計算機(jī)組成原理第五章-10年

1、第五章第五章 輸入輸出系統(tǒng)輸入輸出系統(tǒng)5.5 DMA方式方式5.4 程序中斷方式程序中斷方式5.3 程序查詢方式程序查詢方式5.2 I/O接口接口5.1 概述概述5.1 概概 述述一、輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展概況一、輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展概況1. 早期早期分散連接分散連接CPU 和和 I/O 串行串行 工作工作程序查詢方式程序查詢方式2. 接口模塊和接口模塊和 DMA 階段階段總線連接總線連接CPU 和和 I/O 并行并行 工作工作3. 具有通道結(jié)構(gòu)的階段具有通道結(jié)構(gòu)的階段4. 具有具有 I/O 處理機(jī)的階段處理機(jī)的階段中斷方式中斷方式DMA 方式方式5.2 I/O 接接 口口一、概述一、概述為什么要設(shè)

2、置接口？為什么要設(shè)置接口？1. 實現(xiàn)設(shè)備的選擇實現(xiàn)設(shè)備的選擇2. 實現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖達(dá)到速度匹配實現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖達(dá)到速度匹配4. 實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換5. 傳送控制命令傳送控制命令6. 反映設(shè)備的狀態(tài)（反映設(shè)備的狀態(tài)（“忙忙”、“就緒就緒”、“中斷請求中斷請求”）3. 實現(xiàn)數(shù)據(jù)串實現(xiàn)數(shù)據(jù)串 并格式轉(zhuǎn)換并格式轉(zhuǎn)換I/O 接接 口口I/O 設(shè)設(shè) 備備CPUu 端口和接口的區(qū)別端口和接口的區(qū)別I/OI/O接口指主機(jī)與接口指主機(jī)與I/OI/O設(shè)備之間設(shè)置的一個硬件電路及其相應(yīng)的設(shè)備之間設(shè)置的一個硬件電路及其相應(yīng)的軟件控制。軟件控制。指接口電路中的指接口電路中的一些寄存器一些寄存器 若干個端口加上相應(yīng)若干個端

3、口加上相應(yīng)的控制邏輯組成接口的控制邏輯組成接口 二、接口的功能和組成二、接口的功能和組成(1) 設(shè)備選擇線設(shè)備選擇線(2) 數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線(3) 命令線命令線(4) 狀態(tài)線狀態(tài)線I/O 接口接口設(shè)備設(shè)備I/O 接口接口設(shè)備設(shè)備數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線命令線命令線狀態(tài)線狀態(tài)線I/O總線總線設(shè)備選擇線設(shè)備選擇線 總線連接方式的總線連接方式的 I/O 接口電路接口電路2. 接口的功能和組成接口的功能和組成功能功能組成組成選址功能選址功能傳送命令的功能傳送命令的功能傳送數(shù)據(jù)的功能傳送數(shù)據(jù)的功能反映設(shè)備狀態(tài)的功能反映設(shè)備狀態(tài)的功能設(shè)備選擇電路設(shè)備選擇電路命令寄存器命令寄存器 命令譯碼器命令譯碼器數(shù)據(jù)緩沖寄存器（數(shù)據(jù)緩

4、沖寄存器（DBR）設(shè)備狀態(tài)標(biāo)記設(shè)備狀態(tài)標(biāo)記完成觸發(fā)器完成觸發(fā)器 D工作觸發(fā)器工作觸發(fā)器 B中斷請求觸發(fā)器中斷請求觸發(fā)器 INTR屏蔽觸發(fā)器屏蔽觸發(fā)器 MASKI/O 接口的基本組成接口的基本組成 命令寄存器命令寄存器和命令譯碼器和命令譯碼器 設(shè)備選擇設(shè)備選擇 電路電路 設(shè)備狀態(tài)設(shè)備狀態(tài) 標(biāo)記標(biāo)記 數(shù)據(jù)緩沖數(shù)據(jù)緩沖 寄存器寄存器DBR 控制邏輯電路控制邏輯電路I/O接口接口外外 部部 設(shè)設(shè) 備備數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線命令命令狀態(tài)狀態(tài)數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線命令線命令線狀態(tài)線狀態(tài)線CPU地址線地址線三、接口類型三、接口類型并行接口并行接口串行接口串行接口可編程接口可編程接口不可編程接口不可編程接口通用接口通用接口專用接

