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• 常用的 I/O 方式有程序查询、程序中断、DMA 和通道等，前两种更依赖于 CPU 中程序指令的执行。

1、程序查询方式

• 指信息交换的控制完全由主机执行程序实现，程序查询方式接口中设置一个数据缓冲寄存器和状态寄存器。主机进行 I/O 操作时，先询问设备状态，更具设备状态决定下一步操作是进行数据传输还是等待。
• 程序查询方式一般流程如下：

  ① CPU 执行初始化程序，并预置传送参数。	② 向 I/O 接口发出命令字，启动目标设备。	③ 从外设接口读取目标设备的状态信息。	④ CPU 不断查询目标设备状态，知道外设准备就绪。	⑤ 传送一次数据。	⑥ 修改地址和计数器参数。	⑦ 判断传送是否结束，若未结束转第 ③ 步，直到计数器为 0。

• 此方式下，CPU 一旦启动 I/O 就须停止现行程序的运行并插入一段程序。
• 特点：CPU 有“踏步”等待现象，CPU 与 I/O 串行工作。
• 优点：接口设计简单、设备量少。
• 缺点：信息传输过程中 CPU 等待的时间较多，一段时间内只能和一台外设交换信息，效率较低。
  

2、程序中断方式

2.1、何为中断

• 指计算机执行现行程序过程中，出现某些急需处理的情况或特殊请求，CPU 暂停现行程序转而去处理那些异常情况或特殊请求，处理完毕后 CPU 又自动返回现行程序的断点处继续执行原程序剩下的操作。
• 程序中断作用如下：

  ① 实现 CPU 与 I/O 设备并行工作；	② 处理硬件故障和软件错误；	③ 实现人机交互，用户干预机器需要用到中断系统；	④ 实现多道程序、分时操作，多道程序的切换需借助于中断系统。	⑤ 实时处理需要借助中断系统来实现快速响应。	⑥ 实现应用程序和操作系统的切换，称为“软中断”。	⑦ 多处理器系统各处理器之间的信息交流和任务切换。

2.2、程序中断方式的思想

• CPU 在程序中安排好在某时刻启动外设，然后 CPU 继续执行原来的程序，一旦外设准备就绪便主动向 CPU 发出中断请求，而 CPU 若可以立即响应则暂时中止正在执行的程序，转而去执行中断服务为外设服务，在中断服务程序中完成一次主机与外设的数据传输，然后返回原来的程序。
  

2.3、工作流程

1）中断请求

• 指中断源向 CPU 发出中断请求信号。

① 内中断和外中断

• 外中断一般指来自处理器和内存以外的部件引起的中断，I/O 中断便属于外中断，用户按下 Esc 键发出的信号引起的中断也是属于外中断，各种定时器引起的时钟中断也是外中断；外中断在狭义上一般称为中断。
• 内中断指处理器和内存内部产生的中断，如程序运算引起的各种错误（地址非法、校验错、页面失效、存取访问控制错、算术操作溢出、数据格式非法、除零异常、非法指令、用户程序执行特权指令、分时系统中的时间片中断、用户态到内核态的切换）

② 硬件中断和软件中断

• 硬件中断：通过外部的硬件产生的中断；硬件中断属于外中断。
• 软件中断：通过某条指令产生的中断，通常可以用编程实现；软件中断属于内中断。

③ 非屏蔽中断和可屏蔽中断

• 非屏蔽中断：一种硬件中断，此种中断通过不可屏蔽中断请求 NMI（Non Maskable Interrupt） 控制，不受中断标志位 IF 的影响，即使在 IF=0（关中断）的情况下也会被响应。
• 可屏蔽中断：也是一种硬件中断，通过中断请求标记触发器 INTR 控制，且受中断标志位 IF 的影响，在关中断情况下不接受中断请求。

