第5章 输入输出系统

课件来源：《计算机组成原理教学课件》（extracted/cod 版，Slide 206–258，共 53 页），本章笔记与习题仅以该版本为准，无其他版本混用。考试地位：本章是期末简答、对比、流程类题的高频出处——程序查询/程序中断/DMA 三大传送方式、中断响应条件与服务流程、DMA 传送过程几乎必考；端口编址、接口组成、芯片分类常出选择与填空。

0. 本章考点清单

1. I/O 系统概述（5.1，课件 p.207–216）

1.1 发展概况：四个阶段

（课件 p.207）

范围提示：课件仅在发展概况中列出后两个阶段的名称，通道类型（字节多路/选择/数组多路）与外围处理机的工作原理在本章课件中未展开，复习以课件为界，不要自行超纲背诵。本章与通道有关的可考点只有通道指令（见 1.2）。

1.2 输入输出系统的组成（课件 p.208）

• I/O 软件：
• I/O 指令：CPU 指令的一部分；
• 通道指令：通道自身的指令，指出数组的首地址、传送字数、操作命令；如 IBM/370 通道指令为 64 位，含操作码、命令码、设备码。
• I/O 硬件：设备、I/O 接口（设备控制器）、通道。

1.3 I/O 设备与主机的联系方式（课件 p.209–211）

1. 设备编址（课件 p.209）： - 统一编址：端口与主存统一编址，用取数、存数（访存）指令访问端口，无需专门 I/O 指令； - 不统一编址（独立编址）：端口单独编址，指令系统中有专门的 I/O 指令。
2. 设备选址：用设备选择电路识别是否被选中（课件 p.209）。
3. 传送方式：串行、并行（课件 p.209–210）。串行示例中一个位宽为 9.09 ms，起始位占 1 个位宽、终止位占 2 个位宽（2×9.09 ms）（课件 p.210；补充常识：9.09 ms ≈ 1/110 s，即对应 110 bit/s 的传输率）。
4. 联络方式（课件 p.210）： - 立即响应； - 异步工作采用应答信号："Ready"（I/O 接口 → I/O 设备）与 "Strobe"（I/O 设备 → I/O 接口）； - 同步工作采用同步时标。
5. 连接方式（课件 p.211）： - 辐射式：每台设备都配有一套控制线路和一组信号线，不便于增删设备； - 总线连接：便于增删设备。

1.4 I/O 设备与主机信息传送的控制方式（课件 p.212–216）

课件详述三种方式：

• 程序查询：CPU 读 I/O 状态 → 检查状态 → 未准备就绪则循环等待（踏步等待）→ 已就绪则从 I/O 接口读一个字到 CPU、再从 CPU 向主存写入一个字；出错则转出错处理（课件 p.212）。
• 程序中断：CPU 不查询；启动 I/O 后继续执行现行程序，设备自身准备并与主机交换信息的时机由中断请求通知；CPU 暂停现行程序（断点 K → 转服务程序），服务完返回 K+1，没有踏步等待现象（课件 p.213–214）。
• DMA：主存和 I/O 之间有一条直接数据通道；不中断现行程序，在存取周期结束处挪用（窃取）一个存取周期实现 I/O 与主存之间的传送（课件 p.215）。

读图（课件 p.216）：查询方式中"I/O 准备及传送"整段时间被 CPU 查询等待并传输占用；中断方式在 I/O 准备期间 CPU 并行执行现行程序，仅在传送时刻被中断（指令执行周期结束响应）；DMA 方式每字只窃取一个存取周期（存取周期结束响应），CPU 效率最高。

易错警示："DMA 不中断现行程序"指传送本身不需要中断服务；数据块传送结束后 DMA 仍要申请中断做后处理（见 §6），不要记成"DMA 与中断完全无关"。

2. I/O 设备（5.2，课件 p.217–220）

2.1 外部设备的构成与分类（课件 p.217）

• 外部设备 = 设备控制器 + 机、电、磁、光部分，经 I/O 接口接主机。
• 三大类： 1. 人机交互设备：键盘、鼠标、打印机、显示器； 2. 计算机信息存储设备：磁盘、光盘、磁带； 3. 机—机通信设备：调制解调器等。

