【筆記】輸入輸出系統

• 一概述
  • 輸入輸出系統的組成
    • IO軟體
    • IO硬體
  • 裝置與主機的聯系方式
    • IO裝置編址方式
    • 傳送方式
    • 聯絡方式
    • IO裝置與主機的連接配接方式
  • IO裝置與主機資訊傳送的控制方式
    • 程式查詢方式
    • 程式中斷方式
    • DMA方式
• 二IO接口
  • 概述
  • 接口的功能群組成
    • 總線連接配接方式的IO接口電路
    • 接口的功能群組成
  • 接口類型
• 三程式查詢方式
  • 程式查詢流程
• 四程式中斷方式
  • 中斷的概念
  • 程式中斷方式的接口電路
    • 中斷請求觸發器和中斷屏蔽觸發器
    • 排隊器
    • 中斷向量位址形成部件裝置編碼器
  • IO中斷處理過程
    • CPU響應中斷的條件和時間
    • IO中斷處理過程
  • 中斷服務程式的流程
    • 保護現場
    • 中斷服務裝置服務
    • 恢複現場
    • 中斷傳回
• 五DMA方式
  • DMA方式的特點
    • 停止CPU通路主存
    • 周期挪用或周期竊取
    • DMA與CPU交替通路
  • DMA接口的功能群組成
    • DMA接口的功能
    • DMA接口基本組成
  • DMA工作過程
    • DMA傳送過程
    • DMA接口與系統的連接配接方式
    • DMA小結
  • DMA接口的類型
    • 選擇型DMA接口
    • 多路型DMA接口

一、概述

1.輸入輸出系統的組成

  輸入輸出系統由I/O軟體和I/O硬體兩部分組成。

I/O軟體

（1）I/O指令

  I/O指令的指令碼一般可表述如下幾種情況：

• 将資料從I/O裝置輸入主機。
• 将資料從主機輸出至I/O裝置。
• 狀态測試。
• 形成某些操作指令。

（2）通道指令

  通道指令是對具有通道的I/O系統專門設定的指令，這類指令一般用以指明參與傳送的資料組在主存中的首位址；指明需要傳送的位元組數或所傳送資料組的末位址；指明所選裝置的裝置碼及完成某種操作的指令碼。

  通道指令又稱為為通道控制字（CCW），它是通道用于執行I/O操作的指令， 可以由管理程式存放在主存的任何地方，由通道從主存中取出并執行。通道程式即由通道指令組成，它完成某種外圍裝置與主存之間傳送資訊的操作。

  通道指令是通道自身的指令，用來執行I/O操作，如讀、寫、錄音帶走帶及磁盤找道等。

I/O硬體

  輸入輸出系統的硬體組成是多種多樣的，在帶有接口的I/O系統中，一般包括接口子產品及I/O裝置兩大部分。一個通道可以和一個以上的裝置控制器相連，一個裝置控制器又可以控制若幹台同一類型的裝置。

2.裝置與主機的聯系方式

I/O裝置編址方式

  通常将I/O裝置碼看作位址碼，對I/O位址碼的編址可采用兩種方式：統一編址和不統一編址。統一編址就是将I/O位址看作是存儲器位址的一部分。

當裝置通過接口與主機相連時，CPU可以通過接口位址來通路I/O裝置。

傳送方式

  在同一瞬間，n位資訊同時從CPU輸出至I/O裝置，或由I/O裝置輸入到CPU，這種傳送方式稱為并行傳送。其特點是傳送速度較快，但要求資料線多。

  若在同一瞬間隻傳送一位資訊，在不同時刻連續逐位傳送一串資訊，這種傳送方式稱為串行傳送。其特點是傳送速度較慢，但它隻需一根資料線和一根地線。

聯絡方式

（1）立即響應方式

  對于一些工作速度十分緩慢的I/O裝置，隻要CPU的I/O指令一到，它們邊立即響應，故這種裝置無需特殊連絡信号，稱為立即響應方式。

（2）異步工作采用應答信号聯絡

  當I/O裝置與主機工作速度不比對時，通常采用異步工作方式。這種方式在交換資訊前，I/O裝置與CPU各自完成自身的任務，一旦出現連絡信号，彼此才準備交換資訊。I/O裝置與CPU雙方設定一組特殊标記，用“起始”和“終止”來建立聯系。

