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。
【答案】对1/O数据传送的控制方式，可分为：程序控制方式、DMA方式、通道控制方式等
三、程序查询输入输出方式
了解程序查询输入输出过程即可（从未考过）。
第二节中断
一、中断的基本概念
1．中断：是指CPU在接到随机产生的中断请求信号后，暂停原程序，转去执行相应的中断处理程序，以处理该随机事件，处理完毕后返回并继续执行原程序。
2．中断方式的特点：中断方式的输入输出操作可以减少CPU等待外围设备的时间，提高CPU的工作效率。
3．中断方式的应用范围：中断方式主要应用于处理复杂随机事件、控制中低速1/O。
4．简单的中断方式下，CPU响应中断的步骤：
（1）关中断
（2）保护现场
（3）识别发出中断的外围设备，判别中断信号，确定中断来源，形成中断服务程序入口地址。
（4）执行中断服务程序
（5）恢复现场信息
（6）开中断
5．现场保护：在CPU开始执行中断服务程序之前，将PC寄存器的值及任何可能影响返回后连续执行的信息（如状态寄存器及有关的寄存器的值）都需要进行保存，这种保存现场有关信息的操作称为现场保护。
6．中断向量：是指当外设在提出中断请求的同时，通过硬件向主机提供中断服务程序的入口地址，此地址称为中断向量。
历年真题
1．何谓中断方式？它主要应用在什么场合？请举二例。
（2001年）
【答案】①中断方式指：CPU在接到随机产生的中断请求信号后，暂停原程序，转去执行相应的中断处理程序，以处理该随机事件，处理完毕后返回并继续执行原程序；
②主要应用于处理复杂随机事件、控制中低速1/O；
③例：打印机控制，故障处理。
2．现场保护：在CPU开始执行中断服务程序之前，将PC寄存器的值及任何可能影响返回后连续执行的信息（如状态寄存器及有关的寄存器的值）都需要进行保存，这种保存现场有关信息的操作称为现场保护。
（2006年）
二、中断裁决机制
实现中断裁决的方式有：
1．轮询方式：是一种软件裁决方式，CPU依次查询各外围设备的状态寄存器，以确定中断源，遇到发出中断的外围设备就响应其中断请求。
2．菊花链方式：各外围设备合用一条中断请求信号线送，中断许可信号线串接在各设备间。
3．独立请求：每一个外围设备都有一个独立的中断请求信号线送CPU，CPU也给各外围设备分别发送一个中断许可信号。
4．分组的菊花链方式：每一组外围设备采用菊花链连接，组间是独立请求的。
历年真题
1．设置中断排队判优逻辑的目的是（）。
（2000年）
A．产生中断源编码
B．使同时提出的请求中的优先级别最高者，得到及时响应
C．使CPU能方便地转入中断服务子程序
D．提高中断响应速度
【分析】当有多个中断请求同时出现，中断服务系统必须能从中选出当前最需要给予响应的最重要的中断请求，这就需要预先对所有的中断进行优先级排队，这个工作可由中断优先级判断逻辑来完成，排队的规则可由软件通过对中断屏蔽寄存器进行设置来确定。
【答案】B
三、多重中断与中断屏蔽
1．多级中断：CPU在执行中断服务程序的过程中可以响应级别更高的中断请求。
2．中断嵌套：在多重中断系统中，CPU处理一个中断的过程中可以去响应新的中断请求。
这种重叠处理中断的现象称为中断嵌套。
在中断嵌套过程中，每次中断处理完成时再返回上一次被中断的服务程序。
3．多重中断系统中CPU响应处理一次中断的步骤。
（1）关中断；
（2）保存现场信息；
（3）判别中断条件，确定中断服务入口地址；
（4）开中断；
（5）执行中断服务程序；
（6）关中断；
（7）恢复现场信息；
（8）开中断。
4．中断屏蔽：CPU处理一个中断的过程中，对其他一些外部设备的中断进行阻止。
通过CPU内部的一个中断屏蔽寄存器，用软件的方法修改中断屏蔽寄存器，以改变中断响应的优先顺序，实现对不同中断的分别禁止。
历年真题
1．在不改变中断响应次序的条件下，通过________________可以改变中断处理次序。
（2000年）
【分析】在多重中断系统中，可以通过设置中断优先级来决定各个中断的级别。
在实际的计算机系统中是通过CPU内部的一个中断屏蔽字寄存器来实现对不同中断的分别禁止的，这个寄存器可在中断处理程序中重新设置，这样就可以改变原有的中断优先级别。
【答案】改写中断屏蔽字
2．何谓多重中断?如何保证它的实现?（2002年）
【答案】多重中断：CPU在响应处理中断过程中，允许响应处理更高级别的中断请求，这种方式称为多重中断。
实现方法：在中断服务程序的起始部分用一段程序来保存现场、送新屏蔽字以屏蔽同级别和低级别的中断请求、然后开中断，这样CPU就可响应更高级别的中断请求，实现多重中断。
3．简述多重中断系统中CPU响应处理一次中断的步骤。
（2005年）
【答案】①关中断；②保存现场信息；③判别中断条件；④开中断；⑤执行中断服务程序；⑥关中断；
⑦恢复现场信息；⑧开中断。
4．中断嵌套：在多重中断系统中，CPU处理一个中断的过程中可以去响应新的中断请求。
这种重叠处
（2008理中断的现象称为中断嵌套。
在中断嵌套过程中，每次中断处理完成时再返回上一次被中断的服务程序。
年）
四、中断输入输出接口
1．中断方式的接口控制器功能：
①能向CPU发出中断请求信号；
