1、本章导读 输入/输出系统是计算机重要的组成部分之一，其主要功能是完成程序和数据的输入及机器运行结果的输出。本章首先介绍输入输出系统的基本概念，主要内容包括输入输出系统发展的概况和I/O系统的组成，I/O与主机间信息传送的基本方式。本章导读 然后对计算机常用的输入/输出设备进行了简单介绍。接着对I/O接口的功能与结构，接口类型，I/O端口及其编址方式进行介绍，进一步详细讨论计算机输入输出的控制方式，包括程序查询方式、程序中断方式、DMA方式、通道方式等。最后简单介绍常用的一些外设接口标准。本章要点 I/O系统基本概念 常用输入/输出外部设备 I/O接口的功能和基本结构 I/O端口及其编址 程序查
2、询I/O方式 程序中断I/O方式 DMA方式与通道方式10.1 输入输出系统基本概念10.1.1 输入输出系统的发展概况10.1.2 输入输出系统的组成10.1.3 I/O设备与主机的联系方式10.1.4 I/O与主机信息传送的控制方式10.1.1 输入输出系统的发展概况 计算机系统的输入输出子系统是计算机对外部世界的接口。它提供了控制计算机与外部交互的系统化方式，并向操作系统提供必要的信息以使其能够有效地管理输入输出操作。输入/输出系统的发展大致经历了以下几个阶段：、直接相连阶段 在计算机发展的早期，使用的I/O设备比较少，它们与主机交换信息时都直接通过CPU进行。如图10-1所示。图图10
3、-1 I/O直接与直接与CPU相连相连 在这一时期，I/O设备具有以下特点：首先，每个I/O设备都必须配有一套独立的逻辑电路与CPU相连，用来实现信息的交换。第二，输入输出过程是穿插在CPU执行程序之中进行的。第三，每个I/O设备的逻辑控制电路与CPU的控制器构成一个不可分割的整体，彼此倚赖，因此欲增添或删减、更换I/O设备比较困难。、接口模块阶段 这一阶段的I/O设备通过接口模块与主机连接，常在中间使用总线结构。如图10-2所示。图图10-2 I/O通过接口与主机相连通过接口与主机相连 通常在接口中设有数据通路和控制通路，数据通路完成数据格式的转换及缓冲，控制通路用以传送CPU对I/O设备发
4、出的各种控制命令或送给CPU各种I/O设备的反馈信息。由于中间有控制通路，CPU和I/O设备间能采用中断或DMA方式作到一定程度的并行工作，提高了系统的工作效率。、通道及I/O处理机阶段 通道是用来负责管理I/O设备及实现主存与I/O设备间交换信息的部件，它可视为一种具有特殊功能的处理器。I/O处理机更接近一般处理机，但是它主要用来完成I/O控制，具有比通道更强的功能，基本独立于主机工作。在这一阶段，CPU可基本不直接参与输入输出的管理，具有更高的资源利用率。10.1.2 输入输出系统的组成 输入输出系统作为计算机系统的子系统，也有硬件和软件两部分组成。I/O系统的硬件比较多样化，在带接口的I
5、/O系统中，I/O硬件包括I/O设备和与CPU相连接的接口模块两部分。其中接口模块电路实际包含许多数据传输线、数据缓冲器和寄存器，同时还有控制信号通路和相应的逻辑电路。而在通道方式的I/O系统中，每个通道可以与多个设备控制器相连，而且一个设备控制器还可以连接多台同一类型的设备。I/O系统的软件在不同结构的系统中也是不一样的。如果采用的是接口模块方式，应用机器指令系统中的I/O指令和系统软件中的管理程序就可以使I/O与主机协调工作。如果采用的是通道管理方式，除了I/O指令之外，还必须要有通道指令和相应的操作系统。虽然软件的差异较大，但它们在系统中完成的任务是一致的。它们的任务主要是：、将用户的程
6、序或数据输入到计算机主机内。、将运算结果输出给用户。、协调I/O系统与主机的工作。10.1.3 I/O设备与主机的联系方式 I/O设备与主机的联系方式包括很多方面。、I/O编址方式 为了便于CPU对I/O设备进行寻址和选择，必须给众多的I/O设备进行编址，也就是给每一台设备规定一些地址码，称为设备号或设备代码。随着CPU对I/O设备下达命令方式的不同而有两种寻址方法。一种是统一编址（或叫存储器映像寻址方式）。另一种是不统一编址（或叫I/O单独编址方式）。、传送方式 在同一时间，有n位信息通过n根连线在CPU和I/O设备间进行传送的方式叫做并行传送。若在某一时间只通过一根线传送一位信息，要传送多
