输入输出系统——第五章

CPU和I/O设备以分散连接的方式进行连接。

分散连接：每个设备都有独立的控制电路。

特点：

1. CPU和I/O设备紧耦合，增减外部设备苦难
2. CPU和I/O设备以程序查询方式进行连接，串行工作
3. I/O设备进行输入、输出时，CPU必须运行相应程序或处于停等状态

出现原因：由于外设的增多，难于增减外部设备的分散连接模式被淘汰。

这一阶段，I/O接口和DMA控制器与CPU相互配合，完成输入、输出操作。I/O设备和CPU信息交换传输控制方式有两种：

1. 中断方式
2. DMA方式

特点：在信息传输过程中、信息传输完成后，CPU仍要参与部分信息传输的处理工作。

出现原因：为了使CPU和I/O设备实行并行工作，使输入输出系统数据的管理控制从主机中脱离出来。

特点：

1. 有自己的指令系统、控制器，部分通道还有自己的存储器
2. 通过执行通道程序，可以控制连接在通道上的I/O设备直接和主机进行信息传输。

• 通道实际上是一种小型的DMA处理机
• 通道程序就是由通道指令组成的程序

I/O指令就是CPU指令集中的一部分，I/O指令结构如下：

• 操作码：I/O指令的操作码相当于I/O指令的标志，表明这个指令是I/O指令
• 命令码：相当于CPU指令集中普通指令的操作码，指出要对I/O设备做出什么操作
• 设备码：I/O设备或I/O端口的地址

I/O端口：I/O设备中的某个寄存器

通道指令就是通道自身拥有的指令集。

通道的工作流程

1. 编程人员为了使应用程序能够调用外部设备工作，在应用程序中编写了广义I/O指令，广义I/O指令给出了如下信息
   1. 参数数据传输的I/O设备
   2. 数据传输主存的首地址
   3. 传输数据的长度
   4. 传输的方向：是向I/O设备传输数据还是向主存传输数据
2. 操作系统根据广义I/O指令给出的参数以及要执行的操作，编写一个由通道指令构成的通道程序，并将其放在内存或者通道自身的存储器的指定位置，然后启动通道进行工作
3. 通道拿到通道程序的首地址后，执行通道程序，控制I/O设备完成相应的操作

通道指令需要给出要传输数据（数组）的首地址、传输字数、操作命令、传输方向、设备地址等。通道指令一般比较长。

关于IBM/370

1. 通道指令长度为64位
2. 通道的下面可以带若干个子通道，子通道可以并行工作
3. 每个子通道可以连接多个设备控制器
4. 每个设备控制器可以连接多个设备

1. 采用接口模式的I/O硬件包括：设备、I/O接口
   • 设备通过接口连接在总线上，和主机完成信息交换
2. 采用通道模式的I/O硬件包括：设备、设备控制器、通道
   • 设备连接设备控制器，设备控制器连接子通道，子通道连接通道

I/O设备的编址方式有两种：统一编址、不统一编址。

核心思想：把I/O设备的地址看成是内存地址的一部分，在进行内存编址时统一进行编址。

实现原理：

1. 取内存地址中的部分地址作为I/O设备或I/O端口的地址
2. 如果输入、输出指令或者访存指令的地址码在I/O地址范围内，那么这次的操作实际上是针对I/O设备进行的

特点：

1. CPU可以用取数、存数指令对I/O设备进行管理、控制，不需要特定的I/O指令
2. CPU的指令集相对简单

适用情况：当内存系统编制空间较大时，可以采用这种方式

核心思想：在内存地址空间之外，专门设置一个I/O设备的地址空间

虽然两个地址空间是独立的，但他们对应的二进制代码范围，是存在重合的

比如：一个20位的内存，寻址空间为1M，在对I/O设备进行编址时，地址范围为 16 个 0   到   16 个 1 16个0 \, 到 \, 16个1 16个0到16个1（即64K）。此时两个地址空间的二进制代码是存在重合的。

