输入输出控制方式
微型计算机原理作业第五章 习题与思考题
第五章习题与思考题典型例题解析例5-1 计算机输入/输出控制方式有哪几种?各有什么特点?答：CPU与外设进行数据传送，系统中对数据传送的控制方式一般分为四种：①程序控制方式，程序控制方式是指CPU与外设间的数据传送是在程序的控制下完成的一种数据传送方式，这种方式又分为无条件传送和条件传送二种。
在这种I/O方式中，程序设计简单，硬件软件较省，但费时，CPU效率较低，实时性差，主要用于中低速外设和实时性要求不高的场合。
②中断控制方式，中断控制方式是指利用中断技术控制CPU与外设进行数据传送的一种方式。
这种方式实时性好，不需要反复查询等待，减少了CPU等待时间，CPU与外设可并行工作，但这种方式需要进行现场保护及恢复等工作，仍花费CPU时间。
③DMA方式，DMA方式是指由专门硬件控制，不需CPU介入，直接由存储器与外设进行数据传送的方式。
这种方式不需CPU介入，减少了CPU的开销，能实现高速的数据块传送，提高了效率。
但这种方式增加了硬件开销，提高了系统的成本。
④IOP方式，IOP方式是指由输入/输出协处理器IOP控制数据传送的方式。
这种控制方式由于输入/输出协处理器具有单独的指令系统，因此能在数据传送时，同时进行数据处理，数据传送支持DMA方式，因此传送速度快而且不须CPU介入，CPU与IOP可并行工作，效率高。
这四种方式中，程序控制方式和中断方式属于软件控制方式，DMA方式和IOP方式属于硬件方式。
例5-2 试述I/O端口两种编址方法的特点与区别。
..答：I/O端口的编址方法有二种：即I/O端口单独编址方式和I/O端口与存储器单元统一编址方式。
I/O端口与内存单元地址统一编址方式是将I/O端口地址与内存地址统一安排在内存的地址空间中，即把内存的一部分地址分配给I/O端口，由I/O端口来占用这部分地址。
这种方式控制逻辑较简单，I/O端口数目不受限制，所有访问存储器的指令都可用于I/O端口，指令丰富，功能强。
输入-输出控制方式
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虽然DMA方式比中断方式显著的减少了CPU的干预，即 由以字节为单位的干预减少到以数据块为单位的干预。但 是CPU每发出一条I/O指令，只能去读写一个连续的数据块， 而对于离散的数据块，则仍需CPU分别发出多条I/O指令及 进行多次中断处理才能完成，这样DMA方式仍不能满足复 杂的I/O操作要求。在现代的计算机系统中，普遍采用由 专门的I/O处理机来接受CPU的委托，独立执行自己的通道 程序来实现外围设备和内存之间的信息交换，这就是通道 技术。
返回
DMA方式即直接存取（Direct Memory Access）方式，其基 本思想是在外围设备和内存之间开辟直接的数据交换通路。
在DMA方式中，I/O控制器具有比中断方式和程序直接方式时更强的 功能。另外，除了控制状态寄存器和数据缓冲寄存器外，DMA控制器中 还包括传送字节计数器、内存地置寄存器等。DMA方式采用窃取总线控 制权的方法，不断的挪用CPU的工作周期把数据缓冲寄存器中的数据直 接送到内存地址寄存器所指向的内存区域。
常用的控制方式有四种：程序直接控制方式、中断控制 方式、DMA方式和通道方式。
程序直接控制方式（Programmed Direct Control）也称循环等待方式或 忙-等待方式，就是由用户进程来直接控制内存或CPU和外围设备之间的 信息传送。
这种方式的控制者是用户进程。当 用户进程需要数据时，它通过CPU 发出启动设备准备数据的启动命令 “Start”，然后，用户进程进入测 试等待状态。在等待时间内，CPU 不断地用一条测试指令检查描述设 备的工作状态的控制状态寄存器。 而外围设备只有将数据传送的准备 工作做好之后，才将该寄存器置为 完成状态。
（4）在以后的某个时刻，进程调度程序选中提出请求并得到了 数据的进程，该进程从约定的内存单元中取出数据继续工作。
5.3输入输出控制方式
CPU执行“启动I/O”指令，启动通道工作
通道向CPU发应答信号，通知“启动I/O”指 令完成，CPU可继续执行其他进程
