输入输出系统

程序查询方式

程序查询流程

在程序查询方式中，CPU会通过查询程序不断地检查各个I/O设备是否准备好进行数据传输

• CPU初始化时，会在寄存器中设置好主存缓冲区的首地址和计数值
• CPU发出启动指令，启动所有需要的I/O设备
• CPU循环执行查询操作，从第一个设备开始，逐一检查每个设备是否准备就绪
• 如果某个设备准备好，CPU就发出传送指令，并与该设备进行数据传输
• 数据传输完成后，CPU可以返回到查询循环，继续检查下一个设备

单/多个 I/O 设备的查询流程

缺点：

• CPU在等待I/O设备准备就绪的过程中，会持续执行查询操作，这会导致CPU利用率低
• 如果多个设备同时准备好，程序查询方式无法有效地处理并行操作

程序查询方式的接口电路

1. 当 CPU 通过 I/O 指令启动输入设备时，指令的设备码字段通过地址线送至设备选择电路
2. 若该接口的设备码与地址线上的代码吻合，其输出 SEL 有效
3. I/O 指令的启动命令经过“与非”门将工作触发器B置“1”，将完成触发器D置“0”
4. 由 B 触发器启动设备工作
5. 输入设备将数据送至数据缓冲寄存器
6. 由设备发设备工作结束信号，将 D 置“1”，B 置“0”，表示外设推备就绪
7. D 触发器以“准备就绪”状态通知CPU，表示“数据缓冲满”
8. CPU 执行输入指令，将数据缓冲寄存器中的数据送至 CPU 的通用寄存器，再存入主存相关单元

程序中断方式

中断的概念

程序中断方式是基于程序查询方式的改进，它允许I/O设备在准备好后主动中断CPU，而不是让CPU不断地查询

• CPU 初始化所有 I/O 设备，并允许它们通过中断请求线（IRQ）发起中断
• CPU 开始执行其他任务，不需要持续查询 I/O 设备状态
• 当某个 I/O 设备准备好数据传输时，它会通过中断请求线发送中断信号给 CPU
• CPU 响应中断，暂停当前任务，处理中断（即与请求的 I/O 设备进行数据传输）
• 数据传输完成后，CPU 恢复被中断的任务

I/O 中断案例

当打印机在准备数据以及打印前准备阶段，CPU 都会继续执行主程序，只有当打印机准备好之后才会发中断请求给 CPU ，然后 CPU 响应该中断

优点：

• CPU的利用率提高，因为它不需要不断地执行查询循环，可以在等待 I/O 操作的同时执行其他任务
• 支持并行操作，多个设备可以独立地中断 CPU，不需要等待其他设备的处理

程序中断方式的接口电路

中断请求触发器和中断屏蔽触发器

• 接口电路中的完成触发器 D、中断请求触发器 INTR、中断屏蔽触发器 MASK 和中断查询信号的关系如下图所示。可见，仅当设备准备就绪(D = 1),且该设备未被屏蔽(MASK = 0)时，CPU的中断查询信号可将中断请求触发器置“1” ( ‘ INTR = 1)

排队器

• 当多个中断源同时向CPU提出请求时，CPU只能按中断源的不同性质对其排队，给予不同等级的优先权，并按优先等级的高低予以响应
• 硬件排队器（优先级：从左到右依次降低，是用INTRn的非来控制右侧INTR(n+1)的输出）

中断向量地址形成部件（设备编码器）

• 由硬件产生向量地址，再由向量地址找到入口地址

• 中断向量地址形成部件的原理

程序中断方式接口电路的基本组成

• 中断请求线（IRQ）：设备使用中断请求线向 CPU 发送中断信号，表明它需要 CPU 的处理或者有数据准备好
• 中断控制器：当有多个设备时，中断控制器负责管理多个中断请求，确定优先级，并将中断请求转发给 CPU
• 设备选择电路：用于识别哪个设备请求中断，通常通过比较设备地址和 CPU 发出的地址来实现
• 设备忙/就绪状态触发器：这些触发器用来指示设备是否忙（正在处理数据）或者就绪（数据准备好）
• 数据缓冲寄存器（DBR）：当设备准备好数据后，数据被暂存到数据缓冲寄存器中，等待CPU读取
• 中断屏蔽寄存器（MASK）：控制哪些中断请求被允许通过，哪些被屏蔽
• 中断处理程序：CPU接收到中断请求后，执行的中断处理程序代码，用于响应设备请求
• 排队器：当有多个中断请求同时发生时，排队器负责决定哪个请求优先被处理
• 设备编码器：生成中断向量，这个向量指向特定的中断服务程序
• 中断向量地址形成部件：用于生成中断向量的地址，这样CPU可以找到并执行正确的中断处理程序