问题：对于相同的二进制地址，如何区分一个指令到底是对内存进行操作的还是对I/O设备进行操作的？

解决方案：采用专门的I/O指令对I/O设备进行操作。

因此这种编址方案的特点就是：有专门的I/O指令对I/O设备进行控制。

用设备选择电路识别是否被选中

用CPU给出的地址和设备保存的自己的地址进行比较

1. 串行：数据一位一位的进行传输
2. 并行：同时有多位数据在多条数据线上进行传输，通常情况下数据线的条数是8的倍数

外部设备在接收、发送数据的响应情况。

接收到数据后立即显示，比如LED灯，在接收到数据后立即以亮/不亮的方式显示接收到的数据。

适用于一些结构简单，状态、数量比较少的设备。

异步工作分为两种，可以并行传输，也可以串行传输。

并行传输

CPU和接口之间一般都是并行传输，所以现在讲的异步工作应答信号主要是I/O接口和I/O设备之间采用的。

1. I/O接口和I/O设备之间有多条数据线组成了一条类似数据总线的数据线（完成并行工作）
2. I/O接口和I/O设备采用应答信号，比如，当I/O设备要接收数据时
   1. I/O端口将数据准备好后，通过一个== R e a d y Ready Ready==信号告诉I/O设备：端口中的数据已经准备好了
   2. I/O设备对端口中的数据进行读取，并给出应答信号
3. 如果是I/O设备要输入数据到CPU或主机：
   1. 当I/O接口中的数据缓冲器空了后，就会向I/O设备发送== R e a d y Ready Ready==信号，告诉I/O设备，可以向I/O接口发送数据了
   2. I/O设备向I/O接口发送数据，并给出应答信号

串行传输

1. 传输要有起始位和终止位，如图
   • 占1位的起始位，共 9.09 m s 9.09ms 9.09ms
   • 占2位的起始位，共 2 × 9.09 m s 2 \times 9.09ms 2×9.09ms
2. 在起始位和终止位之间，是若干位的数据位

有两种连接方式：辐射式连接、总线连接。

就是我们前面介绍过的分散连接。

如图

外部设备通过接口和主机进行连接。

接口的作用：

1. 向外部设备传送主机的命令
2. 向主机传送外部设备状态信息
3. 完成数据缓存、数据格式变化等

优点：便于增删设备

CPU从I/O设备读数据流程图

I/O设备和I/O接口的工作流程

1. I/O设备接到CPU指令后，开始数据准备
2. 经过较长时间的准备后，I/O设备将准备好的数据送入I/O接口的数据缓冲区，然后I/O接口将工作状态标志转为”已准备就绪“。I/O状态保存在I/O接口的触发器中

注意：在I/O设备准备数据过程中，CPU一直在检查I/O状态，无法执行其他指令。

特点：

1. 外部设备和内存的信息交换必须通过CPU
2. CPU在I/O设备准备数据的过程中处于停等状态，效率低下
3. I/O设备和CPU的工作是串行的

I/O设备的工作过程可以分为两个阶段：

1. 自身准备（包括数据准备）
2. 与主机交换信息

在程序查询方式中，CPU在I/O设备工作的两个阶段都要参与。

程序中断方式对程序查询方式进行了优化：

1. 在I/O设备的"自身准备阶段"，CPU不参与I/O工作，可以执行其他程序
2. 当I/O设备需要与主机交换信息时（自身准备已完成），CPU暂停现行程序，参与I/O工作

实例

1. CPU在执行现行程序时遇到了I/O指令
2. CPU首先启动I/O设备，然后继续执行现行程序
3. 当I/O设备完成自身准备==向CPU发出"中断请求"==后，CPU暂停执行现行程序，参与执行I/O设备的数据输入、输出工作
4. 执行完I/O操作后，CPU继续执行现行程序

在这个过程中，CPU没有因I/O设备准备数据而出现"停等"现象。

优点：CPU一定程度上从I/O设备的数据输入、输出操作出解脱出来，执行效率更高了

缺点：

1. I/O设备和内存的数据传输仍然需要CPU的参与
2. CPU保存程序执行断点及恢复断点所耗费的指令和时间也浪费了CPU的处理效率

程序中断方式流程

主存和I/O之间有一条直接数据通道，主存和I/O在DAM控制器控制下可以直接进行数据交换。采用的方式叫做周期挪用（周期窃取）。

DMA方式工作流程（CPU在执行现行程序时，遇到I/O操作）

1. CPU首先启动I/O，然后继续执行现有程序
2. I/O设备进行自身准备，准备完成后由DMA控制器发出DMA请求
3. CPU接到DMA请求后，让出总线的使用权一个存取周期，在这个存取周期内
   1. CPU不能使用主线访问主存
   2. CPU虽然不能使用主线，但仍可继续执行现行程序（现代计算机一般是预读指令）
4. DMA占用总线使用权，控制主存和I/O设备进行数据交换。完成后让出总线使用权给CPU

