第8章 输入输出系统

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主 机 I/O接口
I/O总线
I/O接口
…
I/O接口
外部设备 1
外部设备 2
…
外部设备 n
图8-2 外部设备通过I/O接口和主机交换信息
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通常在接口中都设有数据通路和控制通路。 数据经过接口既起到缓冲作用，又可完成串 — 并变换或并 — 串变换。控制通路用以传送CPU 向I/O设备发出的各种控制命令，或者使CPU接受 来自I/O设备的反馈信号。许多接口还能满足中断 请求处理的要求，使得I/O设备与CPU可按并行方 式工作，大大地提高了CPU的工作效率。采用接 口技术还可以使多台I/O设备分时占用总线，使得 多台I/O设备互相之间也可实现并行工作方式，有 利于整机工作效率的提高。
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(4)查询外设状态标志。CPU不断查询状态标 志，如果外设没有准备就绪，CPU就反复进行查询， 一直到这个外设准备就绪，并发出“外设准备就绪” 信号为止。 (5)传送数据。只有当外设准备好时，才能实 现主机与外设间的一次数据传送。输入时，CPU执 行输入指令，从外设接口的数据缓冲寄存器中接收 数据；输出时，CPU执行输出指令，将数据写入外 设接口的数据缓冲寄存器中。 (6)修改传送参数。每进行一次数据传送之后 必须要修改传送参数，其中包括主存缓冲区地址加l， 传送个数计数器减1。
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8.1.1 I/O系统概述
输入输出系统的发展大致可分为四个阶段。 1．早期阶段 早期的I/O设备种类较少，I/O设备与主机交换 信息都必须通过CPU。工作模式如图8- 1所示。
内存 CPU I/O
图8-1 I/O通过CPU与主机交换信息
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这种交换方式延续了相当长的时间。当时的 I/O系统具有以下几个特点：每个I/O设备都必须配 有一套独立的逻辑电路与CPU相连，用来实现I/O设 备与主机交换信息，因此线路十分零散、庞杂；输 入输出过程是穿插在CPU执行程序期间进行的，当 I/O设备与主机交换信息时，CPU不得不停止各种运 算，因此，I/O设备与CPU是按串行方式工作的，极 大的浪费了CPU的时间；每个I/O设备的逻辑控制电 路与CPU的控制器紧密构成一个不可分割的整体， 它们彼此依赖，相互牵连，因此，想要增加、删除 或者更换I/O设备就非常困难。
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虽然这个阶段实现了CPU和I/O设备并行工作， 但是在主机与I/O设备交换信息时，CPU要中断现行 程序，即CPU与I/O设备还不能做到绝对的并行工作。 为了进一步提高CPU的工作效率,又出现了 DMA(Direct Memory Access)技术，其特点是I/O 设备与主存之间有一条直接数据通路，I/O设备可以 与主存直接交换信息，而不需要打断CPU的工作， 故其资源利用率得到了进一步的提高。
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(7)判断传送是否结束。如果传送个数计数器 不为0，则转第(3)步，继续传送，直到传送个数计 数器为0，表示传送结束。 程序查询方式的工作流程如图8-5所示，其程 序查询的核心部分在图中用虚线框框出，真正传送 数据的操作由输入或输出指令完成。 程序查询方式使CPU处于忙等的状态，不利 于CPU资源的充分利用，所以人们提出中断方式。
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1．中断的相关概念
中断是指在计算机中，打断CPU正在执行的 程序，而转去执行相应的中断服务程序，在中断服 务程序执行完毕后，再返回到原程序继续执行的过 程。实现中断的硬件和软件所组成的系统，就叫中 断系统。计算机正是依靠中断系统实现了分时处理、 故障处理、实时处理等实际问题。
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中断是由中断源产生的，一台计算机可以有 多个中断源，中断源向中断系统发出请求中断的申 请，多数具有随机性，计算机为记录中断源的来源， 对应每个中断源有一个具有存储功能的中断请求触 发器(INTR)，当某一个中断源有中断请求时，它对 应的中断请求触发器置“1”状态，表示向CPU发出 了中断请求信号。在中断接口电路中，多个中断触 发器构成中断寄存器，其内容称为中断字，记录中 断源的来源。
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2．中断优先权与中断屏蔽
当多个中断源同时向CPU发出中断请求时， CPU首先处理哪个中断源的请求呢?为了不发生矛 盾，而且处理及时，计算机将所有中断源的请求按 轻重缓急排序，0级、1级、2级…… n级排队依次 处理，保证紧迫程度最高的中断源的中断请求排在 最前，最快得到CPU的处理。这种中断处理过程中 的优先级别，叫做中断优先权。例如：PC机的中断 优先权由高到低的顺序是：除法错误中断，INT0， INTn→NMI(非屏蔽中断)→INTR(外设中断)→单步 中断。
第8章 输入/输出系统
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本章要点：
I/O系统的任务和功能 计算机的I/O方式
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8.1 I/O系统
计算机的输入输出系统（I/O系统）由I/O接口、 I/O管理部件以及有关的I/O软件组成，其主要作用 是实现计算机系统的输入输出功能。I/O系统具体要 解决的问题是：怎样在主机和外部设备之间建立一 个高效、可靠的信息传输“通路”；如何对外设进 行编址，使CPU方便地寻找到要访问的外设；I/O接 口、管理部件如何协调完成主机和外部设备之间的 数据交换等等。
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如何判别设备中断的优先权要由中断判优来 完成，中断排队的目的是为了判优，中断判优的方 法有软件判优法和硬件判优法。软件判优是用程序 来判别优先级，优先级高的先查询，优先级低的后 查询，而通过修改程序可以调整设备的优先级。 如图8-6所示，CPU接到中断请求信号，就 执行查询程序，顺序检测中断请求寄存器的状态， 在识别中断源的过程中，优先级顺序已经按查询顺 序排好，若要改变优先级可以通过改变程序查询顺 序来完成。
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预置传送参数 启动外设 取外设状态 N
外设准备就 绪? Y 传送一次数据 修改传送参数 Y
N
传送完否?
