第八章輸入輸出系統(tǒng)

第八章輸入輸出(I/O)系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)的I/O系統(tǒng)提供主機(jī)與外部世界通信的手段。從計(jì)算機(jī)科學(xué)觀點(diǎn)看：I/O系統(tǒng)典型地反映著硬件與軟件的相互結(jié)合。從用戶的角度看：現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的I/O系統(tǒng)的復(fù)雜性大都隱藏在操作系統(tǒng)中，用戶只需通過一些簡(jiǎn)單的命令或程序請(qǐng)求便可調(diào)用各種I/O過程。8.1概術(shù)

I/O系統(tǒng)的特點(diǎn)復(fù)雜性、異步性、時(shí)實(shí)性、設(shè)備關(guān)聯(lián)性（標(biāo)準(zhǔn)接口、驅(qū)動(dòng)程序）。I/O系統(tǒng)要解決的問題（1）控制方式CPU如何控制輸入/輸出？（輸入/輸出方式）（2）傳輸方式使用傳輸通道、方式、速率等（總線、接口）（3）數(shù)據(jù)識(shí)別和轉(zhuǎn)換數(shù)/模轉(zhuǎn)換、語音識(shí)別等，轉(zhuǎn)換為字符、數(shù)據(jù)等計(jì)算機(jī)能識(shí)別的格式（設(shè)備）I/O系統(tǒng)的功能

（1）選擇I/O設(shè)備和反映I/O設(shè)備的工作狀態(tài)。（2）實(shí)現(xiàn)主機(jī)與外設(shè)的聯(lián)絡(luò)控制。（3）在選定的I/O設(shè)備和主機(jī)之間交換信息。（4）完成有關(guān)的數(shù)據(jù)格式變換(串—并),數(shù)據(jù)拆卸與裝配等輔助操作。I/O系統(tǒng)的組成

由I/O設(shè)備、設(shè)備控制器、以及同I/O操作有關(guān)的硬件和軟件組成?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)對(duì)I/O系統(tǒng)的要求是：在執(zhí)行每一項(xiàng)由具體I/O設(shè)備實(shí)現(xiàn)I/O操作的過程中，應(yīng)保證有效地利用主存和CPU。I/O設(shè)備與主機(jī)的連接方式

每當(dāng)I/O操作取得某項(xiàng)進(jìn)展，都要反映到系統(tǒng)級(jí)的連接上面來。如何連接外圍設(shè)備，如何形成外圍設(shè)備到主機(jī)的通路，如何支持I/O操作與其它CPU操作的并行執(zhí)行，這是設(shè)計(jì)一個(gè)I/O系統(tǒng)的關(guān)鍵問題。不同的I/O系統(tǒng)有不同的連接方式，主要差別在于：

（a）從外設(shè)到主機(jī)通路上控制功能分布的不同。（b）通路數(shù)目的不同。（c）各種外設(shè)接到各個(gè)通路的靈活性的不同。（d）外設(shè)與外設(shè)之間，外設(shè)與主機(jī)之間的并行工作程度不同等等。（1）外設(shè)與主機(jī)之間通過I/O接口連接I/O接口：實(shí)現(xiàn)主機(jī)與外設(shè)的聯(lián)絡(luò)和數(shù)據(jù)緩沖。設(shè)備控制器：對(duì)設(shè)備進(jìn)行啟?？刂疲o助操作控制，指示設(shè)備的工作狀態(tài)等。程序直接控制I/O方式和程序中斷控制I/O方式采用此結(jié)構(gòu)。I/O接口外設(shè)主機(jī)設(shè)備控制器（2）外設(shè)和主機(jī)之間通過通道連接CU：設(shè)備控制器。D：I/O設(shè)備。通道：一種專用的I/O處理器，負(fù)責(zé)管理外設(shè)的I/O操作。主機(jī)通道通道CUDCUDCUDCUDD輸入輸出控制方式（信息交換方式）

