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須知
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參考學習資料：《計算機組成原理(蔣本珊 編著) 第三版》
計算機的輸入輸出系統是整個計算機系統中最具有多樣性和複雜性的部分，這章主要講：1.介紹主機與外設之間的連接問題 2.重點介紹程序查詢方式、程序中斷方式、DMA方式和通道方式等4種輸入輸出控制方式。
9.1 主機與外設的連接
現代計算機中外設各種各種各樣，各類外部設備不僅結構和工作原理不同，而且和主機的連接方式也是複雜多變的。
9.1.1 輸入輸出接口
分析一下主機與外設之間需要交換的信息
1.數據信息：可以通過輸入設備送入計算機的，也可以通過輸出設備輸出結果。
2.控制信息：CPU對外設的控制信息或管理命令。
3.狀態信息：這類信息用來標誌外設的工作狀態。
4.聯絡信息：這個是主機和外設之間聯絡(也就是時間配合問題)的信息。
5.外設識別信息:I/O尋址信息，使得CPU可以鎖定與之交換信息的外設。
9.1.2 接口的功能和基本組成
1.接口的功能
（1）.實現主機和外設的通信聯絡控制：也就是解決主機和外設時間分配問題的功能
（2）.進行地址譯碼和設備選擇：實現主機識別是哪個外設與之通信的功能
（3）.實現數據緩衝：實現大容量軟件的運行
（4）.數據格式的變換：實現數模、模數、並串轉換的功能
（5）.傳遞控制命令和狀態信息：實現主機對外設的控制以及對外設狀態的瞭解的功能。
2.接口的基本組成
接口基本由數據端口、命令端口和狀態端口組成。這些端口都是寄存器，用來暫時存儲數據信息、控制信息以及狀態信息的。CPU可以把信息寫入這些端口，同時也可以從這些端口中讀取信息。
3.接口的類型
（1）.按數據傳送方式分類：串行接口和並行接口
（2）.按主機訪問I/O設備的控制方式分類：程序查詢式接口、程序中斷接口、DMA接口以及通道控制器。
（3）.按功能選擇的靈活性分類：可編程接口和不可編程接口
（4）.按通用性分類：專用接口和通用接口
（5）.按輸入輸出的信號分類：數字接口和模擬接口
（6）.按應用來分類：運行輔助接口、用戶交互接口、傳感接口以及控制接口
9.1.3 外設的識別與端口尋址
爲了能在衆多外設中找到與主機進行信息交換的外設，就必須要對外設進行編址了。首先外設識別是通過地址總線和接口電路中的識別電路來實現的。如果要想實現對這些端口的訪問，就必須要對端口進行編址。
1.端口編址方式
（1）.獨立編址：與主存分開進行編址
（2）.統一編址：與主存放在一起編址
2.獨立編址方式的端口訪問
就是採用獨立編地之後如何對端口進行訪問
可以將兩個連續的8位端接口作爲16位端口處理，同理，四個連續的8位端口做32位端口處理。
假如最多有256個端口地址：
可以指定爲0~255的256個8位端口
也可以指定爲0、2、4、…、254的128個16位接口
也可以指定爲0、4、8、…、252的64個32位接口
9.1.4 輸入輸出信息傳送控制方式
按照主機與外設之間的信息傳送控制方式的發展次序，可以分爲四種
1.程序查詢方式
