組成第十六講：輸入輸出設(shè)備控制方式

1輸入輸出系統(tǒng)包括外部設(shè)備（輸入輸出設(shè)備和輔助存儲(chǔ)器）及其與主機(jī)（CPU和存儲(chǔ)器）之間的控制部件?？刂撇考Q(chēng)之為設(shè)備控制器，有時(shí)也稱(chēng)為設(shè)備適配器或接口（如磁盤(pán)控制器、打印機(jī)控制器等），其作用是控制并實(shí)現(xiàn)主機(jī)與外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送。本章主要介紹設(shè)備控制器的工作原理。輸入輸出（I/O）系統(tǒng)概述2

功能接口是計(jì)算機(jī)與I/O設(shè)備或其他系統(tǒng)之間所設(shè)置的邏輯控制部件，也稱(chēng)I/O控制器。接口的引入：外設(shè)類(lèi)型不同：機(jī)械、電子、機(jī)電、電磁傳送信息類(lèi)型：數(shù)字量、模擬量傳送速度傳送方式： 串行、并行編碼方式：能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖和數(shù)據(jù)鎖存能完成信息格式和電平的轉(zhuǎn)換能進(jìn)行地址譯碼和設(shè)備選擇能保證數(shù)據(jù)傳送的定時(shí)與協(xié)調(diào)功能：3外圍設(shè)備接口的結(jié)構(gòu)接口地址地址譯碼器數(shù)據(jù)寄存器命令寄存器RDWE地址有效總線數(shù)據(jù)線地址線外設(shè)接口外設(shè)控制信號(hào)外設(shè)數(shù)據(jù)外設(shè)狀態(tài)狀態(tài)寄存器I/O接口功能演示41.輸入輸出接口的基本結(jié)構(gòu)CPU和外設(shè)之間通常傳遞的信息：數(shù)據(jù)、狀態(tài)、控制組成:寄存器組、控制邏輯電路、主機(jī)與接口和接口與I/O設(shè)備之間的信號(hào)聯(lián)接線、數(shù)據(jù)地址線、控制狀態(tài)信號(hào)線CPU控制電路DRSRCRI/O設(shè)備地址數(shù)據(jù)IO/MRDWR數(shù)據(jù)狀態(tài)控制52.I/O接口分類(lèi)結(jié)構(gòu)方式并行和串行收發(fā)配合方式同步和異步數(shù)據(jù)傳送配合方式程序傳送、中斷傳送、DMA、通道、IO處理器電路規(guī)模簡(jiǎn)單接口、可編程接口、外設(shè)接口適配器63.輸入輸出接口的編址方式在接口電路中通常都具有多個(gè)可由CPU進(jìn)行讀寫(xiě)操作的寄存器，每個(gè)寄存器也叫做“端口”。為了CPU便于對(duì)I／O設(shè)備進(jìn)行尋址和選擇，必須給眾多的I／O設(shè)備的端口進(jìn)行編址，也就是給每一臺(tái)設(shè)備規(guī)定一些地址碼稱(chēng)為設(shè)備號(hào)或設(shè)備代碼。隨著CPU對(duì)I／O設(shè)備下達(dá)命令方式的不同而有以下兩種尋址方法。(1)存儲(chǔ)器、I/O接口統(tǒng)一編址將接口電路中的端口地址與存儲(chǔ)單元統(tǒng)一編址優(yōu)：訪存指令可訪問(wèn)端口，這樣尋址類(lèi)型多，編程較方便。缺：占用存儲(chǔ)器空間；速度慢。(2)I/O端口獨(dú)立編址給I/O接口中的各端口提供與存儲(chǔ)器空間完全分開(kāi)、完全獨(dú)立的I/O地址空間。優(yōu)：專(zhuān)門(mén)的I/O指令，與訪存分開(kāi)；指令執(zhí)行快；不占內(nèi)存地址空間。缺：需專(zhuān)用指令、尋址方式少。7專(zhuān)用I/O指令，例如，指令I(lǐng)N完成輸入操作，指令OUT完成輸出操作。指令的地址碼字段指出輸入輸出設(shè)備的設(shè)備代碼。

