十月底在“打渔”😂，没怎么学习，要赶紧把上部分搞定，开始下部分。
这周的内容是输入输出系统，内部不算多，加把劲。
概述
早期采用分散连接，CPU 和 I/O 设备串行工作，信息传送控制方式采用程序查询方式；然后是接口模块和 DMA 阶段，此时信息传送控制方式采用总线连接，CPU 和 I/O 设备并行工作，采用中断方式和 DMA 方式；往后依次是具有通道的阶段和具有 I/O 处理机的阶段。
I/O 系统由两部分组成：I/O 软件和 I/O 硬件，其中软件包括 I/O 指令（CPU 指令的一部分）和通道指令（通道自身的指令），硬件包括 I/O 接口和设备控制器。
I/O 设备与主机的联系方式主要考虑以下问题：
- I/O 设备的编址方式：分为统一编址（用取数、存数指令）和不统一编址（有专门的 I/O 指令）
- 设备选址：用设备选择电路识别是否被选中
- 传送方式：串行或并行
- 联络方式：立即响应、异步工作采用应答信号或同步工作采用同步时标
- I/O 设备与主机的三种种连接方式：辐射式连接（不便于增删设备）和总线连接（便于增删设备）。
最后是 I/O 设备与主机信息传送的三种控制方式：
- 程序查询方式
- 程序中断方式
- DMA 方式
下面再深入一下。
I/O 设备
I/O 设备也叫外部设备，也就是输入输出设备，大致分为三类：人机交互设备（键盘、鼠标、显示器）、计算机信息存储设备（磁盘、光盘）和机-机通信设备（调制解调器，也就是原来说的光猫），剩下的具体设备就不说了，不是重点。
I/O 接口
首先应该明确的是设置接口的目的（功能）：
- 实现设备的选择
- 实现数据缓冲达到速度匹配
- 实现数据串-并格式转换
- 实现电平转换
- 传送控制命令
- 反映设备的状态（“忙”、“就绪”、“中断请求”）
总线连接方式的 I/O 接口电路包括：设备选择线、数据线、命令线和状态线，各个组成部分也有相对应的功能：
| 功能 | 组成 |
|---|---|
| 选址功能 | 设备选择电路 |
| 传送命令 | 命令寄存器、命令译码器 |
| 传送数据 | 数据缓冲寄存器 |
| 反映设备状态的功能 | 设备状态标记（完成触发器 D、工作触发器 B、中断请求触发器 INTR、屏蔽触发器 MASK） |
I/O 接口大致的基本组成如下图：
I/O 接口分类方式比较多，这里不赘述了，非重点。
程序查询方式
程序查询方式的流程主要分两个部分：查询流程和程序流程，这里不详细描述了，总之记住这种方式最大的特点：串行工作。
程序中断方式
中断的概念，可以参考百科——中断。
实际上，简单理解起来就是打断 CPU 的工作，执行完成其他的指令后，继续执行原指令。从宏观上看，CPU 和其他设备是在并行工作。
程序中断方式的接口电路主要由中断请求触发器、中断屏蔽触发器、排队器、中断向量地址形成部件等组成，如下图所示：
上图中，完成触发器 D 受设备本身控制；中断屏蔽触发器 MASK 为 1 时，屏蔽中断信号；中断请求触发器 INTR 为 1 时，表示有中断请求。
另外，排队器分为软件和硬件，其内部的中断请求优先级按降序排列。中断向量地址可由硬件产生，也可由软件产生，这个地址可以理解为要执行的程序的地址的地址？
I/O 中断处理过程，如下图：
中断服务程序的流程：
- 保护现场：包括程序断电的保护（中断隐指令完成）和寄存器内容的保护（进栈指令）
- 中断服务：对不同的 I/O 设备具有不同内容的设备服务
- 恢复现场：出栈指令
- 中断返回：中断返回指令
中断还分为单重中断（不允许中断现行的中断服务程序）和多重中断（允许级别更高的中断源中断现行的服务程序），二者的区别如下图：
最后，需要再次强调的是，在宏观上 CPU 和 I/O 并行工作，但在微观上，CPU 中断现行程序为 I/O 服务。
DMA 方式
DMA 方式的特点
程序中断方式的数据传送通路需要经过 CPU，但 DMA 方式的数据传送通路不需要经过 CPU，外部设备与主存直接通过 DMA 接口即可进行数据交换。
DMA 与主存交换数据的方式有三种：
- 停止 CPU 访问主存，这种方式控制简单，但在数据传送的过程中，CPU 处于不工作状态或保持状态，不能充分发挥 CPU 对主存的利用率。
- 周期挪用（也叫周期窃取），这里提到的周期就是指访存周期（存取周期）。所谓周期挪用，其实就是指在 DMA 接口开始进行数据传送时，CPU 放弃对主存的占用，待 DMA 接口完成数据传送后，CPU 再进行对主存访问。此时存在三种可能：CPU 此时不访存、CPU 正在访存、CPU 和 DMA 同时请求访存（此时 CPU 将总线控制权让给 DMA）。
- DMA 与 CPU 交替访问，将 CPU 工作周期分为 $C_1$（专供 DMA 访存）和 $C_2$（专供 CPU 访存）。
DMA 接口的功能
主要是以下五点：
- 向 CPU 申请 DMA 传送
- 处理总线控制权的转交
- 管理系统总线、控制数据传送
- 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
- DMA 传送结束时，给出操作完成信号
DMA 接口组成
参考下图：
DMA 工作过程
DMA 传送过程
DMA 传送过程依次是预处理、数据传送和后处理。
预处理
通过几条输入输出指令预置如下信息：
- 通知 DMA 控制逻辑传送方向（入/出）
- 设备地址 DMA 的 DAR
- 主存地址 DMA 的 AR
- 传送字数 DMA 的 WC
数据传送
后处理
后处理主要完成以下三个任务：
- 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
注意，后处理过程都是由中断服务程序完成。
DMA 接口与系统的连接方式
主要是两种方式：具有公共请求线的 DMA 请求和独立的 DMA 请求，这有点像是并联和串联的差异？😦
DMA 方式与程序中断方式的比较
| 类别 | 中断方式 | DMA方式、 |
|---|---|---|
| 数据传送 | 程序 | 硬件 |
| 响应时间 | 指令执行结束 | 存取周期结束 |
| 处理异常情况 | 能 | 不能 |
| 中断请求 | 传送数据 | 后处理 |
| 优先级 | 低 | 高 |
DMA 接口的类型
也就是下面两种：
选择型： 在物理上连接多个设备，在逻辑上只允许连接一个设备。
多路型：在物理上连接多个设备，在逻辑上允许连接多个设备。
总结
这章的内容听起来真的是枯燥无味啊...基本上 30s 过后，绝对会走神。哎，自己的注意力已经变得这么难以集中了么（手动狗头）...
回到正题，输入输出系统这一块的内容应该在信息传送的三种控制方式上，容易与其他章节的知识点结合起来出综合题。所以针对应试的话，需要找一找这方面的题目进行练习。
另外，在学习这章的过程中，有一个很深刻的感受：如果学习这门课之前先学习了微机原理，那这门课学起来应该恒容易😂，原因是因为这门课介绍了很多与电路相关的东西。
PS：在 MOOC 上的课程中，这是两周的内容，这里只算一周的内容。
PPS：最后补上最后一章的思维导图...