7、位信息时需在时间上分开逐位进行，这种方式叫做串行传送。、定时方式 输入输出设备本身在速度上有很大差异，而它们与主机在速度上的差异更大。因此，要考虑主机与外设在时间上的同步。这种同步的定时有三种情况。第一，速度极慢的I/O设备。如机械开关、显示二极管等，中央处理器总是能够快捷地应对它们的动作的响应，而由于它们的动作是这样的慢，中央处理器可以认为它们在它的一个工作周期内的数据传送是有效的。因此，中央处理器可以随时接收或发送数据。第二，慢速或中速的I/O设备。由于这些设备的速度特性，因此中央处理器与这类设备之间的数据交换通常是以异步方式进行的。如果中央处理器要从某个输入设备接收一个字，则它首先要询问
8、外设的当前状态。如果该外设的状态标志表明它已“准备就绪”，那么中央处理器就可以通过总线从该设备接收数据。而后，如果中央处理器还需要数据，则还须查询外设的状态，总要等“就绪”后才能实现接收。中央处理器发送数据的情况和上述情况类似。第三，高速的I/O设备。这类设备与CPU间可采用同步工作方式，即以相同的时间间隔来执行操作。当两种设备涉及到这样的数据传输过程时，很自然地出现对于缓冲区的需要。它可以使得任何一方的操作都不受另一方的制约。10.1.4 I/O与主机信息传送的控制方式1、程序直接控制方式2、程序中断传送方式3、直接存储器存取方式 4、I/O通道控制方式5、外围处理机方式10.2 外部设备举
9、例10.2.1 输入设备10.2.2 输出设备 中央处理器（CPU）和主存储器（MM）构成计算机的主体，称为主机。主机以外的大部分硬设备都称为外部设备或外围设备，简称外设。它是计算机系统与人或与其他机器之间进行信息交换的装置，主要包括常用的输入输出设备、外存储器、脱机输入输出设备等。随着计算机技术的发展，外部设备在计算机系统中的地位越来越重要，它在整个系统中所占的价格比也越来越大。早期的计算机系统主机结构简单、速度慢、应用范围窄，配置的外部设备种类有限，数量不多。现代计算机系统的外部设备向多样化、智能化方向发展，性能各异，但归纳起来有以下几个工作特点。（1）异步性。输入/输出设备相对于CPU来
10、说是异步工作的，两者之间无统一的时钟。且各类外设之间工作的速度又相差很大，它们的操作在很大程度上独立于CPU之外，但又要在某个时刻接受CPU的控制，这就势必造成输入/输出操作相对CPU的时间的任意性与异步性。（2）实时性。一个计算机系统中，可能连接各种各样类型的外设，且这些外设中有慢速设备，也有快速设备，CPU必须及时按传输速率和传输方式接收来自多个外设的信息或向外设发送信息，否则高速设备可能有丢失信息的危险。（3）多样性。由于外设的多样性，它们的物理特性差异很大，信息类型与结构格式多种多样，这就造成了主机与外设之间连接的复杂性。但为简化控制，计算机系统中往往提供一些标准接口，以便各类外设通过
11、自己的设备控制器与标准接口相连，而主机无需了解各特定外设的具体要求，可以通过统一的命令控制程序来实现对外设的控制。10.2.1 输入设备 在计算机中，输入设备主要完成输入程序、数据和操作命令等功能，它也是人机对话的主要部件。当实现人工输入时，往往与显示器（输出设备）联用，以便及时检验并修正输入时的错误。1、键盘 键盘是目前应用最普遍的一种输入设备，与显示器组成终端设备。它主要由一组排列成阵列形式的按键开关组成，用户通过键盘可发出指令，输入数字、字符、文字等信息。根据开关的接触方式，键盘可分为机械式、薄膜式、电容式和霍尔效应式等4种。按照键盘的插头可分成标准插头键盘、PS/2插头键盘和USB插头
12、键盘；按照键码识别方式可分为编码和非编码键盘。键盘主要由面板、按键开关、扫描电路、键盘控制器和电缆线构成。键盘的接口电路一般设在主机系统板上，通过一根电缆线与主机相连接。标准键盘接口内有5根信号线，分别是键盘时钟（1号插针）、接地线（4号插针）、+5V电源（5号插针）、双向的键盘数据线（2号插针）及未被使用的复位信号线（3号插针）。图图10-3 键盘插座布局图键盘插座布局图2、鼠标器 鼠标器（Mouse）是一种手持式的坐标定位部件，由于它拖着一根长线与接口相连，外形有点像老鼠，故取名为鼠标器。鼠标是计算机引入图形操作系统后使用最频繁的输入和控制设备。它用来控制屏幕上的光标快速移动，在系统软件的
