第5章 输入输出系统

一、概述

（一）输入输出系统的发展概况
1．早期阶段
早期的I/O设备种类较少，I/O设备与主存交换信息都必须通过CPU，如图5-1所示。

图5-1 I/O设备通过CPU与主存交换信息
2．接口模块和DMA阶段
这个阶段I/O设备通过接口模块与主机连接，计算机系统采用了总线结构，如图5-2所示。

图5-2 I/O设备通过接口与主机交换信息
3．具有通道结构的阶段
大中型计算机系统中，采用I/O通道的方式来进行数据交换。如图5-3所示。

图5-3 I/O设备通过通道与主机交换信息
4．具有I/O处理机的阶段
I/O处理机又称为外围处理机，它基本独立于主机工作，既可完成I/O通道要完成的I/O控制，又可完成码制变换、格式处理、数据块检错、纠错等操作。

（二）输入输出系统的组成
输入输出系统由I/O软件和I/O硬件两部分组成。
1.I/O软件
（1）I/O指令
图5-4示意了I/O指令的一般格式。

图5-4 I/O指令的一般格式
（2）通道指令
通道指令又称为通道控制字（Channel Control Word，CCW），它是通道用于执行I/O操作的指令，可以由管理程序存放在主存的任何地方，由通道从主存中取出并执行。
2.I/O硬件
一般包括接口模块及I/O设备两大部分。

（三）I/O设备与主机的联系方式
1.I/O设备编址方式
I/O地址码的编址可采用两种方式：统一编址或不统一编址。
（1）统一编址就是将I/O地址看做是存储器地址的一部分；
（2）不统一编址就是指I/O地址和存储器地址是分开的，所有对I/O设备的访问必须有专用的I/O指令。
2．设备寻址
3．传送方式
（1）并行传送：传送速度较快，要求数据线多；
（2）串行传送：传送速度较慢，只需一根数据线和一根地址线。
4．联络方式
（1）立即响应方式；
（2）异步工作采用应答信号联络；
（3）同步工作采用同步时标联络。
5.I/O设备与主机的连接方式
辐射式和总线式，图5-5和图5-2分别表示了这两种方式。

图5-5 辐射式连接示意图
（四）I/O设备与主机信息传送的控制方式
1．程序查询方式；
2．程序中断方式；
3.DMA方式。

二、I/O设备

（一）概述
I/O设备的组成通常可用图5-6点画线框内的结构来描述。

图5-6 I/O设备的结构框图
I/O设备大致可分为三类。
1．人机交互设备；
2．计算机信息的存储设备；
3．机-机通信设备。

（二）输入设备
输入设备完成输入程序、数据和操作命令等功能。
1．键盘；
2．鼠标；
3．触摸屏；
4．其他输入设备。

（三）输出设备
1．显示设备
（1）概述
以可见光的形式传递和处理信息的设备称为显示设备。
（2）字符显示器
字符显示器是计算机系统中最基本的输出设备，它通常由CRT控制器和显示器（CRT）组成。
（3）图形显示器
图形显示器是用点、线（直线和曲线）、面（平面和曲面）组合成平面或立体图形的显示设备。
（4）图像显示器
图形显示器所显示的图形是由计算机用一定的算法形成的点、线、面、阴影等，来自主观世界，故又称为主观图像或计算机图像。
（5）IBM PC系列微型计算机的显示标准
IBM PC系列微型计算机配套的显示系统有两大类。一类是基本显示系统，用于字符/图形显示；另一类是专用显示系统，用于高分辨率图形或图像显示。
2．打印设备
（1）打印设备的分类
①按打印原理划分，有击打式和非击打式两大类；
②按工作方式分，有串行打印机和行式打印机两种；
③按打印纸的宽度还可分宽行打印机和窄行打印机。
（2）常见打印机：
①点阵针式打印机；
②激光打印机；
③喷墨打印机。
（5）几种打印机的比较
①要求印字质量高的场合可选用激光打印机；
②要求价格便宜的或只需具有文字处理功能的个人计算机，可配置串行点阵针式打印机；
③要求处理的信息量很大，速度又要快，应该配行式打印机或高速激光打印机。