2.2 输入设备（课件 p.218）

• 键盘：按键 → 判断哪个键按下 → 将此键翻译成 ASCII 码（编码键盘法）；
• 鼠标：机械式（金属球、电位器）、光电式（光电转换器）；
• 触摸屏。

2.3 输出设备（课件 p.219）

• 显示器：字符显示（字符发生器）、图形显示（主观图像）、图像显示（客观图像）；
• 打印机：击打式——点阵式（逐字、逐行）；非击打式——喷墨（逐字）、激光（逐页）。

2.4 其他与多媒体（课件 p.220）

• A/D、D/A：模拟/数字（数字/模拟）转换器；
• 终端：由键盘和显示器组成，完成显示控制与存储、键盘管理及通信控制；
• 汉字处理：汉字输入、汉字存储、汉字输出；
• 多媒体技术：什么是多媒体、多媒体计算机的关键技术（课件仅列标题，未展开）。

易错警示：激光打印机是"逐页"、喷墨是"逐字"、点阵式可"逐字/逐行"，选择题常互换设陷阱（课件 p.219）。

3. I/O 接口（5.3，课件 p.221–225）

3.1 为什么要设置接口（课件 p.221）

1. 实现设备的选择；
2. 实现数据缓冲达到速度匹配；
3. 实现数据串—并格式转换；
4. 实现电平转换；
5. 传送控制命令；
6. 反映设备的状态（"忙"、"就绪"、"中断请求"）。

3.2 总线连接方式的接口电路：四类线（课件 p.222）

设备选择线、数据线、命令线、状态线。CPU 侧经 I/O 总线与多个接口相连，每个接口再连自己的设备。

3.3 接口的功能与组成对应表（课件 p.223）

3.4 I/O 接口的基本组成（课件 p.224）

• 接口内部五大块：数据缓冲寄存器 DBR、设备选择电路、设备状态标记、命令寄存器和命令译码器、控制逻辑电路。
• CPU 侧四类线：数据线（双向）、地址线（单向入接口）、命令线（单向出）、状态线（单向入 CPU）；设备侧三类线：数据线（双向）、命令（出）、状态（入接口）（课件 p.224）。

3.5 接口类型与常见芯片（课件 p.225）

易错警示：8212 是"不可编程"接口，8255/8251 既是可编程又是通用；8259 管中断、8257 管 DMA，别与 8255/8251 混淆（课件 p.225）。

4. 程序查询方式（5.4，课件 p.226–228）

4.1 查询流程（课件 p.226）

• 单个设备：检查状态标记（测试指令）→ 准备就绪？（转移指令）否 → 返回循环继续检查（踏步等待）；是 → 交换数据（传送指令）。
• 多个设备：依次检查状态标记 1 → 设备 1 就绪？是 → 处理设备 1；否 → 检查状态标记 N → 设备 N 就绪？是 → 处理设备 N；否 → 回到设备 1 重新轮询。

4.2 程序流程（课件 p.227）

设置计数值 → 设置主存缓冲区首址 → 启动外设 → 准备好？（否：原地循环查询）→ 是：传送一个数据 → 修改主存地址 → 修改计数值 → 传送完？（未完：返回循环继续启动/查询传送；完：结束 I/O 传送）。图中另标注"保存寄存器内容"，即进入传送循环前需保护主程序所用寄存器（课件 p.227）。

4.3 程序查询方式的接口电路（以输入为例，课件 p.228）

六步工作过程（课件 p.228）：

1. ① CPU 发启动命令（地址线经设备选择电路产生 SEL 选中本接口）；
2. ② 接口启动设备（工作触发器 B 置 1、完成触发器 D 清 0）；
3. ③ 设备把输入数据送入 DBR；
4. ④ 设备工作结束（D 置 1、B 清 0）；
5. ⑤ D = 1 经状态线作为"准备就绪"送 CPU；
6. ⑥ CPU 经数据线从 DBR 读走数据。