13、支持下可实现屏幕编辑、菜单选择、图形绘制等功能。按工作原理来分，鼠标器可分为机械式鼠标和光电式鼠标。按鼠标器的按键数分类，鼠标有两键、三键甚至四键鼠标。按鼠标器所用的接口分类，分为串行鼠标器、PS/2鼠标器、USB鼠标器或无线鼠标器等。3、触摸屏 触摸屏是一种对物体的接触或靠近能产生反映的定位设备。它一般是透明的，可安装在任何一种显示器屏幕的表面。使用时，显示器屏幕上根据实际应用的需要显示出用户所需控制的项目或查询的内容标题供用户选择。用户只要用手指或其他东西点一下所选择的项目，即可由触摸屏将此信息送到计算机中。实际上触摸屏只是负责定位，用户通过与触摸屏的直接接触，向计算机输入的是接触点的坐标
14、位置，以后的工作（选择项的判断、后继的操作处理）要由程序去执行。按触摸原理的不同，触摸屏大致可分为五类：电阻式、电容式、表面超声波式、扫描红外线式和压感式。10.2.2 输出设备1、显示设备（1）显示设备简介 显示设备种类繁多，按显示设备所用的显示器件分类，有阴极射线管（cathode ray tube，简称CRT）显示器，液晶显示器（liquid crystal display，简称LCD），等离子显示器等。按所显示的信息内容分类，有字符显示器，图形显示器和图象显示器三类。按显示设备的功能分类，有普通显示器和显示终端两类。显示器和终端是两个不同的概念。显示器的功能简单，它只能用于接收视频信号
15、，显示器的控制逻辑和存储逻辑都在主机接口板中，目前使用的个人计算机系统就是这种结构。这种显示器也称作监视器（monitor）。终端是由显示器和键盘组成的一套独立完整的输入/输出设备，它可以通过标准通信接口接到远离主机的地方使用。终端的结构比显示器的结构复杂得多，它能够完成显示控制与存储，键盘管理以及通信控制等功能。液晶显示器（LCD）是最近使用最为广泛的显示器，液晶是液态晶体的简称，它是一种有机化合物，在一定范围内，既具有液体的流动性，又具有分子排列有序的晶体特性。液晶分子是棒状结构，具有明显的光学各向异性，它本身不发光，但能够调制外照光实现信息显示，因此使用时需要背光源。（2）显示技术中的有
16、关术语 图形：图形（graphics）最初指没有亮暗层次变化的线条图，它只用线条的有无来表示形状。图像：图像（image）最初指具有亮暗层次的图。分辨率（resolution）指的是显示设备所能表示的像素个数。像素越密，分辨率越高，图像越清晰。对于CRT显示器，分辨率取决于荧光粉的粒度、屏的尺寸和电子束的聚焦能力。例如：12英寸彩色CRT的分辨率为640480个像素，因为对角线为12英寸=30.48cm，长和宽分别为24.384cm和18.288cm。每个像素的间距为0.31mm，水平方向的640个像素占显示长度为198.4mm。它的显示比例为4：3（640：480）。灰度级（gray lev
17、el）指的是所显示像素点的亮暗差别，在彩色显示器中则表现为颜色的不同。灰度级越多，图像层次越清楚逼真。灰度级取决于每个像素对应刷新存储器单元的位数和显示器本身的性能。如果用4位表示一个像素，则只有16级灰度或颜色，如果用8位表示一个像素，则有256级灰度或颜色。分辨率和灰度级是显示器的两个重要技术指标，它们决定了显示器所能显示的质量。对CRT器件来说，还有刷新（refresh）的概念。每秒刷新的次数称刷新频率或扫描频率。结合人的视觉生理，刷新频率应大于30次/秒，人眼才不会感到明显的闪烁。为了不断提供刷新图像的信号，必须把图像存储起来，存储屏幕图像信息的存储器叫“帧存储器”或“视频存储器”（V
18、RAM）。帧存储器的容量由图像分辨率和灰度级决定。分辨率越高，灰度级越大，帧存储器需求的容量越大。如分辨率为10241024，256级灰度的图像，存储容量为102410248bit=1MB。帧存储器的存取周期必须满足刷新频率的要求。容量和存取周期是帧存储器的两个重要技术指标。2、打印设备 打印设备可将计算机运行结果打印输出记录在纸上，并能长期保存。人们将一切可以产生永久性记录的设备统称为硬拷贝设备。如打印机、绘图仪等。计算机的打印设备种类繁多，性能各异，结构上的差别也很大。按印字原理分类，分为击打式和非击打式两大类。按工作方式划分，可分为串行打印机和行式打印机两种。所谓串行打印机，是逐字打印的
19、。行式打印机一次就可以输出一行。10.3 I/O接口10.3.1 概述10.3.2 接口的功能和基本结构10.3.3 接口类型10.3.4 I/O端口及其编址10.3.1 概述 接口可以看作是两个系统或两个部件之间的交接部分，I/O接口通常是指主机与外部设备之间设置的一个硬件电路及其相应的控制软件。不同的设备都有其相应的设备控制器，而它们往往都是通过I/O接口与主机取得联系的。主机与外设之间设置接口的原因有：（1）一台机器通常配有多台外设，它们各自有其设备号（地址），通过接口可实现设备的选择。（2）CPU的速度很高，而外设的速度要低得多，并且不同的外设速度差异也较大，通过接口可以实现数据缓冲，