（四）其他l/O设备
1．终端设备
2.A/D与D/A转换器
（1）汉字的输入
汉字编码方法主要有三类：①数字编码；②拼音编码；③字形编码。
（2）汉字的存储
汉字的存储包括汉字内码存储和字形码的存储。
（3）汉字的输出
汉字输出有打印输出和显示输出两种形式。
（五）多媒体技术
1．多媒体的定义
多媒体一词的核心词是媒体。所谓媒体，是指信息传递和存储的最基本的技术和手段。
2．多媒体计算机的关键技术
（1）视频和音频数据的压缩与解压缩技术；
（2）多媒体专用芯片；
（3）大容量存储器；
（4）适用于多媒体技术的软件。

三、I/O接口

（一）概述
I/O接口通常是指主机与I/O设备之间设置的一个硬件电路及其相应的软件控制。

（二）接口的功能和组成
1．总线连接方式的I/O接口电路，如图5-7所示。

图5-7 I/O总线和接口部件
（1）数据线
数据线是I/O设备与主机之间数据代码的传送线。
（2）设备选择线
设备选择线是用来传送设备码的，它的根数取决于I/O指令中设备码的位数。
（3）命令线
命令线主要用以传输CPU向设备发出的各种命令信号，如启动、清除、屏蔽、读、写等。
（4）状态线
状态线是将I/O设备的状态向主机报告的信号线。
2．接口的功能和组成
（1）选址功能；
（2）传送命令的功能；
（3）传送数据的功能；
（4）反映I/O设备工作状态的功能。

（三）接口类型
1．按数据传送方式分类，有并行接口和串行接口两类；
2．按功能选择的灵活性分类，有可编程接口和不可编程接口两种；
3．按通用性分类有通用接口和专用接口；
4．按数据传送的控制方式分类，有程序型接口和DMA型接口。

四、程序查询方式

（一）程序查询流程
程序查询方式的核心问题在于每时每刻需不断查询I/O设备是否准备就绪。图5-8是单个I/O设备的查询流程。

图5-8 单个I/O设备的查询流程。

（二）程序查询方式的接口电路
程序查询方式接口电路的基本组成，如图5-9所示。

图5-9 程序查询方式接口电路（输入）的基本组成
以输入设备为例，该接口的工作过程如下：
1．当CPU通过I/O指令启动输入设备时，指令的设备码字段通过地址线送至设备选择电路；
2．若该接口的设备码与地址线上的代码吻合，其输出SEL有效；
3.I/O指令的启动命令经过“与非”门将工作触发器B置“1”，将完成触发器D置“0”；
4．由B触发器启动设备工作；
5．输入设备将数据送至数据缓冲寄存器；
6．由设备发设备工作结束信号，将D置“l”，B置“0”，表示外设准备就绪；
7.D触发器以“准备就绪”状态通知CPU，表示“数据缓冲满”；
8.CPU执行输入指令，将数据缓冲寄存器中的数据送至CPU的通用寄存器，再存入主存相关单元。

五、程序中断方式

（一）中断的概念
计算机在执行程序的过程中，当出现异常情况或特殊请求时，计算机停止现行程序的运行，转向对这些异常情况或特殊请求的处理，处理结束后再返回到现行程序的间断处，继续执行原程序，这就是中断。

（二）I/O中断的产生
在I/O设备与主机交换信息时，由于设备本身机电特性的影响，其工作速度较低，与CPU无法匹配，因此，CPU启动设备后，往往需要等待一段时间才能实现主机与I/O设备之间的信息交换。如果在设备准备的同时，CPU不作无谓的等待，而继续执行现行程序，只有当I/O设备准备就绪向CPU提出请求后，再暂时中断CPU现行程序转入I/O服务程序，这便产生了I/O中断。

