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1、第5章 输入输出系统235.15.1 输入/输出系统概述 在计算机系统中CPU与除主机之外的其他部件之间传输数据的软硬件机构统称为输入/输出系统，简称I/O系统。计算机I/O系统的作用是把计算机系统外的数据接收到计算机主机中，同时将计算机系统处理后的数据传输到计算机系统外。 除了处理器和一组存储模块外，一个计算机系统的第3个关键部件是输入/输出（I/O）接口。每个接口连接系统总线，并控制一个或多个外围设备。45.15.1 输入/输出系统概述输入/输出接口是完成外围设备和主机相互连接的功能界面，种类繁多、功能各异的外围设备要想接入到系统总线，必须符合总线规定的物理、电气、功能、时间等特性，实现这
2、些技术规范的功能部件就是由输入/输出接口来完成的，它包含了在外设与总线之间执行通信功能的逻辑。主机和外设之间进行信息交换为什么一定要通过接口呢？原因如下： 各种外设使用不同的操作方法，将控制一定范围的设备的必要逻辑放入处理器内是不切实际的。 外设的数据传输速度一般比存储器或处理器慢得多，是不切实际的。 外设的数据传输速度一般比存储器或处理器慢得多，使用高速的系统总线直接与外设通信是不切实际的。 外设经常使用与处理器不同的数据格式和字长度。基于上述原因，必须使用I/O接口。I/O接口有如下两大功能： 通过系统总线或中央交换器与处理器和存储器连接。 通过专用数据线与一个或多个外设连接。55.15.
3、1 输入/输出系统概述 5.1.2 接口的功能、基本组成和类型 1接口的功能 I/O接口的主要功能划分成以下几种： 控制和定时。 处理器通信。 设备通信。 数据缓冲。 检错。65.15.1 输入/输出系统概述 2接口的基本组成如上所述，接口中要分别传输数据信息、控制信息和状态信息，数据信息、控制信息和状态信息都通过数据总线来传输。 外设识别 数据/命令/状态控制电路地址信息数据（并） 控制联络信息外设数据（并/串） 控制联络接口主机75.15.1 输入/输出系统概述 3接口的类型 （1）按数据传输方式分类可分为串行接口和并行接口。 （2）按主机访问I/O设备的控制方式分类可分为程序查询式接口、
4、中断接口、DMA接口，以及更复杂一些的通道控制器、I/O处理机。 （3）按功能选择的灵活性分类可分为可编程接口和不可编程接口。 （4）按通用性分类可分为通用接口和专用接口。 （5）按输入/输出的信号分类可分为数字接口和模拟接口。 85.15.1 输入/输出系统概述 5.1.3 外设的识别与端口寻址 1端口地址编址方式 （1）独立编址在这种编址方式中，内存地址空间和I/O端口地址空间是相对独立的，分别单独编址。比如，在8086中，其内存地址范围是从00000HFFFFFH连续的lMB，其I/O端口的地址范围从0000HFFFFH，它们互相独立，互不影响。 （2）统一编址在这种编址方式中，I/O端
5、口地址和内存单元的地址是统一编址的，把I/O接口中的端口作为内存单元一样进行访问，不设置专门的I/O指令。 95.15.1 输入/输出系统概述 5.1.4 输入/输出信息传输控制方式 1程序查询方式 2程序中断方式 3直接存储器存取（DMA）方式 4I/O通道控制方式105.25.2 程序查询方式及其接口 5.2.1 程序查询方式 1程序查询的基本思想 根据外设的不同性质，这种传输方式又可分为无条件传输和程序查询方式两种。 在无条件传输方式中，I/O端口总是准备好接收主机的输出数据，或总是准备好向主机输入数据，因而CPU无需查询外设的工作状态，而默认外设始终处于准备就绪状态。在CPU认为需要时