20、达到速度匹配。（3）CPU系统总线上传送的是并行数据，而各种外设使用的信息格式各不相同。有些设备上用的是模拟量，而有些是数字量或开关量，还有些设备采用串行方式传送数据，通过接口可实现信息格式的转换。（4）CPU所使用的信号都是TTL电平，而外设大多是复杂的机电设备，必须有自己的电源系统和信号电平，通过接口可实现电平转换。（5）CPU启动外部设备工作，要向外设发各种控制信号，外部设备也要将其工作状态及时向CPU报告，通过接口可以传送这些控制命令及状态信息。10.3.2 接口的功能和基本结构1、接口的功能 I/O接口的主要功能包括以下几种：、控制和定时。、处理器通信。、设备通信。、数据缓冲。、检错
21、。在任何一段时间内，处理器根据程序对I/O的要求，以非预期的方式与一个或几个外设进行通信。内部资源，如主存和系统总线等，必须被包含数据输入输出的一系列功能操作所共享。因此，I/O接口的功能包含控制和定时的要求，用以协调内部资源和外设间的信息流动。I/O接口必须有能力从事与处理器和与外设间的通信，处理器通信包括：（1）命令译码：（2）数据：（3）状态报告：（4）地址识别：另一方面，I/O接口的基本功能是数据缓冲。由于传入和传出主存或处理器的传送速度很高，而许多外设速度较低，所以来自主存的数据通常以高速发送到I/O接口，数据保存在I/O接口的缓冲器中，然后以外设的数据传送速度发送到外设。当反方向传
22、送时，由于数据被缓冲，内存能以高速操作。因此，I/O接口必须既能以设备，又能以存储器速度传送。I/O接口经常负责检错，随后将差错信息报告给处理器。一类差错是设备机构和电路故障。另一类差错是在信息从设备到I/O接口传送时，数据位发生变化。对于传输中的差错，经常用一些校验码进行检测。2、接口的基本结构 从I/O接口的内部结构看，在大多数I/O接口中都包含有一些数据寄存器、地址寄存器、状态寄存器、控制寄存器和相应的控制电路。而且，为了控制的灵活性和适应性，很多I/O接口中的寄存器往往是可编程的，即可以对I/O接口的功能、工作方式、操作方式、数据格式等进行预设置，以满足应用场合的要求。图10-4 接口
23、的组成结构及连接图（1）数据寄存器（2）状态寄存器（3）控制寄存器（4）地址寄存器10.3.3 接口类型 输入输出接口的分类可以从不同的角度来考虑。、按数据传送方式分类 有串行接口和并行接口。这里所说的数据传送方式指的是外设和接口一侧的传送方式，而在主机和接口一侧，数据总是并行传送的。、按功能选择的灵活性分类：有可编程接口和不可编程接口。、按通用性分类：有通用接口和专用接口。、按数据传送的控制方式分类：有程序控制式接口和DMA式接口。、按输入输出的信号分类：有数字接口和模拟接口。10.3.4 I/O端口及其编址 CPU与外设通信时，传送的信息主要包括数据信息、状态信息和控制信息。在接口电路里，
24、这些信息分别进入不同的寄存器，通常将接口电路中的这些寄存器称为I/O端口（port）。在一般的接口电路中都要设置以下几种端口：数据端口、状态端口和命令端口。CPU对I/O端口的访问采用的是与访存类似的按地址访问方式，即为每一个I/O端口分配一个地址，又称为I/O地址或I/O端口号，CPU通过给出I/O端口地址访问相应的I/O端口，也即访问相应的设备。CPU对I/O端口的编址方式主要有两种：一是单独编址方式，二是统一编址方式。（1）单独编址方式 单独编址方式是指系统使用一个不同于主存地址空间之外的单独的一个地址空间，为外围设备及接口中的所有I/O端口分配I/O地址。在这种方式下，CPU指令系统中
25、有专门的用于与设备进行数据传输的输入/输出指令，对设备的访问必须使用这些专用指令进行。单独编址方式的优点：一是I/O端口的地址没有占用主存的地址空间；二是I/O端口的地址码较短，地址译码器设计及实现简单，译码时间也较短。其缺点是：只能使用专用输入/输出指令访问I/O设备，对I/O设备操作的程序设计灵活性较差。（2）统一编址方式 统一编址方式是指I/O端口与主存单元使用同一个地址空间进行统一编址。在这种方式下，CPU指令系统中无需设置专门的与设备进行数据传输的输入/输出指令，I/O端口被当成主存单元同样对待，对主存单元进行访问和操作的指令同样可以用于对I/O端口的访问和操作。统一编址的优点：可以