（三）程序中断方式的接口电路
1．中断请求触发器和中断屏蔽触发器
每台外部设备都必须配置一个中断请求触发器INTR，当其为“1”时，表示该设备向CPU提出中断请求。但是设备欲提出中断请求时，其设备本身必须准备就绪，即接口内的完成触发器D的状态必须为“1”。
2．排队器
设备优先权的处理可以采用硬件方法，也可采用软件方法。硬件排队器的实现方法很多，既可在CPU内部设置一个统一的排队器，对所有中断源进行排队，也可在接口电路内分别设置各个设备的排队器。图5-10所示是设在各个接口电路中的排队器电路，又称为链式排队器。

图5-10 链式排队器
3．中断向量地址形成部件（设备编码器）
中断向量地址形成部件的输入是来自排队器的输出INTP1，INTP2，…，INTPn，它的输出是中断向量（二进制代码表示），其位数与计算机可以处理中断源的个数有关，即一个中断源对应一个向量地址。

图5-11 中断向量地址形成部件框图
4．程序中断方式接口电路的基本组成
程序中断方式接口电路的基本组成如图5-12所示。

图5-12 程序中断方式接口电路的基本组成

（四）中断服务程序的流程
1．保护现场
保护现场有两个含义，其一是保存程序的断点；其二是保存通用寄存器和状态寄存器的内容。
2．中断服务（设备服务）
这是中断服务程序的主体部分，对于不同的中断请求源，其中断服务操作内容是不同的。
3．恢复现场
这是中断服务程序的结尾部分，要求在退出服务程序前，将原程序中断时的“现场”恢复到原来的寄存器中。
4．中断返回
中断服务程序的最后一条指令通常是一条中断返回指令，使其返回到原程序的断点处，以便继续执行原程序。

六、DMA方式

（一）DMA方式的特点
图5-13示意了DMA方式与程序中断方式的数据通路。

图5-13 DMA和程序中断两种方式的数据通路
为了有效地分时使用主存，通常DMA与主存交换数据时采用如下三种方法：
1．停止CPU访问主存；
2．周期挪用（或周期窃取）；
3.DMA与CPU交替访问。

图5-14 DMA的三种传送方式

（二）DMA接口的功能和组成
1.DMA接口的功能
利用DMA方式传送数据时，数据的传输过程完全由DMA接口电路控制，故DMA接口又有 DMA控制器之称。DMA接口应具有如下几个功能。
（1）向CPU申请DMA传送；
（2）在CPU允许DMA工作时，处理总线控制权的转交，避免因进入DMA工作而影响CPU正常活动或引起总线竞争；
（3）在DMA期间管理系统总线，控制数据传送；
（4）确定数据传送的起始地址和数据长度，修正数据传送过程中的数据地址和数据长度；
（5）在数据块传送结束时，给出DMA操作完成的信号。
2.DMA接口基本组成
最简单的DMA接口组成原理如图5-15所示，它由以下几个逻辑部件组成：

图5-15 简单的DMA接口组成原理图
（1）主存地址寄存器（AR）；
（2）字计数器（WC）；
（3）数据缓冲寄存器（BR）；
（4）DMA控制逻辑；
（5）中断机构；
（6）设备地址寄存器（DAR）。

（三）DMA的工作过程　
1.DMA传送过程
DMA的数据传送过程分为预处理、数据传送和后处理3个阶段。
（1）预处理
在DMA接口开始工作之前，CPU必须给它预置如下信息：
①给DMA控制逻辑指明数据传送方向是输入（写主存）还是输出（读主存）；
②向DMA设备地址寄存器送入设备号，并启动设备；
③向DMA主存地址寄存器送入交换数据的主存起始地址；
④对字计数器赋予交换数据的个数。
（2）数据传送
DMA方式是以数据块为单位传送的，以周期挪用的DMA方式为例，其数据传送的流程如图5-16（b）所示。