6、，随时可直接利用I/O指令访问相应的I/O端口，实现与外设之间的数据交换。这种方式的优点是软、硬件结构都很简单，但要求时序配合精确，一般的外设难以满足要求。115.25.2 程序查询方式及其接口 许多外设的工作状态是很难事先预知的，比如何时按键，打印机是否能接收新的打印输出信息等。当CPU与外设工作不同步时，很难确保CPU在执行输入操作时，外设一定是“准备好”的；而在执行输出操作时，外设一定是“缓冲器空”的。 为了保证数据传输的正确进行，就要求CPU在程序中查询外设的工作状态。如果外设尚未准备就绪，CPU就循环等待，只有当外设已做好准备，CPU才能执行I/O指令进行数据传输，这就是程序查询方式
7、。125.25.2 程序查询方式及其接口取外设状态传送一次数据传送完否？外设准备就绪？预置传送参数结束YNNY启动外设修改传送参数135.25.2 程序查询方式及其接口 5.2.2 程序查询方式接口 程序查询方式是最简单、经济的I/O方式，只需很少的硬件。通常接口中至少有两个寄存器，一个是数据缓冲寄存器，即数据端口，用来存放与CPU进行传输的数据信息； 另一个是供CPU查询的设备状态寄存器，即状态端口，这个寄存器由多个标志位组成，其中最重要的是“外设准备就绪”标志（输入或输出设备的准备就绪标志可以不是同一位）。 当CPU得到这位标志后就进行判断，以决定下一步是继续循环等待还是进行I/O传输。也
8、有些计算机仅设置状态标志触发器，其作用与设备状态寄存器相同。145.25.2 程序查询方式及其接口A7 A0三态缓冲器（1）EN输入设备STBIBF锁存器（8）CP。三态缓冲器（8）ENReadyQDRC P&地址译码+5VD7 D0RDM/IO&输入接口155.25.2 程序查询方式及其接口& 地址译码 M /IO R D 三态 缓冲器 （1） EN & Busy D Q R CP+5V 锁存器 （8） CP 输出 设备 A CK O BF A7 A0 W R D7 D0 D7 输出接口165.25.2 程序查询方式及其接口【例5-1】在程序查询方式的输入/输出系统中，假设不考虑处理时间，每
9、一个查询操作需要100 个时钟周期，CPU的时钟频率为50MHz。现有鼠标和硬盘两个设备，而且CPU必须每秒对鼠标进行30次查询，硬盘以32位字长为单位传输数据，即每32位被CPU查询一次，传输率为2MB/s。求CPU对这两个设备查询所花费的时间比率，由此可得出什么结论？解：（1）CPU每秒对鼠标进行30 次查询，所需的时钟周期数为：100303000根据CPU的时钟频率为50MHz，即每秒50106个时钟周期，故对鼠标的查询占用CPU的时间比率为： 3000 /(50106) 100%0.006%可见，对鼠标的查询基本不影响CPU的性能。（2）对于硬盘，每32 位被CPU查询一次，故每秒查询
10、：2MB/4B 512 K次则每秒查询的时钟周期数为：100512102452.4106故对磁盘的查询占用 CPU的时间比率为(52.4106)/(50106)100%105%可见，即使CPU将全部时间都用于对硬盘的查询也不能满足磁盘传输的要求，因此CPU一般不采用程序查询方式与磁盘交换信息。175.35.3 程序中断方式及其接口 程序查询方式中，高速的CPU只能在循环中等待低速的外设完成任务后，才能进行其他工作，系统的效率低下。如果能在CPU发出命令后，即可去进行其他工作，而让外设完成任务后，再通知CPU进行下一个数据的传输，则可以很好地利用CPU，进而提高系统的性能，这就引入了程序中断方式
11、。185.35.3 程序中断方式及其接口5.3.1 中断的基本概念1中断的提出程序查询方式虽然简单，但却存在着下列明显的缺点： 在查询过程中，CPU长期处于踏步等待状态，使系统效率大大降低。 CPU在一段时间内只能和一台外设交换信息，其他设备不能同时工作。 不能发现和处理预先无法估计的错误和异常情况。为了提高输入/输出能力和CPU的效率，20世纪50年代中期，程序中断方式被引进计算机系统。程序中断方式的思想是：CPU在程序中安排好在某一时刻启动某一台外设，然后CPU继续执行原来程序，不需要像查询方式那样一直等待外设的准备就绪状态。一旦外设完成数据传输的准备工作（输入设备的数据准备好或输出设备的