②能发出识别代码提供引导CPU在响应中断请求后转入相应服务程序的地址；
③CPU要能够对中断请求进行允许或禁止的控制；
④能使中断请求参加优先级排队。
2．中断接口基本组成：
①地址译码。
选取接口中有关寄存器，也就是选择了I/O设备。
②命令字／状态字寄存器。
供CPU输出控制命令，调回接口与设备的状态信息。
③数据缓存。
提供数据缓冲，实现速度匹配。
④接口控制电路。
如中断控制逻辑、与设备特性相关的控制逻辑等。
历年真题
1．中断接口一般包含哪些基本组成？简要说明它们的作用。
（2001年）
【答案】①地址译码。
②命令字／状态字寄存器。
③数据缓存。
④接口控制电路。
第三节DMA方式
一、DMA 方式基本概念
1．DMA 方式：直接存储器访问，直接依靠硬件实现主存与外设之间的数据直接传输，传输过程本身不需CPU程序干预。
2．DMA的数据传输过程：分三个阶段：
①DMA传送前的预置阶段（DMA初始化）；
②数据传送阶段（DMA传送）；
③传送后的结束处理
历年真题
1．以DMA方式实现传送，大致可分为哪几个阶段？（3分）（2000年）
【答案】
①DMA传送前的预置阶段（DMA初始化）；
②数据传送阶段（DMA传送）；
③传送后的结束处理
2．试比较中断方式与DMA方式的主要异同，并指出它们各自应用在什么性质的场合。
(2004年) 【答案】相同点：这两种方式下，主机和I/O设备都是并行工作。
不同点：中断方式在CPU响应了I/O设备的中断请求后，要暂停现行程序的执行，转为I/O设备服务。
DMA 方式直接依靠硬件实现主存与I/O设备之间的数据直传，传送期间不需要CPU程序干预，CPU可继续执行原来的程序，CPU效率比中断方式。
DMA方式适用场合：高速、批量数据的简单传送
中断方式适用场合：处理复杂随机事件、控制中低速I/O设备。
3．试对程序中断方式和DMA方式各分别举出二种应用例子。
（2003年）
【答案】中断方式常用于打印机输出、键盘输入等；
DMA方式常用于读／写磁盘、读／写磁带等。
二、DMA方式
1．CPU与DMA访问内存冲突的裁决的三种方法：
①CPU等待DMA的操作；
②DMA乘存储器空闲时访问存储器；
③CPU与DMA交替访问存储器。
2．基本的DMA控制器的主要部件：①地址寄存器；②长度计数器；③数据寄存器；④标志寄存器；⑤命令寄存器；⑥控制逻辑。
3．CPU启动DMA的步骤：①测试设备状态；②写存储器地址寄存器；③写长度计数器；④启动DMA 控制逻辑。
历年真题
1．基本的DMA控制器的主要部件有哪些？(2005年)
【答案】基本的DMA控制器的主要部件有：地址寄存器、长度计数器、数据寄存器、标志寄存器、命令寄存器、控制逻辑等。
2．CPU响应DMA请求的时间是（）。
(2008年)
A．必须在一条指令执行完毕
B．必须在一个总线周期结束
C．可在任一时钟周期结束
D．在判明没有中断请求之后
【分析】当DMA负责将一个数据块传输完毕后，向CPU发出中断申请，CPU必须在执行完当前指令后再响应DMA请求。
【答案】A
第四节通道方式
一、通道类型
1．通道：是一个具有输入输出处理器控制的输入输出接口。
是一种比DMA更高级的I/O控制部件，具有更强的独立处理数据的输入／输出功能，能同时控制多台同类型或不同类型的设备。
它在一定的硬件基础上，利用通道程序实现对1/O的控制，更多地免去了CPU的介入，使系统的并行性能更高。
2．通道的三种类型：
（1）选择通道：它与设备之间的传输一直维持到设备请求的传输完成为止，然后为其它外围设备传输数据。
数据宽度是可变的，通道中包含一个保存IO数据传输所需的参数寄存器。
（2）数组多路通道：以数组为单元在若干高速传输操作之间进行交叉复用。
（3）字节多路通道：用于连接多个慢速的和中速的设备，这些设备的数据传送以字节为单位，字节交叉模式、猝发模式。
历年真题
1．改错题：通道就是一组输入输出传送线。
（2004年）
【分析】通道是一个具有输入输出处理器控制的输入输出接口。
是一种比DMA更高级的I/O控制部件，具有更强的独立处理数据的输入／输出功能，能同时控制多台同类型或不同类型的设备。
它在一定的硬件基础上，利用通道程序实现对1/O的控制，更多地免去了CPU的介入，使系统的并行性能更高。
【答案】通道是一个具有输入输出处理器控制的输入输出接口。
2.简述通道方式与DMA方式的主要异同点。
（2006年）
【答案】相同点：都可以实现主存与高速外设间的数据传送。
不同点：通道管理的设备数量一般比DMA方式（控制器）管理的多。
DMA方式是直接依靠硬件实现数据传输；通道方式需要执行通道程序来实现数据传输。
二、通道的功能：（没考过）
通道的功能：
1．接受CPU的I/O操作指令，按指令要求控制外围设备；
2．从内存中读取通道程序，并执行，即向设备控制器发送各种命令；
3．组织和控制数据在内存与外设之间的传送操作；
4．读取外设的状态信息，形成整个通道的状态信息，提供给CPU或保存在内存中；
5．向CPU发出IO操作中断请求，将外围设备的中断请求和通道本身的中断请求按次序报告CPU。
每年都会考本章的至少一道的简答题。
考试的两个重点：一个是DMA方式的有关知识（每年都考），另一个是中断方式有关内容。
这两方面大家一定重点掌握。
