一、概述

1.输入输出系统的组成

输入输出系统由I/O软件和I/O硬件两部分组成。

I/O软件

（1）I/O指令
I/O指令的命令码一般可表述如下几种情况：

将数据从I/O设备输入主机。

将数据从主机输出至I/O设备。

状态测试。

形成某些操作命令。

（2）通道指令
通道指令是对具有通道的I/O系统专门设置的指令，这类指令一般用以指明参与传送的数据组在主存中的首地址；指明需要传送的字节数或所传送数据组的末地址；指明所选设备的设备码及完成某种操作的命令码。
通道指令又称为为通道控制字（CCW），它是通道用于执行I/O操作的指令，可以由管理程序存放在主存的任何地方，由通道从主存中取出并执行。通道程序即由通道指令组成，它完成某种外围设备与主存之间传送信息的操作。
通道指令是通道自身的指令，用来执行I/O操作，如读、写、磁带走带及磁盘找道等。

I/O硬件

输入输出系统的硬件组成是多种多样的，在带有接口的I/O系统中，一般包括接口模块及I/O设备两大部分。一个通道可以和一个以上的设备控制器相连，一个设备控制器又可以控制若干台同一类型的设备。

2.设备与主机的联系方式

I/O设备编址方式

通常将I/O设备码看作地址码，对I/O地址码的编址可采用两种方式：统一编址和不统一编址。统一编址就是将I/O地址看作是存储器地址的一部分。
当设备通过接口与主机相连时，CPU可以通过接口地址来访问I/O设备。

传送方式

在同一瞬间，n位信息同时从CPU输出至I/O设备，或由I/O设备输入到CPU，这种传送方式称为并行传送。其特点是传送速度较快，但要求数据线多。
若在同一瞬间只传送一位信息，在不同时刻连续逐位传送一串信息，这种传送方式称为串行传送。其特点是传送速度较慢，但它只需一根数据线和一根地线。

联络方式

（1）立即响应方式
对于一些工作速度十分缓慢的I/O设备，只要CPU的I/O指令一到，它们边立即响应，故这种设备无需特殊连络信号，称为立即响应方式。
（2）异步工作采用应答信号联络
当I/O设备与主机工作速度不匹配时，通常采用异步工作方式。这种方式在交换信息前，I/O设备与CPU各自完成自身的任务，一旦出现连络信号，彼此才准备交换信息。I/O设备与CPU双方设定一组特殊标记，用“起始”和“终止”来建立联系。
（3）同步工作采用同步时标联络
同步工作要求I/O设备与CPU的工作速度完全同步。这种联络互相之间还得配有专门电路，用以产生同步时标来控制同步工作。

I/O设备与主机的连接方式

I/O设备与合租记的连接方式通常有两种辐射式和总线式。
采用辐射式连接方式时，要求每台I/O设备都有一套控制线路和一组信号线，因此所用的器件和连线较多，对I/O设备的增删都比较困难。这种连接方式大多出现在计算机发展的初级阶段。

3.I/O设备与主机信息传送的控制方式

I/O设备与合租记交换信息时，共有5种控制方式：程序查询方式、程序中断方式、直接存储器存取方式（DMA）、I/O通道方式、I/O处理机方式。

程序查询方式

程序查询方式是由CPU通过程序不断查询I/O设备是否已做好准备，从而控制I/O设备与主机交换信息。可见这种方式使CPU和I/O设备处于串行工作状态，CPU的工作效率不高。

程序中断方式

CPU在启动I/O设备后，不查询设备是否已准备就绪，继续执行自身程序，只是当I/O设备准备就绪并向CPU发出中断请求后才予以响应。

采用程序中断方式，CPU和I/O接口不仅在硬件方面需增加相应的电路，而且在软件方面还必须编制中断服务程序。

DMA方式

在DMA方式中，主存与I/O设备之间有一条数据通路，主存与I/O设备交换信息时，无须调用中断服务程序。若出现DMA和CPU同时访问主存，CPU总是将总线占有权让给DMA，通常把DMA的这种占有称为窃取或挪用。窃取的时间一般为一个存取周期，故又把DMA占用的存取周期称为窃取周期或挪用周期。