這是主機和外設之間交換的最簡單的方式，輸入和輸出完全由CPU執行程序來完成的。假如CPU選中一個外設，那麼他就會查看這個外設是不是準備就緒，如果不是，就繼續查看，直到他準備就緒了，就執行I/O操作。
2.程序中斷方式
在主機啓動外設之後，他就繼續幹他之前乾的事，不去理會外設，然後外設在啓動之後開始做準備，做好準備之後，給主機發送一箇中斷請求，主機收到了這個中斷請求之後，才停下手裏的活，去 中斷服務程序 對外設進行處理，處理完之後，又一頭栽回到自己原來的事情上去。
3.DMA方式
這方式就直接在主存和外設之間開一條數據通路，注意這裏是數據通路，也就是說他只能輸入輸出數據了，這樣做了，就不需要麻煩CPU了，從而保證CPU高速運轉。
4.通道控制方式
這個技術是在DMA技術上進一步發展，他在系統中設置很多通道控制部件，每個通道控制部件上面都控制着很多外設。大體上：主機執行I/O指令，讓有關通道打開，然後通道開始工作，執行相應的控制信號，控制要操作的外設，完成輸入輸出操作。這個通道控制器是從屬於CPU的專用處理器，在輸入輸出全過程，只打擾CPU兩次，也就是啓動和停止的時候，這就能保證主機、外設以及通道可以並行同時工作。
目前，小型、微型計算機用程序查詢、程序中斷和DMA方式，大、中型機採用通道方式。
9.2 程序查詢方式及其接口
程序查詢方式是主機和外設之間進行信息交換最簡單的方式了，他的核心問題就是CPU要不斷的查詢外設是否準備好。
9.2.1 程序查詢方式
1.程序查詢的基本思想
由CPU執行輸入輸出程序來實現主機和外設之間數據傳送的方式叫做程序直接控制方式，這種方式分爲兩種：無條件傳送方式和程序查詢方式。
（1）.無條件傳送方式：外設(這樣的外設一般賊簡單，像一個燈泡一樣)的一直給主機說：“我準備好了”,他也確實準備好了，然後CPU想用的時候，不用查詢他的狀態了，因爲默認外設就是處於準備好的狀態，CPU就直接利用I/O指令訪問I/O端口，從而與外設之間進行信息交換。
（2）.程序查詢方式：這個在上面已經簡單介紹過了，在這裏我還就要再說一遍(← _ ←)。和上面無條件傳送方式不同的是，此時的外設並不都是準備好的，那麼CPU就得對每個外設進行查詢，看他準備好沒有，沒有，繼續查詢，直到外設準備好了，開始進行信息交換。
2.程序查詢方式的工作流程
（1）.預置傳送參數：包括主存緩衝區首地址和數據個數
（2）.向外設接口發出命令字：給外設發送命令(控制信息),讓外設知道他要幹啥
（3）.從外設接口中取回狀態字：取回外設的狀態字，判斷數據傳送是否可以進行
（4）.查詢外設標誌：CPU不斷查詢狀態標誌，如果沒有準備好就轉到第（3）步，直到外設準備好
（5）.傳送數據：外設準備好之後，主機與外設之間進行數據傳送。
（6）.修改傳送參數：將主存緩衝區地址+1(也就是指向下一個數據)，將程序計數器+1(也就是指向下一條命令)。
（7）.判斷傳送是否結束：如果程序計數器不爲0，就證明還有命令沒有執行完畢，跳轉到第（3）步，繼續執行，直到程序計數器爲0，表示傳送結束。
9.2.2 程序查詢方式接口
1.輸入接口
當輸入設備準備好數據的時候，發送一個STB信號，將數據放入到鎖存器中，此時將Ready(狀態字)設置爲1.