通道取出通道程序的下一条指令，放 入CCW中，并执行之
CPU响应中断
否
是最后一条指令吗？ 是 通道向CPU发中断
思考题：
1、磁盘设备的I/O控制方式主要是采用________方式；打印机 的I/O控制方式主要是采用________方式；
5.3 输入/输出控制方式
程序I/O控制方式 中断驱动I/O控制方式 直接存储器存取（DMA）方式 通道控制方式
5.3 输入/输出控制方式
一. 程序I/O方式 （或称循环测试I/O方式）
设备选中，CPU向设备控制器发I/O指令，启动设备
将控制器中的状态寄存器的值busy置为1
同 CPU循环测试busy的值，直到busy=0； 时 进 行 设备控制器控制设备执行I/O操作
A. 命令/状态寄存器
B.内存地址寄存器
C. 数据寄存器
D. 堆栈指针寄存器ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
思考题：
5、本地用户通过键盘登录系统时，首先获得键盘输入信息的是 （ ）。
A. 命令解释程序
B.中断处理程序
C.系统调用服务程序
D.用户登录程序
6、I/O中断是CPU与通道协调工作的一种手段，所以在（ ）时 ，便要产生中断。
2. DMA传送过程：
（2）DMA控制器控制完成设备与主存间的数据传送
① 磁盘控制器将整块数据从磁盘读入DMA控制器的DR中；
② 磁盘控制器校验读入的数据；
③ 磁盘控制器向DMA控制器发DMA请求
④DMA控制器向CPU请求总线周期，获得总线控制权后：
1B或一个字
单片机指令的数字输入和输出控制
单片机指令的数字输入和输出控制单片机（Microcontroller）是一种集成了处理器核心、存储器和输入输出设备等功能单元的微型计算机系统。
在单片机的开发过程中，数字输入和输出（Digital Input and Output, DIO）控制是其中一个重要的功能。
本文将探讨单片机指令下的数字输入和输出控制。
一、数字输入控制数字输入控制是指通过单片机实现从外部设备获取数字输入信号的过程。
这种输入信号可以来自于传感器、按键开关、鼠标等外部设备。
单片机通过相应的引脚（通常为输入引脚）接收外部信号，并将其转换为二进制形式，以供进一步处理。
为了实现数字输入控制，我们首先需要了解单片机对数字输入的标准。
以常用的51系列单片机为例，其引脚通常支持三种工作模式：输入模式、输出模式和双向模式。
在输入模式下，引脚能够读取外部信号。
通过相关的指令，我们可以对引脚进行配置，使其处于输入模式并能够正确地读取外部信号。
接下来，我们可以使用中断、轮询等方式来获取输入信号的状态，并进行相应的处理。
二、数字输出控制数字输出控制是指通过单片机将处理结果输出到外部设备的过程。
这种输出信号可以用于控制驱动器、控制模块、显示器等外部设备。
单片机通过相应的引脚（通常为输出引脚）发送二进制信号，控制外部设备的状态。
与数字输入类似，我们需要了解单片机对数字输出的标准。
在输出模式下，引脚可以向外部设备发送高电平或低电平信号，控制设备的状态。
通过相应的指令，我们可以对引脚进行配置，使其处于输出模式并能够正确地发送输出信号。
为了实现更多功能，单片机通常提供了多个输出引脚，我们可以通过设置引脚状态的方式实现对多个设备的控制。
三、数字输入和输出的实例为了更好地理解数字输入和输出控制，我们可以通过一个实例来说明。
假设我们需要使用单片机控制一个LED灯的亮灭。
我们可以将LED灯接在单片机的一个输出引脚上，并通过该引脚控制LED灯的状态。
首先，我们需要将该引脚设置为输出模式，并初始化引脚的状态，使LED灯处于关闭状态。
数字量的输入输出控制方式
一、输入/输出接口
2.I/O接口电路 • （1）输入设备的I/O 接口要起到三态门的作用 • 在总线结构的微机系统中,任一时刻只能有一个设备利用 总线进行数据传送,输入设备的数据线应通过三态门与系 统相连.
一、输入/输出接口
• (2)输出设备的I/O 接口要起到锁存的作用 在总线结构的微机系统中,CPU送出的数据以广播 的形式在数据线上传出.CPU要利用总线不停的传 送数据,总线上的数据变化快,如何使慢速设备有足 够的时间处理数据?