5、口專用接口1. 按數(shù)據(jù)按數(shù)據(jù) 傳送方式傳送方式 分類分類2. 按功能按功能 選擇的靈活性選擇的靈活性 分類分類3. 按按 通用性通用性 分類分類4. 按數(shù)據(jù)傳送的按數(shù)據(jù)傳送的 控制方式控制方式 分類分類中斷接口中斷接口DMA 接口接口Intel 8255Intel 8251Intel 8255、 Intel 8251Intel 8212Intel 8255、 Intel 8251Intel 8279、 Intel 8275Intel 8259Intel 8257CPU 和和 I/O 串行工作串行工作踏步等待踏步等待CPU讀讀I/O狀態(tài)狀態(tài)檢查狀態(tài)檢查狀態(tài)未準(zhǔn)備就緒未準(zhǔn)備就緒出錯出錯從從I/O接

6、口中讀接口中讀 一個字到一個字到CPU從從CPU向主存向主存 寫入一個字寫入一個字CPU向向I/O發(fā)發(fā) 讀指令讀指令CPU讀讀I/O狀態(tài)狀態(tài)檢查狀態(tài)檢查狀態(tài) 完成否完成否未準(zhǔn)備就緒未準(zhǔn)備就緒現(xiàn)行程序現(xiàn)行程序是是出錯出錯已準(zhǔn)備就緒已準(zhǔn)備就緒否否5.3 程序查詢方式程序查詢方式一、程序查詢流程一、程序查詢流程 由CPU通過程序不斷查詢I/O設(shè)備是否已經(jīng)做好準(zhǔn)備，從而控制I/O設(shè)備與主機(jī)交換信息。u程序流程程序流程設(shè)置內(nèi)存緩沖區(qū)首址設(shè)置內(nèi)存緩沖區(qū)首址設(shè)置計數(shù)器設(shè)置計數(shù)器啟動外設(shè)啟動外設(shè)傳送一個數(shù)據(jù)傳送一個數(shù)據(jù)修改內(nèi)存地址修改內(nèi)存地址修改計數(shù)值修改計數(shù)值結(jié)束結(jié)束I/O傳送傳送準(zhǔn)備好？準(zhǔn)備好？傳送完？傳

7、送完？未完未完是是完完否否設(shè)備選擇電路設(shè)備選擇電路DBRQQ&數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線準(zhǔn)備就緒準(zhǔn)備就緒啟動命令啟動命令地址線地址線SEL輸入數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)啟動設(shè)備啟動設(shè)備設(shè)備工作設(shè)備工作 結(jié)束結(jié)束DB二、程序查詢方式的接口電路二、程序查詢方式的接口電路10 10以輸入為例以輸入為例I/O 工作工作CPU 不查詢不查詢CPU 暫?，F(xiàn)行程序暫停現(xiàn)行程序自身準(zhǔn)備自身準(zhǔn)備與主機(jī)交換信息與主機(jī)交換信息CPU 和和 I/O 并行工作并行工作 啟動啟動 I/O現(xiàn)行程序現(xiàn)行程序 中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序KK+1沒有踏步等待現(xiàn)象沒有踏步等待現(xiàn)象中斷現(xiàn)行程序中斷現(xiàn)行程序5.4 程序中斷方式程序中斷方式CPU 向向 I/

