输入输出及其控制

    输入/输出及其控制
1.    输入输出控制器组成：
2.    数据寄存器：CPU或外设数据的缓冲。
3.    状态寄存器：向中央处理器指示控制器和外设的状态。
4.    控制寄存器：由中央处理器写入该输入/输出控制器的识别指令，指示输

入/输出控制器去和外设交互,将数据寄存器的内容写入外设，或者将外设的数据写

入数据寄存器，并将此过程的状态写入状态寄存器。
5.    控制电路：是输入/输出控制和核心，负责输入/输出控制器的行为。
6.    中央处理器通过地址总线和接口电路的地址译码器来访问输入/输出控制

器的各种寄存器。
7.    外设编址方式有独立编址方式、统一编址方式。
8.    独产编址方式：输入/输出地址和主存地址是分开的。从电路上说，有分

离的输入/输出读写控制线；从指令上说，有专门的输入/输出控制指令。
9.    统一编址方式：输入/输出地址是主存地址的一部分，访问输入/输出寄存

器和访问主存的方法是一样的，不需要单独的指令。能有效降低软件编程的复杂度

，在嵌入式系统中得到广泛认可和应用，也称为地址映像。
10.    统一编址方式不但会将内存地址和I/O地址统一编址，也会将各种存储器

统一编址。
11.    外设的访问方式有：程序查询方式、中断方式、DMA方式、信道方式。
12.    程序查询是最简单访问外设的方式，中央处理器会定时查询外设的状态，

当发现外设就绪则开始和该外设进行输入/输出操作和处理。当存在多个外设时，

中央处理器有串行和并行两种查询方式。
13.    程序查询方式的缺点：当输入/输入控制器和外设交换数据时，中央处理

器必须等待。这种等待对许多系统而言是无法容忍的。
14.    中断方式：中央处理器不需要等待输入/输出控制器和外设的数据交换，

当中央处理器执行到输入/输出请求的指令时，向输入输出控制器发相应指令后，

中央处理器断续执行其他操作。当数据从其数据寄存器中写到外设或外设的数据写

入其数据寄存器后，输入/输出控制器向中央处理器发出中断请求。中断方式得到

了普遍的应用。
15.    中断就是打断中央处理器正在执行的工作，让中央处理去处理其他更重要

或都更为紧急的任务。
16.    发起中断的事务称为中断源，中断源包括I/O设备、实时时钟、故障源、

软件中断等。
17.    中断系统使得中央处理器摆脱了只能按照指令顺序执行的束缚，让计算在

并行性、分时操作、故障处理等方面更加强大。
18.    按照中断源来区分，中断可分为内部中断和外部中断。
19.    内部中断是中央处理器产生的中断，分为溢出中断、除法中断、断点中断

、软件中断和单步中断。可以使用软件中断实现操作系统功能调用和BIOS调用；也

可以使用单步中断实现程序的调试。
20.    外部中断源于中央处理器之外，分为可屏蔽中断和非屏蔽中断。非屏蔽中

断是中央处理器必须响应的中断，通常是计算机发生了紧急情况，如掉电等。可屏

蔽中断大多数是外设和时钟中断，可通过屏蔽位来禁止响应这些中断。
21.    中央处理器收到中断请求后，如果是当前允许的中断，那么要停止正在执

行的代码，并把内部寄存器入栈，这个过程不能被再次打断，所以在保护现场开始

要先关中断，保存完之后再开中断。这个过程消耗的时间称为中断响应时间。
22.    中断处理完成后，需要将刚才保护的现场恢复，把入栈的寄存器出栈，继

续执行被中断的程序。整个过程消耗的时间称为中断处理时间。
23.    现在大多数中央处理器都是支持多级中断，即在进行中断处理程序时，还

可以响应其他的中断，开成中断嵌套。
24.    DMA(直接存储器存取)方式可以使得数据从输入/输出模块到主存的传输过

程中，不需要中央处理器的中转，这个工作转移给了DMA控制器来完成，可以达到

高速的数据传输。
25.    DMAC控制器也能访问系统总线，能够独立访问主存。（DMAC示意图）地址

寄存器是内存地址，每传递一个数据，将这个寄存器加1，长度寄存器减1。当长度

寄存器等于0时，发给中断机构完成信号，通知中央处理器进行后续处理。
26.    DMA方式过程：当中央处理器执行到输入输出请求时，向DMA控制器发出相

应指令，DMA控制器首先判断外设是否可用。如果可用，则填充地址寄存器、长度

寄存器等，向中央处理器发出总线请求信号，申请总线的处理权。中央处理器收到

总线请求信号，让出总线控制权，然后DMA控制器将数据在外设和内存指定区域之

间进行传送。长度寄存器不断减小，等于0时，通过中断机构向中央处理器发出中

断请求，中央处理器响应中断，对内存中的数据进行后续的处理。
27.    在DMA传输过程中，中央处理器停止访问内存，只进行一些与总线无关的

内部操作。这种方式的优点是减少了系统总线的控制权的交换次数，实现简单，缺

点在于往往使中央处理器在DMA过程中无所事事。
28.    DMA传送过程的总线占有方式有：时间轮转片法和借用周期法。
29.    DMA方式与中断方式的区别：中断方式中主存和输入输出控制器之间的数

据传递需要中央处理器操作、使用中央处理器的寄存器等资源，而DMA方式不需要

；中断方式时输入输出控制器的数据寄存器大小有限，一个数据需要传送多次，因

而有中断频繁发生，而DMA是机器周期中断，一个数据传送完成后才有一个中断。

	中断方式	DMA方式
I/O和主存数据交互	需要CPU处理	不需要CPU处理
保护执行现场	需要	不需要
相应时间	一条指令结束	CPU周期结束
并行性	有	更好的并行性
处理异常能力	强	比中断差

30.    信道方式是比DMA更进一步的外设访问方式。
31.    联机操作是输入/输出操作在计算机直接控制下进行的。联机时，“操作

者”正在使用计算机资源。
32.    脱机操作是输入/输出操作在要进行操作的计算机以外的设备上进行，在

需要时再送计算机处理。
33.    假脱机是指输入/输出不直接送往输入/输出设备或计算机，而是先送到外

存储器。