计算机组成原理：I/O

一、IO设备与IO接口

（一）IO设备

1.IO设备：外部输入输出设备

（二）IO接口

1.基本组成

（1）控制逻辑电路：用于协同控制各个模块

（2）设备选择电路：I/O接口连接多个外部设备，该电路选择需要工作的设备

（3）命令寄存器和命令译码器：对CPU的命令进行译码和存储

（4）设备状态标记：用于判断设备状态

• 完成触发器D
• 工作触发器B
• 中断请求触发器INTR
• 屏蔽触发器MASK（当CPU正在进行重要操作时，用于屏蔽外部设备请求）

（５）数据缓冲寄存器DBR：将外部设备的数据存入用于CPU通信

2.工作流程

（1）CPU通过命令线发出命令，同时通过地址线给出设备地址给IO接口，选取设备

（2）IO接口通过设备选择电路选择CPU所需外部设备，同时发出命令给外部设备

（3）外部设备给出状态给IO接口，IO接口将相应状态转化为设备状态标记

（4）CPU判断设备状态标记，若可以开始通信，则与IO接口通过数据线进行数据交换

• 若是读取命令，则外部设备将数据放入数据缓冲寄存器，然后CPU读取
• 若是写命令，则CPU将数据写入数据缓冲寄存器，然后外部设备读取

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二、IO设备与主机信息传送的控制方式

（一）程序查询方式

1.程序查询流程

（1）CPU发出命令，同时给出设备地址

（2）设备读取命令，开始准备

（3）CPU查询设备状态，若设备为准备好，则CPU一直等待不断查询直到设备准备完毕

（4）设备准备完毕，开始数据通信

2.程序查询接口电路

（1）CPU发出命令，给出地址线选择设备

（2）设备读取命令开始启动准备（B触发器为1，D触发器为0）

（3）设备输入数据，设备工作结束（B触发器为0）

（4）CPU判断设备状态，若准备就绪（B触发器为0，D触发器为1），则开始数据通信

3.特点

（1）在查询时，CPU处于等待状态，CPU效率不高

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（二）程序中断方式

1.程序中断流程

（1）CPU发出命令，给出地址线选出设备，然后CPU去执行其他工作

（2）设备读取命令，开始准备，若准备就绪，发出中断请求

（3）CPU停止工作，响应中断请求，执行中断服务程序，程序执行完毕，则继续工作

2.程序中断接口电路

（1）CPU发出命令，给出地址线选择设备

（2）设备开始启动（B触发器为1），设备准备工作

（3）设备准备工作结束（B触发器为，D触发器为1），若未被屏蔽（MASK触发器为0），则发出中断请求

（4）CPU查询中断，若检查到中断请求，根据中断优先级（排队器），中断响应

（5）CPU根据中断源找出储存中断程序的向量地址空间，开始执行中断服务程序

3.中断服务程序

（1）单重中断：在执行中断程序时，不允许执行其他中断

• 保护现场：保存原CPU执行程序的执行空间，进入中断服务程序的执行空间（入栈）
• 中断服务：开始执行中断服务程序
• 恢复现场：退出中断服务程序的执行空间（出栈）
• 中断返回：返回原CPU执行程序的执行空间
• 开启中断：中断被允许，接收下一次中断

（2）多重中断：在执行中断程序时，可以去执行比它优先级更高的中断

• 保护现场：保存原CPU执行程序的执行空间，进入中断服务程序的执行空间（入栈）
• 开启中断：中断被允许，可以接收其他中断
• 中断服务：开始执行中断服务程序
• 恢复现场：退出中断服务程序的执行空间（出栈）
• 中断返回：返回原CPU执行程序的执行空间

4.中断流程总结

（1）中断请求：中断源向CPU发出中断请求

（2）中断判优：判断中断源优先级，先执行优先级最高的

（3）中断隐指令

• 中断响应
• 中断服务程序断点入栈
• 关闭中断
• 将中断程序的向量地址放入计算机

（4）中断服务程序寻址：根据向量地址查询

（5）执行中断服务程序

5.特点

（1）在设备准备期间，CPU可以去做其他事，相较查询方式效率提高

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（三）DMA方式

1.DMA接口组成

（1）AR：主存地址

• 用于存放于设备交互的数据地址

（2）WC：数据字计数器

• 一段数据有多个字的内容，而计算机一次只能传输1、2、4、8个字

（3）DAR：设备地址

（4）BR：数据缓冲器

2.DMA工作流程

（1）预处理

• DMA控制逻辑给出数据方向（输入/输出）
• 设备地址（DAR）给入DMA
• 主存给出数据存储首地址（AR）
• 计数器决定输入数据的字数（WC）
• 启动设备

（2）数据传送

• DMA向CPU申请主存控制权（HRQ）
• 若允许控制，CPU应答（HLDA）
• CPU控制数据送入主存或设备
• 计数器开始递减完成数据字传送（WC），随之数据地址变化（AR）
• • 若数据溢出，启动中断机构
• 数据传送完成，向CPU提出中断

（3）后处理

• 判断数据是否传输正确
• 是否继续DMA
• 判断传输过程是否正确

3.特点

（1）此数据传输方式，不需要CPU直接参与，CPU效率大大提高

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三、总结

（一）IO设备数据传输流程

1.CPU给出命令，设备地址

（1）程序查询方式

• CPU给出读/写命令
• CPU给出设备地址，指定设备进行数据传送

（2）程序中断方式

• CPU给出读/写命名
• CPU给出设备地址，指定设备中断

（3）DMA方式无CPU参与命令

2.数据准备阶段

（1）程序查询方式：数据放入数据缓冲器，CPU等待

（2）程序中断方式：数据放入数据缓冲器，CPU执行其他程序

（3）DMA方式：数据放入数据缓冲器（AR、WC、DAR）

2.向CPU请求，CPU响应请求

（1）程序查询方式：CPU直接参与

（2）程序中断方式：中断源发出中断请求，CPU响应中断服务程序

（3）DMA方式：DMA向CPU发出控制请求，CPU响应请求放弃主存控制权

3.数据传输

（1）程序查询方式：直接进行传输

（2）程序中断方式：CPU响应中断服务程序

（3）DMA方式：DMA与主存交互

• 修改AR、WC
• 主存向BR写入，或BR向主存写入

4.结束阶段

（1）程序查询方式：直接结束

（2）程序中断方式：跳出中断服务程序

（3）DMA方式：DMA放弃主存总线控制权

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