图中状态：工作期间 B = 1、D = 0；结束后 D = 1、B = 0（课件 p.228）。

易错警示：查询方式中 CPU 与设备串行工作，设备准备期间 CPU 只能踏步等待，这是它效率低的根本原因；状态经状态线读、数据经数据线读，两条通路不要混（课件 p.212、228）。

5. 程序中断方式（5.5，课件 p.229–241）

5.1 中断的概念（课件 p.229）

现行程序执行到 K 处被中断，转去执行中断服务程序（Q → Q+1），服务完毕返回 K+1 继续；不同中断源各有自己的服务程序入口（入口 1、入口 2……）。

5.2 I/O 中断的产生（以打印机为例，课件 p.230）

打印机空闲 → 发中断请求 → CPU 响应中断、传送数据 → 打印机打印（CPU 继续执行主程序）→ 打印完再发中断请求……CPU 与打印机并行工作。

5.3 程序中断方式的接口电路

(1) 中断请求触发器 INTR 与中断屏蔽触发器 MASK（课件 p.231）

• INTR = 1：有中断请求；MASK = 1：该中断源被屏蔽；
• D 为完成触发器，受设备本身控制；
• 中断请求的形成：D 与 MASK 的反相经与门，在"来自 CPU 的中断查询信号"到来时打入 INTR（课件 p.231、236）。

(2) 排队器（课件 p.232–233）

• 排队分硬件（在 CPU 内或在接口电路中，即链式排队器）与软件（详见第八章）两类；
• 设备 1#、2#、3#、4# 优先级按降序排列；INTRi = 1 有请求，即 INTR̄i = 0（链式排队器输入用反相信号，课件 p.232 图）；
• 链式结构：高优先级接口的请求会封锁低一级接口的排队输出，只有无更高优先级请求时本级 INTPi 才有效（课件 p.233）。

(3) 中断向量地址形成部件（课件 p.234）

• 入口地址的获得：由软件产生（详见第八章）；或硬件向量法——由硬件产生向量地址，再由向量地址找到入口地址；
• 排队器输出经设备编码器形成向量地址。课件示例：向量地址 00010010B = 12H；主存 12H 单元存 JMP 200、13H 存 JMP 300、14H 存 JMP 400；入口地址 200 为打印机服务程序、300 为显示器服务程序（课件 p.234）。

(4) 程序中断方式接口电路的基本组成（课件 p.235）

在查询接口（设备选择电路、DBR、D、B）基础上增加：INTR、MASK、排队器、设备编码器、命令译码；对外信号有中断查询、中断请求、中断响应 INTA、向量地址，以及"来自高一级的排队器/至低一级的排队器"链式连线。

5.4 CPU 响应中断的条件和时间（课件 p.236）

• 条件： 1. 允许中断触发器 EINT = 1（用开中断指令置 1；用关中断指令或硬件自动复位清 0）； 2. 当 D = 1（随机）且 MASK = 0 时（经中断查询使 INTR = 1）。
• 时间：在每条指令执行阶段的结束前，CPU 发中断查询信号（将 INTR 置 1）。

5.5 I/O 中断处理过程（以输入为例，八步，课件 p.237）

1. ① CPU 发启动命令（命令译码 + SEL 选中）；
2. ② 启动设备（B = 1、D = 0）；
3. ③ 设备输入数据送 DBR；
4. ④ 设备工作结束（D = 1、B = 0）；
5. ⑤ 指令执行阶段结束前 CPU 发中断查询信号；
6. ⑥ D = 1 且 MASK = 0 → INTR = 1，向 CPU 发中断请求；
7. ⑦ CPU 发中断响应 INTA；
8. ⑧ 设备编码器输出向量地址送 CPU，进而找到入口地址转服务程序（课件 p.237）。

5.6 中断服务程序流程（课件 p.238–239）

• 四步：保护现场 → 中断服务（对不同 I/O 设备具有不同内容的设备服务）→ 恢复现场 → 中断返回（中断返回指令）。
• 程序断点的保护由中断隐指令完成；寄存器内容的保护用进栈/出栈指令（课件 p.238）。
• 单重中断：不允许中断现行的中断服务程序；多重中断：允许级别更高的中断源中断现行的中断服务程序（课件 p.238）。
• 中断隐指令（中断周期内硬件自动完成）三件事：程序断点进栈、关中断、向量地址 → PC（课件 p.239）。