二、CPU对输入/输出数据控制 的方式
• 4、DMA传送方式 • 实现方法:某个I/O设备需要传送时,经过DMA控制器 (DMAC)发出总线请求信号,CPU响应后暂停正在执行的 当前指令,交出总线控制权,DMAC接管总线,发出要访问 的存储器的地址及读(写)控制信号,同时也对该I/O设备 的数据端口发出读(写)控制信号,使存储器和I/O设备直 接通过数据总线完成传送.DMAC还可以进行地址修改和 字节计数,在一次请求得到响应后完成一批数据的传送,然 后撤销总线请求信号,CPU收回总线控制权,继续完成被打 断的指令。 • DMA传送方式的特点: • (1)外设和内存之间,直接进行数据传送,不通过CPU,传送 效率高.适用于在内存与高速外设、或两个高速外设之间 进行大批量数据传送。 • (2)电路结构复杂,硬件开销较大。
数字量的输入输出控 制方式
一、输入/输出接口
• 1.I/O接口的作用 • （1）实现信号的交换 • 一是实现信息性质的交换，因计算机使用的是数 字信号，而又些外围设备需要提供的是模拟信号， 两者必须通过接口进行交换；二是实现传输方式 的交换，因计算机内部的信息都是以并行方式进 行传送的，而进行计算机通信时，信号常以串行 方式传送，因此，I/O接口电路必须具有把串行数 据变换成并行传送的功能。
输入输出控制方式
1.3 DMA方式
• 1．DMA传送方式的提出 • 与程序查询方式相比，利用中断方式进行数据传送可以大大提高CPU的工作效率。
但在中断方式中，仍然是通过CPU执行程序来实现数据传送的，每传送一个字节 （或一个字）CPU都必须把主程序停下来，转去执行中断服务程序。而每进入一次 中断服务程序，CPU都要保护断点和转入中断服务程序，上述几方面的因素造成中 断方式下的传输效率仍然不是很高。 • 如果I/O设备的数据传输率较高，那么CPU和这样的外部设备进行数据传输时，即使 尽量压缩程序查询方式和中断方式中的非数据传输时间，也仍然不能满足要求。这 是因为在这两种方式下，还存在另外一个影响传输速度的原因，即它们都是按字节 或字来进行传输的。为了解决这个问题，实现按数据块传输，就需要改变传输方式， 为此，提出了在外设和内存之间直接传送数据的方式，这就是直接存储器传输方式， 即DMA方式。
• I/O处理机有自己的指令系统，也能独立地执行程序，能承担原来由CPU处理的全部 输入/输出操作。如对外设进行控制、对输入/输出过程进行管理，并能完成字与字 之间的装配和拆卸、码制的转换、数据块的错误检测和纠错，以及格式变换等操作。 同时它还可以向CPU报告外设和外设控制器的状态，对状态进行分析，并对输入/输 出系统出现的各种情况进行处理。上述操作都是同CPU程序并行执行的。为了使 CPU的操作与输入/输出操作并行进行，必须使外设工作所需要的各种控制命令和定 时信号与CPU无关，由I/O处理机独立形成。
3
1．无条件传送方式
4
2．查询输入传送方式7
8
1.2 程序中断方式
• 无条件传送方式和查询传送方式的缺点是CPU和外设只能串行工作，各外设之间也 只能串行工作。为了使CPU和外设以及外设和外设之间能并行工作，提高系统的工 作效率，充分发挥CPU高速运算的能力，在微机系统中引入了中断技术，利用中断 来实现CPU与外设之间的数据传送，这就是程序中断传送方式。
第九课 输入输出控制方式
第九课输入输出控制方式[课题] 输入输出控制方式[课型] 新课[授课课时][教学目标]理解输入输出控制方式的基本概念，理解中断的执行过程[教学重点]中断的执行过程[教学难点]中断的执行过程[教学过程]一、输入输出控制方式CPU控制输入输出设备工作的方式有三种：程序查询方式、中断方式和直接存储器访问方式。
二、程序查询方式程序查询方式是在程序控制下CPU与外设之间交换数据。
其工作过程首先是用程序向外设发出进行数据传送的控制信号，然后从外设读取外设状态，检查是否可以进行数据传送，若外设准备就绪，则进行数据传送；否则反复读外设状态并检查，直到外设准备就绪再进行数据传送。
程序查询方式主要用软件方式实现，它的特点是CPU工作效率低。
三、中断方式中断是主机在执行程序过程、中，遇到突发事件而中断程序的政党执行，转去对突发事件的处理，待处理完成后返回原程序继续执行。
计算机中使用中断方式由软件和硬件共同实现。
软件部分指中断处理程序。
硬件部分指中断控制电路，其作用是负责对中断请求、中断响应等进行相应的处理，保证中断过程的政党进行。
中断过程包括中断请求、中断响应、中断处理、中断返回等步骤。
（1）中断请求。
中断源向CPU中的控制器发出中断请求。
（2）中断响应。