12、数据缓冲器为空）时，便主动向CPU发出一个中断请求，请求CPU为自己服务。在可以响应中断的条件下，CPU暂时中止正在执行的主程序，转去执行中断服务程序为中断请求者服务，在中断服务程序中完成一次CPU与外设之间的数据传输，传输完成后，CPU仍返回原来的程序，从断点处继续执行。 195.35.3 程序中断方式及其接口 外部设备 工作 完成 工作 完成 启动 响应 响应 中断请求 中断返回 中断请求 中断返回 中断服务程序 主程序 CPU 启动 205.35.3 程序中断方式及其接口 2中断的基本类型 （1）自愿中断和强迫中断 （2）内中断和外中断 （3）向量中断和非向量中断 （4）单重中断和多重中
13、断215.35.3 程序中断方式及其接口 5.3.2 中断请求和中断判优 1中断源和中断请求信号中断源是指中断请求的来源，即引起计算机中断的事件。通常，一台计算机允许存在多个中断源。由于每个中断源向CPU发出中断请求的时间是随机的，为了记录中断事件并区分不同的中断源，可采用具有存储功能的触发器来记录中断源，这个触发器称为中断请求触发器（INTR）。当某一个中断源有中断请求时，其相应的中断请求触发器置成1状态，表示该中断源向CPU提出中断请求。225.35.3 程序中断方式及其接口 2中断请求信号的传输 中断源的中断请求信号如何传输到CPU，可有多种方式。 （1）独立请求线 （2）公共请求线 （
14、3）二维结构235.35.3 程序中断方式及其接口 CPU INTR1 INTRn 中断源 中断源 CPU CPU INTR 1INTA INTR11 INTRm INTAm INTR2 2INTA INTA 中断源 中断源 中断源 中断源 1.n 中断源 1.2 中断源 1.1 中断源 2.n 中断源 2.2 中断源 2.1 中断源 m.n 中断源 m.2 中断源 m.1 （b）公共请求线 （c）二维结构 （a）独立请求线 245.35.3 程序中断方式及其接口 3中断优先级与判优方法 中断判优的方法可分为下列两种：软件判优法和硬件判优电路。所谓软件判优法，就是用程序来判别优先级，这是最简单
15、的中断判优方法。它的优点是可灵活地修改中断源的优先级别，但查询、判优完全是靠程序实现的，不仅占用CPU时间，而且判优速度慢。 采用硬件判优电路实现中断优先级的判定可节省CPU时间、而且速度快，但是成本较高。 根据中断请求信号的传输方式不同，有不同的优先排队电路，常见的方案有，独立请求线的优先排队电路、公共请求线的优先排队电路等。这些排队电路的共同特点是，优先级别高的中断请求将自动封锁优先级别低的中断请求的处理。硬件排队电路一旦设计连接好之后，将无法改变其优先级别。255.35.3 程序中断方式及其接口 5.3.3 中断响应和中断处理 1CPU响应中断的条件 CPU响应中断必须满足下列条件： （
16、1）CPU接收到中断请求信号 （2）CPU允许中断 （3）一条指令执行完毕 2中断隐指令 CPU响应中断之后，经过某些操作，转去执行中断服务程序。这些操作是由硬件直接实现的，把它称为中断隐指令。中断隐指令并不是指令系统中的一条真正的指令，它没有操作码，所以中断隐指令是一种不允许，也不可能被用户使用的特殊指令。其所完成的操作主要有：265.35.3 程序中断方式及其接口 （1）保存断点 （2）暂不允许中断 （3）引出中断服务程序 3中断周期 以上几个基本操作在不同的计算机系统中的处理方法是各异的。通常，在组合逻辑控制的计算机中，专门设置一个中断周期来完成中断隐指令的任务。在微程序控制的计算机中，