结束
图8-5 程序查询方式流程 计算机组成原理
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8.2.2 中断方式
在程序查询方式使CPU循环等待，造成了CPU 资源的浪费。中断传送方式很好地解决了这个问题， 在外设没有做好数据传送准备时，CPU可以运行与 传送数据无关的其他指令，外设做好传送准备后， 主动向CPU提出申请，若CPU响应这一申请，则暂 停正在运行的程序，转去执行数据输入/输出操作的 指令，数据传送完毕后返回，CPU继续执行原来运 行的程序，这样使得外设与CPU可以并行工作，提 高了系统的效率。如今，中断已经是现代计算机普 遍采用的—项技术。
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因此在大、中型计算机系统中，采用了I/O通道 的方式来进行数据交换。 图8-3表示了具有通道结构的计算机系统。
CPU 内存 通 道 I/O
图8-3 I/O通过通道与主机交换信息
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通道是用来负责管理I/O设备以及实现主存与 I/O设备之间交换信息的部件，可视为一种具有特殊 功能的处理器。通道有专用的通道指令，它能独立 地执行用通道指令所编写的输入输出程序，但它不 是一个完全独立的处理器，它受CPU的I/O指令启动、 停止或改变其工作状态，是从属于CPU的一个专用 处理器。依赖通道管理的I/O设备在与主机交换信息 时，CPU不直接参与管理，故CPU的资源利用率更 高。
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在这个阶段中，计算机系统硬件价格十分昂 贵，机器速度不高，配置的I/O设备不多，主机与 I/O设备交换的信息量也不大，计算机应用的普及程 度还比较低。 2．接口模块和DMA阶段 在这个阶段，I/O设备通过接口模块与主机连 接，计算机系统采用了总线结构，工作模式如图8-2 所示。
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外围设备的输入/输出方式
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小结
程序查询方式和程序中断方式适用于数据传输 率比较低的外围设备，而DMA方式、通道方 式 和PPU方式适用于数据传输率比较高的设 备。目前，单片机和微型机中多采用程序查询 方式、程序中断方式和DMA方式。通道方式 和PPU方式大都用在中、大型计算机中。
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CPU在处理一些紧要事件时不允许中断，因 为这类事件执行过程中一旦被中断，将会引起严重 后果，为避免中断请求信号的干扰，设置了开中断/ 关中断触发器INH，当INH置“0”时，中断源的中断 请求信号被允许进入排队，称为“开中断” ；当 INH置“1”时，所有中断源发出的中断请求被禁止， 称为“关中断”。
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1#设备? N
Y
1#中断服务
2#设备?
N 3#设备? N
Y
2#中断服务
Y
3#中断服务
图8-6 软件判优法
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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硬件判优是靠硬件电路实现的，一旦电路设 计好，优先级就不能更改，成本较高，但速度快， 根据中断请求信号的传送方式不同，常见的硬件排 队电路有：独立请求线的优先排队电路、公共请求 线的优先排队电路。公共请求线的排队电路如图8-7 所示。
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3．具有通道结构的阶段
在小型和微型计算机中，采用DMA方式可实 现高速外设与主机成组数据的交换，但在大、中型 计算机中，外设配置繁多，数据传送频繁，若仍采 用DMA方式会出现一系列问题。如果每台外设都配 置专用的DMA接口，不仅增加了硬件成本，而且为 了解决众多DMA同时访问主存的冲突问题，使控制 变得十分复杂。CPU需要对众多的DMA进行管理， 同样会占用CPU的工作时间，而且因频繁地进入周 期挪用阶段，也会直接影响CPU的整体工作效率。
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4．具有I/O处理机的阶段 输入输出系统发展到第四阶段是具有I/O处理 机的阶段。I/O处理机又叫做外围处理机 (Peripheral Processor Unit,PPU)，它基本独立于 主机工作，不仅可完成I/O通道要完成的I/O控制， 还可完成码制变换、格式处理、数据块检错、纠错 等操作。具有I/O处理机的输入输出系统与CPU工作 的并行性更高。这说明I/O系统对主机来说，具有更 大的独立性。