中断响应过程中把被中断的程序的断点地址保存起来，把中断处理程序入口地址送入指令指针寄存器，开始执行中断处理程序。
（3）中断处理。
根据不同的中断原因，中断处理程序执行相应的处理，中断处理程序运行结束后转入中断返回。
（4）中断返回。
中断返回就是恢复断点。
四、直接存储器访问方式直接存储器访问方式（DMA）指高速外设与内存之间直接进行数据交换，不通过CPU，并且CPU不参加数据交换的控制。
DMA方式下高速外设和内存之间进行数据传输需要使用总线，所以DMA方式下要解决的问题主要是总线使用权的转移。
总线使用权一般情况下由CPU掌握，在DMA期间总线使用权交给DMA控制器。
DMA方式由硬件实现。
计算机组成原理(第七章 输入输出系统
第七章输入输出系统第一节基本的输入输出方式一、外围设备的寻址1．统一编址：将输入输出设备中控制寄存器、数据寄存器、状态寄存器等与内存单元一样看待，将它们和内存单元联合在一起编排地址，用访问内存的指令来访问输入输出设备接口的某个寄存器，从而实现数据的输入输出。
2．单独编址：将输入输出设备中控制寄存器、数据寄存器、状态寄存器单独编排地址，用专门的控制信号进行输入输出操作。
3．CPU与外围设备进行通信有三种类型：（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。
历年真题1．对外设统一编址是指给每个外设设置一个地址码。
（2002年）【分析】CPU与外设之间的信息传送是通过硬件接口来实现的，各种外设的硬件接口上又都包含有多个寄存器，如控制寄存器、数据寄存器、状态寄存器等。
统一编址是将外设接口上的各种寄存器等同于内存储器的存储单元，通过使用访问内存单元的指令来访问外设接口上的各个寄存器，这样就可以使用访存指令来访问外设，输入输出操作简单，程序设计比较简便。
由于外设接口上的寄存器种类和数量通常不止一个，所以一个外设至少对应一个以上的内存地址。
【答案】对外设统一编址是将外设接口上的寄存器等同内存单元，给每个外设设置至少一个地址码。
二、外围设备的定时1．外围设备的定时方式有异步传输方式和同步定时方式两种。
2．实现输入输出数据传输的方式主要有：程序控制方式、直接存储访问（DMA）方式、通道方式。
程序控制方式又可分为程序查询方式和中断方式两种。
历年真题1．对I/O数据传送的控制方式，可分为程序中断控制方式和独立编址传送控制方式两种。
（2001年）【分析】对1/O数据传送的控制方式，可分为程序直接控制方式、程序中断控制方式、DMA控制方式、通道控制方式等。
程序中断控制方式只是其中的一种方法，独立编址是指对1/O设备的控制寄存器、数据寄存器、状态寄存器等单独进行地址编排，使用专门的指令对其进行操作，可用在各种数据传送的控制方式中。
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既具有很高的数据传输速率，又能获得令人满意的通道利用率
数 组主选要连择接通以道字（节b为lo单ck位s的e低lec速to设r备channel）
数 组主通多要道用利路于用通连率道接低磁，盘输，入磁、带输等出高的速效输率入不/高输出设备
以一组数据为单位，每次传送一批数据，因此传送速度更高 主要用于连接高速设备
可以启动多台磁盘机同时执行移臂定位操作，按序交叉地传输 多批数据。
管理，实现外部设备与处理器的并行操作
通道方式：Channel
类型
字节多路通道（byte multiplexer channel）
主要连接以字节为单位的低速设备 通道利用率低，输入、输出的效率不高
通道方式：Channel
类型
字节多路通道（byte multiplexer channel）
优点：每次DMA传送数据时，不必进入中断系统，即不 必通知处理器，处理器可以继续运算，这样提高了处理 器的利用率。
缺点：如果需要传送多个数据块到不同的内存区，则系 统需要发送多个指令，从而使得DMA方式的实现代价高 并容易发生内存地址冲突。
通道方式：Channel
• 概念
– 通道是一种与处理器独立的输入/输出处理器 – 用于代替处理器实现外部设备的输入/输出操作和
结果：处理器运行程序和设备控制器向设备输出数据或 从设备输入数据到设备控制器的过程并行运行，提高了 系统的运行效率。
方式评价：缺点在于如果计算机系统有较多输入/输出设
备，则处理器处理中断的频率增高，从而影响了系统性能
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DMA方式：Direct Memory Access 8
