计算机组成结构

一、程序查询方式

1. 程序查询基本流程

2. 接口电路

3. 接口工作过程

二、程序中断方式

1. 程序中断基本流程

2. 接口电路

3. I/O 中断处理过程

三、DMA 方式

1. DMA 的概念和特点

2. DMA 与 CPU 的访存冲突

3. DMA 接口的功能

4. DMA 接口的组成

5. DMA 的工作过程

6. DMA 方式和程序中断方式的对比

I/O 设备与主机交换信息时，对信息传送的控制方式一共有五种：程序查询方式、程序中断方式、直接存储器存取方式（DMA）、I/O 通道方式、I/O 处理机方式。

其中，前两种方式都是通过 CPU 中程序指令的执行来控制的。

一、程序查询方式

程序查询方式是由 CPU 通过程序不断查询 I/O 设备是否已做好准备，从而控制 I/O 设备与主机交换信息。

1. 程序查询基本流程

采用这种方式实现主机和 I/O 设备交换信息，要求 I/O 接口内设置一个 状态标记，用来反映 I/O 设备是否准备就绪。CPU 通过检测这个标记，就可以了解 I/O 设备的准备情况。

当 I/O 设备较多时，CPU 就需要按 I/O 设备在系统中的 优先级 进行逐级查询。

为了完成这个查询的流程，CPU 通常需要执行以下 3 条指令：

测试指令：用来查询 I/O 设备是否准备就绪；
传送指令：当 I/O 设备准备就绪时，执行数据的传送指令；
转移指令：如果 I/O 设备未准备就绪，应执行转移指令；转至测试指令，继续测试 I/O 设备的状态。

当执行一段程序，需要启动某个 I/O 设备进行数据交互时，就把查询流程插入到运行的程序中。具体的查询流程如下：

① 这种方式传送数据时要占用 CPU 中的寄存器，所以首先要将寄存器原内容保护起来；

② 传送的往往是一批数据，所以需要设置 I/O 设备与主机交换数据的计数值，用来控制数据量；

③ 设置要传送的数据在主存缓冲区的首地址；

④ CPU 启动 I/O 设备；

⑤ 将 I/O 接口中的设备状态标志取至 CPU 并测试 I/O 设备是否准备就绪。如果未准备就绪，则等待，直到准备就绪为止；当准备就绪时，接着可实现传送。

对输入而言，准备就绪意味着接口电路中的数据缓冲寄存器已装满欲传送的数据，称为 输入缓冲满，CPU 可以取走数据；对输出而言，准备就绪意味着接口电路中的数据已被设备取走，称为 输出缓冲空，这样 CPU 可以再次将数据送到接口，设备则可以再次从接口接收数据。

⑥ CPU 执行 I/O 指令，从 I/O 接口的数据缓冲寄存器中读出一个数据（输入），或者把一个数据写入 I/O 接口中的数据缓冲寄存器内（输出），同时将接口中的状态标志复位；

⑦ 修改主存地址；

⑧ 修改计数值，若原设置计数值为原码，则依次减 1；若原设置计数值为负数的补码，则依次加 1；

⑨ 判断计数值。若计数值不为 0，表示一批数据尚未传送完，重新启动外设继续传送；若计数值为 0，则表示一批数据已传送完毕；

⑩ 结束 I/O 传送，继续执行原程序。

只要一启动 I/O 设备，CPU 就不断地查询 I/O 设备的准备情况，这就会暂停原程序的执行。当 I/O 设备准备就绪后，就将数据逐个传送；直到数据全部传送结束，CPU 才重新回到原程序继续执行。

所以在程序查询方式下，CPU 和 I/O 设备是串行工作的，效率不高。

2. 接口电路

程序查询方式对应的接口电路基本组成如下：

图中的数据缓冲寄存器用来存放要传送的数据；D 是完成触发器，B 是工作触发器。

3. 接口工作过程

以输入设备为例，数据应该从 I/O 设备传送至主机。I/O 接口的具体工作过程为：

① CPU 执行 I/O 指令启动输入设备；指令中的设备码字段，通过地址线（设备选择线）送至设备选择电路；

② 如果接口的设备码与地址线上信号相同，设备被选中，输出 SEL 有效；

③ I/O 指令中的启动命令输入，通过与非门将完成触发器 D 置 0（复位），将工作触发器 B 置1（置位）；

④ 工作触发器 B 输出启动信号，启动设备开始工作；

⑤ 输入设备将数据送至数据缓冲寄存器；

⑥ 输入缓冲满，由设备发出工作结束信号，将完成触发器 D 置 1，工作触发器 B 置 0；

⑦ 完成触发器 D 输出 1，通知 CPU “准备就绪”；

⑧ CPU 执行输入指令，将数据缓冲寄存器中的数据取出，送至通用寄存器，再存入主存。

二、程序中断方式

程序查询方式效率较低，主要原因就是 I/O 设备工作速度较慢，CPU 启动设备后，需要等待一段时间 I/O 设备才能准备就绪、开始信息交换；而 CPU 则耗费了大量时间进行状态查询。