二、I/O接口

1.概述

I/O接口通常是指主机与I/O设备之间设置的一个硬件电路及其相应的软件控制。主机与I/O设备之间设置接口的原因：

一台机器通常配有多台I/O设备，它们各自有其设备号（地址），通过接口可实现I/O设备的选择。

I/O设备种类繁多，速度不一，与CPU速度相差可能很大，通过接口可实现数据缓冲，达到速度匹配。

有些I/O设备可能串行传送数据，而CPU一般为并行传送，通过接口可实现数据串-并格式的转换。

I/O设备的输入输出电平可能与CPU的输入输出电平不同，通过接口可实现电平转换。

CPU启动I/O设备工作，要向I/O设备发各种控制信号，通过接口可传送控制命令。

I/O设备需将其工作状态及时向CPU报告，通过接口可监视设备的工作状态，并可保存状态信息，供CPU查询。

端口是指接口电路中的一些寄存器，这些寄存器分别用来存放数据信息、控制信息和状态信息，相应的端口分别称为数据端口、控制端口和状态端口。若干个端口加上相应的控制逻辑才能组成接口。

2.接口的功能和组成

总线连接方式的I/O接口电路

I/O总线包括数据线、设备选择线、命令线和状态线。
（1）数据线
数据线是I/O设备与主机之间数据代码的传送线，其根数一般等于存储字长的位数或字符的位数，它通常是双向的，也可以是单向的。
（2）设备选择线
设备选择线是用来传送设备码的，它的根数取决于I/O指令中设备码的位数。如果把设备码看作是地址号，那么设备选择线又可称为地址线。设备选择线可以有一组，也可以有两组。
（3）命令线
命令线主要用以传输CPU向设备发出的各种命令信号。它是一组单向总线，其根数与命令信号多少有关。
（4）状态线
状态线是将I/O设备的状态向主机报告的信号线。它也是一组单向总线。现代计算机中大多采用三态逻辑电路来构成总线。

接口的功能和组成

（1）选址功能
（2）传送命令的功能
命令寄存器用来存放I/O指令中的命令码，它受设备选中信号控制。命令线和所有接口电路的命令寄存器相连，只有被选中设备的SEL信号有效，命令寄存器才可接受命令线上的命令码。
（3）传送数据的功能
接口中通常设有数据缓冲寄存器（DBR），它用来暂存I/O设备与主机准备交换的信息，与I/O总线中的数据线是相连的。
（4）反映I/O设备工作状态的功能
为了使CPU能及时了解各I/O设备的工作状态，接口内必须设置一些反映设备工作状态的触发器。

3.接口类型

1. 按数据传送方式分类，有并行接口和串行接口两类。并行接口是将一个字节（或一个字）的索有为同时传送；串行接口是在设备与接口间一位一位传送。由于接口与主机之间是按字节或字并行传送，因此对串行接口而言，其内部还必须设有串-并转换装置。
2. 按功能选择的灵活性分类，有可编程接口和不可编程接口量两种。
3. 按通用性分类有通用接口和专用接口。
4. 按数据传送的控制方式分类，有程序型接口和DMA型接口。

三、程序查询方式

1.程序查询流程

通常要执行如下3条指令：

测试指令，用来查询I/O设备是否准备就绪。

传送指令，当I/O设备已准备就绪时，执行传送指令。

转移指令，若I/O设备未准备就绪，执行转移指令，转至测试指令，继续测试I/O设备的状态。

四、程序中断方式

1.中断的概念

计算机在执行程序的过程中，当出现异常情况或特殊请求时，计算机停止现行程序的运行，转向对这些异常情况或特殊请求的处理，处理结束后再返回到现行程序的间断处，继续执行原程序，这就是“中断”。