8、O 發(fā)讀指令發(fā)讀指令CPU 讀讀 I/O 狀態(tài)狀態(tài)檢查狀態(tài)檢查狀態(tài)完成否？完成否？CPU 做其他事情做其他事情I/O 設(shè)備工作設(shè)備工作準(zhǔn)備就緒準(zhǔn)備就緒CPU I/O從從 CPU 向主存寫入一個字向主存寫入一個字CPU 主存主存從從 I/O 接口中讀一個字到接口中讀一個字到CPUI/O CPU中斷請求中斷請求I/O CPU出錯出錯是是否否未錯未錯一、一、程序中斷方式流程程序中斷方式流程中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序入口入口1入口入口212二、中斷的概念二、中斷的概念KK+1QQ+1中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序1中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序2計算機(jī)在執(zhí)行計算機(jī)在執(zhí)行程序的過程中，當(dāng)出現(xiàn)異

9、常情況或特殊請求時，計算機(jī)停程序的過程中，當(dāng)出現(xiàn)異常情況或特殊請求時，計算機(jī)停止現(xiàn)行程序的運(yùn)行，轉(zhuǎn)向?qū)@些異常情況或特殊請求的處理，處理結(jié)束止現(xiàn)行程序的運(yùn)行，轉(zhuǎn)向?qū)@些異常情況或特殊請求的處理，處理結(jié)束后再返回到現(xiàn)行程序的間斷處，繼續(xù)執(zhí)行原程序，這就是后再返回到現(xiàn)行程序的間斷處，繼續(xù)執(zhí)行原程序，這就是“中斷中斷”三、程序中斷方式的接口電路三、程序中斷方式的接口電路1. 中斷請求觸發(fā)器和中斷屏蔽觸發(fā)器中斷請求觸發(fā)器和中斷屏蔽觸發(fā)器DQ&1INTR 中斷請求觸發(fā)器中斷請求觸發(fā)器INTR = 1 有請求有請求MASK 中斷屏蔽觸發(fā)器中斷屏蔽觸發(fā)器MASK = 1 被屏蔽被屏蔽來自來自 CPU

10、 的的中斷查詢信號中斷查詢信號受設(shè)備本身控制受設(shè)備本身控制INTR D MASKQD 完成觸發(fā)器完成觸發(fā)器中斷請求中斷請求1INTP11INTP21INTP31INTP4&INTR1INTR2INTR3INTR4INTR1INTR2INTR3INTR4 1& 1& 1& 1& INTP1INTP2INTP3INTP4INTR2INTR1INTR1INTR21&INTP2鏈?zhǔn)脚抨犉麈準(zhǔn)脚抨犉髟O(shè)備設(shè)備 1#、2#、3#、4# 優(yōu)先級按優(yōu)先級按 降序排列降序排列INTRi = 1 有請求有請求 即即 INTRi = 02. 排隊器排隊器3. 中斷向量地

11、址形成部件中斷向量地址形成部件入口地址入口地址向量地址向量地址排隊器輸出排隊器輸出由軟件產(chǎn)生由軟件產(chǎn)生硬件向量法硬件向量法 顯示器服務(wù)程序顯示器服務(wù)程序 打印機(jī)服務(wù)程序打印機(jī)服務(wù)程序JMP 400JMP 300JMP 200主存主存12H13H14H200300向量地址向量地址入口地址入口地址入口地址入口地址中斷向量地址中斷向量地址 形成部件形成部件 設(shè)備設(shè)備編碼器編碼器1 0 0 0000100100 1 0 000010011詳見第八章詳見第八章由由 硬件硬件 產(chǎn)生產(chǎn)生 向量地址向量地址再由再由 向量地址向量地址 找到找到 入口地址入口地址設(shè)備選擇電路設(shè)備選擇電路DBR DQ&數(shù)據(jù)

12、線數(shù)據(jù)線啟動命令啟動命令地址線地址線SEL輸入數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)啟動設(shè)備啟動設(shè)備設(shè)備工作設(shè)備工作 結(jié)束結(jié)束&1QQDINTR BQQMASK 設(shè)備編碼器設(shè)備編碼器排隊器排隊器中斷查詢中斷查詢來自高一級來自高一級 的排隊器的排隊器至低一級至低一級的排隊器的排隊器向量地址向量地址中斷響應(yīng)中斷響應(yīng) INTA中斷請求中斷請求命令譯碼命令譯碼4. 程序中斷方式接口電路的基本組成程序中斷方式接口電路的基本組成四、四、I/O 中斷處理過程中斷處理過程1. CPU 響應(yīng)中斷的條件和時間響應(yīng)中斷的條件和時間(1) 條件條件(2) 時間時間允許中斷觸發(fā)器允許中斷觸發(fā)器 EINT = 1用用 開中斷開中斷 指令置