17、则专门安排有一段微程序来完成中断隐指令的这些操作。275.35.3 程序中断方式及其接口 4进入中断服务程序 识别中断源的目的在于使CPU转入为该中断源专门设置的中断服务程序。解决这个问题的方法可以用软件，也可以用硬件，或用两者相结合的方法。 向量中断的过程如图5-8所示。当中断源向CPU发出中断请求信号INTR之后，CPU进行一定的判优处理。若决定响应这个中断请求，则向中断源发出中断响应信号。中断源接到信号后就通过自己的向量地址形成部件向CPU发送向量地址，CPU接收该向量地址之后就可转入相应的中断服务程序。285.35.3 程序中断方式及其接口工作完成允许中断发中断请求中断优先级判定选优中
18、断响应识别中断源向量地址形成现场处理启动中断服务程序向量地址INTRINTA向量中断过程 295.35.3 程序中断方式及其接口 向量地址通常有两种情况： 向量地址是中断服务程序的入口地址。 向量地址是中断向量表的指针。 5中断现场的保护和恢复 中断现场指的是发生中断时CPU的主要状态，其中最重要的是断点，另外还有一些通用寄存器的状态。之所以需要保护和恢复现场的原因是因为CPU要先后执行两个完全不同的程序（现行程序和中断服务程序），必须进行两种程序运行状态的转换。一般来说，在中断隐指令中，CPU硬件将自动保存断点，有些计算机还自动保存程序状态寄存器（PSW）的内容。305.35.3 程序中断方
19、式及其接口 5.3.4 多重中断与中断屏蔽 1中断嵌套 第一次 中断请求 优先 级别 更高的 中断请求 主程序 中断服务程序 中断服务程序 2 1 315.35.3 程序中断方式及其接口 2允许和禁止中断允许中断还是禁止中断是用CPU中的中断允许触发器控制的，当中断允许触发器（EINT）被置1，则允许中断；当中断允许触发器（EINT）被置0，则禁止中断。允许中断即开中断，下列情况应该开中断： 已响应中断请求转向中断服务程序，在保护完中断现场之后。 在中断服务程序执行完毕，即将返回被中断的程序之前。禁止中断即关中断，下列情况应该关中断： 当响应某一级中断请求，不再允许被其他中断请求打断时。 在中
20、断服务程序的保护和恢复现场之前。325.35.3 程序中断方式及其接口 3中断屏蔽 中断源发出中断请求之后，这个中断请求并不一定能真正送到CPU去，在有些情况下，可以用程序方式有选择地封锁部分中断，这就是中断屏蔽。 如果给每个中断源都相应地配备一个中断屏蔽触发器（MASK），则每个中断请求信号在送往判优电路之前，还要受到屏蔽触发器的控制。当MASK1，表示对应中断源的请求被屏蔽，可见中断请求触发器和中断屏蔽触发器是成对出现的。 335.35.3 程序中断方式及其接口 向量地址 编码器 排队逻辑 & & & & 01 01 01 01 01 01 01 01 由程序 控制 中断屏蔽 寄存器 中断
21、请求 寄存器 1 345.35.3 程序中断方式及其接口 5.3.5 中断全过程 保护现场 判断中断源 开中断 执行中断 服务程序 关中断 恢复现场 开中断 准备部分 处理部分 结尾部分 355.35.3 程序中断方式及其接口 5.3.6 程序中断接口结构 前一级 A B IN TR IN TA 数据缓冲寄存器 控制电路 中断优先级 电路 中断请求 电路 中断控 制机构 地址译码 设备状态寄存器 中断响应电路 向量地址形成部件 时序 读/写方式 往后送 I/O 设备 查询式 接口 D B CB 365.35.3 程序中断方式及其接口 5.3.7 中断控制器 数据 总线 缓冲器 级联缓冲器/ 比
22、较器 读/写 逻辑 C0 C1 C2 IOR IOW A0 CS D0D7 中断控制 IN TA IN TR IS 优先权 判断器 IR IR0IR7 8 8 8 8 IM 375.35.3 程序中断方式及其接口 【例5-3】假设有一个数据采集系统，当输入数据准备好后发出Ready就绪信号，可向CPU送出8位数据。试设计一个中断方式的输入接口电路。要求画出逻辑框图并说明数据输入过程。解：输入接口电路如图5-14所示。图中8位寄存器是数据端口，用来存放数据采集系统准备好的数据，时钟信号为寄存器的打入信号。寄存器的输出经三态门至CPU的数据线。图中的中断请求触发器是D触发器，其数据端受Ready