CPU從外設輸入數據時：
（1）.先讀取狀態字，也就是Ready，假如Ready=1，也就是鎖存器中有數據
（2）.再讀取數據，從鎖存器中取出數據，同時將Ready置零，以準備接受下一個數據
（3）.Ready置零了，CPU等待，如果有數據重新被輸入到鎖存器中，那麼Ready就被置1了，又可以繼續讀取數據了
2.輸出接口
CPU輸出數據到外設中：
（1）.CPU讀取狀態字Busy=1，表示鎖存器中有數據，暫時不能輸出，等待；如果Busy=0，代表可以輸出，那麼CPU將數據送入到鎖存器中，並將Busy置爲1。
（2）.當外設把CPU送來的數據從鎖存器中取出輸出的時候，發送一個ACK非的命令，時Busy置0，準備下一次傳送。
假如有多個外設的時候，那麼CPU就會巡迴查詢各個外設，發現哪個準備就緒了，就實施數據傳送，然後對下一外設進行查詢，依次循環。
9.3 中斷系統和程序中斷方式
中斷是現代計算機發揮效能和提高效率的一個十分重要的功能。CPU中就設有處理中斷的機構-中斷系統。本章主要講的是I/O中斷。
9.3.1 中斷的基本概念
1.中斷的提出
由於程序查詢方式的缺點：
（1）.查詢過程中，CPU長時間處於等待狀態
（2）.CPU在一段時間內只能和一臺外設交換信息
（3）.不能發現和處理錯誤和異常情況
所以，我們引進了程序中斷方式。
程序中斷的思想：
（1）.CPU先啓動一個外設，然後CPU就去做自己的事情了，不需要像程序查詢方式那樣一直等，此時的外設也開始了自己的啓動工作
（2）.當外設啓動好之後，給CPU發送一箇中斷請求
（3）.CPU在可以響應這個請求的情況下，就會暫時中止自己手裏的活，去 執行中斷服務程序 (這是一個專門執行中斷程序的程序，CPU執行的)爲中斷申請者服務，也就是完成一次主機與外設之間的數據傳送。
（4）.傳送完成之後，CPU返回到之前自己執行的程序上繼續執行。
從上圖我們可以看出：
（1）.實現了CPU和外設的並行工作
（2）.也可以實現多個外設並行工作
（3）.可以檢測到異常事件，在中斷請求中，可以捕獲到故障和錯誤
（4）.這個過程實際上就是程序的切換過程：從現行程序切換到中斷服務程序，再從中斷服務程序切換到現行程序。在切換到中斷服務程序的之前，CPU要保護斷點、保護現場，在切換回現行程序之後，CPU還要恢復現場、恢復斷點。這個過程會限制數據傳送的速度。
中斷系統是計算機中實現中斷功能的軟硬件總策劃呢。1.在CPU內配置中斷機構 2.在外設接口中配置中斷控制器 3.在軟件上設計相應的中斷服務程序。
2.程序中斷和調用子程序的區別
很多人認爲程序中斷的本質就是調用子程序，但其實不是，他們之間的區別還是很多的：
（1）.子程序調用一般都是事先安排好的，而中斷的話由隨機的中斷事件引起的
（2）.子程序的執行受到上層子程序或主程序的控制，但是中斷服務程序和中斷的程序沒有關係。
（3）.不存在同時調用多個子程序的情況，但是可以存在調用多個外設進行同時服務
3.中斷的基本類型
（1）自願中斷和強迫中斷
（2）.程序中斷和簡單中斷
（3）.內中斷和外中斷
（4）.向量中斷和非向量中斷：中斷服務程序的入口地址是由中斷事件提供的，這個地址稱爲向量地址。
（5）.單重中斷和多重中斷：單重中斷不可被打斷，多重中斷意思是可以中斷嵌套，也就是可以被打斷。
9.3.2 中斷請求和中斷判優
1.中斷源和中斷請求信號
中斷源是中斷請求信號的來源，也就是引起計算機中中斷的事件。通常計算機中每個中斷源都會對應一箇中斷請求觸發器(INTR)。當一箇中斷源有中斷請求的時候，對應的中斷請求觸發器就會置1，表示向CPU發送中斷信號。
中斷請求觸發器 可以分散在各個中斷源中，也可以集中到中斷接口電路中。在中斷接口電路中，多箇中斷請求觸發器構成一箇中斷請求寄存器。中斷請求寄存器的每一位對應着一箇中斷源。