（3）同步工作采用同步時标聯絡

  同步工作要求I/O裝置與CPU的工作速度完全同步。這種聯絡互相之間還得配有專門電路，用以産生同步時标來控制同步工作。

I/O裝置與主機的連接配接方式

  I/O裝置與合租記的連接配接方式通常有兩種輻射式和總線式。

  采用輻射式連接配接方式時，要求每台I/O裝置都有一套控制線路和一組信号線，是以所用的器件和連線較多，對I/O裝置的增删都比較困難。這種連接配接方式大多出現在計算機發展的初級階段。

3.I/O裝置與主機資訊傳送的控制方式

  I/O裝置與合租記交換資訊時，共有5種控制方式：程式查詢方式、程式中斷方式、直接存儲器存取方式（DMA）、I/O通道方式、I/O處理機方式。

程式查詢方式

  程式查詢方式是由CPU通過程式不斷查詢I/O裝置是否已做好準備，進而控制I/O裝置與主機交換資訊。可見這種方式使CPU和I/O裝置處于串行工作狀态，CPU的工作效率不高。

程式中斷方式

  CPU在啟動I/O裝置後，不查詢裝置是否已準備就緒，繼續執行自身程式，隻是當I/O裝置準備就緒并向CPU發出中斷請求後才予以響應。

  采用程式中斷方式，CPU和I/O接口不僅在硬體方面需增加相應的電路，而且在軟體方面還必須編制中斷服務程式。

DMA方式

  在DMA方式中，主存與I/O裝置之間有一條資料通路，主存與I/O裝置交換資訊時，無須調用中斷服務程式。若出現DMA和CPU同時通路主存，CPU總是将總線占有權讓給DMA，通常把DMA的這種占有稱為竊取或挪用。竊取的時間一般為一個存取周期，故又把DMA占用的存取周期稱為竊取周期或挪用周期。

二、I/O接口

1.概述

  I/O接口通常是指主機與I/O裝置之間設定的一個硬體電路及其相應的軟體控制。主機與I/O裝置之間設定接口的原因：

1. 一台機器通常配有多台I/O裝置，它們各自有其裝置号（位址），通過接口可實作I/O裝置的選擇。
2. I/O裝置種類繁多，速度不一，與CPU速度相差可能很大， 通過接口可實作資料緩沖，達到速度比對。
3. 有些I/O裝置可能串行傳送資料，而CPU一般為并行傳送，通過接口可實作資料串-并格式的轉換。
4. I/O裝置的輸入輸出電平可能與CPU的輸入輸出電平不同，通過接口可實作電平轉換。
5. CPU啟動I/O裝置工作，要向I/O裝置發各種控制信号，通過接口可傳送控制指令。
6. I/O裝置需将其工作狀态及時向CPU報告，通過接口可監視裝置的工作狀态，并可儲存狀态資訊，供CPU查詢。

  端口是指接口電路中的一些寄存器，這些寄存器分别用來存放資料資訊、控制資訊和狀态資訊，相應的端口分别稱為資料端口、控制端口和狀态端口。若幹個端口加上相應的控制邏輯才能組成接口。

2.接口的功能群組成

總線連接配接方式的I/O接口電路

  I/O總線包括資料線、裝置選擇線、指令線和狀态線。

（1）資料線

  資料線是I/O裝置與主機之間資料代碼的傳送線，其根數一般等于存儲字長的位數或字元的位數，它通常是雙向的，也可以是單向的。

（2）裝置選擇線

  裝置選擇線是用來傳送裝置碼的，它的根數取決于I/O指令中裝置碼的位數。如果把裝置碼看作是位址号，那麼裝置選擇線又可稱為位址線。裝置選擇線可以有一組，也可以有兩組。