23、控制。图中的地址译码可对接口电路中数据端口（8位寄存器）的地址进行译码，用于控制读数据（三态门控制端有效）和清0中断请求触发器。数据输入过程如下：当数据采集系统已将数据送至8位寄存器时，发出Ready信号，该信号使中断请求触发器置1，并向CPU发中断请求INTR。CPU在每条指令执行阶段结束前查询到此信号。如果响应中断，便执行中断服务程序，通过输入指令，在地址译码输出（低）、（低）、M/（低）的条件下，或门输出低，打开三态门，将8位数据读入CPU，同时将中断请求触发器复位。385.35.3 程序中断方式及其接口 R D 三态门 M /IO CPU IN TR 地 址 地址译码 中断请求 1 时
24、钟 R eady 数 据 采 集 系 统 8 位寄存器 1 Q 395.35.3 程序中断方式及其接口 5.4 DMA5.4 DMA方式及其接口 无论程序查询还是程序中断方式，主要的工作都是由CPU执行程序完成的，这需要花费CPU时间，因此不能实现高速外设与主机的信息交换。 为了将CPU从控制外设进行数据交换的工作中解脱出来，就需要在外部设备和主存储器之间开辟直接的数据交换的通道，这就提出了直接存储器访问方式。405.35.3 程序中断方式及其接口 1DMA方式的特点在DMA传输方式中，对数据传输过程进行控制的硬件是DMA控制器。当外设需要进行数据传输时，通过DMA控制器向CPU提出DMA传输
25、请求，CPU响应之后将让出系统总线，由DMA控制器接管总线进行数据传输。DMA方式具有下列特点： 它使内存与CPU的固定联系脱钩。内存既可被CPU访问，又可被外设访问。 在数据块传输时，内存地址的确定、传输数据的计数等都用硬件电路直接实现。 内存中要开辟专用缓冲区，及时供给和接收外设的数据。 DMA传输速度快，CPU和外设并行工作，提高了系统的效率。 DMA在传输开始前要通过程序进行预处理，结束后要通过中断方式进行后处理。415.35.3 程序中断方式及其接口 2DMA和中断的区别 两者的重要区别如下： 中断方式是程序切换，需要保护和恢复现场；而DMA方式除了开始和结尾时，不占用CPU的任何资
26、源。 对中断请求的响应只能发生在每条指令执行完毕时；而对DMA请求的响应可以发生在每个机器周期结束时。 中断传输过程需要CPU的干预；而DMA传输过程不需要CPU的干预，故数据传输速率非常高，适合于高速外设的成组数据传输。 中断方式具有对异常事件的处理能力、而DMA方式仅局限于完成传输信息块的I/O操作。425.35.3 程序中断方式及其接口 3DMA方式的应用 DMA方式一般应用于内存与高速外设间的简单数据传输。高速外设如磁盘、磁带光盘等外存储器以及其他带有局部存储器的外设、通信设备等。 5.4.2 DMA接口 DMA接口相对于查询式接口和中断式接口来说比较复杂，习惯将DMA方式的接口电路称
27、为DMA控制器。 1DMA控制器的功能 在DMA传输过程中，DMA控制器将接管CPU的地址总线、数据总线和控制总线，CPU的内存控制信号被禁止使用。而当DMA传输结束后，将恢复CPU的控制权利，并开始执行其操作。 435.35.3 程序中断方式及其接口 主要功能有： 接受外设发出的DMA请求，并向CPU发出总线请求。 当CPU响应此总线请求，发出总线响应信号后，接管对总线的控制，进入DMA操作周期。 确定传输数据的内存单元地址及传输长度，并能自动修改内存地址计数值和传输长度计数值。 规定数据在内存与外设之间的传输方向，发出读/写或其他控制信号传输的操作。 向CPU报告DMA操作的结束。445.