26、使用访存指令访问I/O，对I/O设备操作的程序设计灵活性较好。其缺点是：I/O端口的地址占用了主存的部分地址空间，对I/O端口访问的地址译码更复杂。10.4 程序查询方式10.4.1 程序查询流程10.4.2 程序查询方式的接口电路 程序查询方式中，数据在CPU和I/O模块之间交换，CPU执行一个能直接控制I/O操作的程序，这个程序包括检测设备的状态，发送读写命令和数据传送。当CPU发送一个命令到I/O模块时，CPU必须处于等待状态直到I/O操作完成。如果CPU的速度快于I/O模块，则CPU必须等待。10.4.1 程序查询流程 图10-5（a）为单个设备的程序查询图。从图中可以看出，程序查询方
27、式的关键在于不断查询I/O设备是否准备就绪，如果准备就绪才发送读/写命令开始数据交换。如果有多个I/O设备时，CPU则按照各个设备在系统中的优先级别逐级进行查询。其查询图如图10-5（b）。图图10-5 设备的程序查询图设备的程序查询图 完成这种查询通常需要执行三条指令：测试指令：查询设备是否准备就绪。传送指令：设备准备就绪时，执行传送指令开始传送数据。转移指令：如果设备没有准备好，则执行转移指令，转移到继续测试设备状态处。程序查询方式的工作过程为：（1）预置传送参数：在传送数据之前，由CPU执行一段初始化程序，预置传送参数，传送参数有存取数据的主存缓冲区首地址和传送数据的设备地址等。（2）向
28、外设接口发出命令字：当CPU选中一台外设之后，执行输出指令向外设接口发出命令字，启动外设，为接收数据或者发送数据做好准备。（3）从外设接口取回状态字：CPU执行输入指令，从外设接口中取回状态字并进行测试，判断数据传送是否可以进行。（4）查询外设标志：CPU不断查询状态标志，如果外设未准备就绪，则CPU继续等待，直到这个外设准备就绪，并且发出“外设准备就绪”信号为止。（5）传送数据：只有在外设准备好的情况下，主机和外设之间才能开始数据传送。输入时，CPU执行输入指令，从外设接口的数据缓冲寄存器中接收数据；输出时，CPU执行输出指令，将数据写入外设接口的数据缓冲寄存器中。（6）修改传送参数：在每次
29、数据传送之后必须要修改传送参数，其中修改的内容有：主存缓冲存储区的地址加1，传送个数计数器减1。（7）结束I/O传送，继续执行其他程序。假如传送个数计数器的值不为0，则转到第三步继续传送，直到计数器的值为0，则表示传送结束。程序查询流程图如图10-6所示，其中真正传送数据的操作由输入或输出指令完成。图图10-6 程序查询流程图程序查询流程图10.4.2 程序查询方式的接口电路 程序查询方式的接口电路的组成如图10-7所示。图中的数据缓冲寄存器用来存放将要传送的数据。D、B为两个反映设备工作状态的标记触发器，B为工作触发器，D为完成触发器。其表示的状态为：图图10-7 程序查询接口电路程序查询接
30、口电路 D=0，B=0，I/O设备处于暂停状态。D=1，B=0，I/O设备已经准备就绪。D=0，B=1，I/O设备正处于准备状态。其中的设备选择电路用来识别本设备的地址，当地址线上的设备号和本设备号相符时，则SEL有效，可以开始接收命令。以输入设备为例，接口的工作过程具体为：（1）CPU发出启动外设的命令，将工作触发器B置为“1”态，完成触发器D置为“0”状态。（2）启动外设进入工作状态，输入设备将数据送入数据缓冲器，CPU同时开始检测D触发器状态，看是否外设准备完成。（3）外设将数据传送结束后向接口发送“设备工作结束”信号，同时将D置为“1”，B置为“0”。（4）CPU检测到D触发器状态变为
31、“准备就绪”，知道数据缓冲器被输入数据占满。（5）CPU执行输入指令，将输入数据送至CPU通用寄存器，然后再存入主存的相关存储单元。10.5 程序中断方式10.5.1 中断的基本概念10.5.2 中断的响应、处理过程10.5.3 多重中断处理10.5.4 程序中断方式的接口电路10.5.5 中断控制器举例10.5.1 中断的基本概念1、中断的产生和作用 程序查询方式存在着下列明显的缺点：（1）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。（2）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。（3）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