• 单重流程：保护现场 → 设备服务 → 恢复现场 → 开中断 → 中断返回；
• 多重流程：保护现场 → 开中断 → 设备服务 → 恢复现场 → 中断返回（课件 p.239）。
• 差别只在"开中断"的位置：多重在保护现场后立刻开中断（以便响应更高级请求），单重直到返回前才开中断。

5.7 程序中断接口芯片 8259A 的内部结构（课件 p.240）

• 寄存器/部件：中断请求寄存器 IRR、中断服务寄存器 ISR、中断屏蔽寄存器 IMR、优先权比较器 PR、级联缓冲器/比较器、读/写逻辑、缓冲器、控制逻辑，经内部总线互联；
• 对外引脚：IR0–IR7（中断请求输入）、INT（向 CPU 请求）、INTA（中断响应）、D7–D0、A0、RD、WR、CS、CAS0–CAS2（级联）、SP/EN（课件 p.240）。

5.8 宏观并行、微观串行（课件 p.241）

主程序与服务程序抢占 CPU 示意：宏观上 CPU 和 I/O 并行工作；微观上 CPU 中断现行程序为 I/O 服务（每次服务只传送一个/一批数据后即返回主程序）。

易错警示：中断隐指令是硬件在中断周期自动完成的，不是程序员写的指令；断点保护靠它、寄存器保护靠 PUSH/POP 类进栈出栈指令，二者分工常考（课件 p.238–239）。MASK 是设备级屏蔽、EINT 是 CPU 级总允许，两者层次不同（课件 p.231、236）。

6. DMA 方式（5.6，课件 p.242–258）

6.1 DMA 方式的特点：数据通路（课件 p.242）

• 中断方式数据传送通路：I/O 设备 → 中断接口 → CPU（ACC）→ 主存，靠输入/输出指令逐字搬运；
• DMA 方式数据传送通路：I/O 设备 → DMA 接口 → 主存，不经过 CPU 寄存器中转的直接通路。

6.2 DMA 与主存交换数据的三种方式（课件 p.243–245）

（课件 p.243、244、245；CPU 工作周期是"所有指令执行过程中的一个基准时间"，课件 p.245。补充常识：交替访问适用于 CPU 工作周期大于主存存取周期的场合。）

6.3 DMA 接口的功能（课件 p.246）

1. 向 CPU 申请 DMA 传送；
2. 处理总线控制权的转交；
3. 管理系统总线、控制数据传送；
4. 确定数据传送的首地址和长度，修正传送过程中的数据地址和长度；
5. DMA 传送结束时，给出操作完成信号。

6.4 DMA 接口的组成（课件 p.247）

联络信号：DREQ（设备 → DMA）、DACK（DMA → 设备）、HRQ（DMA → CPU，总线请求）、HLDA（CPU → DMA，总线响应）、中断请求（DMA → CPU）（课件 p.247）。

6.5 DMA 的工作过程（课件 p.248–252）

(1) 预处理（课件 p.248）：CPU 通过几条输入输出指令预置：通知 DMA 控制逻辑传送方向（入/出）；设备地址 → DAR；主存地址 → AR；传送字数 → WC；并启动设备。

(2) 数据传送（课件 p.249）：CPU 继续执行主程序，同时完成一批数据传送。

流程：DMA 请求 → 允许传送？否 → 等待；是 → 主存地址送总线 → 数据送 I/O 设备（或主存）→ 修改主存地址、修改字计数器 → 数据块传送结束？否 → 返回循环；是 → 向 CPU 申请程序中断（课件 p.249）。