2）中断判优

• 中断系统在任一瞬间只能响应一个中断请求，而中断源发出的中断请求往往是随机的，因此当多个中断源同时发出中断请求时，就需要中断判优逻辑确定响应哪个中断源的中断请求。
• 中断判优可硬件实现也可软件实现；硬件实现通过硬件排队器实现，可设置在 CPU 中，又可以分散在各个中断源中；软件实现通过查询程序实现。
• 通常，硬件故障中断属于最高级，其次是软件中断，非屏蔽中断优于可屏蔽中断，DMA 请求优于 I/O 设备传送的中断请求，高速设备优于低速设备，输入设备优于输出设备，实时设备优于普通设备。

3）CPU 响应中断的条件

• CPU 响应中断必须满足以下三个条件：

  ① 中断源有中断请求；	② CPU 允许中断及开中断	③ 一条指令执行完毕，且没有更紧迫的任务。I/O 设备就绪时间是随机的，而 CPU 在统一时刻即每条指令执行阶段结束前向接口发出中断查询信号，以获取 I/O 的中断请求，也即是，CPU 响应外中断的时间是每条指令执行阶段的结束时刻。

4）中断隐指令

• CPU 响应中断到执行中断服务程序，期间好需要经过一些由硬件直接实现的操作，这些操作就被叫做中断隐指令；中断隐指令并不是真正的系统指令，没有操作码，是一种不允许也不可能为用户使用的特殊指令，完成的操作如下：

  ① 关中断：在中断服务程序中，为保护中断现场，为保证期间不会被新的中断打断，为保证中断之后能够返回继续正确的执行原来的程序，必须关中断。	② 保存断点：指将程序计数器的内容保存起来，从而能够在中断服务程序执行完毕后正确的返回原来的程序。	③ 引出中断服务程序：指取出中断服务程序的入口地址并传送给程序计数器。

5）中断向量

• 不同设备对应不不同的中断服务程序，每个程序都一个入口地址，中断服务程序也不能例外，中断服务程序的入口地址又称为中断向量。通常系统会将所有的中断向量集中存储到存储器的某个区域，该区域因此称为中断向量表。
• 在 CPU 响应中断后，中断硬件自动将中断向量地址传送到 CPU，由 CPU 实现进程切换，此方法称为中断向量法，采用中断向量法的中断称为向量中断。

6）中断处理过程

2.4、多重中断和中断屏蔽字

• CPU 在执行某个中断服务程序时，出现新的更高优先级的中断请求，此时若 CPU 对新的中断请求不予响应，此种中断称为单重中断；若 CPU 暂停现行中断服务程序，去处理新的中断请求，则称为多重中断，也即嵌套中断。
• 中断屏蔽技术主要用于多重中断，CPU 必须满足下面的条件才能具有多重中断的能力：

  ① 在中断服务程序中提前设置开中断指令。② 优先级别高的中断源有权中断优先级别低的中断源。

• 每个中断源都有一个屏蔽触发器，1 表示屏蔽该中断源的请求，0 表示可以正常申请，所有屏蔽触发器组合起来构成一个屏蔽字寄存器，其内容称为屏蔽字。

3、DMA 方式

3.1、基本概念

• 该方式是一种完全由硬件进行成组信息传送的控制方式，具有程序中断方式的优点——数据准备阶段 CPU 与外设并行工作。该方式在外设与内存之间开辟一条“直接数据通道”，从而信息传送无需经过 CPU，大大降低了 CPU 开销（没有保护、恢复 CPU 现场等操作），该方式下的数据传输称为直接存储器存取方式。
• DMA 方式适用于磁盘机、磁带机等高速设备大批量数据的传送，它的硬件开销比较大，此时中断的作用仅限于故障和正常传送结束时的处理。

3.2、特点

• DMA方式的特点如下：

  ① 使主存与 CPU 的固定关系脱钩，主存可被 CPU 和外设访问。② 在数据块传送时，主存地址的确定、传送数据的计数等由硬件电路直接实现。③ 主存中开辟专门的缓冲区，及时供给和接收外设的数据。④ CPU 和外设并行工作。⑤ 在传送开始前需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。

3.3、DMA 控制器的组成

• DMA 方式下对数据传送过程中进行控制的硬件称为 DMA 控制器，I/O 设备需要传输数据时，DMA 控制器向 CPU 提出 DMA 传送请求，CPU 响应后让出系统总线，DMA控制器接管总线并进行数据传输。
• DMA 控制器的主要功能如下：