如果 CPU 在启动 I/O 设备后，继续执行自身的原程序；等到 I/O 设备准备就绪后，主动向 CPU 发出请求再予以响应，就可以大大提升工作效率。这个请求就可以以 I/O 中断 的形式出现。

1. 程序中断基本流程

上图中，CPU 在执行 I/O 指令启动 I/O 设备之后，继续执行原程序；在执行第 M 条指令时，I/O 设备准备就绪，发来了中断请求，于是 CPU 在第 M 条指令执行结束后进入中断周期，转而执行中断服务程序；等到中断服务程序执行完毕，再返回到程序断点处，继续执行第 M + 1 条指令。

这种利用 I/O 中断，暂时中断 CPU 现行程序、转入 I/O 服务程序的方式，就称为 程序中断方式。

采用程序中断方式，CPU 就可以不必等待 I/O 设备的准备过程，工作效率得到了明显的提升。不过 CPU 和 I/O 接口需要增加响应的硬件电路，还要编制对应的中断服务程序。

2. 接口电路

很明显，采用程序中断方式，必须在接口电路中增加中断处理相应的硬件，比如中断请求触发器 INTR、中断屏蔽触发器 MASK、排队器、中断向量地址形成部件等。

上图中，完成触发器 D 和屏蔽触发器 MASK 的输出通过与非门连接，产生中断请求信号；并通过排队器判优，交给设备编码器（中断向量地址形成部件）产生向量地址。

3. I/O 中断处理过程

同样，CPU 响应 I/O 设备提出中断请求的条件，是允许中断触发器 EINT = 1；CPU 响应 I/O 中断请求的时间，是在某条指令执行阶段的结束时刻。

以输入设备为例，I/O 中断处理的过程为：

① CPU 发出 I/O 设备启动命令，将完成触发器 D 置 0，将完成触发器 B 置 1；

② 工作触发器 B 启动设备，开始工作；

③ 输入设备将数据送至数据缓冲寄存器；

④ 输入缓冲满，设备发出工作结束信号，将完成触发器 D 置 1，完成触发器 B 置 0；

⑤ 指令执行阶段的结束时刻，CPU 发出中断查询信号；

⑥ 当设备准备就绪（D = 1），且未被屏蔽（MASK = 0）时，中断请求触发器 INTR 被置 1，向 CPU 发出 中断请求；同时 INTR 信号送至排队器，进行 中断判优。

⑦ 当 EINT = 1（允许中断），而设备又被排队器选中时，进入 中断响应 阶段；CPU 发来的中断响应信号 INTA 将排队器的输出送至编码器，形成向量地址；

⑧ 向量地址送至 PC，作为下一条指令的地址；随后跳转至中断服务程序入口地址，进入 中断服务 阶段；

⑨ 执行中断服务程序，通过输入指令将数据缓冲寄存器的数据取出，送至通用寄存器，再存入主存。

⑩ 中断服务程序最后一条指令是 中断返回 指令，执行结束后返回原程序的断点处。

这里也可以看出，一次中断处理的过程可以简单分为 中断请求、中断判优、中断响应、中断服务 和 中断返回 5 个阶段。

三、DMA 方式

1. DMA 的概念和特点

如果 I/O 设备能直接与主存交换信息而不占用 CPU，那么 CPU 的资源利用率就可以进一步提高，这种方式就被称为 直接存储器存取（Direct Memory Access，DMA）。

DMA 方式的特点是，I/O 设备与主存之间有一条直接数据通路。因此，I/O 设备可以与主存直接交换信息，而不需要调用中断服务程序。这样，CPU 就不必暂停现行程序、专门去为设备服务，省去了保护现场和恢复线程的过程；所以工作效率比程序中断方式更高。

对于 高速 I/O 设备 或者辅存，如果采用程序中断方式，那么每次与主机进行数据交互时都要等待 CPU 做出中断响应，很可能会造成数据丢失；因此更适合采用 DMA 方式。