28、35.3 程序中断方式及其接口 2DMA控制器的基本组成 系统总线 内存 CPU 中断请求 数据线 地址线 中断机构 控制/状态逻辑 D M A 请求触发器 设备 数据缓冲寄存器 设备选择 传送长度计数器 内存地址计数器 -1 +1 D M A 请求 D M A响应 H LD A H R Q 455.35.3 程序中断方式及其接口3DMA控制器的引出线DMA控制器必须有下列引出线。（1）地址总线在DMA方式下，呈输出状态，可对内存进行地址选择。在CPU控制下，呈输入状态，可对DMA控制器中的有关寄存器进行寻址。（2）数据总线在DMA方式下，用它进行数据传输；在CPU方式下，可对DMA控制器的有
29、关寄存器进行编程。（3）4个控制数据传输方式的信号线存储器读信号、存储器写信号、外设读信号、外设写信号。当数据从外设写入内存时，和同时有效；而当数据从内存读出送外设时，和将同时有效。（4）DMA控制器与外设之间的联络信号线DMA请求信号DREQ（输入），是外设向DMA控制器提出DMA操作的申请信号。DMA响应信号DACK（输出），是DMA控制器向提出DMA请求的外设表示的应答信号。（5）DMA控制器与CPU之间的联络信号线总线请求HRQ（输出），是DMA控制器向CPU要求让出总线的信号。总线响应信号HLDA（输入），是CPU向DMA控制器表示响应总线请求的信号。465.35.3 程序中断方式及
30、其接口 4DMA控制器的连接和传输 内存 CPU D M A 控制器 外设 H R Q H LD A IO R D R EQ M EM R M EM W 地址总线 数据总线 D A CK 475.35.3 程序中断方式及其接口 5.4.3 DMA传输方法与传输过程 1DMA传输方法 DMA控制器通常采用以下3种方法与CPU共享使用内存 . （1）CPU停止访问内存法485.35.3 程序中断方式及其接口 （c）周期挪用 （a）CPU 停止访问内存 （b）D M A 与 CPU 交替访问 内存工作时间 D M A 控制并使用内存 CPU 控制并使用内存 内存工作时间 D M A 控制并使用内存
31、CPU 控制并使用内存 内存工作时间 D M A 控制并使用内存 CPU 控制并使用内存 CPU 不执行程序 t t t D M A 不工作 D M A 不工作 D M A 工作 495.35.3 程序中断方式及其接口 （2）DMA与CPU交替访内 （3）周期挪用法 2DMA传输过程 （1）DMA预处理 （2）数据传输 （3）DMA后处理 N N D M A 请求 Y 允许传送？ 内存地址总线 数据I/O 设备（或内存） 内存地址+1 传送长度计数器-1 数据块传送结束？ 向 CPU 请 程序中断 Y 505.35.3 程序中断方式及其接口5.55.5 通道方式及其接口 在DMA方式中，对外设
32、的管理和一些操作的控制仍需要CPU承担，在大、中型计算机系统中，所连接的I/O设备数量多，输入/输出频繁，要求整体的速度快，CPU对外设管理的负担也越来越繁重，I/O通道方式就是为了解决这个问题而设计的。515.35.3 程序中断方式及其接口 5.5.1 通道的基本概念 通道方式增强了DMA控制器的功能，使它能独立地执行用通道命令编写的I/O控制程序，产生相应的控制信号送给由它管辖的设备控制器，从而完成复杂的I/O程序。 主机 CPU 主存储器 通道 通道 设备 控制器 设备 控制器 设备 控制器 设备 控制器 通道 通道 通道 通道 通道 通道 通道 通道 525.35.3 程序中断方式及其
