第7 章主机与外部设备的信息交换

第7章主机与外部设备的信息交换——本章简单介绍总线和接口的基本概念，以及I/O指令的设备；然后详细讨论三种I/O传送控制方式及相应的接口，重点放在中断方式上；最后讨论系统总线的组成和操作时序。学习目标掌握：I/O接口的基本功能与组成，同步总线与同步扩展总线，异步总线（应答关系）。直接程序控制方式。熟练掌握：中断方式（定义、特点、应用、中断接口、中断过程、向量中断方式），DMA（定义、特点、应用、DMA过程。理解：接口分类，系统总线的信号组成。了解：IOP。§7.1总线与接口§7.1.1主机与外部设备的连接方式§7.1.2系统总线的功能与分类§7.1.3接口的功能与分类§7.2I/O指令与直接程序控制方式§7.2.1I/O指令§7.2.2直接程序控制§7.3程序中断方式§7.3.1中断基本概念§7.3.2中断接口模型§7.3.3中断过程§7.4DMA方式§7.4.1DMA基本概念§7.4.2DMA初始化及DMA传送过程§7.5系统总线§7.5.1总线标准及信号组成§7.5.2总线的操作时序§7.5.3典型总线举例不做要求§7.1总线与接口§7.1.1主机与外部设备的连接方式CPU主存接口接口I/O设备I/O设备图1-1常见计算机硬件系统结构外设经I/O接口到系统总线上，再通过系统总线与主机相连。1、带有IOP的总线连接方式CPU主存接口接口I/OI/OIOP即输入输出处理机，它的结构和功能与CPU类似，有自己的指令系统，可以进行信息的码制转换、数据格式更换、字带与字的装配和拆卸、数据传送的检测与纠错等预处理操作。局部存储器接口接口I/OI/OIOP局部总线2、多总线连接方式CPU主存接口接口高速I/O高速I/O为提高信息的传输效率，在一些连接高速I/O设备的系统中，设备多组总线。系统总线控制器接口接口I/OI/O系统总线主机在传统大型机中采用通道连接方式，即……（P301）。§7.1.2系统总线的功能与分类总线是一组能为多个部件分时共享的公共的信息传送线路，以及相关的总线协议和相应的控制逻辑。1、总线的功能：是以共享、分时的方式为多个部件提供信息交换通路。几个概念：（教材P302）（1）共享（2）分时（3）总线协议2、总线的分类：（1）按总线在系统中的作用划分CPU内部总线——也称CPU内总线，用来连接CPU内的各个寄存器与算术逻辑运算部件。部件内总线——也称片级总线，用来连接插件板上的各个芯片，常称为局部总线。系统总线——也称板级总线，用来连接计算机系统内各个大功能部件。包括三总线：地址线、控制线、数据线。外总线——也称通讯总线，用来连接多个计算机系统，或连接计算机系统与甚设备。（2）按数据传送格式划分并行总线——有多根数据线，可同时传送多个数据位，因而传送速度快。计算机系统内部的总路线多采用并行总线。串行总线——有一根数据线，串行逐位地传送数据，传送速度慢，但节省传送线。外总线多采用串行总线，以降低通讯线路的成本，实现远距离传输。（3）按时序控制方式划分定义典型作法特点适用范围同步总线指总线传送操作由统一的同步时序信号控制由CPU或专门的系统时钟提供统一时序，在固定的时钟周期内传送数据，用同步脉冲定时将数据打入目的地。有严格的时钟周期划分，传送操作所需的总线周期可能包含若干个固定的时钟周期，控制简单，时间利用率低。适用于系统内各部件之间的传送时间差异较、传送时间确定、传送距离较短的场合。（3）按时序控制方式划分定义典型作法特点适用范围异步总线指根据各部件的实际需要，以异步应答方式控制总线传送操作。先由部件甲向部件乙发出传送请求信号，然后启动总线传送（读传送或写传送）。无固定的时钟周期划分，用异步应答方式控制传送，用于传送操作的总线周期可长可短，时间利用率很高，但控制较复杂。适用于各部件传送速度差异较大，距离较长、传送时间不确定的场合。（3）按时序控制方式划分定义典型作法特点适用范围扩展同步总线采用以同步方式为基础，部分引入异步控制的做法，使异步事件同步化。以时钟周期为时间基准，总线周期所包含的时钟周期数可以根据需要而变化。周期长度不固定，时间利用率高，控制简单。。为广义上的同步总线范畴。备注：CPU内总线和局部总线采用同步总线，系统总线采用扩展同步总线或异步总线，外总线则多为异步总线。§7.1.3接口的功能与分类接口是两个部件之间的交接部分，或称界面。（硬件接口、软件接口、软硬接口）I/O接口是指主机和外设之间的硬件接口。1、I/O接口的基本功能（1）寻址（2）数据缓冲（3）预处理（4）控制功能（具体内容见教材P304页）3、I/O接口的分类：（1）按数据传送格式划分并行接口——是指接口与系统总线之间、接口与外设之间均按并行方式传送数据。串行接口——是指接口与外设之间采取串行方式传送数据，接口与系统总线之间仍按并行方式进行传送。（2）按传送控制方式划分（P306）直接程序传送接口——指接口与CPU之间的信息传送采用直接程序控制方式。即CPU在其程序中访问接口，查询设备的状态，以决定等待还是执行数据传送操作，中断接口——是指接口与CPU之间的采用中断方式进行联络，即接口向CPU申请中断，CPU响应后执行中断服务程序，与接口进行信息交换。DMA接口——是指接口与主存之间采用DMA方式进行数据交换。传送控制功能主要由DMA控制器承担。