  ① 接受外设发出的 DMA 请求，并向 CPU 发出总线请求。② 发出总线响应信号，接管总线控制权。③ 确定传送数据的主存单元及长度，并自动修改主存地址计数和传送长度计数。④ 规定数据在主存和外设间的传送方向，发出读写控制信号，执行数据传送操作。⑤ 向 CPU 报告 DMA 操作的结束。

  
• 主存地址计数器：存放要交换数据的主存地址。
• 传送长度计数器：记录传送数据的长度，计数溢出时，数据即传送完毕，自动发中断请求信号。
• 数据缓冲寄存器：暂存每次传送的数据。
• DMA 请求触发器：每当 I/O 设备准备好数据后，给出一个控制信号，使 DMA 请求触发器置位。
• “控制/状态”逻辑：由控制和时序电路及状态标志组成，用于指定传送方向，修改传送参数，并对 DMA 请求信号和 CPU 响应信号进行协调和同步。
• 中断机构：当一个数据块传送完毕后触发中断机构，向 CPU 提出中断请求。
• 注意：DMA 传送过程中由于 DMA 接管总线控制权，CPU 的主存控制信号被禁止使用，当 DMA 传送结束后，CPU 恢复一切权力。

3.4、DMA 访存方式

• 为了避免当 I/O 设备和 CPU 同时访问主存时，产生冲突，DMA 控制器和 CPU 通常采用以下三种方式访存：

1）停止 CPU 访存

• 当进行 DMA 传送时，要求 CPU 放弃地址线、数据线和有关控制线的使用权，当 DMA 传送结束后，CPU 才恢复原有权力；此方式下，当 DMA 传送数据时，CPU 基本处于不工作状态或保持原始状态。

2）DMA 与 CPU 交替访存

• 此方式适用于 CPU 的工作周期比主存存取周期长的情况。通常将一个 CPU 周期划分为两个子周期，一个供 DMA 访存，一个供 CPU 访存。此方式下不需要总线使用权的申请、建立和归还过程，总线使用权通过分时控制。

3）周期挪用

• 或叫做周期窃取，是前两种方式的折中。I/O 设备有 DMA 请求时通常会遇到三种情况：CPU 没有正在访存、CPU 正在访存和 CPU 与 I/O 同时请求访存；前两种情况都不会访存冲突，只有第三种情况会，此时采取的策略是 CPU 让权，即 CPU 暂时放弃总线占有权，由 I/O 设备挪用一个或几个周期。

3.5、传送过程

• DMA 数据传送过程分为预处理、数据传送和后处理三个阶段。

1）预处理

• 主要是 CPU 完成一些必备工作：CPU 执行几条 I/O 指令测试 I/O 设备状态，向 DMA 有关寄存器置初值、设置传送方向、启动 I/O 设备等；CPU 继续执行原来程序，直到 I/O 设备就绪，I/O 设备向 DMA 控制器发送 DMA 请求，DMA 控制器向 CPU 发送总线请求。

2）数据传送

• DMA 以字节或字、数据块为基本单位。对于一数据块为单位传送的，DMA 占用总线后的数据输入和数据输出操作，都是由 DMA 控制器通过循环来实现。

3）后处理

• DMA 控制器向 CPU 发出中断请求，CPU 执行中断服务程序做 DMA 结束处理，如校验送入主存的数据是否正确、测试传送过程中是否出错、决定是否继续使用 DMA 传送其他数据块等。
  

3.6、DMA 方式和中断方式的区别

• 主要区别如下：

  ① 中断方式是程序的切换，需要保护和恢复现场；DMA 除了预处理和后处理，不需要占用 CPU 的任何资源。② 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，只要 CPU 不占用总线就能被响应。③ 中断传送过程需要 CPU 的干预；DMA 不需要，因此数据传输速率非常高，适合用于高速外设的成组数据传送。④ DMA 请求优于中断请求。⑤ 中断方式具有对异常事件的处理能力，DMA 仅限于传送数据块的 I/O 操作。⑥ 中断方式靠程序传送，DMA 靠硬件传送。

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