（3）指令線

  指令線主要用以傳輸CPU向裝置發出的各種指令信号。它是一組單向總線，其根數與指令信号多少有關。

（4）狀态線

  狀态線是将I/O裝置的狀态向主機報告的信号線。它也是一組單向總線。現代計算機中大多采用三态邏輯電路來構成總線。

接口的功能群組成

  （1）選址功能

  （2）傳送指令的功能

  指令寄存器用來存放I/O指令中的指令碼，它受裝置選中信号控制。指令線和所有接口電路的指令寄存器相連，隻有被選中裝置的SEL信号有效，指令寄存器才可接受指令線上的指令碼。

  （3）傳送資料的功能

  接口中通常設有資料緩沖寄存器（DBR），它用來暫存I/O裝置與主機準備交換的資訊，與I/O總線中的資料線是相連的。

  （4）反映I/O裝置工作狀态的功能

  為了使CPU能及時了解各I/O裝置的工作狀态，接口内必須設定一些反映裝置工作狀态的觸發器。

3.接口類型

  1. 按資料傳送方式分類，有并行接口和串行接口兩類。并行接口是将一個位元組（或一個字）的索有為同時傳送；串行接口是在裝置與接口間一位一位傳送。由于接口與主機之間是按位元組或字并行傳送，是以對串行接口而言，其内部還必須設有串-并轉換裝置。

  2. 按功能選擇的靈活性分類，有可程式設計接口和不可程式設計接口量兩種。

  3. 按通用性分類有通用接口和專用接口。

  4. 按資料傳送的控制方式分類，有程式型接口和DMA型接口。

三、程式查詢方式

1.程式查詢流程

  通常要執行如下3條指令：

1. 測試指令，用來查詢I/O裝置是否準備就緒。
2. 傳送指令，當I/O裝置已準備就緒時，執行傳送指令。
3. 轉移指令，若I/O裝置未準備就緒，執行轉移指令，轉至測試指令，繼續測試I/O裝置的狀态。

四、程式中斷方式

1.中斷的概念

  計算機在執行程式的過程中，當出現異常情況或特殊請求時，計算機停止現行程式的運作，轉向對這些異常情況或特殊請求的處理，處理結束後再傳回到現行程式的間斷處，繼續執行原程式，這就是“中斷”。

2.程式中斷方式的接口電路

中斷請求觸發器和中斷屏蔽觸發器

  每台外部裝置都必須配置一個中斷請求觸發器INTR，當其為“1”時，表示該裝置向CPU提出中斷請求。但是裝置欲提出中斷請求時，其裝置本身必須準備就緒，即接口内的完成觸發器D的狀态必須為1.

  凡能向CPU提出中斷請求的各種因素統稱為中斷源。在I/O接口中需設定一個屏蔽觸發器MASK，當其為“1時，表示被屏蔽，即封鎖其中斷源的請求。中斷請求觸發器和中斷屏蔽觸發器在I/O接口中是成對出現的。

  CPU總是在統一的時間，即每條指令執行階段的最後時刻，查詢所有的裝置是否有中斷請求。

  僅當社别準備就緒（D=1），且該裝置未被屏蔽（MASK=0）時，CPU的中斷查詢信号可将中斷請求觸發器置為“1”（INTR=1）。

排隊器

  速度越高的I/O裝置，優先級越高，因為若CPU不及時響應高速 I/O 的請求，其資訊可能會立即丢失。

  每個接口中有一個反相器和一個“與非”門，它們之間猶如鍊條一樣串接在一起，故稱為鍊式排隊器。

  當各中斷源均無中斷請求時，各個 INTRi¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ I N T R i ¯ 為高電平，其 INTP′1¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯、INTP′2¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯、INTP′3¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯、… I N T P 1 ′ ¯ 、 I N T P 2 ′ ¯ 、 I N T P 3 ′ ¯ 、 … 均為高電平。一旦某個中斷源提出中斷請求時，就迫使比起優先級低的中斷源 INTP′i¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ I N T P i ′ ¯ 變為低電平，封鎖其發中斷請求。