（1）程序查詢方式

由CPU通過程序不斷查詢I/O設(shè)備是否已準(zhǔn)備好，從而控制I/O設(shè)備與主機(jī)交換信息。優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、易控制。缺點(diǎn)：主機(jī)與外設(shè)串行工作，CPU效率低。I/O控制方式主要由軟件(程序）實(shí)現(xiàn)主要由附加硬件實(shí)現(xiàn)程序查詢方式程序中斷方式DMA方式通道方式PPU方式（2）程序中斷方式

I/O中斷：指CPU啟動(dòng)外設(shè)后繼續(xù)執(zhí)行自身的程序，外設(shè)準(zhǔn)備好后向CPU發(fā)中斷請(qǐng)求，CPU響應(yīng)中斷，暫停正在執(zhí)行的現(xiàn)行程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)程序(實(shí)現(xiàn)外設(shè)與主機(jī)的信息交換)，服務(wù)完后再返回到原斷點(diǎn)處繼續(xù)執(zhí)行原來的CPU程序。中斷控制I/O方式就是將中斷環(huán)節(jié)引用于I/O的過程，使CPU與外設(shè)在一定程度上并行工作，從而提高CPU的利用率。中斷的另一個(gè)重要作用，就是使計(jì)算機(jī)及時(shí)處理隨機(jī)事件，保證機(jī)器可靠地工作。（3）DMA(直接存儲(chǔ)器存取)方式

在外設(shè)與主機(jī)之間設(shè)置一條專用的數(shù)據(jù)交換通路,在DMA控制器的控制下,實(shí)現(xiàn)外設(shè)與主機(jī)成批交換數(shù)據(jù)。（4）通道控制I/O方式

通道是從屬于CPU的專用I/O處理機(jī)，某些應(yīng)用中稱為輸入輸出處理器(IOP)，能獨(dú)立地執(zhí)行用通道命令編寫的I/O控制程序，完成復(fù)雜的輸入輸出過程，即通道是采用軟、硬結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)I/O操作的。（5）外圍處理機(jī)（PPU）方式

外圍處理機(jī)是一種功能更強(qiáng)的I/O處理機(jī)，基本上獨(dú)立于主機(jī)工作，完成I/O操作。在一些系統(tǒng)中，設(shè)置了多臺(tái)PPU，分別承擔(dān)I/O控制、通信、維護(hù)診斷等任務(wù)。從某種意義上說，這種系統(tǒng)已變成分布式的多機(jī)系統(tǒng)。

目前，單片機(jī)和微型機(jī)中多采用程序查詢方式、程序中斷方式和DMA方式。通道方式和PPU方式大都用在中、大型計(jì)算機(jī)中。設(shè)計(jì)輸入/輸出系統(tǒng)考慮的問題（1）性能考慮吞吐量和延遲適應(yīng)各種不同類別的設(shè)備的性能的差異從操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)程序等各方面綜合考慮考慮到設(shè)備性能的提高（2）可擴(kuò)展性允許更多的設(shè)備接入到輸入/輸出系統(tǒng)（3）可適應(yīng)性設(shè)備有無設(shè)備故障8.2程序查詢方式在這種方式控下，I/O設(shè)備與主機(jī)之間的信息交換，一般需經(jīng)過CPU中的寄存器，而且通常一次只傳送否一個(gè)字(節(jié))。是

