第7章输入输出系统

2.通道的功能
衡量通道性能的指标是通道的流量。是指通 道在传输数据时，1秒钟时间内传输的位数 （bps）即传输速率。
通道的功能要求控制外围设备。
（2）从内存中读取通道程序并执行，控制外 围设备的各种操作。
（3）控制数据在内存与外围设备之间的传输 操作。
1.通道的类型
分为：字节多路通道、选择通道和数组多路通道
（1）选择通道：对高速的外围设备，如磁盘等， 要求较高的数据传输速度。对于这种高速传输， 通道难以同时对多个这样的外围设备进行操作， 只能一次对一个外围设备进行操作。这种通道 称为选择通道。
选择通道的缺点：当一台外围设备传输的数据 量比较大时，其他外围设备的等待时间较长， 使得外围设备请求使用通道的平均等待时间较 长。
在交叉模式中：通道操作分成很小的时间段，可用 于传输一个字节的数据。通道向准备就绪的外围设 备进行数据段的传输操作，传输完成一个信息单元 后就重新选择设备。如需要依次传输的数据量大， 则通道转成猝发的工作模式。
在猝发模式下：通道与外围设备之间传输一 直维持到外围设备请求的传输完成为止，可 减少控制信息的传递。通道使用一种超时机 制判断外围设备的操作时间（即逻辑连接时 间），并决定采用哪一种模式。如果外围设 备请求的逻辑连接时间大于某个预定的值， 通道就专程猝发模式，否则就以字节交叉模 式。字节多路通道的猝发传输模式仍然是一 种复用模式猝发传输期间可以利用传输间隔 为其他外围设备进行数据的传输。因为外围 设备的传输速率较低，字节的传输之间有较 大的间隔时间。
（2）外部中断:是由CPU引脚上的中断信号引 起的中断。如：掉电和复位（reset）
（3）软件中断：是由专门的指令引起的中断 这种指令如中断指令（int）
三、DMA方式
• 1.DMA方式的基本概念： CPU将数据的地址和传输的数量告诉输入输出 接口之后,就可由输入输出接口来控制数据在 主存储器和外围设备之间的数据块传送.而不 需要由CPU 来对每个字的传输进行控制,这种 传送方式称为直接存储器访问 (direct memory accsse DMA) DMA的数据块传送过程可分为三个阶段: 传送前预处理、数据传送、传送后处理。
若多个外围设备同时向CPU发出中断请求时，由于中
断请求之间没有固定的关系，就会产生以下几个问题：
（1）CPU怎样识别发出中断请求的外围设备？
这是中断源识别问题
（2）不同外围设备发出的中断请求一般需要用不同 的服务程序进行处理，同一个外围设备也可以发出 不同的中断请求，CPU怎样获得不同中断服务程序 的其始地址？这是中断处理程序入口地址形成问题。
（3）字节多路通道
字节通道用于连接多个慢速的和中速的外围设备。 这些外围设备的数据传输以字节为单位。每传输一 个字节要等待较长时间，如终端设备等。因此，通 道可以以字节交叉方式轮流为多个外围设备服务， 以提高通道的利用率。这种通道的数据宽度一般以 单字节。它的操作模式有两种：字节交叉模式和猝 发模式。
第7章 输入输出系统
7.1 基本的输入输出方式 7.2 中断 7.3 DMA方式 7.4 通道方式
一、基本输入输出方式：
1.外围设备的寻址： CPU与外围设备进行的通信有三种类型：
（1）CPU向外围设备发出操作控制命令 （2）外围设备向CPU提供状态信息 （3）数据在CPU与外围设备之间的传递 CPU对外围设备寻址有两种基本方法：
（3）怎么处理多个中断请求同时发生的情况？
这是中断裁决问题。
（4）当CPU正在处理一个中断时，是否还响应其他外 围设备发出的中断请求？这是中断屏蔽问题
2.中断响应的过程
3.中断请求与裁决
4.多重中断与中断屏蔽
• 多重中断使得CPU能够暂停正在处理的中断事 务转而处理更为紧急的中断事务
• 并按优先级顺序响应多重中断请求，这种方式 称为多级中断。
程序查询方式的输入输出操作各有三个程。
输入输出过程见P164 8个步骤
结合看P165图 7-1输入输出过程示意图。
二、中断：
CPU在得到请求信号时停下正在运行的程序转 而执行外围设备服务的程序。
外围设备发出的信号称为中断请求信（IR）
1.中断的基本概念：