2. DMA 与 CPU 的访存冲突

在 DMA 方式中，由于 DMA 接口与 CPU 都可以访问主存，这就有可能出现两者争用主存的冲突。

I/O 设备请求进行 DMA 传送时，会遇到三种情况：

CPU 此时不需要访问主存：这时 I/O 设备与 CPU 不发生冲突；
CPU 正在访问主存：这时必须等存取周期结束，CPU 才会将总线占有权让出；
CPU 也同时要求访问主存：这就出现了访存冲突。

发生访存冲突时，I/O 访存要优先于 CPU 的访存，因为 I/O 设备不立即访问主存的话就可能丢失数据。所以一般这时需要 CPU 进行 “让步”。

为了有效地分时使用主存，通常采用以下三种方法来解决访存冲突：

（1）停止 CPU 访问主存

这种方法就是 CPU 彻底停止访存、等 I/O 访存结束之后再继续进行。

当外设要求传送一批数据时，由 DMA 接口向 CPU 发一个停止信号，要求 CPU 放弃地址线、数据线和有关控制线的使用权。DMA 接口获得总线控制权后，开始进行数据传送；数据传送结束后，DMA 接口通知 CPU 可以使用主存，并把总线控制权交回给 CPU。

这种方式的优缺点如下：

优点：控制简单，适用于数据传输率很高的 I/O 设备，进行成组数据的传送。
缺点：DMA 接口在访问主存时，CPU 基本上处于不工作状态或保持原状态。

所以这种方式下，CPU 对主存的利用率不高。

（2）周期挪用（或周期窃取）

如果 I/O设备发出 DMA 请求时，CPU 并不是完全放弃总线的使用权，而是允许 I/O 设备 “挪用” 或 “窃取” 总线使用权一个或几个主存周期；这种方式就被称为 周期挪用，或 周期窃取。当 DMA 不请求时，CPU 仍可以继续访问主存。

这就意味着，CPU 在执行访问主存指令过程中，插入了 DMA 请求，那么就会被窃取了若干个存取周期，使CPU 延缓若干存取周期后再访问主存。

与 CPU 暂停访存的方式相比，这种方式既实现了 I/O 传送，又较好地发挥了主存与 CPU 的效率，是一种广泛采用的方法。

（3）DMA 与 CPU 交替访问

这种方法就是 DMA 与 CPU 轮流进行访存，平均分配主存的使用时间。

交替访问的方法适合于 CPU 的工作周期比主存存取周期长的情况。

例如，CPU 的工作周期是主存存取周期的 2 倍以上，那么可以将一个 CPU 周期分为 C~1~ 和 C~2~ 两个子周期，

其中 C~1~ 专门进行 CPU 访存，而 C~2~ 专门进行 DMA 访存。

这种方式不需要总线使用权的申请、建立和归还过程，总线使用权是通过 C~1~ 和 C~2~ 分别控制的。CPU 与 DMA 接口各自有独立的访存地址寄存器、数据寄存器和读/写信号。

在这种工作方式下，CPU 既不停止主程序的运行，也不会进入等待状态。当然，其相应的硬件逻辑也会变得更为复杂。

3. DMA 接口的功能

采用 DMA 方式进行数据传送时，数据的传输过程完全由 DMA 接口电路控制；因此 DMA 接口也被称为 DMA 控制器。

DMA 接口应该具有以下功能：

向 CPU 申请 DMA 传送；
在 CPU 允许 DMA 工作时，处理总线控制权的转交；
在 DMA 期间管理系统总线，控制数据传输；
确定数据传送的起始地址和数据长度，并在传送过程中进行修正；
数据块传送结束时，向 CPU 提交 DMA 操作完成的信号。