未完

完

設(shè)置計(jì)數(shù)器設(shè)置內(nèi)存緩沖區(qū)首址啟動(dòng)外設(shè)準(zhǔn)備好？傳送一個(gè)數(shù)據(jù)修改內(nèi)存地址修改計(jì)數(shù)值傳送完？結(jié)束I/O傳送設(shè)備編址：（1）統(tǒng)一編址（2）獨(dú)立編址②設(shè)備選擇電路DBRQQ&數(shù)據(jù)線準(zhǔn)備就緒啟動(dòng)命令地址線SEL輸入數(shù)據(jù)啟動(dòng)設(shè)備設(shè)備工作結(jié)束①③④⑤⑥D(zhuǎn)B程序查詢方式的接口電路①②③⑤⑥1010④以輸入為例8.3程序中斷方式在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中引入中斷的概念，并使其具有中斷處理功能，這是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的一大進(jìn)步。中斷系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)中斷功能的軟硬件總稱。一般在CPU中設(shè)置中斷機(jī)構(gòu)，在外設(shè)接口中設(shè)置中斷控制器，在軟件上設(shè)置相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。

中斷的基本概念中斷（Interrupt）是指CPU暫時(shí)中止現(xiàn)行程序，轉(zhuǎn)去處理隨機(jī)發(fā)生的緊急事件，處理完后自動(dòng)返回原程序的功能和技術(shù)。

中斷處理過程示例

主程序只是在設(shè)備A，B，C數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒時(shí)，才去處理A，B，C，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在速度較慢的外圍設(shè)備準(zhǔn)備自己的數(shù)據(jù)時(shí)，CPU照常執(zhí)行自己的主程序。在這個(gè)意義上說，CPU和外圍設(shè)備的一些操作是并行地進(jìn)行的，因而同串行進(jìn)行的程序查詢方式相比，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率是大大提高了。

（1）中斷系統(tǒng)需解決的問題

設(shè)計(jì)一個(gè)中斷系統(tǒng)應(yīng)考慮以下問題：（a）中斷源和中斷請(qǐng)求問題。（b）中斷判優(yōu)問題。（c）CPU在什么條件、什么時(shí)候、以什么方式來響應(yīng)中斷問題。（d）中斷現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)問題。（e）中斷服務(wù)程序的進(jìn)入及其本身的設(shè)計(jì)問題。（f）多重中斷問題。（g）中斷現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)問題。要解決上述七個(gè)問題，必須在中斷系統(tǒng)中有相應(yīng)的軟、硬件支持。（2）中斷的作用（a）主機(jī)與外設(shè)（在一定程度上）并行工作。（b）故障處理：硬件故障、軟件故障。（c）人機(jī)聯(lián)系。（d）時(shí)實(shí)控制（處理）。（e）多道程序切換和多用戶分時(shí)共享計(jì)算機(jī)資源。（f）目態(tài)程序和管態(tài)程序的聯(lián)系。（g）多機(jī)系統(tǒng)中各機(jī)之間的聯(lián)系。（3）中斷的分類（a）按中斷處理方式分程序中斷：通過執(zhí)行中斷服務(wù)程序來處理有關(guān)事件的中斷。簡(jiǎn)單中斷：采用DMA處理外設(shè)中斷（不保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)）。（b）按中斷產(chǎn)生方式分自愿中斷：事先在程序某處設(shè)置斷點(diǎn)，引出服務(wù)程序進(jìn)行中斷處理。強(qiáng)迫中斷：隨機(jī)產(chǎn)生的中斷（硬故障、I/O設(shè)備請(qǐng)求等）。（c）按中斷源來自處理機(jī)內(nèi)部或外部分：內(nèi)中斷、外中斷。（d）按是否產(chǎn)生向量地址分向量中斷：中斷服程序入口由中斷源產(chǎn)生向量地址提供。非向量中斷：中斷服務(wù)程序入口由CPU查詢得到。I/O中斷處理過程（1）中斷請(qǐng)求：中斷源向CPU發(fā)出的申請(qǐng)中斷的要求。中斷源：通常將能引起中斷的各個(gè)因素稱作中斷源。引起中斷的因素很多，大致可分為以下幾類：