BMPC等系列機(jī)設(shè)置有專(zhuān)門(mén)的I/O指令，設(shè)備的編址可達(dá)512個(gè)，部分設(shè)備的地址碼（輸入輸出地址分配表）如下8輸入輸出設(shè)備占用地址地址碼硬盤(pán)控制器

軟盤(pán)控制器打印機(jī)彩色圖形顯示器異步通訊控制器16

816168320～32FH

3F0～3F7H3B0～3BFH3D0～3DFH3F8～3FFH輸入輸出設(shè)備地址分配表9一般把I/O設(shè)備數(shù)據(jù)傳送控制方式分為五種

1．程序直接控制方式程序直接控制（programeddirectcontrol）方式就是完全通過(guò)程序來(lái)控制主機(jī)和外圍設(shè)備之間的信息傳送。通常的辦法是在用戶的程序中安排一段由輸入輸出指令和其它指令所組成的程序段直接控制外圍設(shè)備的工作。

I/O設(shè)備數(shù)據(jù)傳送控制方式112．程序中斷傳送方式在程序中斷傳送（programinterrupttransfer）方式中，通常在程序中安排一條指令，發(fā)出START信號(hào)啟動(dòng)外圍設(shè)備，然后機(jī)器繼續(xù)執(zhí)行程序。當(dāng)外圍設(shè)備完成數(shù)據(jù)傳送的準(zhǔn)備后，便向CPU發(fā)“中斷請(qǐng)求”（INT）信號(hào)。CPU接到請(qǐng)求后若可以停止正在執(zhí)行的程序，則在一條指令執(zhí)行完后（非流水線計(jì)算機(jī)），轉(zhuǎn)去執(zhí)行“中斷服務(wù)程序”，完成數(shù)據(jù)傳送工作，通常一次傳送一個(gè)字節(jié)或一個(gè)字。傳送完畢仍返回原來(lái)的程序。I/O設(shè)備數(shù)據(jù)傳送控制方式133．直接存儲(chǔ)器存取方式直接存儲(chǔ)器存?。╠irectmemoryaccess，簡(jiǎn)稱(chēng)DMA）方式的基本思想是在外圍設(shè)備和主存之間開(kāi)辟直接的數(shù)據(jù)傳送通路。在正常工作時(shí)，所有工作周期均用于執(zhí)行CPU的程序，當(dāng)外圍設(shè)備完成輸入或輸出數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備工作后，占用總線一個(gè)工作周期，和主存直接交換數(shù)據(jù)。這個(gè)周期后，CPU又繼續(xù)控制總線，執(zhí)行原程序。如此重復(fù)，直到整個(gè)數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)傳送完畢。I/O設(shè)備數(shù)據(jù)傳送控制方式14這項(xiàng)工作是由I/O系統(tǒng)中增設(shè)的DMA控制器完成的，由它給出每次傳送數(shù)據(jù)的主存地址，并統(tǒng)計(jì)已傳送數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)以確定是否傳送結(jié)束。除了在數(shù)據(jù)塊傳送的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)需用中斷分別進(jìn)行前處理和后處理外，無(wú)需CPU的頻繁干預(yù)。主存儲(chǔ)器被并行工作的CPU和I/O子系統(tǒng)所共享。DMA方式的不足之處：首先，對(duì)外圍設(shè)備的管理和某些操作的控制仍需由CPU承擔(dān)。其次，當(dāng)多個(gè)DMA同時(shí)使用時(shí)，會(huì)增加引起訪問(wèn)主存的沖突。I/O設(shè)備數(shù)據(jù)傳送控制方式16三種方式的CPU工作效率比較存取周期結(jié)束CPU執(zhí)行現(xiàn)行程序CPU執(zhí)行現(xiàn)行程序DMA請(qǐng)求啟動(dòng)I/OI/O準(zhǔn)備I/O準(zhǔn)備一個(gè)存取周期實(shí)現(xiàn)I/O與主存之間的傳送啟動(dòng)I/OI/O準(zhǔn)備一個(gè)存取周期DMA請(qǐng)求指令執(zhí)行周期結(jié)束CPU執(zhí)行現(xiàn)行程序CPU執(zhí)行現(xiàn)行程序啟動(dòng)I/O中斷請(qǐng)求I/O準(zhǔn)備I/O準(zhǔn)備CPU處理中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)I/O與主機(jī)之間的傳送間斷啟動(dòng)I/OI/O準(zhǔn)備中斷請(qǐng)求程序中斷方式DMA方式CPU

