第五章 输入输出系统
发展
早期串行 DMA（Direct Memory Access） IO和主存之间有一条直接数据通路 通道 通道指令，受CPU的IO指令控制 IBM/360系统一个通道可以连8个设备控制器，一个设备控制器可以连8个设备 IO处理机 外围处理机PPU
按照IO设备工作速度的不同，分三种联络方式
立即响应方式 异步工作采用应答信号联络 异步并行 IO接口向IO设备发送Ready信号后，立即从接口中取出数据 IO设备向IO接口发Strobe信号，并让接口转告CPU，接口中的数据已经被取走 串行传送 同步工作采用同步时标联络 要求IO设备和CPU的工作速度完全同步
IO设备和主机的连接方式
辐射式 要求每台IO设备都有一套控制线路和一组信号线，初期 总线式 一组总线（包括地址线、数据线、控制线等）
5.1.4 IO和主机信息传送的控制方式
五种控制方式
程序查询方式* CPU和IO串行工作 程序中断方式* CPU启动IO设备后，对设备是否已准备就绪不过问，继续执行自身程序，需要IO设备准备就绪向CPU发出中断请求 直接存储器存取方式DMA* IO设备能直接与主存交换信息而不占用CPU DMA方式中，主存与IO设备之间有一条数据通路，无需中断，就可以交换信息 DMA占用的存取周期–窃取周期或挪用周期，此时CPU还能继续内部操作 IO通道方式 IO处理机方式
外部设备
设备控制器，机、电磁、光部等外部设备
其他外部设备
5.3 IO接口
总线连接方式的IO接口电路
IO总线包括数据线、设备选择线、命令线和状态线
- 主机侧
- 通过I/O总线与内存、CPU相连。
- 主机侧有数据线、地址线、控制线
- 地址线用于给出要访问的I/O接口中寄存器地址，与读写控制信号一起送到I/O控制逻辑部件
- 设备侧
- 通过接口电缆连接外设，设备侧的数据双向传输，状态寄存器外传内，控制寄存器内传外。
- I/O控制逻辑
- 对控制寄存器中命令字进行译码，得到控制信号通过外设洁面控制逻辑送到外设
- 同时负责数据缓冲寄存器和外设之间的双向数据传输
- 还要收集外设状态到内部状态寄存器
- 数据缓冲寄存器
- 状态/控制寄存器
- 外设界面控制逻辑
- I/O指令是特权指令
接口的功能和组成
选址功能 传送命令 传送数据 接口中通常设有数据缓冲寄存器DBR，暂存 反映IO设备工作状态 完成触发器D和工作触发器B标志状态 D0 B0，暂停 D1 B0，准备就绪 D0 B1，设备处于准备状态 中断技术，接口电路中一般还设有中断请求触发器INTR，为1时，表示该IO设备正向CPU发送中断请求，接口内还有屏蔽触发器MASK，与中断请求触发器配合使用，完成屏蔽功能 8.4节*
IO接口组成框图
1、设备选择电路 2、命令寄存器和命令译码器 3、数据缓冲寄存器DBR 4、设备状态标记 需要通过 控制逻辑电路 协调时序 接口一端连接CPU，一端连接外部设备 数据线双向，地址线单向 状态线把IO接口状态，外部设备的状态，传输给CPU
5.3.3 接口类型
按数据传送方式分类
- 并行 Intel 8255
- 串行 Intel 8251
功能选择的灵活性分类
- 可编程和不可编程
通用性分类（按主机访问I/O设备的控制方式）
- 程序查询接口
- 较慢的IO
- DMA式接口
- 高速IO
- 中断接口
I/O端口及其编址
若干端口加上对应的控制逻辑电路组成接口
- 数据端口，cpu能读写
- 状态端口，cpu只能读
- 控制端口，cpu只能写
I/O端口的编址方式
- 统一编址（存储器映射方式）
- 只用统一访存指令即可，不需要I/O指令
- I/O端口占用存储器地址，内存容量变小
- 独立编址
- I/O地址空间和主存地址空间独立，无法从地址码上区分，需要I/O指令
5.4 程序查询方式
CPU不断查询IO设备状态，直到就绪，传送一次数据，修改地址和计数器
200 程序查询方式流程 测试指令 检查设备时候准备就绪 传送指令 转移指令 接口电路
5.5 程序中断方式
外设准备就绪，就主动向CPU发出中断请求，请求CPU为自己服务
- 中断请求
- 中断请求标记触发器，（1表示中断源有请求）
- INTR线发出的是可屏蔽中断，优先级最低
- NMI线发出的是不可屏蔽中断，优先级最高
- 中断请求判优
- 响应优先级是固定的，处理优先级可以利用中断屏蔽技术动态调整
- CPU响应中断条件
- CPU内部的中断屏蔽触发器开放
- 外设有中断请求时，中断请求触发器必须是1，保持中断请求信号
- 外设中断允许触发器必须为1，才能将外设中断请求送到CPU
- 满足以上三个条件，CPU在现行指令结束的最后一个状态周期响应中断
- 中断响应过程
- 中断响应优先级一般固定，不可改变
- 中断隐指令
- 保存断点，异常指令保存的是当前指令的位置，中断指令保存的是下一条指令的地址
- 中断向量
- 中断识别：向量中断和非向量中断（软件查询法）（chap5？）
- 中断-中断类型号-中断服务程序-入口地址（中断向量）
- 中断向量表
- 中断处理过程
- 中断处理优先级可以由中断屏蔽字来改变，屏蔽位为0，对新中断开放
- 多重中断和中断屏蔽
- 中断优先级DACB，屏蔽字
- 执行轨迹
5.6 DMA方式
外设和内存之间有一条“直接数据通道”
特点
- 主存既可被CPU访问，又可被外设访问
- 主存地址确定、传送数据计数直接由硬件电路实现
- 内存中专有缓冲区
- DMA速度快，CPU和外设并行
- DMA传送前预处理，结束后中断方式后处理
组成
I/O设备通过DMA控制器（DMA接口）向CPU提出请求，CPU响应后让出系统总线，由DMA控制器接管总线。
传送方式
- 停止CPU访存
- 周期挪用（周期窃取）
- DMA和CPU交替访存
DMA和中断的区别
- 中断是程序切换，DMA不占用CPU
- 中断的响应只在指令执行结束后，DMA的响应可以在每个机器周期结束时（取址、间址、执行）
- DMA传送不需要CPU，高速有效
- DMA请求优先级高于中断请求
- 中断可以处理异常，DMA仅有I/O操作
- 中断是程序传送，DMA是硬件传送数据