32、CPU的效率，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送的准备工作时，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送，传送完成后，CPU仍返回原来的程序，从断点处继续执行。图10-8给出了程序中断方式的示意图。图10-8 程序中断方式示意图 从图中可以看到，中断方式在一定程度上实现了CPU和外设的
33、并行工作，使CPU的效率得到充分的发挥。不仅如此，由于中断的引入，还能使多个外设并行工作，CPU根据需要可以启动多个外设，被启动的外设分别同时独立地工作，一旦外设准备就绪，即可向CPU发出中断请求，CPU可根据预先安排好的优先顺序，按轻重缓急处理外设与自己的数据传送。另外，计算机在运行过程中可能会发生预料不到的异常事件，如运算出错、掉电、运算结果溢出等，由于中断的引入，使计算机可以捕捉到这些故障和错误，及时予以处理。所以，现代计算机都具有中断处理能力。从图中还可以看到，中断的处理过程实际上是程序的切换过程，即从现行程序切换到中断服务程序，再从中断服务程序返回到现行程序。CPU每次执行中断服务程
34、序前总要保护断点、保护现场，执行完中断服务程序返回现行程序之前又要恢复现场、恢复断点。这些中断的辅助操作都将限制数据传送的速度。2、中断及有关的概念 当CPU正常运行程序时，由I/O设备或其他非预期的急需处理的事件使得CPU暂时中止正在执行的程序，而转至另一服务程序去处理这些事件，处理完后再返回被中止的程序继续执行，这一过程称为中断。、中断源：引起程序中断的事件或设备称为中断源。中断源有外部中断和内部中断之分，内部中断由程序预先安排的中断指令引起，或由于CPU运算中产生的某些错误（如除法出错、运算溢出）引起。外部中断是外部设备向CPU发出中断申请引起的。、中断响应：中断请求何时发生一般是随机的
35、，处理机通常在每条指令的最后一个周期去检测有无中断请求，当检测到有中断请求而处理机又可以停下现行程序去对事件进行处理时，会停下现行程序的执行，然后执行一系列的准备工作准备转去执行事件对应的服务程序，这个过程叫中断响应。当中断服务程序执行完毕，CPU返回原执行程序的中断处，继续往下执行，这称为中断返回。、中断优先级：当有多个中断源请求中断时，CPU必须按照一定的先后顺序对这些事件逐一进行处理，而中断优先级就是按中断性质和处理的轻重缓急分配给中断事件的参数，作为它排队处理时的依据。、禁止中断：产生中断源后，由于某种条件的存在，CPU不能中止现行程序的执行，称为禁止中断。一般在CPU内部设有一个“中
36、断允许”触发器。只有该触发器为“1”状态时，才允许处理机响应中断，此时称允许中断；当该触发器被清除，则不响应中断源申请的中断，叫禁止中断。、中断屏蔽：当产生中断请求时，用程序方式有选择地封锁部分中断，而允许其余部分中断仍能得到响应，称为中断屏蔽。中断屏蔽的实现方法是为每个中断源设置一个中断屏蔽触发器来屏蔽该设备的中断请求。由各设备的中断屏蔽触发器组成了中断屏蔽寄存器。但系统中有些中断请求是不可屏蔽的，也就是说，不管中断系统是否允许中断，这些中断源的中断请求一旦提出，请求就传送给CPU，而CPU必须立即响应。例如，电源掉电就是不可屏蔽中断。所以，中断又分为可屏蔽中断和非屏蔽中断。非屏蔽中断具有最
37、高优先权。一旦CPU响应中断的条件得到满足，CPU开始响应中断，转入中断服务程序，进行中断事件的处理。10.5.2 中断的响应、处理过程1、CPU响应中断的条件、外设提出中断申请，CPU接收到中断请求信号。首先中断源要发出中断请求信号（INT），当该中断请求信号没有被屏蔽掉时，CPU就能接收到该请求信号。、CPU允许中断。CPU允许中断，即开中断（允许中断），此时才允许处理机响应中断。通常，中断允许触发器由开中断指令来置位，由关中断指令或硬件自动使其复位。、一条指令执行完毕 这是CPU响应中断请求的时间限制条件。一般情况下，CPU在指令执行的最后一个时钟周期去检测有无中断请求信号，然后在一条指
38、令执行完且没有更紧迫的任务时才能响应中断请求。2、中断处理流程 通常情况下，CPU处理中断的流程如图10-9所示。图图10-9 中断处理流程图中断处理流程图 从图中可以看出，CPU响应中断后，要经过某些操作，才能转去执行中断服务程序。这些操作通常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：、关中断：进入不可再次响应中断的状态，通常由硬件实现。因为接下来要进入保存断点的操作，而保存过程中，是不允许被打断的。、保存断点：为了保证在中断服务程序执行完毕后能正确返回原来