• 原理描述
在内存和输入/输出设备之间设置一条数据通路，让内存和输入 /输出设备之间的数据交换在DMA控制器的控制下进行，不需 要处理器的干预。
如果没有，处理器继续执行现有程序。
如果有，则处理器暂停现有程序执行，保存当前的指 令指针和正在处理程序的断点信息，并转向中断处理。
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中断控制：Interrupt
与Polling的比较
中断控制方式是处理器主动接收设备控制器的中断请求
轮流测试方式是处理器被动测试设备控制器的忙闲标志
中断控制方式使得处理器能够和输入/输出设备的操作 并行执行，处理器有更多的时间来运行程序。
需要等待；如果为“闲”，则表示已经完成。此时输入数据已
经方到式数评据价寄存：器处中理。器和输入/输出设备不能并行工作，处理器
不能充分发挥效率，计算机系统的效率非常低。
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中断控制：Interrupts-原理描述
在处理器和设备控制器之间增加了中断请求线
每当处理器的指令周期结束后，处理器中断现有程序 的执行去检测是否有设备控制器发来的中断请求信号。
处理器和设备控制器之间的交互借助于设备控制器中的控制 /状态寄存器进行
如果控制/状态寄存器中的值为“1”，表示设备控制器 “闲”，可以接受处理器的指令
如果控制/状态寄存器中的值为“0”，则表示设备控制器处 于“忙”，不能接受处理器的指令
轮流测试是指处理器以循环方式不断测试设备控制器的控制 /状态寄存器中的忙闲标志
DMA方式：Direct Memory Access 9
• DMA控制器
1.MAR：内存地址寄存器，用于存放内存和输入/输出设备之间交
换的数据在内存中的地址。
2.DR： 数据寄存器，用于匹配内存与输入/输出设备之间的数据
传输，起到中间暂存数据的作用，使得两者传输数据相匹配。
3.CR： 命令/状态寄存器，用于接收从处理器发来的输入/输出命
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轮流测试：Polling
工作过程
1.如果处理器运行的现有程序需要从输入/输出设备输入一批数据，
处理器检测设备控制器的控制/状态寄存器值是否为1，为1表示
2.设此备时控设制备器控中制的器状可态以标接志收为处“理闲器”的，指则令处；理否器则向处设理备器控一制直器检发测出 3.设该需备值要控，“制直读器到”控为数制“据输1指”入令为/，输止给出. 出设输备入完数成据数在据主从存输中入的设起备始到地设址备；控同制 4.在器时这的，个数设输据置入寄设过存备程器控中，制处如器理果中器完的一成状直则态在设标轮备志流控为检制“测器忙设将”备状。控态制“器忙的”状标态志寄设存 5.处置 器理为 字器“ 节把闲是数”否据。为寄“存忙器”中。的如数果据为读“入忙处”理，器表或示主没存有单完元成。，处理器
主要连接以字节为单位的低速设备 通道利用率低，输入、输出的效率不高
数组选择通道（block selector channel）
主要用于连接磁盘，磁带等高速输入/输出设备 以一组数据为单位，每次传送一批数据，因此传送速度更高
通道方式：Channel
类型
字节多路通道（byte multiplexer channel）
Windows 操作系统
输入/输出控制方式
大型机输入/输出系统
通过网络应用进行扩展
在通道和设备控 制单元之间增加 交换机，将一个 系统连接到多个 系统
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输入/输出控制方式
轮流测试（polling）
方式
通道方式（channel）
中断方式（interrupts）
DMA方式
3
轮流测试：Polling原理描述
2.DMA控制器获取内存总线控制并给出内存地址，将DMA应 答信号发回给设备控制器
3.设备控制器接收到DMA应答信号后，清除DMA请求信号， 传送数据到内存。
4.当整个数据传送完成后，DMA控制器向处理器发中断信号， 表示数据已经传到内存。
DMA方式：Direct Memory Access11
方式评价
令及设备的状态信息。
4.DC： 数据计数器，用于对传输数据进行计数。
5.输入/输出控制逻辑，用于向处理器提出输入/输出中断请求并保
存处理器发来的输入/输出命令，控制DMA的传送过程。
DMA方式：Direct Memory Access10
•DMA控制器发送DMA请求信号