在这个过程中：

1. CPU不需要中断现行程序的执行
2. CPU从I/O设备的数据输入、输出中彻底解脱出来，CPU和I/O实现了并行工作
3. 因为数据输入、输出占用了一个存取周期的总线使用权，因此称作周期挪用方式

发展趋势

外部设备大致分为三类：

1. 人机交互设备 键盘、鼠标、打印机、显示器
2. 计算机信息存储设备 键盘、光盘、磁带
3. 机——机通信设备 调制解调器等

按键，判断哪个键按下，将此键翻译成ASCII码（编码键盘法）

1. 字符显示 字符发生器
2. 图形显示 主观图像
3. 图像显示 客观图像

1. 打击式 点阵式（逐字、逐行）
2. 非打击式 激光（逐页）喷墨（逐字）

1. A/D、D/A 模拟/数字（数字/模拟）转换器
2. 终端 由键盘和显示器组成
   • 完成显示控制与存储、键盘管理及通信控制
3. 汉字处理 汉字的输入、存储、输出

什么是多媒体？

多种媒体技术和手段相结合进行综合应用，给人以更多的视、听或者动作上的感受。

多媒体计算机的关键技术？

为什么要设置接口？（接口的功能）

1. 实现设备的选择
2. 实现数据缓冲达到速度匹配
3. 实现数据串行——并行的格式转换
4. 实现电平转换
5. 传送控制命令
6. 反应设备的状态（“忙”、“就绪”、“中断请求”）

如图

1. 设备选择线：参与信息传输设备的设备地址或端口地址。单向线
2. 数据线：完成数据的输入、输出。条数和接口的类型有关。双向线
3. 命令线：来自主机的命令通过命令线来到I/O接口，命令经缓冲、译码后可以控制设备做相应的操作。单向线
4. 状态线：将状态信息送给主机，使主机了解外部设备的状态信息。单向线

下图展示了接口的组成和其实现的功能的对应关系：

设备状态标记是利用一系列的触发器来实现的，下表展示了各触发器及其标记的状态

1. 串行接口 如 Intel 8255
2. 并行接口 如 Intel 8251

1. 可编程接口 如 Intel 8255、Intel 8251
2. 不可编程接口 如 Intel 8212

1. 通用接口 如 Intel 8255、Intel 8251
2. 专用接口 如 Intel 8279、Intel 8275

1. 中断接口 如 Intel 8259
2. DMA接口 如 Intel 8257

单个设备

多个设备

注意：多个设备之间存在查询的优先级次序。

首先，保存寄存器的内容。原因：程序查询方式要完成内存和外部设备之间数据的输入输出，需要借助CPU中的某一个寄存器，对数据进行暂存。如果寄存器原先的数据是有用的，就需要对这些数据进行保存。保存寄存器数据后，执行如下流程：

程序流程图

关于计数值

• 设置计数值的目的：控制传输的数据量
• 计数值的取值方案有两种：假如现在要传输N个字
  1. 计数器的值就设置为== N N N==。每完成一个字的传输，计数器的值-1，直到计数器值=0，说明此次传输完成，传输结束
  2. 计数器的值设置为== − N -N −N==，并用补码来表示这个复数，每完成一个字的传输，计数器的值+1，当计数器值=0，传输结束