39、的程序，必须将原来程序的断点（即程序计数器PC的值）保存起来。断点可以压入堆栈，也可以存入内存的特定单元中。、寻找中断源 寻找中断源可以有查询中断和矢量中断两种方法。查询中断是采用软件查询方法，由一个测试程序按一定的优先级排队次序依次检查各个设备的“中断触发器”，当检测到中断源后，转向此设备预先设置的中断服务程序入口地址。矢量中断是将每个设备的中断服务程序的入口地址（矢量地址）集中，依次放在中断向量表中。当CPU响应中断后，控制逻辑根据外设提供的中断类型号查找中断向量表，然后将中断服务程序的入口地址取出送程序计数器，CPU转入中断服务程序中。3、中断服务程序的流程 不同设备的服务程序是不相同的
40、，可它们的程序流程又是类似的，一般中断服务程序的流程分为四大部分：保护现场、中断服务、恢复现场和中断返回。、保护现场 保护现场指的是保存通用寄存器和状态寄存器的内容，一般由中断服务程序完成。具体而言，可在中断服务程序的起始部分安排若干条存数指令，将寄存器的内容存至存储器中保存，或用进栈指令（PUSH）将各个寄存器的内容放入堆栈保存。、中断服务 这是中断服务程序的主体部分，不同的中断请求源其中断服务操作内容是不同的，如打印机要求CPU将要打印的字符送入打印机缓冲存储器中以供打印，而显示设备要求将需显示的字符送入显示器的显示存储器中。、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
41、原程序中断时的“现场”恢复到原来的寄存器中。通常用取数指令或出栈指令（POP）来实现。、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。图10-10表示了中断服务程序的流程。图图10-10 中断服务程序的流程图中断服务程序的流程图 从图中可以看到加入的还有一些开中断和关中断操作。其中的关中断操作是为了保证保存现场和恢复现场的操作不被打断，如果现场保存不完整或现场恢复不完整就不能保证能正确返回继续执行原程序。而开中断操作的作用是：前一个用来保证能实现多重中断处理，后一个是保证回到原程序后能再去响应别的中断请求。10.5.3 多重中断处理
42、多重中断是指在处理某一个中断事件的过程中又发生了新的中断请求，从而中断该服务程序的执行，又转去进行新的中断处理。这种重叠处理中断的现象又称为中断嵌套。一般情况下，在处理某级别的某个中断时，与它同级的或比它低级的新中断请求应不能中断它的处理，而在处理完该中断返回主程序后，再去响应和处理这些新中断。而比它优先级高的新中断请求却能中断它的处理。也就是说，当CPU正在执行某中断服务程序期间，若有更高优先级的中断请求发生，且CPU处于开中断状态时，CPU暂停对原中断服务程序的执行，转去执行新的中断请求的服务程序，处理完后再返回原中断服务程序继续执行。如图10-11所示为一个4级中断嵌套的例子，4级中断请
43、求的优先级别由高到低为1234的顺序。图图10-11 多重中断处理示意图多重中断处理示意图10.5.4 程序中断方式的接口电路 具有中断能力的外设接口是由程序查询式接口再加上中断控制机构组成的。简化的中断式接口如图10-12所示。从其逻辑功能来看，这个接口不仅可以保证中断式传送，而且也可以提供程序查询式传送。图图10-12 中断方式的接口电路中断方式的接口电路 中断控制机构至少应包括下列几个部分：（1）中断请求电路。当中断源有请求且中断不被屏蔽时，向CPU发中断请求信号。（2）中断优先级电路。保证优先级别最高的中断源首先获得CPU的服务。（3）向量地址形成部件。用来产生向量中断时需要的向量地址
44、，并且根据这个向量地址转向该中断源所对应的中断服务程序。10.5.5 中断控制器举例 8259A中断控制器是一个集成电路芯片，它将中断接口与优先级判断等功能汇集于一身，常用于微型机系统。其内部结构如图10-13所示。由8个部分组成：中断请求寄存器、中断状态寄存器、优先级判别器、中断屏蔽寄存器、中断控制逻辑、数据缓冲器、级联比较器和读写逻辑。图图10-13 8259A中断控制器中断控制器 8259A的中断优先级选择方式有四种：完全嵌套方式，优先级自动循环方式，优先级特殊循环方式和查询方式。完全嵌套方式是一种固定优先级方式，连接至IR0的外设优先级最高，而连接至IR7的外设的优先级最低。这种固定优