33、接口 1通道控制方式与DMA方式的区别 通道控制方式是DMA方式的进一步发展，实质上，通道也是实现外设和内存之间直接交换数据的控制器。与DMA控制器相比，两者的主要区别在于： DMA控制器是通过专门设计的硬件控制逻辑来实现对数据传输的控制；而通道是通过执行通道程序来实现对数据传输的控制，故通道具有更强的独立处理数据输入/输出的功能。 DMA控制器通常只能控制一台或少数几台同类设备；而一个通道则可以同时控制许多台同类或不同类的设备。535.35.3 程序中断方式及其接口 通道大致应具有以下几个方面的功能： 接受CPU的I/O指令，按指令要求与指定的外设进行联系。 从内存取出属于该通道程序的通道指
34、令，经译码后向设备控制器和设备发送各种命令。 实施内存和外设间的数据传输，如为内存或外设装配和拆卸信息，提供数据中间缓存以及指示数据存放的内存地址和传输的数据量。 从外设获得设备的状态信息，形成并保存通道本身的状态信息，根据要求将这些状态信息送到内存的指定单元，供CPU使用。 将外设的中断请求和通道本身的中断请求按次序及时报告CPU。545.35.3 程序中断方式及其接口 3设备控制器的功能 设备控制器的具体任务如下： 从通道接收控制信号，控制外部设备完成所要求的操作。 向通道反馈外部设备的状态。 将外部设备的各种不同信号转换为通道能识别的标准信号。555.35.3 程序中断方式及其接口 5.
35、5.2 通道的类型 （1）字节多路通道A1A2B1B2C1C2通 道A1B1C1A2B2C2565.35.3 程序中断方式及其接口 （2）选择通道 A1A2B1B2C1C2通 道A1A2B1B2C1C2（3）数组多路通道575.35.3 程序中断方式及其接口 5.5.3 通道工作过程 存储管理部件 CPU 选择通道 内存 字节多路通道 数组多路通道 存 储 总 线 I/O 总线 磁盘控制器 磁盘控制器 磁盘 磁盘 磁盘 磁盘 低速设备 I/O 总线 设备控制器 设备控制器 低速设备 低速设备 低速设备 I/O 总线 磁带控制器 磁带控制器 磁带 磁带 磁带 磁带 585.35.3 程序中断方式
36、及其接口 主 CPU 目态程序 系统设备管理程序（管态） 编制 输入/ 输出 程序 输入/输出访管指令 首地址输入 IO P 发 I/O 中断 中断处 理程序 执行程序 组织 I/O操作 输入/输出程序 IO P 带有通道的计算机系统输入/输出过程示意图59小 结输入/输出设备通过输入/输出接口连接到计算机主机。输入/输出接口的主要功能是识别外部设备、数据通信、数据缓冲以及一些必要的数据格式转换等。根据输入/输出设备的不同特点和要求，CPU与外围设备的数据交换方式有以下几种： 程序查询方式； 程序中断方式； 直接存储器访问（DMA）方式； 通道方式。其中第一种对CPU的资源浪费最大，而最后一种
37、使CPU的效率得到最大发挥，但是需要更多的硬件支持。程序中断方式是各类计算机中广泛使用的一种数据交换方式。当某一外设的数据准备就绪后，它“主动”向CPU发出请求信号，CPU响应中断请求后，暂停运行主程序，自动转移到该设备的中断服务子程序，为该设备进行服务，结束时返回主程序。中断处理过程可以嵌套。DMA技术的出现，使得外围设备可以通过DMA控制器直接访问内存，与此同时，CPU可以继续程序。DMA方式采用以下3种方法： 停止CPU访问内存； 周期挪用； DMA与CPU交替访问内存。通道是一个特殊功能的处理器。它有自己的指令和程序专门负责数据输入/输出的传输控制，从而使CPU将“传输控制”的功能下放给通道，CPU只负责“数据处理”功能。这样，通道与CPU分时使用内存，实现了CPU内部的数据处理与I/O设备的并行工作。