设备的状态
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。(5)将外围设备的中断请求和通道本身的
中断请求，按次序及时报告CPU。 498.5.1 通道的功能通道结构 在一般用户程序中，通过调用通道来完成一次数据输入输出的过程如
图1所示CPU执行用户程序和管理程序，通道处理机执行通道程序的时间关系如图所示。 CAI508.5.2 通道的类型选择通道
??选择通道每次只能从所连接的设备中选择一台I／O设备的通道程序，此刻该通道程序独占了整个通道。连接在选择通道上的若干设备，只能依
次使用通道与主存传送数据数据传送以成组（数据块）方式进行，每次传送一个数据块，因此，传送速率很高。选择通道多适合于快速设备（磁盘）
，这些设备相邻字之间的传送空闲时间极短。518.5.2 通道的类型字节多路通道?（Byte Multiplexor Channel
）? 是一种简单的共享通道，在时间分割的基础上，服务于多台低速和中速面向字符的外围设备。字节多路通道包括多个子通道，每个子通道服务
于一个设备控制器，可以独立地执行通道指令。每个子通道都需要有字符缓冲寄存器、I／O请求标志／控制寄存器、主存地址寄存器和字节计数寄
存器。而所有于通道的控制部分是公共的，由所有子通道所共享。通常，每个通道的有关指令和参量存放在主存固定单元中。当通道在逻辑上与某一
设备连通时，将这些指令和参量取出来，送入公共控制部分的寄存器中使用。字节多路通道要求每种设备分时占用一个很短的时间片，不同的设备在
各自分得的时间片内与通道建立传输连接，实现数据的传送。528.5.2 通道的种类数组多路通道（Block Multiplexor
Channel）数组多路通道把字节多路通道和选择通道的特点结合起来。它有多个子通道，既可以执行多路通道程序，象字节多路通道那样，所
有子通道分时共享总通道；又可以用选择通道那样的方式传送数据。数组多路通道和字节多路通道的比较538.5.3 通道结构的发展输入输出
处理机（IOP）?? 输入输出处理机（IOP）不是一台独立的计算机，而是计算机系统中的一个部件。IOP可以和CPU并行工作，提供高
速的DMA处理能力，实现数据的高速传送。此外，有些IOP还提供数据的变换、搜索和字装配／分拆能力。8位和16位微机中使用的Inte
l 8089 I/O处理器就是这种通道型I/O处理器548.5.2 通道结构的发展外围处理机?? 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。558.6 通用I/O接口标准8.
6.1 并行I/O标准接口SCSI8.6.2 串行I/O标准接口IEEE13948.6.3 I/O系统设计 568.6.1
并行I/O标准接口SCSI小型计算机系统接口的简称，它是一个高速智能接口，可以混接各种磁盘、光盘、磁带机、打印机、扫描仪、条码阅读
器以及通信设备 578.6.2 串行I/O标准接口IEEE1394IEEE 1394是一种高速串行I/O标准接口。各被连接装置的关
系是平等的，不用PC介入也能自成系统。这意味着1394在家电等消费类设备的连接应用方面有很好的前景。(1)数据传送的高速性 (2)
数据传送的实时性(3)体积小易安装，连接方便CAI588.6.2 串行I/O标准接口IEEE1394图8.23 IEEE 139
4协议集CAI598.6.3 I/O系统设计I/O系统设计要考虑两种主要规范：时延约束、带宽约束。时延约束——确保完成一次I/O
操作的延迟时间被限制在某个数量范围内。带宽约束——给定一个工作负载，设计一个满足一组带宽约束的I/O系统；或者给定一个部分配置好的
I/O系统，要求设计者平衡系统，以维持该系统预配置部分规定的可能达到的最大带宽。60本 章 小 结各种外围设备的数据传输速率相差很
大。如何保证主机与外围设备在时间上同步，则涉及外围设备的定时问题。在计算机系统中，CPU对外围设备的管理方式有：①程序查询方式；②
程序中断方式；③DMA方式；④通道方式。每种方式都需要硬件和软件结合起来进行。程序查询方式是CPU管理I/O设备的最简单方式，CP
U定期执行设备服务程序，主动来了解设备的工作状态。这种方式浪费CPU的宝贵资源。程序中断方式是各类计算机中广泛使用的一种数据交换方
式。当某一外设的数据准备就绪后，它“主动”向CPU发出请求信号。CPU响应中断请求后，暂停运行主程序，自动转移到该设备的中断服务子
程序，为该设备进行服务，结束时返回主程序。中断处理过程可以嵌套进行，优先级高的设备可以中断优先级低的中断服务程序。61本 章 小
结DMA技术的出现，使得外围设备可以通过DMA控制器直接访问内存，与此同时，CPU可以继续程序。DMA方式采用以下三种方法：①停止
CPU访内；②周期挪用；③DMA与CPU交替访内。DMA控制器按其组成结构，分为选择型和多路型两类。通道是一个特殊功能的处理器。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，从而使CPU将“传输控制”的功能下放给通道，CPU只负责“数据处理”功能。这样，通道与CPU分时使用内存，实现了CPU内部的数据处理与I/O设备的平行工作。通道有两种类型：①选择通道；②多路通道。62本 章 小 结标准化是建立开放式系统的基础。CPU、系统总线、I/O总线及标准接口技术近年来取得了重大进步。其中并行I/O接口SCSI与串行I/O接口IEEE 1394是两个最具权威性和发展前景的标准接口技术。SCSI是系统级接口，是处于主适配器和智能设备控制器之间的并行I/O接口，改进的SCSI可允许连接1～15台不同类型的高速外围设备。SCSI的不足处在于硬件较昂贵，并需要通用设备驱动程序和各类设备的驱动程序模块的支持。IEEE 1394是串行I/O标准接口。与SCSI并行I/O接口相比，它具有更高的数据传输速率和数据传送的实时性，具有更小的体积和连接的方便性。IEEE 1394的一个重大特点是，各被连接的设备的关系是平等的，不用PC介入也能自成系统。因此IEEE 1394已成为Intel、Microsoft等公司联手制定的新标准。 |
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