2.中斷請求信號的傳送
（1）.獨立請求線：每一箇中斷源單獨設置中斷請求線，將中斷信號直接送到CPU(類似於集中仲裁的獨立請求方式)。
（2）.公共請求線
多箇中斷源公用一根請求線。(類似於集中仲裁中的鏈式查詢方式)
（3）.二維結構
同意優先級的用一根公共請求線，不同優先級的用不同的請求線。
3.中斷優先級與判優方法
CPU雖然可以讓外設實現並行工作，但是CPU在一瞬間只能接受一箇中斷源的請求，對那些提出中斷請求後需要立即處理，否則就會造成嚴重的後果的規定爲最高優先級；對那些可以延遲響應的規定較低的優先級。如故障的優先級一般較高，其次就是簡單中斷了，接着纔是I/O設備中斷。
每個中斷均有一個爲其服務的中斷服務程序，每個中斷源也有與之對應的優先級別。另外CPU執行的程序也有優先級，只有中斷源的優先級別高於執行程序的優先級別，才能中止CPU的執行程序。
中斷判優的方法有兩種：
（1）.軟件判優：通過程序對中斷寄存器各位的檢測，檢測順序是按優先級大小排列的。
（2）.硬件判優：採用硬件設計電路來判優
9.3.3 中斷響應和中斷處理
1.CPU響應中斷的條件
（1）.CPU接收到中斷信號請求
（2）.CPU允許中斷：CPU有個允許中斷觸發器，等於1的時候才能相應中斷。
（3）.一條指令執行完畢：這是中斷處理的時間限制，你總得讓人家把一條指令執行完吧，總不能執行一半吧。
2.中斷隱指令
這些指令是CPU在響應中斷之後，在執行中斷服務程序之前進行的一些隱蔽操作，之所以說他隱蔽，是因爲他並不是以指令的形式存在的，他是由硬件直接實現的，所以叫他中斷隱指令。他完成的操作主要有：
（1）.保存斷點
（2）.暫不允許中斷：爲了保護CPU在主要寄存器中的內容，不讓新的中斷打斷正在執行的中斷，從而保證正在執行的中斷結束之後，可以繼續執行CPU當時在執行的程序。
（3）.引出中斷服務程序
3.中斷週期
中斷週期的設置是用來完成中斷隱指令的。
4.進入中斷服務程序
（1）.軟件方面：就是上面提到的，由中斷隱指令引出中斷總服務程序，在那裏判優、尋找中斷源並且轉入相應的中斷服務程序(不同於向量中斷)
（2）.硬件方面：採用向量中斷法，當CPU響應某一中斷請求的時候，硬件能自動形成並找出與該中斷源對應的中斷服務程序的入口地址。
向量中斷的過程：
（1）.中斷源向CPU發送中斷請求信號INTR非
（2）.CPU進行一定的判優處理，若決定響應這個中斷請求，就向中斷源發送中斷響應信號INTA。
（3）.中斷源接到INTA信號就通過自己的向量形成不見向CPU發送向量地址。
（4）.CPU接受到向量地址之後就可轉入響應的中斷服務程序。
向量地址通常有兩種情況：
（1）.向量地址就是中斷服務程序的入口地址
（2）.向量地址是中斷向量表的指針：通過中斷向量表中存儲單元中取出中斷服務程序的入口地址。
5.中斷現場的保護和恢復
（1）.軟件保護：將需要保存的參數送入主存
.（2）.硬件保護：堆棧保存信息
（3）.軟、硬件保護(一般和向量中斷法一起使用)
9.3.4 多重中斷與中斷屏蔽
1.中斷嵌套
中斷嵌套也就是在執行一箇中斷的時候，接到了另一個優先級比當前中斷還要高的中斷的時候，確保這個時候系統必須處於開中斷狀態，這時就可以去執行優先級較高的中斷了，對於這個中斷採取先恢復後保護，而對於之前的中斷採取先保護後恢復。
2.允許和禁止中斷
CPU中又一箇中斷允許觸發器，也就是上面說的開(關)中斷。
開中斷情況：
（1）.單重/多重中斷的中斷服務程序執行完畢，恢復中斷現場之後。
（2）.在多重中斷的情況下，保護中斷現場之後。
關中斷情況：
（1）.當響應某一中斷時，不希望被其他中斷打斷的時候。
（2）.在保護和恢復現場之前
3.中斷屏蔽
發出的中斷並不一定都能到達CPU，可以用程序方式有選擇地封鎖部分中斷，這就是中斷屏蔽。