中斷向量位址形成部件（裝置編碼器）

  所謂硬體向量法，就是通過向量法，就是通過向量位址來尋找裝置的中斷服務程式入口位址，而且向量位址是由硬體電路産生的。中斷向量位址形成部件的輸入是來自排隊器的輸出 INTP1¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯、INTP2¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯、INTPn¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯、… I N T P 1 ¯ 、 I N T P 2 ¯ 、 I N T P n ¯ 、 … ，它的輸出是中斷向量，其位數與計算機可以進行中斷源的個數有關，即一個中斷源對應一個向量位址。在I/O接口中的編碼器又稱為裝置編碼器。

3.I/O中斷處理過程

CPU響應中斷的條件和時間

  CPU響應I/O裝置提出中斷請求的條件是必須滿足CPU中的允許中斷觸發器EINT為“1”。該觸發器可用開中斷指令置位（稱為開中斷）；也可用關中斷指令或硬體自動使其複位（稱為關中斷）。CPU響應中斷的時間一定是在每條指令執行階段的結束時刻。

I/O中斷處理過程

  可将一次中斷處理過程簡單地歸納為**中斷請求、中斷判優、中斷響應、中斷服務、中斷傳回**5個階段。

4.中斷服務程式的流程

  一般中斷服務程式的流程分四大部分：保護現場、中斷服務、恢複現場、終端傳回。

保護現場

  保護現場有兩個含義：其一是儲存程式的斷點；其二是儲存通用寄存器和狀态寄存器的内容。前者由中斷隐指令完成，後者由中斷服務程式完成。可在中斷服務程式的起始部分安排若幹條存數指令，将寄存器的内容存至存儲器中儲存，或用進棧指令（PUSH）将各寄存器的内容推入堆棧儲存，即将程式中斷時的“現場”儲存起來。

中斷服務（裝置服務）

  是中斷服務程式的主體部分，對于不同的中斷請求源，其中斷服務操作内容是不同的。

恢複現場

  通常可用取數指令或出棧指令（POP），将儲存在存儲器（或堆棧）中的資訊送回到原來的寄存器中。

中斷傳回

  最後一條指令通常是一條中斷傳回指令，使其傳回到原程式的斷點處，以便繼續執行原程式。如果CPU暫停現行的中斷服務程式，轉去處理新的中斷請求，這種現象稱為中斷嵌套，或多重中斷。倘若CPU在執行中斷服務程式時，對新的中斷請求不予理睬，這種中斷稱為單重中斷。差別在與“開中斷”的設定時間不同。

  如果不用“開中斷”指令将EINT置“1”，則意味着CPU不能再響應其他任何一個中斷源的中斷請求。對于單重中斷，開中斷指令設定在最後“中斷傳回”之前，意味着在整個中斷服務處理過程中，不能再響應其他中斷源的請求。對于多重中斷，開中斷指令提前至“保護現場”之後，意味着在保護現場後，若有級别更高的中斷源提出請求，CPU也可以響應，即再次中斷現行的服務程式，轉至新的中斷服務程式，這是單重中斷與多重中斷的主要差別。

  從宏觀上分析，程式中斷方式克服了程式查詢方式中的CPU“踏步”現象，實作了CPU與I/O的并行工作，提高了CPU 資源使用率。但從微觀操作分析，發現CPU在進行中斷服務程式時仍需暫停原程式的正常運作，尤其是當高速I/O裝置或輔助存儲器頻繁地、成批地與主存交換資訊時，需不斷地打斷CPU執行主程式而執行中斷服務程式。

五、DMA方式

1.DMA方式的特點

  若出現高速I/O和CPU同時通路主存，CPU必須将總線占有權讓給DMA接口使用，即DMA采用周期竊取的方式占用一個存取周期。通常DMA與主存交換資料時采用如下三種方法：

停止CPU通路主存

  這種方式的優點是控制簡單，适用于資料傳輸率很高的I/O裝置實作成組資料的傳送。缺點是DMA接口在通路主存時，CPU基本上處于不工作狀态或保持原狀态。在DMA接口中，一般設有一個小容量存儲器，使I/O裝置首先與小容量存儲器交換資料，然後由小容量存儲器與主存交換資料，這便可減少DMA傳送資料時占用總線的時間，即可減少CPU的暫停工作時間。