图5-16 DMA传送过程示意图
以数据输入为例，具体操作如下：
①当设备准备好一个字时，发出选通信号，将该字读到DMA的数据缓冲寄存器（DR）中．表示数据缓冲寄存器“满”（如果I/O设备是面向字符的，则一次读入一个字节，组装成一个字）；
②与此同时设备向DMA接口发请求（DREQ）；
③DMA接口向CPU申请总线控制权（HRQ）；
④CPU发回HLDA信号，表示允许将总线控制权交给DMA接口；
⑤将DMA主存地址寄存器中的主存地址送地址总线，并命令存储器写；
⑥通知设备已被授予一个DMA周期（DACK），并为交换下一个字做准备；
⑦将DMA数据缓冲寄存器的内容送数据总线；
⑧主存将数据总线上的信息写至地址总线指定的存储单元中；
⑨修改主存地址和字计数值；
⑩判断数据块是否传送结束，若未结束，则继续传送；若已结束，（字计数器溢出）则向CPU申请程序中断，标志数据块传送结束。
若为输出数据，则应完成以下操作：
①当DMA数据缓冲寄存器已将输出数据送至I/O设备后，表示数据缓冲寄存器已“空”；
②设备向DMA接口发请求（DREQ）；
③DMA接口向CPU申请总线控制权（HRQ）；
④CPU发回HLDA信号，表示允许将总线控制权交给DMA接口使用；
⑤将DMA主存地址寄存器中的主存地址送地址总线，并命令存储器读。
⑥通知设备已被授予一个DMA周期（DACK），并为交换下一个字做准备。
⑦主存将相应地址单元的内容通过数据总线读入到DMA的数据缓冲寄存器中。
⑧将DMA数据缓冲寄存器的内容送到输出设备，若为字符设备，则需将其拆成字符输出。
⑨修改主存地址和字计数值。
⑩判断数据块是否已传送完毕，若未完毕，继续传送；若已传送完毕，则向CPU申请程序中断。
（3）后处理
当DMA的中断请求得到响应后，CPU停止原程序的执行，转去执行中断服务程序，做一些DMA的结束工作，如图5-16（a）的后处理部分。
2.DMA接口与系统的连接方式
DMA接口与系统的连接方式有两种，如图5-17所示。

图5-17 DMA接口与系统的连接方式
图5-17（a）为具有公共请求线的DMA请求方式，若干个DMA接口通过一条公用的DMA请求线向CPU申请总线控制权。CPU发出响应信号，用链式查询方式通过DMA接口，首先选中的设备获得总线控制权，即可占用总线与主存传送信息。
图5-17（b）是独立的DMA请求方式，每一个DMA接口各有一对独立的DMA请求线和 DMA响应线，它由CPU的优先级判别机构裁决首先响应哪个请求，并在响应线上发出响应信号，获得响应信号的DMA接口便可控制总线与主存传送数据。
3.DMA小结
与程序中断方式相比，DMA方式有如下特点。
（1）从数据传送看，程序中断方式靠程序传送，DMA方式靠硬件传送。
（2）从CPU响应时间看，程序中断方式是在一条指令执行结束时响应，而DMA方式可在指令周期内的任一存取周期结束时响应。
（3）程序中断方式有处理异常事件的能力，DMA方式没有这种能力，主要用于大批数据的传送，如硬盘存取、图像处理、高速数据采集系统等，可提高数据吞吐量。
（4）程序中断方式需要中断现行程序，故需保护现场；DMA方式不中断现行程序，无须保护现场。
（5）DMA的优先级比程序中断的优先级高。

（四）DMA接口的类型
现代集成电路制造技术已将DMA接口制成芯片，通常有选择型和多路型两类。
1．选择型DMA接口
它的主要特点是在物理上可连接多个设备，在逻辑上只允许连接一个设备，即在某一段时间内，DMA接口只能为一个设备服务，关键是在预处理时将所选设备的设备号送入设备地址寄存器。图5-18是选择型DMA接口的逻辑框图。选择型DMA接口特别适用于数据传输率很高的设备。

图5-18 选择型DMA接口的逻辑框图
2．多路型DMA接口
多路型DMA接口不仅在物理上可以连接多个设备，而且在逻辑上也允许多个设备同时工作，各个设备采用字节交叉的方式通过DMA接口进行数据传送。在多路型DMA接口中，为每个与它连接的设备都设置了一套寄存器，分别存放各自的传送参数。图5-19（a）和（b）分别是链式多路型DMA接口和独立请求多路型DMA接口的逻辑框图。这类接口特别适合于同时为多个数据传输率不十分高的设备服务。

图5-19 多路型DMA接口的逻辑框图