计算机组成与结构第8章_输入输出系统

第8章输入输出系统2019年12月17日星期二2目录8.1外围设备的速度分级与信息交换方式——了解8.2程序查询方式——了解8.3程序中断方式——掌握8.4DMA方式——掌握8.5通道方式——了解8.6通用I/O标准接口——了解2019年12月17日星期二3考研大纲要求(一)I/O系统基本概念(二)外部设备(三)I/O接口(I/O控制器)1.I/O接口的功能和基本结构2.I/O端口及其编址(四)I/O方式1.程序查询方式2.程序中断方式3.DMA方式DMA控制器的组成；DMA传送过程。4.通道方式第7章中断的基本概念中断响应过程中断处理过程多重中断和中断屏蔽的概念2019年12月17日星期二48.1外围设备的速度分级与信息交换方式8.1.1外围设备的速度分级8.1.2信息交换方式2019年12月17日星期二58.1.1外围设备的速度分级根据外设的工作速度，CPU与外设的定时方式有以下3种：①速度极慢或简单的外围设备CPU直接接收或发送数据。②慢速或中速的外围设备采用异步定时方式，或称为应答式数据交换；CPU与外设之间通过两个相互的联络信号来决定开始数据传送的时间。③高速的外围设备采用同步定时方式；CPU以等间隔的速率执行输入／输出指令。询问信号应答信号由时钟脉冲控制如何使CPU与外设同步工作如：机械开关、发光二极管如：键盘、显示器如：主存、辅存2019年12月17日星期二68.1.2外设信息交换方式程序查询方式早期计算机中使用的一种方式，效率低。程序中断方式适用于随机出现的服务。直接内存访问（DMA）方式适用于内存和高速外围设备之间大批数据交换的场合。通道方式增加一个具有特殊功能的处理器——通道，将CPU的输入输出权力下放。外围处理机方式(PPU)是通道方式的进一步发展。2019年12月17日星期二7程序查询方式工作过程CPU传送数据之前先检查外设的状态，若没有准备好，则继续查询等待，直至外设就绪即进行数据传送。硬件要求只需接口电路的状态、数据口，不需增加其他控制电路。特点CPU主动查询，程序控制数据传送过程，简单易行；每次查询之后只能传送一个字或一个字节的数据，数据传输率不高，CPU时间浪费较多。适用场合CPU不太忙且对传送速度要求不高的系统。2019年12月17日星期二8工作过程CPU有传送要求时，启动外设后可处理其他事件，当外设准就绪后，通过中断的方式和CPU完成数据传送工作。硬件要求需要附加的中断控制电路。特点一定程度上实现了CPU和外设的并行工作；中断操作过程增加了软硬件的开销，且每次数据传送只能传送一个字或一个字节的数据，数据传送效率低。适用场合CPU与慢速外设之间的数据传送。程序中断方式2019年12月17日星期二9工作过程CPU分配总线使用权之后，在硬件DMA控制器（DMAC）的控制下完成存储器与高速外设之间的大量数据的传送。硬件要求需要相应的DMA控制器及数据通路，电路结构复杂，硬件开销大。特点数据传送不需要经过CPU，直接由硬件控制；外设与存储器之间的数据传送量大。适用场合包含有高速外设的系统中。存储器与外设之间数据交换时使用直接内存访问（DMA）方式2019年12月17日星期二10通道方式工作过程CPU将IO控制的权利下放给通道，由通道统一管理所有的输入输出操作。硬件要求需要IO通道（也称IO处理器，IOP）；通道是一个具有特殊功能的处理器。特点硬件代价较高；IO传送的效率高，并且减轻了CPU的工作负担。适用场合高性能要求的系统中。2019年12月17日星期二118.2程序查询方式CPUINAL,DX数据总线地址总线/RD/WR/MIOIO0地址信息0ALOUTDX,AL00地址信息AL数据的输入输出完全由程序控制！