（a）人為設(shè)置中斷：又稱自愿中斷。（b）程序性事故：如溢出、操作碼不能識(shí)別、除法錯(cuò)等。（c）硬件故障：如插件接觸不良、磁表面損壞、電源掉電等。（d）I/O設(shè)備：I/O設(shè)備請(qǐng)求CPU服務(wù)等。（e）外部事件：操作員干預(yù)等。中斷請(qǐng)求標(biāo)記：為了記錄中斷事件的發(fā)生，一般給每個(gè)中斷源設(shè)置一個(gè)中斷請(qǐng)求（標(biāo)記）觸發(fā)器，保留中斷請(qǐng)求信號(hào)。當(dāng)其狀態(tài)為“1”時(shí)，表示中斷源有請(qǐng)求，并向CPU發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)。這種觸發(fā)器可分散到各個(gè)中斷源的接口電路中，也可以集中設(shè)在CPU內(nèi)，組成一個(gè)中斷請(qǐng)求標(biāo)記寄存器。1576011CPCDQCPUINTR（中斷請(qǐng)求信號(hào)）中斷觸發(fā)器控制與狀態(tài)寄存器（PR）OC門外設(shè)向CPU發(fā)中斷請(qǐng)求的條件：①PR6=1，CPU允許外設(shè)請(qǐng)求（無屏蔽）。②PR7=1，外設(shè)已準(zhǔn)備好。外設(shè)向CPU發(fā)中斷請(qǐng)求的條件：

(a)外設(shè)已就緒；

(b)CPU允許外設(shè)中斷且未屏蔽。（2）中斷響應(yīng)：指終止CPU現(xiàn)行程序到轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序過程。（a）保護(hù)斷點(diǎn)和狀態(tài)(硬措施)，保護(hù)其它現(xiàn)場(chǎng)(軟措施)。

中斷隱指令是CPU在中斷周期內(nèi)由硬件自動(dòng)完成的一條指令。該指令通常完成保護(hù)程序斷點(diǎn)、尋找中斷服務(wù)程序的入口地址、關(guān)中斷等一系列操作。采用中斷隱指令，是為了提高中斷處理速度。通常在中斷服務(wù)程序的起始部分安排若干條存數(shù)指令，將寄存器的內(nèi)容送至存儲(chǔ)器中保存；或用進(jìn)棧指令將寄存器的內(nèi)容壓入堆棧保存，以免中斷服務(wù)程序用到相應(yīng)的寄存器而破壞其原內(nèi)容。響應(yīng)中斷的條件：

①允許中斷觸發(fā)器=1

（由開中斷指令置1，關(guān)中斷指令置0）

②中斷請(qǐng)求標(biāo)記觸發(fā)器=1（有中斷請(qǐng)求）響應(yīng)中斷的時(shí)間：

CPU通常在指令執(zhí)行周期結(jié)束后，響應(yīng)任何中斷請(qǐng)求。若有中斷，CPU則進(jìn)入中斷周期。（b）識(shí)別中斷源（中斷判優(yōu)）：軟件查詢法、硬件查詢法。任何一個(gè)中斷系統(tǒng)，在任一時(shí)刻，只能響應(yīng)一個(gè)中斷源的請(qǐng)求。但許多中斷源提出請(qǐng)求都是隨機(jī)的，當(dāng)某一時(shí)刻有多個(gè)中斷源提出中斷請(qǐng)求時(shí)，中斷系統(tǒng)必須按其優(yōu)先順序予以響應(yīng)，即中斷判優(yōu)。

