基本输入输出方式概述-《计算机组成原理》

I/O设备在整个计算机系统中所占的比重也越来越大。一台计算机系统花在I/O设备上的费用已经占到全部的80%。

从数据交换的角度考虑，我们主要关心的是I/O设备的速度能否和CPU相匹配。事实上，I/O设备的数据传输率相差甚大，从几字节每秒到几兆字节每秒都有。以输入设备为例，普通键盘每秒钟可以输入若干个字符，我们说数据传输率的量级为B/s；若用软盘作为输入设备，其数据传输率的量级为千字节每秒；更快的输入设备如硬盘，其数据传输率的量级可达兆字节每秒。而主机的速度很快，如系统总线的带宽可达1GB/s，CPU的主频可达1GHz以上。因此，I/O设备必须通过I/O接口进行速度缓冲以后，即I/O设备先在数据缓冲寄存器中准备好数据，才能与主机进行数据交换。其过程大致如下所述。

输入过程：①CPU选择、启动I/O设备；②I/O设备输入数据到I/O接口中的数据缓冲寄存器；③CPU从I/O接口中的数据缓冲寄存器取走数据。

输出过程：①CPU选择、启动I/O设备；②CPU输出数据到I/O接口中的数据缓冲寄存器；③I/O设备从I/O接口中的数据缓冲寄存器取走数据。

我们关心的问题包括以下几个方面。

①何时数据缓冲寄存器满（可以通知CPU取走数据了）？

②何时CPU取完数据（可以通知I/O设备输入下一个要交换的数据了）？

③何时数据缓冲寄存器空（可以通知CPU输出数据了）？

④何时CPU输出数据完毕（可以通知I/O设备取走数据了）？

上述问题就是所谓的CPU和I/O设备之间的联络问题（也称为定时问题），I/O设备与主机之间必须了解彼此当时所处的状态，如相互是否可以传送，传送是否已经结束等，即输入/输出过程中的每一步什么时候做，不能早也不能迟（或者说要保证主机与I/O设备在时间上同步）。按照I/O设备速度的不同，常用的联络方法有三种。

（1）无条件传送方式

无条件传送方式适用于速度极慢或简单的外围设备。如机械开关、显示二极管等。CPU不必关心何时数据缓冲寄存器满，何时数据缓冲寄存器空，CPU只管输入/输出数据就行了。对机械开关来讲，CPU可以认为输入的数据一直有效，数据缓冲寄存器始终是满的。对显示二极管来讲，CPU可以认为输出一定准备就绪，数据缓冲寄存器始终是空的，只要给出数据，显示二极管就能进行显示。

（2）异步方式

异步方式适用于慢速或中速的外围设备。大多数I/O设备的速度与CPU相比较慢，和CPU不在一个数量级上，有的I/O设备的速度还不固定，或快或慢（比如键盘）。这类I/O设备一般用异步方式。这种方式在交换信息前，I/O设备和CPU各自完成自身的任务，一旦需要交换信息时，就用联络信号进行联系，彼此才交换信息。图7-1示出了数据传送的异步方式。

图7-1中，CPU将数据传送到I/O接口的数据缓冲寄存器后，I/O接口立即向I/O设备发一个“READY”信号，告诉I/O设备可以从接口内取数据。I/O设备收到“READY”信号后，立即从接口中取出数据，取完后向接口回发一个“STROBE”信号，让接口转告CPU数据已被取走，CPU可继续传送下一个数据。同理，I/O设备将数据传送到I/O接口的数据缓冲寄存器后，I/O设备立即向接口发“STROBE”信号，接口收到“STROBE”信号后，立即通知CPU来取走数据，一旦CPU取走数据，I/O接口向I/O设备回发一个“READY”信号，告诉I/O设备数据已被取走，I/O设备可继续传送下一个数据。通常，把这种“READY”信号和“STROBE”信号叫作应答信号（也叫握手信号）。

图7-1　异步定时方式

（3）同步方式(www.xing528.com)

同步方式适用于高速的外围设备。同步方式要求I/O设备与CPU的工作速度完全同步。例如，在数据采集过程中，若数据采集设备采集的数据以1MB/s速率传送到接口，则CPU也必须以1MB/s的速率接收。一般地I/O接口有一个统一的时钟，双方按时钟频率进行数据传送。