2019年12月17日星期二121、设备编址——统一编址方式统一编址方式将I/O系统与主存系统作为一个整体进行编址；优点：访问I/O端口可使用访存指令，操作类型多样，使用灵活；I/O端口有较大的编址空间；缺点：占用主存空间，使实际主存容量减小；I/O访问的指令字长较长，执行速度慢。00000HFFFFFH以20位主存地址、16位I/O地址为例主存储器I/O设备EFFFFHF0000H2019年12月17日星期二131、设备编址——独立编址方式独立编址方式将I/O系统与主存系统分别编址；特点：I/O端口地址不占用主存空间；使用专用的I/O指令，指令字长短，执行速度快；与主存空间区分容易。00000HFFFFFH主存储器I/O设备0000HFFFFH以20位主存地址、16位I/O地址为例2019年12月17日星期二142、输入/输出指令IO指令输入指令：INAL/AX,DX/PORT从指定端口读入一个字节/字数据到累加器；输出指令：OUTDX/PORT,AL/AX将累加器中的一个字节/字数据送到指定端口输出；IO指令一般的功能：①对I/O接口的控制触发器置1或0，控制其进行某些操作；CPU向IO接口发命令字；②测试设备的某些状态；CPU读取IO接口的状态字；③输入或输出数据；CPU与IO接口之间的数据传送；以数据形式传送控制、状态信息2019年12月17日星期二153、程序查询方式的接口CPU通过地址信号选中某设备接口；CPU通过向该接口发送命令字的方式，启动外设；外设开始工作后，设置当前“忙”状态；CPU与外设通过接口内部的数据缓冲器传送数据；动画演示：8-2.swf2019年12月17日星期二164、程序查询输入/输出方式程序执行动作如下：①CPU请求数据传送；②CPU从I/O接口读入状态字；③检查状态字中的标志；④未就绪，则重复②、③步，直到设备就绪为止。⑤CPU输入或输出数据，同时复位接口中的状态标志。特点可通过改变查询顺序修改设备的优先权；CPU工作效率低；动画演示：8-3.swf2019年12月17日星期二178.3程序中断方式8.3.1中断的基本概念8.3.2程序中断方式的基本IO接口8.3.3单级中断8.3.4多级中断8.3.5中断控制器8.3.6PC系列机中断机制2019年12月17日星期二188.3.1中断的基本概念定义：中断是指CPU正常运行程序时，由系统内/外部非预期事件或程序中预先安排好的指令性事件引起的，CPU暂停当前程序的执行，转去为该事件服务的程序中执行，服务完毕后，再返回原程序继续执行的过程。注意：中断是一个CPU执行程序的变化过程；所有能引起中断的事件均称为中断源；处理中断事件的中断服务程序是预先设置好的；结束中断返回原程序时，要以原状态返回暂停处继续执行。2019年12月17日星期二19……IRET主程序中断服务程序IP中断请求主程序中断响应中断服务程序中断返回IRET断点IPIPIP中断过程示意2019年12月17日星期二20有关中断中断处理过程是由硬件和软件结合来完成的。为什么要使用中断？解决速度问题，使CPU和I/O并行工作；对意外情况(如磁盘损坏、运算溢出等)能够及时处理。在实时控制领域中，及时响应外来信号的请求。中断系统需要解决的问题各中断源如何向CPU发出中断请求；有多个中断源时，如何确定优先级；CPU在什么条件、什么时候、以什么方式响应中断；如何保护/恢复现场、如何转入中断服务程序的入口地址；如何处理多重中断。2019年12月17日星期二211.中断请求CPU在结束一个指令周期后，检测中断请求信号；2.中断响应关中断；保护断点现场；判断中断源，获取中断向量；根据中断向量转入中断服务程序执行；3.中断服务保护CPU现场；执行中断服务程序；开中断；恢复CPU现场；4.