§7.2I/O指令与直接程序控制方式实现主机与外设之间的信息传送，采取I/O传送控制方式，也称为信息交换方法。在一般的系统中采用直接程序控制方式、程序中断方式和DMA方式。在大型系统中可采用通道方式或IOP方式。§7.2.1I/O指令I/O指令的基本功能是实现各种信息的输入/输出。这里的信息包括要交换的数据、主机的命令、设备的状态等。不同的计算机系统或CPU，在I/O指令的格式和功能方面存在较大的差异。（1）隐式I/O指令，即用通用的传送指令代替专用的I/O指令。（2）专用I/O指令（显式指令），该I/O接口分配单独的端口地址，在I/O指令中以直接或间接方式给出接口的端口地址，以访问接口中的相应寄存器。（3）有的系统所设置的I/O指令不仅用于数据的输入/输出，还可在指令中向外设发出有关控制命令，或直接根据外设的状态进行判断和转移。1、输入指令格式：IN寄存器号，输入端口号功能：将端口地址送入接口进行译码，取出被选中的接口寄存器的内容，输入CPU的寄存器中。端口地址采用两种方法获得：（1）直接I/O端口寻址（2）间接I/O端口寻址2、输出指令格式：OUT输入端口号，寄存器号功能：将直接或间接获得的端口地址送入进行曲译码，并将CPU寄存器的内容输出到被选中的接口寄存器中。（1）直接I/O端口寻址（2）间接I/O端口寻址§7.2.2直接程序控制方式1、定义：当CPU所运行的程序需要进行I/O传送时，该程序直接使用I/O指令访问I/O接口，实现数据传送。2、两种情况：一是CPU不需了解设备的状态，直接用I/O指令与接口交换数据。二是CPU启动外设后需要查询等待，直到外设准备好才能进行数据交换。3、程序查询方式按照启动、查询、等待、交换的步骤进行。§7.3程序中断方式§7.3.1中断基本概念1、中断方式：定义：中断方式是指CPU在执行程序的过程中，若因出现某种随机事件而收到中断请求，遇暂时停止现行程序的执行，转去执行下一段中断服务程序，以处理该事件，并在处理完毕后自动恢复原程序的执行。特点：程序切换（程序转移）和随机性。§7.3.1中断基本概念1、中断方式：定义：中断方式是指CPU在执行程序的过程中，若因出现某种随机事件而收到中断请求，遇暂时停止现行程序的执行，转去执行下一段中断服务程序，以处理该事件，并在处理完毕后自动恢复原程序的执行。特点：程序切换（程序转移）和随机性。2、中断方式应用范围：（1）处理中、低速I/O操作，实现主机与外设的并行工作（2）处理故障（3）进行实时处理（4）使用软中断（5）实现人机对话（6）实现多机通信3、怎样组织中断方式？•采用模块化的思想，将现行程序（主程序）与中断处理程序（中断子程序）分开组织。•主程序主要完成初始化中断接口、开中断、启动I/O等工作，以便在主程序的执行过程中能响应随机提出的中断请求。•中断处理程序则需针对系统中各中断源的情况事先编写，并存放在主存储器中。•获取中断服务程序的入口地址主要通过非向量中断和向量中断两种方式实现。（1）非向量中断方式：将各个中断服务程序的入口地址编写在一个查询程序中。当CPU响应中断时，按固定地址转入查询程序执行，查找并确定中断源，再由查询程序切换到相应的中断服务程序。（2）向量中断方式：将各中断服务程序的入口地址（中断向量）组织在中断向量表中。当CPU响应中断时，由硬件直接产生对应于中断源的向量地址，按该地址访问向量表，取得服务程序的入口，转入相应的中断服务程序。参见P315页图7-7中断接口组成模型。1、寄存器选择逻辑：作用是对接口中的寄存器寻址。选择逻辑对系统总线送来的地址译码形成一组选择信号，选中某个寄存器供CPU访问。2、命令字寄存器：作用是传送CPU命令。3、状态字寄存器：作用是反映设备和接口的运行状态。§7.3.2中断接口模型4、数据缓冲寄存器：暂时存放主机与外设需要交换的数据，起到数据缓冲的作用。5、控制逻辑：6、公用的中断控制器：§7.3.3中断过程1、中断请求将中断请求信号传送到CPU可采用两类传送模式：单独请求和公共请求。2、中断判优与屏蔽（1）现行程序与中断请求之间的判优（2）中断请求之间的判优3、中断响应（1）发中断响应信号、查询中断源（2）关中断（3）保存断点（4）取中断向量4、中断处理（1）保护现场（2）送新屏蔽字并开中断（3）进行具体中断服务（4）关中断并恢复现场（5）开中断并返回§7.4DMA方式§7.4.1DMA基本概念1、DMA方式定义：是指直接依靠硬件在主存和I/O设备之间传送数据，传送期间不需要CPU程序干预。特点：具有随机性具有更高的并行性传送速度快、传送操作简单。2、DMA应用（1）用于磁盘等高速外存的数据块传送（2）用于高速通信设备的数据帧传送（3）用于高速数据采集（4）用于动态存储器刷新（5）实现人机对话（6）实现多机通信3、DMA方式的硬件组织§7.5系统总线§7.5.1总线标准及信号组成1、电源线2、地址线3、数据线4、控制信号线按功能分类：时序信号数据传送控制信号请求与响应信号其他控制信号§7.4.2DMA初始化及DMA传送过程1、初始化阶段初始化阶段也称程序准备阶段，即CPU在程序中对DMA控制器和接口进行初始化操作。2、DMA传送阶段（1）DMA请求（2）DMA响应（3）DMA传送3、善后处理阶段作业作业本上的内容。