設(shè)備優(yōu)先級(jí)的確定，由許多因素決定：

①中斷條件的緊迫性：故障中斷→實(shí)時(shí)中斷→I/O中斷→用戶程序中斷

②設(shè)備的工作速度：高速設(shè)備→低速設(shè)備

③數(shù)據(jù)恢復(fù)的難易程度：不易恢復(fù)數(shù)據(jù)的設(shè)備→易恢復(fù)數(shù)據(jù)的設(shè)備

④要求CPU提供的服務(wù)量：需CPU干預(yù)少的設(shè)備→需CPU干預(yù)多的設(shè)備軟件排隊(duì)是通過編寫查詢程序?qū)崿F(xiàn)的。程序按中斷源的優(yōu)先等級(jí)，從高到低逐級(jí)查詢各個(gè)中斷源是否有中斷請(qǐng)求，這樣就可保證CPU首先響應(yīng)級(jí)別高的中斷源的請(qǐng)求。（c）引出中斷服務(wù)程序：向量法、非向量法。硬件向量法：硬件向量法就是利用硬件產(chǎn)生向量地址，再由向量地址找到中斷服務(wù)程序的入口地址。向量地址由中斷向量地址形成部件產(chǎn)生，這個(gè)電路可分散設(shè)置在各個(gè)接口電路中，也可設(shè)置在CPU內(nèi)。由向量地址尋找中斷服務(wù)程序的入口地址通常采用兩種方法：

①在向量地址內(nèi)存放一條無條件轉(zhuǎn)移指令，CPU響應(yīng)中斷時(shí)，只要將向量地址送至PC，執(zhí)行這條指令，便可無條件轉(zhuǎn)向服務(wù)程序的入口地址。

②在內(nèi)存中設(shè)置一個(gè)中斷向量表，存儲(chǔ)單元的地址為向量地址，存儲(chǔ)單元的內(nèi)容為服程序的入口地址，只要訪問向量地址所指示的存儲(chǔ)單元，便可獲得入口地址。向量地址形成部件中斷向量地址來自中斷源排隊(duì)器輸出121314向量地址入口地址200軟件查詢法：用軟件尋找中斷服務(wù)程序入口地址的方法叫軟件查詢法。查詢程序按中斷源的優(yōu)先等級(jí)，從高至低逐級(jí)查詢，當(dāng)查到某一中斷源由中斷請(qǐng)求時(shí)，接著安排一條轉(zhuǎn)移指令，直接指向此中斷源的中斷服務(wù)程序入口地址，機(jī)器便能自動(dòng)進(jìn)入中斷處理。入口地址300入口地址400主存（3）中斷服務(wù)：執(zhí)行中斷服務(wù)程序，進(jìn)行中斷處理。

CPU響應(yīng)中斷后，正要去執(zhí)行中斷服務(wù)程序時(shí)，可能有另一個(gè)新的中斷源向它發(fā)出中斷請(qǐng)求。為了不致造成混亂，在CPU的中斷管理部件中必須有一個(gè)中斷屏蔽觸發(fā)器，它可以在程序的控制下置“1”(設(shè)置屏蔽)，或置“0”(取掉屏蔽)。只有在中斷屏蔽標(biāo)志為“0”時(shí)，CPU才可以受理中斷。當(dāng)一條指令執(zhí)行完畢CPU接受中斷請(qǐng)求并作出響應(yīng)時(shí)，它一方面發(fā)出中斷響應(yīng)信號(hào)INTA，另一方面把中斷屏蔽標(biāo)志置“1”，即關(guān)閉中斷。這樣，CPU不能再受理另外的新的中斷源發(fā)來的中斷請(qǐng)求。如果只有在CPU把中斷服務(wù)程序執(zhí)行完畢以后，它才重新使中斷屏蔽標(biāo)志置“0”，即開放中斷，并返回主程序。這種中斷稱為單重中斷。如果在中斷服務(wù)過程中就開中斷，允許優(yōu)先級(jí)更高的中斷源請(qǐng)求中斷并響應(yīng)，這就是所謂的多重中斷。（4）中斷返回：恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，轉(zhuǎn)至原斷點(diǎn)處繼續(xù)執(zhí)行原CPU程序?；謴?fù)現(xiàn)場(chǎng)是指在中斷返回前，必須將寄存器的內(nèi)容恢復(fù)到中斷處理前的狀態(tài)，這部分工作也由中斷服務(wù)程序完成。單重中斷和多重中斷的服務(wù)程序流程中斷否？保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備服務(wù)恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)開中斷中斷返回取指令執(zhí)行指令中斷服務(wù)程序