I/O中断处理过程

CPU响应中断的条件和时间

• 条件： 允许中断触发器 EINT = 1
• 时间： 当 D = 1 且 MASK = 0 、 在每条指令执行阶段的结束前、 INTR 置 1

中断服务程序的流程

1. 保护现场 程序断点的保护（中断隐指令完成）；寄存器内容的保护 （出栈指令）
2. 中断服务：对不同的 I/O 设备具有不同内容的设备服务
3. 恢复现场（取数指令或者出栈指令）
4. 中断返回（中断返回指令）

单重中断和多重中断

• 单重中断：不允许中断现行的中断服务程序
• 多重中断：允许级别更高的中断源来中断现行的中断服务程序

DMA 方式

概述

DMA 和程序中断方式的数据通路的区别？

由于主存和 DMA 接口之间有一条数据通路，因此主存和设备交换信息时，不通过CPU，也不需要CPU 暂停现行程序为设备服务，省去了保护现场和恢复现场，因此工作速度比程序中断方式的工作速度高

DMA 方式和程序中断的比较

DMA 方式的功能和组成

功能

• 向 CPU 申请 DMA 传送
• 处理总线的控制权的转交
• 管理系统总线、控制数据传送
• 确定数据传送的首地址和长度以及修正传送过程数据地址和长度
• DMA 传送结束时，给出操作完成信号

组成

• 主存地址寄存器(AR)：AR用于存放主存中需要交换数据的地址。在DMA传送数据前，必须通过程序将数据在主存中的首地址送到主存地址寄存器
• 字计数器(WC)： WC用于记录传送数据的总字数，通常以交换字数的补码值预置。在DMA传送过程中，每传送一个字，字计数器如1，直到计数器为0，即最高位产生进位时，表示该批数据传送完毕
• 数据缓冲寄存器(BR) ：BR用于暂存每次传送的数据
• DMA控制逻辑 ：DMA控制逻辑负责管理DMA的传送过程，由控制电路、时序电路及命令状态控制寄存器等组成
• 中断机构：当字计数器溢出（全“0”）时，表示一批数据交换完毕，由“溢出信号”通过中断机构向CPU提出中断请求，请求CPU作 DMA操作的后处理
• 设备地址寄存器(DAR) ：DAR存放I/O设备的设备码或表示设备信息存储区的寻址信息（如磁盘数据所在的区号、盘面号和柱面号）

DMA 与主存交换数据的三种方式

停止 CPU 访问主存

• 控制建档，但是 CPU 处于半工作或保持状态，未充分发挥 CPU 对主存的利用率

周期挪用（周期窃取）

• 每当 I/O 设备发出 DMA 请求时，I/O 设备便挪用或窃取总线占用权一个或几个主存周期，而 DMA 不请求时，CPU 仍继续访问主存，
• CPU 和 DMA 同时请求访存（此时将总线控制权让给DMA）

DMA 与 CPU 交替访问

• CPU 工作周期分为 C1、C2，C1主要供DMA访存，C2主要供CPU访存
• 不需要申请建立和归还总线的使用权

DMA 的工作过程

DMA 传送过程分：预处理、数据传送、后处理

预处理

• 给DMA控制逻辑指明数据传送方向
• 向DMA设备地址寄存器送人设备号，并启动设备
• 向DMA主存地址寄存器送入交换数据的主存起始地址
• 对字计数器赋予交换数据的个数

数据传送

DMA方式是以数据块为单位传送的，以周期挪用的DMA方式为例

后处理

当DMA的中断请求得到响应后，CPU停止原程序的执行，转去执行中断服务程序，做一些 DMA的结束工作

• 校验传送主存的数据是否正确
• 决定是否继续用 DMA 传送其他数据块，若继续传送，则又要对 DMA 接口进行初始化，若不需要传送，则停止外设
• 测试在传送过程中是否发生错误，若出错，则转错误诊断及处理错误程序

DMA 接口与系统的连接方式

• 具有公共请求线的DMA请求

• 独立的 DMA 请求

DMA 接口的类型

选择型的 DMA 接口

• 在物理上连接多个设备；在逻辑上只允许连接一个设备

多路型的 DMA 接口

• 在物理上连接多个设备；在逻辑上允许连接多个设备同时工作

• 多路型 DMA 接口的工作原理
• 磁盘、磁带、打印机分别每隔30us、45us、150us向DMA接口发DMA请求，磁盘的优先级高于磁带，磁带的优先级高于打印机