(3) 数据传送过程（输入）七步（课件 p.250）：

1. ① 设备把一个字送入 BR；
2. ② 设备向 DMA 控制逻辑发 DREQ；
3. ③ DMA 向 CPU 发 HRQ（总线请求）；
4. ④ CPU 回 HLDA，让出总线控制权；
5. ⑤ AR 把主存地址送地址总线；
6. ⑥ DMA 向设备发 DACK；
7. ⑦ BR 把数据经数据线送主存；同时 AR +1、WC +1；WC 未溢出则继续下一字，溢出则中断机构向 CPU 发中断请求（课件 p.250）。

(4) 数据传送过程（输出）（课件 p.251）：方向相反——主存数据经数据线送 BR、再送设备；控制信号序列与输入相同。

(5) 后处理（课件 p.252）：由中断服务程序完成：校验送入主存的数是否正确；是否继续用 DMA；测试传送过程是否正确，错则转诊断程序。

6.6 DMA 接口与系统的连接方式（课件 p.253–254）

• 具有公共请求线的 DMA 请求：多个 DMA 接口共用一条 DMA 请求线和一条 DMA 响应线（需排队决定谁占用总线）；
• 独立的 DMA 请求：每个接口各有自己的 DMA 请求 i / DMA 响应 i 一对线。

6.7 DMA 方式与程序中断方式的比较（课件 p.255）

6.8 DMA 接口的类型（课件 p.256–258）

• 选择型（课件 p.256）：物理上连接多个设备，逻辑上只允许连接一个设备（用选择线切换）；接口内含设备地址寄存器、控制状态寄存器、数据缓冲寄存器、主存地址寄存器、时序电路、字计数器。
• 多路型（课件 p.257）：物理上连接多个设备，逻辑上允许连接多个设备同时工作；连接结构分独立请求式与链式。
• 多路型工作原理（课件 p.258）：分时为各设备服务。课件时序示例：磁盘每 30 μs 发一次 DMA 请求、磁带每 45 μs 一次、每次服务占 5 μs（T1 宽度），服务顺序 T1 打印机 → T2 磁盘 → T3 磁带 → T4 磁盘 → T5 磁带 → T6 磁盘 → T7 磁盘 → T8 磁带（读图可得优先级：打印机 > 磁盘 > 磁带）。

易错警示：DMA 响应时间是"存取周期结束"而不是"指令执行结束"；DMA 传送靠硬件而不是程序；DMA 的中断请求只用于后处理，不是每字一次；课件 WC 用 +1 计数、以溢出信号判块结束（与部分教材减 1 判 0 不同，以课件为准）（课件 p.247、250、255）。

7. 易错点与高频陷阱汇总

1. 统一编址用访存（取数/存数）指令、独立编址才用专门 I/O 指令——选项常把两者对调（课件 p.209）。
2. 查询方式 CPU 与 I/O 串行、有踏步等待；中断与 DMA 才是并行（课件 p.212–216）。
3. 中断在指令执行周期结束响应，DMA 在存取周期结束响应——两个"结束"不可互换（课件 p.216、255）。
4. DMA 传送期间不中断现行程序，但块结束后仍要中断做后处理；"DMA 完全不用中断"是错的（课件 p.215、249、252）。
5. MASK = 1 是屏蔽该设备（设备级），EINT = 1 是 CPU 允许响应（全局级）；响应需 EINT = 1 且 D = 1、MASK = 0（课件 p.231、236）。
6. INTR 不是设备直接置位的：设备只控制 D；CPU 的中断查询信号把 D·MASK̄ 打入 INTR（课件 p.231、236）。
7. 断点保护由中断隐指令（硬件）完成，寄存器现场保护由进栈/出栈指令（软件）完成（课件 p.238）。
8. 多重中断在保护现场后就开中断，单重中断在恢复现场后、返回前才开中断（课件 p.239）。
9. 硬件向量法中硬件给出的是向量地址（如 12H），不是入口地址；入口地址要靠向量地址单元里的跳转指令（JMP 200）获得（课件 p.234）。
10. 链式排队器中高优先级请求封锁低优先级：INTR1 = 1 时无论 INTR2–4 为何，只有 INTP1 有效；课件链上输入为反相 INTR̄i（课件 p.232–233）。
11. 周期挪用 ≠ 停止 CPU：挪用只占一个存取周期，周期间 CPU 继续执行现行程序；停止 CPU 才是整块期间 CPU 不工作（课件 p.243–244）。
12. 交替访问把 CPU 工作周期分成 C1（DMA）、C2（CPU），不需要申请/归还总线使用权；需要总线申请应答的是停止 CPU 与周期挪用（课件 p.245）。
13. 选择型 DMA 逻辑上同一时刻只服务一个设备，多路型才允许逻辑上多设备同时（分时）工作（课件 p.256–257）。
14. 8212 是不可编程接口；8259 是中断接口、8257 是 DMA 接口，别与并行/串行的 8255/8251 混记（课件 p.225）。