程序查询方式的接口电路（以输入为例进行介绍）

1. CPU通过地址线给出外部设备的地址
2. 设备选择电路将自己的设备地址（或端口号）和地址线上的地址进行比较，如果相同，说明这次启动的设备就是连接在这个接口电路上的外部设备。== S E L SEL SEL==信号有效
3. 在启动命令和== S E L SEL SEL==信号都有效的前提下，对两个状态标记进行置位：（图中的Q模块）请回忆各触发器及其标记的状态
   • 完成触发器D=0，表明数据还未准备好
   • 工作触发器B=1，表明设备开始工作，处于“忙”状态。同时触发器B启动设备，图中的②
4. 设备开始工作后，准备数据并将数据通过输入数据线保存到数据缓冲DBR中。图中的③
5. 数据保存到DBR后，设备的工作结束，设备通过设备的状态线向接口电路送入设备工作结束信号。图中的④。设备工作结束信号会修改接口电路中的两个状态信号：
   • 完成触发器D=1，表明数据准备好。同时这个信号会被送出，图中的⑤。在这一步之前，CPU始终处于空等状态
   • 工作触发器B=0，表明设备工作完成，处于空闲状态
6. DBR中的数据通过数据线被送出

中断：CPU在执行程序过程中，如果发生特殊事件，CPU要中断当前程序的处理，去处理特殊事件，通过执行中断服务程序的方式来进行处理。处理结束后，CPU要返回到中断程序的断点，继续执行该程序。

这里的中断服务程序应该是指发出中断请求的程序

CPU中断当前程序执行时，会保存程序断点信息，继续执行该程序时会恢复断点信息。

打印机引起的I/O中断

学习四点内容

1. 配置中断请求触发器和中断屏蔽触发器
2. 排队器
3. 中断向量地址形成部件
4. 程序中断方式接口电路的基本组成

如图 重点提醒：请结合 程序查询方式的接口电路的电路图 以及 各触发器及其标记的状态 一起观看

并尝试将两张图结合在一起。同时需要注意：虽然将两张图放在一起理解，但实际上两种方式的原理是有差别的：

1. 程序查询方式在完成触发器发出完成信号之前，CPU始终处于停等状态
2. 程序中断方式在完成触发器发出完成信号之前，CPU一直在执行自己的工作

• 当== D = 1 ， M A S K ‾ = 1 D=1，\overline{MASK}=1 D=1，MASK=1==，两个信号经与非运算后变为0，再经非运算变为1，INTR变为1（这里方框中的1代表输出为1）
• 当收到来自CPU的中断查询信号后，INTR值被送入CPU，产生中断请求

排队器的实现有两种方式：

• 硬件 在CPU内或在接口电路内（链式排队器）
• 软件 见第八章

链式排队器电路图 （每一个 I N T P ‘ INTP` INTP‘包含了左侧的一个非门和右侧一个与非门（虚线内））。与非门工作原理

初始状态 （红色代表高电平，紫色代表低电平）

请特别注意：虚线框内左侧方框中的 0 是非门输入端信号，和非门右侧信号是相反的！

• I N T R 1 ‾ \overline{INTR_1} INTR1​​表示 INTR信号取非。 I N T R i ‾ = 0 \overline{INTR_i} = 0 INTRi​​=0​​代表i设备有请求

1. 先来看 I N T P i ‘ INTP_i` INTPi​‘ 的初始状态

• 先看 I N T P 1 ‘ INTP_1` INTP1​‘：
  1. 非门左侧输入为 0（图中方框中标记为输入状态），经非门后变为1， I N T P 1 ‘ INTP_1` INTP1​‘向上的线输出为1，表现为高电平
  2. I N T R 1 INTR_1 INTR1​未发出中断请求，即 I N T R 1 = 0 ， I N T R 1 ‾ = 1 INTR_1=0，\overline{INTR_1}=1 INTR1​=0，INTR1​​=1，1 和 1 经与非门后变为 0
• 再看 I N T P 2 ‘ INTP_2` INTP2​‘：
  1. 非门左侧输入为 0，经非门后变为1， I N T P 2 ‘ INTP_2` INTP2​‘​向上的线输出为1，表现为高电平
  2. I N T R 2 INTR_2 INTR2​未发出中断请求，即 I N T R 2 = 0 ， I N T R 2 ‾ = 1 INTR_2=0，\overline{INTR_2}=1 INTR2​=0，INTR2​​=1，1 和 1 经与非门后变为 0
• …
• 依次类推，整个排队电路 I N T P i ‘ INTP_i` INTPi​‘均表现为高电平

2. 再来看看 I N T P i INTP_i INTPi​ 的初始状态