中斷響應(yīng)程序斷點(diǎn)進(jìn)棧關(guān)中斷向量地址PC中斷周期是中斷返回保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備服務(wù)恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)開中斷開中斷開中斷中斷隱指令中斷隱指令否取指令執(zhí)行指令中斷否？否

中斷響應(yīng)程序斷點(diǎn)進(jìn)棧關(guān)中斷向量地址PC中斷周期是中斷服務(wù)程序單重多重設(shè)備選擇電路DBRDQ&數(shù)據(jù)線啟動(dòng)命令地址線SEL輸入數(shù)據(jù)啟動(dòng)設(shè)備設(shè)備工作結(jié)束&1QQDINTRBQQMASK設(shè)備編碼器排隊(duì)器中斷查詢來自高一級(jí)的排隊(duì)器至低一級(jí)的排隊(duì)器向量地址中斷響應(yīng)

INTA中斷請(qǐng)求命令譯碼①②③④⑤⑥⑦⑧程序中斷方式的基本I/O接口

①10&DBR④⑤⑦⑧設(shè)備選擇電路01以輸入為例②③⑥多重中斷的概念和屏蔽技術(shù)

當(dāng)CPU正在執(zhí)行某個(gè)中斷服務(wù)程序時(shí)，又發(fā)生了優(yōu)先級(jí)別更高的中斷源的中斷請(qǐng)求，于是CPU暫停服務(wù)，保護(hù)好現(xiàn)場(chǎng)，轉(zhuǎn)去響應(yīng)更高級(jí)別的中斷請(qǐng)求，進(jìn)行新的中斷服務(wù)，即多重中斷，又稱中斷嵌套。中斷屏蔽技術(shù)主要用于多重中斷。每個(gè)中斷源對(duì)應(yīng)一個(gè)屏蔽觸發(fā)器MASK（若MASK=1則屏蔽，MASK=0則未屏蔽），將所有屏蔽觸發(fā)器組合在一起，便構(gòu)成一個(gè)屏蔽寄存器，其內(nèi)容稱作屏蔽字。屏蔽字與中斷源的優(yōu)先級(jí)別是一一對(duì)應(yīng)的，所以在中斷服務(wù)程序中設(shè)置適當(dāng)?shù)钠帘巫?，能起到?duì)優(yōu)先級(jí)別不同的中斷源的屏蔽作用，同時(shí)利用屏蔽字也可以任意改變中斷源的優(yōu)先級(jí)。例1：某計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有4臺(tái)外設(shè)D1、D2

、D3

、D4

，4臺(tái)外設(shè)的響應(yīng)優(yōu)先級(jí)次序?yàn)椋篋1>D2>D3>

D4，且允許多重中斷。設(shè)屏蔽位Bi=1為屏蔽，Bi=0為開放。（a）要求中斷服務(wù)次序

D1>D2>D3>

D4

則屏蔽字設(shè)置為：

CPU的運(yùn)行軌跡如下：中斷服務(wù)程序級(jí)別

D1D2D3D4屏蔽字B1B2B3B4111011100110001中斷服務(wù)程序D4D3D2D1主程序D3D2D4D2D1若將中斷服務(wù)次序改為：

D1>D4>D3>

D2

則相應(yīng)的屏蔽字設(shè)置為：

CPU的運(yùn)行軌跡為：中斷服務(wù)程序級(jí)別屏蔽字B1B2B3B4

D1D2D3D4

1111010001100111中斷服務(wù)程序D4D3D2D1主程序D3D2D4D2D18.4DMA方式

DMA方式用于高速外設(shè)與主存在DMA控制器的控制下成批交換數(shù)據(jù)。DMA的基本概念

直接內(nèi)存訪問(DMA)是一種通過硬件執(zhí)行I/O交換的工作方式。在這種方式中，DMA控制器從CPU完全接管對(duì)總線的控制，數(shù)據(jù)交換不經(jīng)過CPU，而直接在內(nèi)存和I/O設(shè)備之間進(jìn)行。DMA方式一般用于高速傳送成組數(shù)據(jù)。DMA控制器將向內(nèi)存發(fā)出地址和控制信號(hào)，修改地址，對(duì)傳送的字的個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)，并且以中斷方式向CPU報(bào)告?zhèn)魉筒僮鞯慕Y(jié)束。