8. 典型例题精讲

例 1（中断响应条件判断） 某时刻 EINT = 1，设备完成触发器 D = 1，MASK = 1，问 CPU 是否响应该设备中断？若随后软件将该设备 MASK 清 0，何时能响应？

解：① 响应需同时满足 EINT = 1 与 D = 1 且 MASK = 0（课件 p.236）。现 MASK = 1，中断被屏蔽，中断查询后 INTR = 0，故不响应。② MASK 清 0 后，D 仍为 1，在下一条指令执行阶段结束前 CPU 发中断查询信号，INTR 置 1；若 EINT 仍为 1，则在该指令执行结束时响应（课件 p.236）。结论：屏蔽只挡住请求的形成，不丢失设备已完成的事实（D 保持 1）。

例 2（硬件向量法找入口） 排队器输出经设备编码器得到向量地址 00010011B，按课件 p.234 的主存布局求服务程序入口。

解：① 00010011B = 13H；② 主存 13H 单元内容为 JMP 300；③ 执行该跳转得入口地址 300，即显示器服务程序（课件 p.234）。注意区分：13H 是向量地址，300 才是入口地址；12H/14H 分别对应 JMP 200（打印机）/JMP 400。

例 3（周期挪用效率计算） 主存存取周期 0.5 μs，DMA 每挪用一次传送一个字；某设备每 10 μs 准备好一个字并发一次 DMA 请求。求周期挪用下 CPU 被占时间比例；若改用停止 CPU 方式连续传送 1000 字，CPU 停多久？

解：① 每 10 μs 挪用 0.5 μs，比例 = 0.5 ÷ 10 = 5%；② 停止 CPU 方式：1000 × 0.5 μs = 500 μs，期间 CPU 完全不工作；③ 对比：周期挪用只让 CPU 损失 5% 时间且其余时间继续执行现行程序，对该设备明显更优（课件 p.243–244 原理）。

例 4（多路型 DMA 时序） 按课件 p.258 参数（磁盘 30 μs、磁带 45 μs 请求间隔，每次服务 5 μs，优先级打印机 > 磁盘 > 磁带，首请求均在 t = 0），写出 0–100 μs 的服务顺序。

解：t = 0 三请求齐到 → T1 打印机 0–5；t = 5 磁盘、磁带待服务 → T2 磁盘 5–10；T3 磁带 10–15；t = 30 磁盘第 2 次 → T4 30–35；t = 45 磁带第 2 次 → T5 45–50；t = 60 磁盘第 3 次 → T6 60–65；t = 90 磁盘第 4 次与磁带第 3 次同时 → T7 磁盘 90–95、T8 磁带 95–100。与课件 T1–T8 完全一致；DMA 占总线 8 × 5 ÷ 100 = 40%。详细版见习题册题 17。

附：本章速查表

触发器/寄存器速查

信号速查

关键数字速查

流程口诀速查

• 中断隐指令三件事：断点进栈、关中断、向量地址 → PC（p.239）。
• 服务程序四步：保护现场、设备服务、恢复现场、中断返回（p.238）。
• DMA 三阶段：预处理（置方向/DAR/AR/WC、启动）、数据传送（硬件逐字）、后处理（中断服务：校验/是否继续/诊断）（p.248–252）。
• DMA 输入七步：BR 收数 → DREQ → HRQ → HLDA → AR 送地址 → DACK → BR 送主存（p.250）。