屏蔽字的1越多，屏蔽能力越厲害，一般能屏蔽同級和比自己低級的。
4.中斷升級
中斷屏蔽字的另一個作用就是改變中斷優先級，將原級別較低的中斷源變成較高的級別，稱爲中斷升級。
9.3.5 中斷全過程
中斷的全過程大致上分爲5個階段：中斷請求、中斷判優、中斷響應、中斷處理、中斷返回。
其中最重要的就是中斷處理了，也就是執行中斷服務程序。大多數計算機的中斷處理分爲三部分：
（1）.準備部分
保護線程，對於非向量中斷方式需要確定中斷源，開放中斷，允許更高級的中大怒請求打斷低級的中斷服務程序。
（2）.處理部分
執行中斷服務程序。
（3）.結尾部分
先關中斷，恢復現場，然後再開中斷，中斷服務程序的最後一條指令一定是中斷返回指令。
9.4 DMA方式及其接口
DMA方式是爲了在主存與外設之間實現高速、批量數據交換設置的，DMA方式是直接靠硬件（DMA控制器）來實現的，不需要執行程序（節省CPU時間）。
9.4.1 DMA方式的基本概念
1.DMA方式的特點
（1）.使得主存和CPU脫鉤，主存既可以被CPU訪問也可以被外設訪問。
（2）.在數據塊傳送時，主存地址的確定、傳送數據的計數都是硬件電路直接實現的。
（3）.主存中要開闢專用緩衝區，及時供給和接受外設的數據
（4）.DMA傳送速度快，CPU和外設並行工作，提高了系統效率
（5）.DMA在傳送之前要進行預處理，結束之後要通過中斷方式進行後處理
2.DMA和中斷的區別
（1）.中斷方式是程序切換，需要保護和恢復現場；DMA除了開始和結尾，不佔用CPU資源
（2）.中斷的發生時間限制的是指令執行完畢之後；而DMA則更小，可以發生在每個機器週期結束時。
（3）.中斷傳送過程需要CPU干預；DMA則不需要。
（4）.DMA的請求優先級高於中斷
（5）.中斷可以處理異常；DMA只能侷限於完成傳送數據塊的I/O操作。
3.DMA方式的應用
一般用於主存和高速外設(磁盤、磁帶、光盤)之間的簡單數據傳送。
在大批量數據採集系統(DRAM的刷新)中也採用DMA方式。
9.4.2 DMA接口
DMA接口相對前面兩種比較複雜，習慣將DMA接口稱爲DMA控制器
1.DMA控制器的功能
（1）.接受外設發出的DMA請求，並向CPU發出總線請求
（2）.當CPU響應總線請求後，發出響應信號，DMA控制器接管對總線的控制，進入DMA操作週期
（3）.確定數據的主存單元地址和傳送長度，能夠自動修改主存地址計數值和傳送長度計數值
（4）.規定數據在主存和外設之間的傳送方向，發出讀寫或其他控制信號，執行數據傳送的操作
（5）.向CPU報告DMA操作結束
2.DMA控制器的基本組成
（1）.主存地址計數器：用來存放減緩數據的主存地址
（2）.傳送長度計數器：用來記錄傳送數據塊的長度
（3）.數據緩衝寄存器：用來暫存每次傳送的數據
（4）.DMA請求觸發器：當外設準備好之後給出一個控制信號，使DMA請求觸發器置位
（5）.控制/狀態邏輯：指定傳送方向，修改傳送參數，對DMA請求信號和CPU響應信號進行協調和同步。
（6）.中斷機構：當一個數據塊傳送完畢後發觸發中斷機構向CPU提出中斷請求，CPU將進行DMA傳送的結尾處理。
3.DMA控制器的引出線
（1）.地址線
（2）.數據線
（3）.控制數據傳送方式的信號線
（4）.DMA控制器與外設之間的聯絡信號線
（5）.DMA控制器與CPU之間的聯絡信號線
4.DMA控制器的鏈接和傳送
寫入主存的操作：
（1）.由外設向DMA控制器發出DMA請求信號DREQ
（2）.DMA控制器向CPU發送總線請求信號HRQ
（3）.CPU向DMA發出總線響應信號HLDA，DMA控制器獲得總線的控制權
（4）.DMA控制器向外設發出DMA響應信號DACK，表示他已經控制了總線，允許外設與主存交換數據