2.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

每台外部设备都必须配置一个中断请求触发器INTR，当其为“1”时，表示该设备向CPU提出中断请求。但是设备欲提出中断请求时，其设备本身必须准备就绪，即接口内的完成触发器D的状态必须为1.
凡能向CPU提出中断请求的各种因素统称为中断源。在I/O接口中需设置一个屏蔽触发器MASK，当其为“1时，表示被屏蔽，即封锁其中断源的请求。中断请求触发器和中断屏蔽触发器在I/O接口中是成对出现的。
CPU总是在统一的时间，即每条指令执行阶段的最后时刻，查询所有的设备是否有中断请求。
仅当社别准备就绪（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为“1”（INTR=1）。

排队器

速度越高的I/O设备，优先级越高，因为若CPU不及时响应高速 I/O 的请求，其信息可能会立即丢失。
每个接口中有一个反相器和一个“与非”门，它们之间犹如链条一样串接在一起，故称为链式排队器。
当各中断源均无中断请求时，各个 $\overline{INTR_i}$ 为高电平，其 $\overline{INTP'_1}、\overline{INTP'_2}、\overline{INTP'_3}、…$ 均为高电平。一旦某个中断源提出中断请求时，就迫使比起优先级低的中断源 $\overline{INTP'_i}$ 变为低电平，封锁其发中断请求。

中断向量地址形成部件（设备编码器）

所谓硬件向量法，就是通过向量法，就是通过向量地址来寻找设备的中断服务程序入口地址，而且向量地址是由硬件电路产生的。中断向量地址形成部件的输入是来自排队器的输出 $\overline{INTP_1}、\overline{INTP_2}、\overline{INTP_n}、…$ ，它的输出是中断向量，其位数与计算机可以处理中断源的个数有关，即一个中断源对应一个向量地址。在I/O接口中的编码器又称为设备编码器。

3.I/O中断处理过程

CPU响应中断的条件和时间

CPU响应I/O设备提出中断请求的条件是必须满足CPU中的允许中断触发器EINT为“1”。该触发器可用开中断指令置位（称为开中断）；也可用关中断指令或硬件自动使其复位（称为关中断）。CPU响应中断的时间一定是在每条指令执行阶段的结束时刻。

I/O中断处理过程

可将一次中断处理过程简单地归纳为**中断请求、中断判优、中断响应、中断服务、中断返回**5个阶段。

4.中断服务程序的流程

一般中断服务程序的流程分四大部分：保护现场、中断服务、恢复现场、终端返回。

保护现场

保护现场有两个含义：其一是保存程序的断点；其二是保存通用寄存器和状态寄存器的内容。前者由中断隐指令完成，后者由中断服务程序完成。可在中断服务程序的起始部分安排若干条存数指令，将寄存器的内容存至存储器中保存，或用进栈指令（PUSH）将各寄存器的内容推入堆栈保存，即将程序中断时的“现场”保存起来。

中断服务（设备服务）

是中断服务程序的主体部分，对于不同的中断请求源，其中断服务操作内容是不同的。

恢复现场

通常可用取数指令或出栈指令（POP），将保存在存储器（或堆栈）中的信息送回到原来的寄存器中。

中断返回

最后一条指令通常是一条中断返回指令，使其返回到原程序的断点处，以便继续执行原程序。如果CPU暂停现行的中断服务程序，转去处理新的中断请求，这种现象称为中断嵌套，或多重中断。倘若CPU在执行中断服务程序时，对新的中断请求不予理睬，这种中断称为单重中断。区别在与“开中断”的设置时间不同。
如果不用“开中断”指令将EINT置“1”，则意味着CPU不能再响应其他任何一个中断源的中断请求。对于单重中断，开中断指令设置在最后“中断返回”之前，意味着在整个中断服务处理过程中，不能再响应其他中断源的请求。对于多重中断，开中断指令提前至“保护现场”之后，意味着在保护现场后，若有级别更高的中断源提出请求，CPU也可以响应，即再次中断现行的服务程序，转至新的中断服务程序，这是单重中断与多重中断的主要区别。