I/O设备通过I/O接口与主机交换信息时，其控制方式一般有：查询方式、中断方式、DMA方式和其他方式（包括通道方式、外围处理机方式和网络方式）等，概述如下。

（1）查询方式

查询方式是早期计算机中使用的一种方式，现在除单片机外，很少使用查询方式。查询方式是由CPU通过程序不断查询I/O设备是否做好准备，从而控制I/O设备与主机交换信息。因此查询方式又称为程序查询方式。采用这种方式实现I/O设备与主机交换信息，要求I/O接口内设置一个能反映设备是否准备就绪的状态标志，即对应于状态寄存器中的某一位，CPU通过对这位是1（表示准备好）还是0（表示没有准备好）的检测，可得知设备的准备情况。例如，输入时，CPU首先测试状态寄存器中对应数据缓冲寄存器“满”的标志位是1还是0，若是0，CPU继续测试，直到是1。相应的程序中是一条循环指令，此时CPU处于踏步等待状态；若是1，CPU执行一条输入指令，接收数据，并把该标志位置0，通知I/O设备可以输入下一个数据了。同样，输出时，CPU首先测试状态寄存器中对应数据缓冲寄存器“空”的标志位是1还是0。若是0，CPU继续测试，直到是1。相应的程序中也是一条循环指令，此时CPU处于踏步等待状态；若是1，CPU执行一条输出指令，输出数据，并把该标志位置0，通知I/O设备可以接走数据了。

查询方式的优点是硬件结构简单，缺点是速度慢。进入查询循环时将白白浪费掉CPU很多时间。

（2）中断方式

倘若CPU在启动I/O设备后，对设备是否已准备就绪不加过问，继续执行自身程序，只是当I/O设备准备就绪，并向CPU发出要求服务的中断请求信号后才予理睬，CPU暂停（或者说中断）自身程序而转向执行中断服务程序，结束后再返回到自身程序继续执行下去，这就是中断方式。例如，输入时，通常在CPU运行的程序中安排一条启动I/O设备的指令，启动I/O设备向I/O接口中的数据缓冲寄存器放入数据，当数据缓冲寄存器“满”时，I/O设备向CPU发中断请求信号，CPU接到中断请求信号后要做出决策，响应吗？若条件允许响应，则中断正在运行的程序，转去执行中断服务程序，其主要工作是执行一条输入指令，完成数据的输入工作（即把数据缓冲寄存器中的数据移动到CPU的寄存器中），结束后CPU返回到原来的程序继续执行下去。输出时，I/O设备不断地从数据缓冲寄存器中取数据，当数据缓冲寄存器“空”时，I/O设备向CPU发中断请求信号，CPU接到中断请求信号后要做出决策，响应吗？若条件允许响应，则中断正在运行的程序，转去执行中断服务程序，其主要工作是执行一条输出指令，完成数据的输出工作（即把CPU寄存器中的数据移动到数据缓冲寄存器中），结束后CPU返回到原来的程序继续执行下去。

在中断方式中，当I/O设备进行准备时，CPU不必时刻查询I/O设备的准备情况，不会出现踏步等待现象，即CPU执行程序与I/O设备进行准备是同时并行进行的，其CPU的效率当然比查询方式高，如图7-2所示。当然，采用中断方式，CPU和I/O接口不仅在硬件方面需要增加相应的复杂性，而且在软件方面还要编制中断服务程序。

（3）DMA方式

从提高CPU的利用率来看，中断方式消除了查询方式的“踏步等待”现象，CPU的效率提高了。但是，CPU每传送一个数据，要执行一次中断服务程序，中断服务程序至少也有十来条指令，而实质上只有一条输入或输出指令是在传送数据。CPU能不能不执行中断服务程序，直接执行这一条输入或输出指令；或者更进一步，整个数据传送过程不要CPU参与，连这一条关键的指令也不要CPU来执行了，采用DMA方式就可以实现。DMA方式特别适用于内存和高速I/O设备之间进行成批数据交换。

DMA方式的基本思想是在I/O设备和内存之间开辟直接的数据传送通路。在正常工作时，CPU执行自己的程序。只有当I/O设备要和内存交换数据时，向CPU发DMA请求信号（不是中断请求，而是使用总线请求），通知CPU暂停片刻（一个或几个存储周期就够了），让I/O设备与内存交换数据，结束后，CPU又继续执行原程序。如图7-2（c）所示。如此重复，直到整个数据块的传送完毕。

图7-2　同步方式的三种控制方式

（4）其他方式

如果说DMA方式还有不足之处的话，在于每当I/O设备要与内存交换数据时，CPU都要暂停片刻（一个或几个存储周期）。这个不足之处在大型机中就显得严重了。因为和大型机相连的I/O设备很多，特别是大容量的外存的使用，使内存和外存之间的数据流量大幅度增加，甚至可能要求多个DMA方式同时使用，引起内存使用上的冲突。因此大型机要有比DMA控制器更复杂的硬件来专门管理和控制I/O设备，如通道和外围处理机等，相应的就有通道方式和外围处理机方式。

综上所述，I/O设备与CPU之间的数据交换的控制方式主要有查询方式，中断方式、DMA方式、通道方式、外围处理机方式和网络方式等。其中查询方式主要用在单片机应用开发上，中断方式和DMA方式被普遍应用在几乎所有的计算机中，通道方式和外围处理机方式主要应用在大型机中。比较起来，网络方式是一种最简单、最方便实用的数据交换方式。不管是什么计算机，大型机还是微机，只要能上网就可以下载、上传，或者发一个E-mail等。