優(yōu)點(diǎn)：速度快。有利于發(fā)揮CPU的效率。DMA傳送方式（1）停止CPU訪問內(nèi)存方式

由DMA控制器發(fā)停止信號(hào)給CPU，DMA控制器從CPU處獲得總線控制權(quán)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。數(shù)據(jù)傳送后，DMA控制器通知CPU可以使用內(nèi)存，并把總線控制權(quán)交還給CPU。（2）周期挪用（竊?。┓绞?/p>

DMA控制器與主存儲(chǔ)器之間傳送一個(gè)數(shù)據(jù)，占用（竊?。┮粋€(gè)內(nèi)存周期，即CPU暫停工作一個(gè)周期，然后繼續(xù)執(zhí)行程序。

（3）DMA與CPU交替訪問方式如果CPU的工作周期比內(nèi)存存取周期長(zhǎng)很多，此時(shí)采用交替訪內(nèi)的方法可以使DMA傳送和CPU同時(shí)發(fā)揮最高的效率。DMA接口的組成和功能（1）DMA控制器的基本組成一個(gè)最簡(jiǎn)單的DMA控制器由以下邏輯部件組成：

（a）內(nèi)存地址計(jì)數(shù)器用于存放內(nèi)存中要交換的數(shù)據(jù)的地址。在DMA傳送前，須通過程序?qū)?shù)據(jù)在內(nèi)存中的起始位置(首地址)送到內(nèi)存地址計(jì)數(shù)器。而當(dāng)DMA傳送時(shí)，每交換一次數(shù)據(jù)，將地址計(jì)數(shù)器加“1”，從而以增量方式給出內(nèi)存中要交換的一批數(shù)據(jù)的地址。（b）字計(jì)數(shù)器用于記錄傳送數(shù)據(jù)塊的長(zhǎng)度(多少字?jǐn)?shù))。其內(nèi)容也是在數(shù)據(jù)傳送之前由程序預(yù)置，交換的字?jǐn)?shù)通常以補(bǔ)碼形式表示。在DMA傳送時(shí)，每傳送一個(gè)字，字計(jì)數(shù)器就加“1”，當(dāng)計(jì)數(shù)器溢出即最高位產(chǎn)生進(jìn)位時(shí)，表示這批數(shù)據(jù)傳送完畢，于是引起DMA控制器向CPU發(fā)中斷信號(hào)。

（c）數(shù)據(jù)緩沖寄存器用于暫存每次傳送的數(shù)據(jù)(一個(gè)字)。當(dāng)輸入時(shí)，由設(shè)備(如磁盤)送往數(shù)據(jù)緩沖寄存器，再由緩沖寄存器通過數(shù)據(jù)總線送到內(nèi)存。反之，輸出時(shí)，由內(nèi)存通過數(shù)據(jù)總線送到數(shù)據(jù)緩沖寄存器，然后再送到設(shè)備。（d）“DMA請(qǐng)求”標(biāo)志每當(dāng)設(shè)備準(zhǔn)備好一個(gè)數(shù)據(jù)字后給出一個(gè)控制信號(hào)，使“DMA請(qǐng)求”標(biāo)志置“1”。該標(biāo)志置位后向“控制/狀態(tài)”邏輯發(fā)出DMA請(qǐng)求，后者又向CPU發(fā)出總線使用權(quán)的請(qǐng)求(HOLD)，CPU響應(yīng)此請(qǐng)求后發(fā)回響應(yīng)信號(hào)HLDA，“控制/狀態(tài)”邏輯接收此信號(hào)后發(fā)出DMA響應(yīng)信號(hào)，使“DMA請(qǐng)求”標(biāo)志復(fù)位，為交換下一個(gè)字做好準(zhǔn)備。