（5）.DMA控制器按主存地址計數器的內容發出地址信號作爲主存地址的選擇，同時主存地址計數器+1
（6）.DMA控制器發出IOR非信號到外設，將外設數據讀入到數據緩衝寄存器，發出MEMW非信號，將數據緩衝寄存器的內容寫入選中的主存單元
（7）.傳送長度計數器-1
重複（5）~（7）直到長度計數器爲0，DMA控制器的HRQ降爲低電平，總線控制權交還CPU
9.4.3 DMA傳送方法與傳遞過程
1.DMA傳送方法
（1）.CPU停止訪問主存法
（2）.存儲器分時法
（3）.週期挪用法
2.DMA傳送過程
（1）.DMA預處理
（2）.數據傳送
（3）.DMA後處理
9.5 通道控制方式
在大型計算機系統中，I/O設備數量多，輸入輸出頻繁，要求整體的速度快，單純依靠CPU採取中斷和DMA等控制方式還是不能滿足要求，於是通道控制方式被引入計算機系統
9.5.1 通道的基本概念
1.通道控制方式與DMA方式的區別
（1）.DMA控制器是一個專門設計的硬件控制邏輯來實現對數據傳送的控制；而通道則是一個特殊功能的處理器，類似於一個處理器，更像一個小CPU，通道具有更強的獨立處理數據輸入輸出的功能。
（2）.DMA控制器通常只能控制一臺或者幾臺同類設備；而一個通道則可以同時控制許多同類或不同類的設備。
2.通道功能
（1）.接受CPU的I/O指令，按照指令要求與制定的外設進行聯繫。
（2）.從主存中取出通道指令，經過譯碼後向設備控制器和設備發送各種命令。
（3）.實施主存和外設間的數據傳送。
（4）.從外設獲得設備的狀態信息。
（5）.將外設的中斷請求和通道本身的中斷請求按次序報告給CPU
9.5.2 通道的類型與結構
1.通道類型
（1）.字節多路通道：是一種簡單的共享通道，以字節交叉方式傳送信息。
（2）.選擇通道：選擇一個通道程序，執行完了之後執行下一個，在執行的時候獨佔整個通道，只有當前的執行完了之後才能執行下一個通道程序。缺點是當進行輔助操作的時候(比如磁盤機的尋道)，通道暫時不用，通道就會處於等待狀態，利用率不高。
（3）.數組多路通道：是前兩種的結合，記性數據傳送的時候，置爲該設備服務，進行輔助操作的時候，先掛起該設備的通道程序，去爲其他設備服務。
2.通道結構
CCWR：通道命令字寄存器
CCW：控制I/O操作的關鍵參數，一條條命令字(通道指令)構成通道程序，放在主存中。
CAWR：通道地址寄存器，指出了通道程序在主存的起始地址。
CSWR：通道狀態字寄存器：記錄通道程序執行後本通道和響應設備的狀態信息，這些信息稱爲通道狀態字（CSW）
9.5.3 通道程序
1.通道指令
IBM的通道指令格式：
（1）.命令碼
（2）.數據地址
（3）傳送字節計數
（4）.標識碼：
數據鏈特徵：CD=1表示接下來的一條指令也是數據傳送命令。
命令鏈特這：CC=1表示本條通道指令執行完畢，只有當CC和CD全爲0的時候，才表示這個指令是通道程序的最後一條指令，通道程序將結束。
封鎖錯誤長度特徵：SLI=1，封鎖了錯誤長度請求，就是不讓這個請求出去，不讓他告訴CPU，就當每發生，繼續執行接下來的操作。
封鎖寫入主存特徵：SKIP=1，禁止外設讀出的數據寫入主存
程序控制中斷特徵：PCI=1，表示本指令允許產生一箇中斷條件
2.通道程序舉例
9.5.4 通道工作過程
（1）.在用戶程序中使用訪管指令進入管理程序，由CPU通過管理程序組織一個通道程序，啓動通道
（2）.通道執行CPU爲它組織的通道程序，完成指定的數據輸入輸出工作。
（3）.通道程序結束後向CPU發中斷請求。CPU響應之後，第二次調用管理程序對中斷請求進行處理
參考學習資料：《計算機組成原理(蔣本珊 編著) 第三版》
後話
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