周期挪用（或周期竊取）

  在這種方法中，每當I/O裝置發出DMA請求時，I/O裝置邊挪用或竊取總線占用權一個或幾個主存周期，而DMA不請求時，CPU仍繼續通路主存。

  I/O裝置請求DMA傳送會遇到三種情況。一種是CPU此時不需要通路主存，故I/O裝置與CPU不發生沖突。第二種情況是I/O裝置請求DMA傳送時，CPU正在通路主存，此時必須待存取周期結束，CPU采能将總線占有權讓出。第三種情況是I/O裝置要求通路主存時，CPU也要求通路主存，這就出現了通路沖突。此時I/O訪存優先于CPU通路主存，因為I/O不立即通路主存就可能丢失資料，這時I/O要竊取第一、二個存取周期，意味着CPU在執行通路主存指令過程中插入了DMA請求，并挪用了一、二個存取周期，使CPU延緩了一、二個存取周期再通路主存。

  這種方式既實作了I/O傳送，又較好地發揮了主存與CPU的效率，是一種廣泛采用的方法。I/O裝置每挪用一個主存周期都要申請總線控制權、建立總線控制權和歸還總線控制權。盡管傳送一個字對主存而言隻占用一個主存周期，但對DMA接口而言，實質上還要占2~5個主存周期。是以周期挪用的方法比較合适于I/O裝置的讀/寫周期大于主存周期的情況。

DMA與CPU交替通路

  這種方法适合于CPU的工作周期比主存存取周期長的情況。這種方式不需要總線使用權的申請、建立和歸還過程，總線使用權是通過 C1 C 1 和 C2 C 2 分别控制的。CPU與DMA接口各自有獨立的訪存位址寄存器、資料寄存器和讀/寫信号。在這種工作方式下，CPU既不停止主程式的運作也不進入等待狀态，即完成了DMA的資料傳送。

2.DMA接口的功能群組成

DMA接口的功能

  利用DMA方式傳送資料時，資料的傳輸過程完全是由DMA接口電路控制，故DMA接口又有DMA控制器之稱。DMA接口應該具有如下功能：

1. 向CPU申請DMA傳送。
2. 在CPU允許DMA工作時，處理總線控制權的轉交，避免因進入DMA工作而影響CPU正常活動或引起總線競争。
3. 在DMA期間管理系統總線，控制資料傳送。
4. 确定資料傳送的起始位址和資料長度，修正資料傳送過程中的資料位址和資料長度。
5. 在資料塊傳送結束時，給出DMA操作完成的信号。

DMA接口基本組成

（1）主存位址寄存器（AR）

  AR用于存放主存中需要交換資料的位址。在DMA傳送過程中，美交換一次資料，将位址寄存器内容加1，指導一批資料傳送完畢為止。

（2）字計數器（WC）

  WC用于記錄傳送資料的總字數，通常以交換字數的補碼值預置。在DMA傳送過程中，每傳送一個字，字計數器加1，直到計數器為0，即最高為産生進位時，表示該批資料傳送完畢（若交換字數以源碼值預置，則每傳送一個字，字計數器減1，直到計數器為0時，表示該批資料傳送結束）。于是DMA接口向CPU發中斷請求信号。

（3）資料緩沖寄存器（BR）

  BR用于暫存每次傳送的資料。通常DMA接口與主存之間采用字傳送，而DMA與裝置之間可能是位元組或位傳送。DMA接口中還可能包括有裝配或拆卸字資訊的硬體邏輯，如資料移位緩沖寄存器、位元組計數器等。

（4）DMA控制邏輯

  DMA控制邏輯負責管理DMA的傳送過程，由控制電路、時序電路及指令狀态控制寄存器等組成。每當裝置準備好一個資料字（或一個字傳送結束），就向DMA接口提申請（DREQ），DMA控制邏輯便向CPU請求DMA服務，發出總線使用權的請求信号（HRQ）。待收到CPU發出的響應信号HLDA後，DMA控制邏輯便開始負責管理DMA傳送的全過程，包括對主存位址寄存器和字計數器的修改、識别總線位址、識别總線位址、指定傳送類型以及哦他能根治裝置已經被授予一個DMA周期（DACK）等。