从宏观上分析，程序中断方式克服了程序查询方式中的CPU“踏步”现象，实现了CPU与I/O的并行工作，提高了CPU 资源利用率。但从微观操作分析，发现CPU在处理中断服务程序时仍需暂停原程序的正常运行，尤其是当高速I/O设备或辅助存储器频繁地、成批地与主存交换信息时，需不断地打断CPU执行主程序而执行中断服务程序。

五、DMA方式

1.DMA方式的特点

若出现高速I/O和CPU同时访问主存，CPU必须将总线占有权让给DMA接口使用，即DMA采用周期窃取的方式占用一个存取周期。通常DMA与主存交换数据时采用如下三种方法：

停止CPU访问主存

这种方式的优点是控制简单，适用于数据传输率很高的I/O设备实现成组数据的传送。缺点是DMA接口在访问主存时，CPU基本上处于不工作状态或保持原状态。在DMA接口中，一般设有一个小容量存储器，使I/O设备首先与小容量存储器交换数据，然后由小容量存储器与主存交换数据，这便可减少DMA传送数据时占用总线的时间，即可减少CPU的暂停工作时间。

周期挪用（或周期窃取）

在这种方法中，每当I/O设备发出DMA请求时，I/O设备边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。
I/O设备请求DMA传送会遇到三种情况。一种是CPU此时不需要访问主存，故I/O设备与CPU不发生冲突。第二种情况是I/O设备请求DMA传送时，CPU正在访问主存，此时必须待存取周期结束，CPU采能将总线占有权让出。第三种情况是I/O设备要求访问主存时，CPU也要求访问主存，这就出现了访问冲突。此时I/O访存优先于CPU访问主存，因为I/O不立即访问主存就可能丢失数据，这时I/O要窃取第一、二个存取周期，意味着CPU在执行访问主存指令过程中插入了DMA请求，并挪用了一、二个存取周期，使CPU延缓了一、二个存取周期再访问主存。

这种方式既实现了I/O传送，又较好地发挥了主存与CPU的效率，是一种广泛采用的方法。I/O设备每挪用一个主存周期都要申请总线控制权、建立总线控制权和归还总线控制权。尽管传送一个字对主存而言只占用一个主存周期，但对DMA接口而言，实质上还要占2~5个主存周期。因此周期挪用的方法比较合适于I/O设备的读/写周期大于主存周期的情况。

DMA与CPU交替访问

这种方法适合于CPU的工作周期比主存存取周期长的情况。这种方式不需要总线使用权的申请、建立和归还过程，总线使用权是通过 $C_1$ 和 $C_2$ 分别控制的。CPU与DMA接口各自有独立的访存地址寄存器、数据寄存器和读/写信号。在这种工作方式下，CPU既不停止主程序的运行也不进入等待状态，即完成了DMA的数据传送。

2.DMA接口的功能和组成

DMA接口的功能

利用DMA方式传送数据时，数据的传输过程完全是由DMA接口电路控制，故DMA接口又有DMA控制器之称。DMA接口应该具有如下功能：

向CPU申请DMA传送。

在CPU允许DMA工作时，处理总线控制权的转交，避免因进入DMA工作而影响CPU正常活动或引起总线竞争。

在DMA期间管理系统总线，控制数据传送。

确定数据传送的起始地址和数据长度，修正数据传送过程中的数据地址和数据长度。

在数据块传送结束时，给出DMA操作完成的信号。

DMA接口基本组成

（1）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传送过程中，美交换一次数据，将地址寄存器内容加1，指导一批数据传送完毕为止。