4. DMA 接口的组成

最简单的 DMA 接口组成如下图所示：

接口中的主要部件有：

主存地址寄存器（AR）：用于存放主存中需要交换的数据的地址。DMA 传送数据前，应该将数据在主存中的首地址送至 AR；DMA 传送过程中，每交换一次数据，就将 AR 的内容加 1，直到一批数据传送完毕。
字计数器（WC）：用来记录传送数据的总字数。DMA 传送过程中，每传送一个数据字，WC 就减 1（若是补码则加 1），直到计数器为 0（溢出），就表示这批数据传送完毕；DMA 接口就可以向 CPU 发出中断请求信号了。
设备地址寄存器（DAR）：存放 I/O 设备的设备码，或者辅存中的寻址信息。
数据缓冲寄存器（BR）：用来暂存每次要传送的数据。
DMA 控制逻辑：由控制电路、时序电路、命令状态控制寄存器等组成，负责管理 DMA 的传送过程。每当设备准备好一个数据字，就向 DMA 接口提出请求（DREQ），DMA 控制逻辑就向 CPU 请求 DMA 服务，发出总线使用权的请求信号 HRQ；CPU 发出响应信号 HLDA 后，DMA 控制逻辑就开始负责管理 DMA 传送的全过程，并通知设备已经被授权了一个 DMA 周期（DACK）。
中断机构：用来提出中断请求。当字计数器 WC 溢出（全 0）时，一批数据传送完毕，这个 “溢出信号” 就通过中断机构向 CPU 提出中断请求，由 CPU 做 DMA 操作的后处理。

需要注意的是，这里和程序中断方式中的中断，都属于 I/O 中断；但中断的目的不同：程序中断方式的中断是为了传送数据，而 DMA 中的中断只是为了报告一批数据传送结束。

5. DMA 的工作过程

DMA 的数据传送过程可以分为 预处理、数据传送 和 后处理 三个阶段。

（1）预处理

在 DMA 接口开始工作之前，需要先做一些准备工作，由 CPU 给它预置一些信息；这就是 “预处理” 阶段。

告诉 DMA 控制逻辑数据传送的方向，是输入（写主存）还是输出（读主存）；
将设备码写入 DMA 设备地址寄存器 DAR，并启动设备；
将交换数据的主存起始地址，写入 DMA 主存地址寄存器 AR；
将交换数据的个数，写入字计数器 WC

这些准备工作由 CPU 执行几条 I/O 指令完成，也就是程序的初始化阶段。这些工作完成后，CPU 可以继续执行原来的程序。

当 I/O 设备准备就绪时，就通过 DMA 接口向 CPU 提出占用总线的请求；若有多个 DMA 接口同时申请，就按优先级由 硬件排队判优逻辑 决定响应顺序。

I/O 设备得到主存总线的控制权后，数据的传送就全部由 DMA 接口进行管理。

（2）数据传送

DMA 方式是以 数据块 为单位进行数据传送的。

这里以周期挪用的 DMA 方式为例，对于数据输入的场景，数据传送的流程如下：

① 当设备准备好一个数据字时，发出选通信号，将该字读到数据缓冲寄存器（BR）中，表示数据缓冲寄存器 “满”；

② 与此同时，设备向 DMA 接口发出请求（DREQ）；

③ DMA 接口向 CPU 申请总线控制权（HRQ）；

④ CPU 发回应答信号 HLDA，表示允许将总线控制权交给 DMA 接口；

⑤ 将主存地址寄存器 AR 中的主存地址，送至地址总线，并向主存发出写命令；

⑥ 通知设备已被授予一个 DMA 周期（DACK），并为交换下一个字做准备；

⑦ 将数据缓冲寄存器 DAR 的内容，送至数据总线；

⑧ 主存将数据总线上的信息，写至地址总线指定的存储单元中；

⑨ 修改 AR 中的主存地址和字计数值 WC。

⑩ 判断数据块是否传送结束，如果没有结束则继续传送；如果已结束（字计数器溢出），则向 CPU 发出程序中断请求，标志数据块传送结束。

若为输出数据，整体步骤类似，主要的不同就是：

第 ① 步需要将 BR 中的数据送至 I/O 设备，表示 BR 已 “空”；
第 ⑤ 步需要向主存发出读命令；
第 ⑦ ⑧ 步，是将主存相应存储单元的内容，通过数据总线写入 BR，并送至输出设备；

（3）后处理

当 DMA 的中断请求得到响应后，CPU 停止原程序的执行，转而去执行中断服务程序，做一些 DMA 的结束工作，这就是 “后处理” 阶段。

DMA 的结束阶段工作主要包括：

校验送入主存的数据是否正确；
决定是否继续用 DMA 传送其他数据块。若继续传送，则又要对 DMA 接口进行初始化；若不需要传送，则停止外设；
测试在传送过程中是否发生错误；如果出错，则转错误诊断及处理程序。

6. DMA 方式和程序中断方式的对比

DMA 方式和程序中断方式是 I/O 设备最为常见的信息传送控制方式。两者都用到了中断，但中断的目的不同：程序中断方式的中断是为了传送数据，而 DMA 中的中断只是为了报告一批数据传送结束；而且中断的优先级上，DMA 中断的优先级更高。