中断返回恢复断点现场，返回主程序继续执行；由硬件自动完成CPU的中断处理流程由软件完成第一个问题：CPU公操作时检测保存中断请求信号的寄存器对CPU内部寄存器的保护与恢复第三个问题：避免再次中断影响当前中断响应，屏蔽中断源；可实现中断优先权管理第四个问题：中断处理过程由软硬件结合完成由软硬件共同完成第二个问题：为保证CPU能够正常返回主程序2019年12月17日星期二22中断向量中断向量：中断服务程序的入口地址，包括段地址和段内偏移地址，共4个字节的内容；CPU响应中断时，将中断源对应的中断向量送入CS、IP寄存器中，以跟踪中断服务程序的执行。中断向量表：集中存放系统中所有中断向量的存储区。8086PC机中，将存储器物理地址为0~3FFH的1024个单元作为中断向量表，每个向量占用4个字节，可容纳256个中断向量。2019年12月17日星期二23……………………中断向量表0000:00000000:00010000:00020000:0003…………0000:00200000:00210000:00220000:0023…………0000:03FC0000:03FD0000:03FE0000:03FF类型号0类型号8类型号255偏移地址段地址偏移地址段地址偏移地址段地址每个中断向量在中断向量表中的序号，值为0－255。中断类型号2019年12月17日星期二24用中断向量赋值CS、IP中断类型号与中断向量中断类型号（n）4＝中断向量在表中的偏移地址如：n＝8，则应从向量表20H~23H中取出中断向量中断源提供中断类型号n4中断向量地址查表中断向量CPU转向中断服务程序执行CPU使用向量中断的过程：2019年12月17日星期二25中断处理流程由中断隐指令执行2019年12月17日星期二26中断处理过程中的问题第一个问题CPU只有在一条指令执行完毕转入公操作时时，才能处理外设的中断请求。第二个问题为了保证中断服务程序执行完毕后，能够正确地返回到原断点位置，则必须保存PC和当前CPU的状态到堆栈中。第三个问题CPU在中断响应期间，还可能有新的中断请求。为了不致于造成混乱，中断管理部件中必须有中断屏蔽触发器，在中断响应期间屏蔽其他中断源。第四个问题中断处理过程是由硬件和软件结合来完成的；中断周期由硬件实现，中断处理程序由机器指令序列实现。中断返回时再恢复断点状态对中断源的优先权管理2019年12月17日星期二278.3.2程序中断方式的基本I/O接口接口内部组成数据缓冲寄存器；就绪触发器RD、忙状态触发器BS、允许中断触发器EI；中断向量产生逻辑；CPU的相应部件中断请求触发器IR、中断屏蔽触发器IM；程序中断的数据传送过程：CPU启动外设外设准备就绪后，向CPU请求中断CPU接受请求，完成数据传送2019年12月17日星期二28程序中断方式数据传送示意就绪触发器允许触发器忙状态触发器中断请求触发器中断屏蔽触发器①⑩②③数据④⑤⑥一条指令结束⑦⑦⑧⑨数据10110IF=00012019年12月17日星期二29中断处理的策略根据计算机系统对中断处理的策略的不同，可分为：单级中断系统所有的中断源都属于同一个级别，不允许有中断嵌套；多级中断系统中断源分为不同的级别，可以发生中断嵌套，高优先权的中断源请求可以打断低优先权的中断服务；实现方法进入中断服务时的中断屏蔽设置；2019年12月17日星期二308.3.3单级中断单级中断中，所有中断源属于同一个级别，不允许中断嵌套。中断请求信号优先权高优先权低中断响应信号2019年12月17日星期二312、单级中断源的识别——串行排队链法排队链中断响应信号中断排队输入信号；由高优先权中断得到中断排队输出信号选中信号中断源的中断请求信号2019年12月17日星期二32中断向量的产生1.向量中断由硬件直接产生一个与该中断源对应的向量地址；向量地址——中断源的中断服务程序入口地址；要求：在硬件设计时考虑所有中断源的向量地址。2.位移量中断由硬件直接产生一个位移量，该位移量加上CPU中某寄存器中的基地址，得到中断处理程序的入口地址。3.向量