（2）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，字计数器加1，直到计数器为0，即最高为产生进位时，表示该批数据传送完毕（若交换字数以源码值预置，则每传送一个字，字计数器减1，直到计数器为0时，表示该批数据传送结束）。于是DMA接口向CPU发中断请求信号。

（3）数据缓冲寄存器（BR）
BR用于暂存每次传送的数据。通常DMA接口与主存之间采用字传送，而DMA与设备之间可能是字节或位传送。DMA接口中还可能包括有装配或拆卸字信息的硬件逻辑，如数据移位缓冲寄存器、字节计数器等。

（4）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。每当设备准备好一个数据字（或一个字传送结束），就向DMA接口提申请（DREQ），DMA控制逻辑便向CPU请求DMA服务，发出总线使用权的请求信号（HRQ）。待收到CPU发出的响应信号HLDA后，DMA控制逻辑便开始负责管理DMA传送的全过程，包括对主存地址寄存器和字计数器的修改、识别总线地址、识别总线地址、指定传送类型以及哦他能根治设备已经被授予一个DMA周期（DACK）等。

（5）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。中断的目的不同，前面是为了数据的输入或输出，而这里是为了报告一批数据传送结束。它们是I/O系统中不同的中断事件。

（6）设备地址寄存器（DAR）
DAR存放I/O设备的设备码或表示红色倍信息存储区的寻址信息，如磁盘数据所在的区号、盘面号、柱面号。

3.DMA工作过程

DMA传送过程

DMA的数据传送过程分为**预处理、数据传送或后处理**3个阶段。
（1）预处理
在DMA接口开始工作之前，CPU必须给它预置如下信息：

给DMA控制逻辑指明数据传送方向是输入还是输出。

向DMA设备地址寄存器送入设备号，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。

当I/O设备准备好发送的数据或准备接受的数据已经处理完毕时，它便通过DMA接口向CPU提出占用总线的申请，若有多个DMA同时申请，则按轻重缓急由硬件排队判优逻辑决定优先等。待I/O设备得到主存总线的控制权后，数据的传送便由该DMA接口进行管理。

（2）数据传送
DMA方式是以数据块为单位传送的。

（3）后处理
包括校验送入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请求方式，若干个DMA接口通过一条公用的DMA请求线向CPU申请总线控制权。CPU发出响应信号，用链式查询方式通过DMA接口，首先选中的设备获得总线控制权，即可占用总线与主存传送信息。
独立的DMA请求方式，每一个DMA接口各有一对独立的DMA请求线和DMA响应线，它由CPU的优先级判别结构裁决首先响应哪个请求，并在响应线上发出响应信号，被获得响应信号的DMA接口便可控制总线与主存传送数据。

DMA小结

DMA方式如下特点：

从数据传送看，程序中断方式靠程序传送，DMA方式靠硬件传送。

从CPU响应时间看，程序中断方式是在一条指令执行结束时响应，而DMA方式可在指令周期内的任一存取周期结束时响应。

程序中断方式有处理异常事件的能力，DMA方式没有这种能力，主要用于大批数据的传送。

程序中断方式需要中断现行程序，故需保护现场；DMA方式不中断现行程序，无须保护现场。

DMA的优先级比程序中断的优先级高。

4.DMA接口的类型

通常选择型和多路型两类。

选择型DMA接口

主要特点是在物理上可连接多个设备，在逻辑上只允许连接一个设备，即在某一段时间内，DMA接口只能为一个设备服务，关键是在预处理时将所选设备的设备号送入设备地址寄存器。选择型DMA接口特别适用于数据传输率很高的设备。

多路型DMA接口

多路型DMA接口不仅在物理上可以连接多个设备，而且在逻辑上也允许多个设备同时工作，各个设备采用字节交叉的方式通过DMA接口进行数据传送。在多路型DMA接口中，为每个与它连接的设备都设置了一套寄存器，分别存放各自的传送参数。这类接口特别适合于同时为多个数据传输率不十分高的设备服务。

【笔记】输入输出系统