（5）中斷機構

  當字計數器溢出（全“0”）時，表示一批資料交換完畢，由“溢出信号”通過中斷機構向CPU提出中斷請求，請求CPU作DMA操作的後處理。中斷的目的不同，前面是為了資料的輸入或輸出，而這裡是為了報告一批資料傳送結束。它們是I/O系統中不同的中斷事件。

（6）裝置位址寄存器（DAR）

  DAR存放I/O裝置的裝置碼或表示紅色倍資訊存儲區的尋址資訊，如磁盤資料所在的區号、盤面号、柱面号。

3.DMA工作過程

DMA傳送過程

  DMA的資料傳送過程分為**預處理、資料傳送或後處理**3個階段。

（1）預處理

  在DMA接口開始工作之前，CPU必須給它預置如下資訊：

• 給DMA控制邏輯指明資料傳送方向是輸入還是輸出。
• 向DMA裝置位址寄存器送入裝置号，并啟動裝置。
• 向DMA主存位址寄存器送入交換資料的主存起始位址。
• 對字計數器賦予交換資料的個數。

  當I/O裝置準備好發送的資料或準備接受的資料已經處理完畢時，它便通過DMA接口向CPU提出占用總線的申請，若有多個DMA同時申請，則按輕重緩急由硬體排隊判優邏輯決定優先等。待I/O裝置得到主存總線的控制權後，資料的傳送便由該DMA接口進行管理。

（2）資料傳送

  DMA方式是以資料塊為機關傳送的。

（3）後處理

  包括校驗送入主存的資料是否正确；決定是否繼續用DMA傳送其他資料塊， 若繼續傳送，則又要對DMA接口進行初始化，若不需要傳送，則停止外設；測試在傳送過程中是否發生錯誤，若出錯，則轉錯誤診斷及處理錯誤程式。

DMA接口與系統的連接配接方式

  具有公共請求線的DMA請求方式，若幹個DMA接口通過一條公用的DMA請求線向CPU申請總線控制權。CPU發出響應信号，用鍊式查詢方式通過DMA接口，首先選中的裝置獲得總線控制權，即可占用總線與主存傳送資訊。

  獨立的DMA請求方式，每一個DMA接口各有一對獨立的DMA請求線和DMA響應線，它由CPU的優先級判别結構裁決首先響應哪個請求，并在響應線上發出響應信号，被獲得響應信号的DMA接口便可控制總線與主存傳送資料。

DMA小結

  DMA方式如下特點：

1. 從資料傳送看，程式中斷方式靠程式傳送，DMA方式靠硬體傳送。
2. 從CPU響應時間看，程式中斷方式是在一條指令執行結束時響應，而DMA方式可在指令周期内的任一存取周期結束時響應。
3. 程式中斷方式有處理異常事件的能力，DMA方式沒有這種能力，主要用于大批資料的傳送。
4. 程式中斷方式需要中斷現行程式，故需保護現場；DMA方式不中斷現行程式，無須保護現場。
5. DMA的優先級比程式中斷的優先級高。

4.DMA接口的類型

  通常選擇型和多路型兩類。

選擇型DMA接口

  主要特點是在實體上可連接配接多個裝置，在邏輯上隻允許連接配接一個裝置，即在某一段時間内，DMA接口隻能為一個裝置服務，關鍵是在預處理時将所選裝置的裝置号送入裝置位址寄存器。選擇型DMA接口特别适用于資料傳輸率很高的裝置。

多路型DMA接口

  多路型DMA接口不僅在實體上可以連接配接多個裝置，而且在邏輯上也允許多個裝置同時工作，各個裝置采用位元組交叉的方式通過DMA接口進行資料傳送。在多路型DMA接口中，為每個與它連接配接的裝置都設定了一套寄存器，分别存放各自的傳送參數。這類接口特别适合于同時為多個資料傳輸率不十分高的裝置服務。