45、先级方式对级别低的中断不利，在某些情况下，最低级别的中断请求可能一直不能被处理。采用优先级自动循环方式时，每个级别的中断都保证有机会被处理。它把给定的中断级别处理完后，立即把它放到最低级别的位置上去，其余级别进行顺序循环调整。而优先级特殊循环方式允许CPU在任何时间规定最低优先级，然后顺序地排定其他IR线上的设备的优先级。查询方式由CPU访问8259A的中断状态寄存器，得到一个状态字，表示出正在请求中断的最高优先级别IR端，并能表示出中断请求是否有效。8259提供了两种屏蔽方式：普通屏蔽方式和特殊屏蔽方式。普通屏蔽方式时，将中断屏蔽寄存器IMR中某一位或某几位置“1”，即可将对应位的中断请求屏
46、蔽掉。而特殊屏蔽方式时，中断屏蔽寄存器中被置“1”的位所对应的中断请求被屏蔽，同时又开放了较低级别的中断。如屏蔽字为11101111，说明除IR4外的中断请求都被屏蔽掉，同时IR4可中断任何高级别的中断服务程序。8259A中断控制器的不同工作方式是通过编程来实现的。CPU送出一系列的初始化命令字和操作命令字来执行选定的操作。10.6 DMA方式10.6.1 DMA方式的特点10.6.2 DMA控制器的功能和组成10.6.3 DMA传送过程 虽然I/O中断方式克服了程序查询方式中CPU等待的情况，实现了I/O设备和CPU的并行工作，提高了CPU的工作效率。但是CPU在处理中断服务程序时，仍然还需
47、要暂停正在执行的程序。如果高速的I/O设备需要与主存频繁地交换大量信息时，CPU将频繁地中断正在执行的程序而转去执行中断服务程序。因此程序查询和I/O中断两种方式存在先天性的缺点：第一，I/O传送速度由CPU的测试和提供给设备服务的速度所限制。第二，每一次I/O的传送由CPU负责管理，CPU必须参与，执行某些指令。所以在程序查询中，由CPU专门处理I/O任务，虽可以高速传送数据，但CPU却不能做其他的事。在中断I/O中，CPU虽然不必等待I/O，但是与I/O的传输率却降低了。为了弥补这两种技术的不足，人们开发了效率更高的DMA控制方式。10.6.1 DMA方式的特点 DMA（Direct Me
48、mory Access）是I/O设备与主存储器之间由硬件组成的直接数据通路，用于高速I/O设备与主存之间的成组数据传送。数据传送是在DMA控制器控制下进行的，CPU不用参与，因此它的工作效率要比程序中断方式要高。DMA方式具有下列特点：首先，它使主存与CPU的固定联系脱钩，主存既可被CPU访问，又可被外设访问。第二，在数据传送过程中，内存地址的确定、数据的计数等都有DMA控制器直接实现。第三，CPU和外设并行工作，提高了系统的效率。第四，DMA在传送开始前要通过中断程序进行预处理，结束后要通过中断方式进行后处理。由于DMA接口与CPU共享主存，所以就有可能出现竞争主存的情况，为了解决二者可能的
49、冲突，有效地分时访问主存，DMA一般采用三种策略。（1）禁止CPU访问主存（2）周期窃取方式（3）DMA与CPU交替访问（1）禁止CPU访问主存图图10-14 禁止禁止CPU访问主存访问主存 这种方式的优点是控制简单，适用于数据传输率较高的I/O设备传送成组的数据。其缺点是当DMA接口在访问主存时，CPU基本上处于保持原状态或者是不工作状态，而且即使I/O设备高速运行，但其两个传输数据的准备间隔时间也总要大于一个存取周期，因此，CPU对主存的利用率并没有得到充分的发挥。（2）周期窃取方式图图10-15 周期窃取方式周期窃取方式（3）DMA与CPU交替访问图图10-16 DMA和和CPU交替访问
50、交替访问10.6.2 DMA控制器的功能和组成1、DMA接口的功能 利用DMA方式传送数据时，数据的传送过程完全由DMA接口电路控制，故DMA接口又称为DMA控制器，它应具有如下几个功能：、向CPU申请DMA传送；、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；、在DMA工作期间管理系统总线，控制数据传送；、确定数据传送的起始地址和数据个数，修正数据传送过程中的数据地址和个数；、在数据传送结束时，给出DMA操作完成的信号。2、DMA接口的基本组成 DMA接口基本组成如图10-17所示。它包括多个设备寄存器、中断控制和DMA控制逻辑等。图