（e）“控制/狀態(tài)”邏輯由控制和時(shí)序電路以及狀態(tài)標(biāo)志等組成，用于修改內(nèi)存地址計(jì)數(shù)器和字計(jì)數(shù)器，指定傳送類型(輸入或輸出)，并對(duì)“DMA請(qǐng)求”信號(hào)和CPU響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行協(xié)調(diào)和同步。（f）中斷機(jī)構(gòu)當(dāng)字計(jì)數(shù)器溢出時(shí)(全0)，意味著一組數(shù)據(jù)交換完畢，由溢出信號(hào)觸發(fā)中斷機(jī)構(gòu)，向CPU提出中斷報(bào)告。

（2）DMA控制器的功能（a）向CPU申請(qǐng)DMA傳送；（b）在CPU允許DMA工作時(shí)處理總線控制權(quán)的轉(zhuǎn)交；（c）在DMA期間管理系統(tǒng)總線，控制數(shù)據(jù)傳送；（d）確定數(shù)據(jù)傳送的起始地址和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，修正數(shù)據(jù)傳送過程中的數(shù)據(jù)地址和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；（e）在數(shù)據(jù)塊傳送結(jié)束時(shí)，給出DMA操作完成的信號(hào)。DMA數(shù)據(jù)傳送過程（1）預(yù)處理階段：確定數(shù)據(jù)傳送方向，給相關(guān)寄存器置初始值。如向DMA控制器的設(shè)備地址寄存器中送入設(shè)備號(hào)并啟動(dòng)設(shè)備，向內(nèi)存地址計(jì)數(shù)器中送入起始地址，向字計(jì)數(shù)器中送入交換的數(shù)據(jù)字個(gè)數(shù)等。（2）數(shù)據(jù)傳送階段：DMA挪用主存周期，控制數(shù)據(jù)傳送。DMA的數(shù)據(jù)傳送是以數(shù)據(jù)塊為基本單位進(jìn)行的，因此，每次DMA控制器占用總線后，無論是數(shù)據(jù)輸入操作，還是輸出操作，都是通過循環(huán)來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)進(jìn)行輸入操作時(shí)，外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)(一次一個(gè)字或一個(gè)字節(jié))傳向內(nèi)存；當(dāng)進(jìn)行輸出操作時(shí)，內(nèi)存的數(shù)據(jù)傳向外圍設(shè)備。（3）后處理階段：申請(qǐng)CPU中斷，結(jié)束DMA操作。一旦DMA的中斷請(qǐng)求得到響應(yīng)，CPU停止主程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)程序做一些DMA的結(jié)束處理工作。這些工作包括校驗(yàn)送入內(nèi)存的數(shù)據(jù)是否正確；決定繼續(xù)用DMA方式傳送下去，還是結(jié)束傳送；測(cè)試在傳送過程中是否發(fā)生了錯(cuò)誤等等。

預(yù)處理：主存起始地址設(shè)備地址傳送數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)啟動(dòng)設(shè)備DMADMADMA數(shù)據(jù)傳送：繼續(xù)執(zhí)行主程序同時(shí)完成一批數(shù)據(jù)傳送后處理：中斷服務(wù)程序做DMA結(jié)束處理繼續(xù)執(zhí)行主程序CPU

DMA傳送過程示意允許傳送？主存地址送總線數(shù)據(jù)送I/O設(shè)備（或主存）主存地址加1傳送個(gè)數(shù)減1數(shù)據(jù)塊傳送結(jié)束？向CPU申請(qǐng)程序中斷DMA請(qǐng)求否否