執(zhí)行現(xiàn)行程序CPU查詢等待并傳輸I/O數(shù)據(jù)CPU

執(zhí)行現(xiàn)行程序啟動(dòng)I/OI/O準(zhǔn)備及傳送啟動(dòng)I/O程序查詢方式I/O準(zhǔn)備及傳送174．I/O通道控制方式在通道控制下，一個(gè)主機(jī)可以連接幾個(gè)通道。每個(gè)通道又可連接多臺(tái)I/O設(shè)備，這些設(shè)備可具有不同速度，可以是不同種類(lèi)。這種輸入輸出系統(tǒng)增強(qiáng)了主機(jī)與通道操作的并行能力以及通道之間、同一通道的各設(shè)備之間的并行操作能力。I/O設(shè)備數(shù)據(jù)傳送控制方式18采用通道方式組織輸入輸出系統(tǒng)，多使用主機(jī)-通道-設(shè)備控制器-I/O設(shè)備四級(jí)連接方式。通道通過(guò)執(zhí)行通道程序?qū)嵤?duì)I/O系統(tǒng)的統(tǒng)一管理和控制，因此，它是完成輸入輸出操作的主要部件。在CPU啟動(dòng)通道后，通道自動(dòng)去內(nèi)存取出通道指令并執(zhí)行指令。直到數(shù)據(jù)交換過(guò)程結(jié)束向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求，進(jìn)行通道結(jié)束處理工作。I/O設(shè)備數(shù)據(jù)傳送控制方式19通道能獨(dú)立地執(zhí)行用通道命令編寫(xiě)的輸入輸出控制程序，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)送給由它管轄的設(shè)備控制器，繼而完成復(fù)雜的輸入輸出過(guò)程。通道是一種通用性和綜合性都較強(qiáng)的輸入輸出方式，它代表了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)組織向功能分布方向發(fā)展的初始發(fā)展階段。I/O通道具有自己的指令系統(tǒng)，并能實(shí)現(xiàn)指令所控制的操作，I/O設(shè)備數(shù)據(jù)傳送控制方式20所以，I/O通道已具備處理機(jī)的功能。但它僅僅是面向外圍設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)的傳送，其指令系統(tǒng)也僅僅是幾條簡(jiǎn)單的與I/O操作有關(guān)的命令。它要在CPU的I/O指令指揮下啟動(dòng)、停止或改變工作狀態(tài)。I/O設(shè)備數(shù)據(jù)傳送控制方式225．外圍處理機(jī)方式輸入輸出處理機(jī)通常稱(chēng)作外圍處理機(jī)(eripheralprocessor

unit，簡(jiǎn)稱(chēng)PPU)。這種外圍處理機(jī)的結(jié)構(gòu)更接近處理機(jī)，甚至就是一般小型通用計(jì)算機(jī)或微機(jī)。它可以完成I/O通道所要完成的I/O控制，還可完成碼制轉(zhuǎn)換、格式處理、數(shù)據(jù)塊的檢錯(cuò)、糾錯(cuò)等操作。它可具有相應(yīng)的運(yùn)算處