中断是一种发生了一个外部的事件时调用相 应的处理程序（或称服务程序）。中断服务 程序的调用类似于子程序的调用。在发生了 中断请求时，CPU首先完成当前执行的指令， 保留下一条指令的地址和寄存器中的有用数 据。
（4）读取外围设备的状态信息形成整个通道的状 态信息，提供给CPU或保存在内存中。
（5）向CPU发出输入输出操作中断请求，将外围设 备的中断请求和通道本身的中断请求按次序 报告给CPU。
外围设备控制器的具体任务是： （1）从通道接受通道指令，控制外围设备完成指
定的操作。 （2）向通道提供外围设备的状态 （3）将各种外围设备的不同信号转换成通道能够
识别的标准信号。
3.通道工作过程
通道中包括通道控制器、状态寄存器、中 断机构、通道地址寄存器、通道程序指令 寄存器等。 CPU在进行一个输入输出操作之前，首先准 好通道程序，然后安排好数据缓存区域， 再给通道和外围设备发启动命令。CPU准备 好的通道程序存放在内存中，由通道控制 器读取并执行。
实现输入输出数据传输的方式主要有： 程序控制方式：由软件对数据的传输进行
的控制方式 直接存储器访问（DMA）方式。 通道方式。
程序控制方式又分为： 程序查询方式和中断方式
3 .程序查询输入输出方式：
程序查询是一种最简单的输入输出方 式，不需要复杂的接口电路。在程序查询的 输入输出中CPU 通过读取外围设备接口中的 状态寄存器了解外围设备的状态，通过写接 口中的控制寄存器向外围设备发出控制命令。 CPU读取接口中的状态寄存器的操作称为查 询。
（2）数组多路通道
数组多路通道以固定大小的数组（数据块）为 单位在若干高速传输操作之间进行交叉复用。 每个外围设备传输完一个数组块后，通道就为 下一个外围设备进行传输控制，使多路传输并 行进行。这样可以减少外围设备请求使用通道 的平均等待时间。数组多路通道适用于高速外 围设备，这些外围设备的数据传输以块为单位。 数组多路通道既保留了选择通道告诉传输的优 点，又充分利用了控制操作的时间间隔为其他 外围设备服务，使通道的功能得到有效发挥， 因此数组多路通道在实际系统中得到较多的应 用。
2.DMA传送方式 (1).CPU等待DMA的操作 (2).DMA乘存储器空闲时访问存储器. (3).CPU与DMA交替访问存储器
3.基本的DMA控制器 (1)地址寄存器 (2)长度寄存器 (3)数据寄存器 (4)标志寄存器 (5)命令寄存器 (6)控制逻辑
DMA操作由CPU启动 操作步骤: (1)测试外围设备状态,向DMA接口的设备地址寄存 器送入设备地址. (2)写存储器地址寄存器,包含传输数据的起始地址. (3)写长度计数器,包含传输数据的长度. (4)启动DMA控制逻辑,可以通过写命令寄存器实现.
DMA接口的连接如图7-14
四、通道方式
通道是一个具有输入输出处理器控制的输入输出 接口。这个处理器专门为输入输出控制而设计， 他有自己的指令，即通道命令，专门处理输入输 出事物，通道命令构成通道程序。在通道程序的 控制下，通道能够对外围设备进行DMA方式的块数 据传输控制以及对字设备的数据传输控制。通道 能够根据程序控制多个外围设备并提供了DMA共享 的功能。通道能够处理较复杂的外围设备的状态， 能够对外围设备出现的许多情况进行处理而不需 要CPU的干预，而DMA只能进行固定的数据传输操 作。通道可以进一步减少CPU的负担。
统一编址和单独编址
统一编址：将外围设备中的控制器、数据寄 存器、状态寄存器和内存单元一样看待， 将它们和内存单元联合在一起编排地址。
单独编址：内存的地址空间和外围设备的地 址空间是分开的，用两套地址和控制信号 分别对内存和外围进行操作。
2.外围设备的定时：
外围设备的定时主要解决外围设备接口中 的数据输入输出的定时。输入输出操作中 需要确定每个数据单元的传输定时。
5.中断输入输出接口
在采用中断方式的输入输出接口中，除了应该 有数据寄存器、状态寄存器和命令 寄存器外，还用有产生中断请求的电路。CPU 中应有相应的中断响应和屏蔽电路
6. 中断的类型与应用
按照产生中断的机制可以将中断分为：
（1）内部中断：是由CPU的某种内部因素引起 的，通常称为自陷（trap）