13、指令置 “1” EINT用用 關(guān)中斷關(guān)中斷 指令置指令置“ 0” EINT 或硬件或硬件 自動復(fù)位自動復(fù)位在每條指令執(zhí)行階段的結(jié)束前在每條指令執(zhí)行階段的結(jié)束前CPU 發(fā)發(fā) 中斷查詢信號中斷查詢信號（將（將 INTR 置置“1”）設(shè)備選擇電路設(shè)備選擇電路DBR DQ&數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線啟動命令啟動命令地址線地址線SEL輸入數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)啟動設(shè)備啟動設(shè)備設(shè)備工作設(shè)備工作 結(jié)束結(jié)束&1QQDINTR BQQ MASK設(shè)備編碼器設(shè)備編碼器排隊器排隊器中斷查詢中斷查詢來自高一級來自高一級 的排隊器的排隊器至低一級至低一級的排隊器的排隊器向量地址向量地址中斷響應(yīng)中斷響應(yīng) INTA中斷請求中斷請求命

14、令譯碼命令譯碼2. I/O 中斷處理過程中斷處理過程10&DBR設(shè)備選擇電路設(shè)備選擇電路01以輸入為例以輸入為例u中斷請求中斷請求u中斷判優(yōu)中斷判優(yōu)u中斷響應(yīng)中斷響應(yīng)u中斷服務(wù)中斷服務(wù)u中斷返回中斷返回五、中斷服務(wù)程序流程五、中斷服務(wù)程序流程1. 中斷服務(wù)程序的流程中斷服務(wù)程序的流程(1) 保護(hù)現(xiàn)場保護(hù)現(xiàn)場(2) 中斷服務(wù)中斷服務(wù)(3) 恢復(fù)現(xiàn)場恢復(fù)現(xiàn)場(4) 中斷返回中斷返回對不同的對不同的 I/O 設(shè)備具有不同內(nèi)容的設(shè)備服務(wù)設(shè)備具有不同內(nèi)容的設(shè)備服務(wù)中斷返回指令中斷返回指令2. 單重中斷和多重中斷單重中斷和多重中斷不允許中斷不允許中斷 現(xiàn)行的現(xiàn)行的 中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序單重單重

15、 中斷中斷多重多重 中斷中斷允許級別更高允許級別更高 的中斷源的中斷源中斷中斷 現(xiàn)行的現(xiàn)行的 中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序中斷隱指令完成中斷隱指令完成進(jìn)棧指令進(jìn)棧指令出棧指令出棧指令程序斷點(diǎn)的保護(hù)程序斷點(diǎn)的保護(hù)寄存器內(nèi)容的保護(hù)寄存器內(nèi)容的保護(hù)3. 單重中斷和多重中斷的服務(wù)程序流程單重中斷和多重中斷的服務(wù)程序流程中斷否？中斷否？保護(hù)現(xiàn)場保護(hù)現(xiàn)場設(shè)備服務(wù)設(shè)備服務(wù)恢復(fù)現(xiàn)場恢復(fù)現(xiàn)場 開中斷開中斷中斷返回中斷返回取指令取指令執(zhí)行指令執(zhí)行指令中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序 中斷響應(yīng)中斷響應(yīng) 程序斷點(diǎn)進(jìn)棧程序斷點(diǎn)進(jìn)棧 關(guān)中斷關(guān)中斷 向量地址向量地址 PC中斷周期中斷周期是是中斷返回中斷返回保護(hù)現(xiàn)場保護(hù)現(xiàn)場設(shè)備服務(wù)設(shè)備

16、服務(wù)恢復(fù)現(xiàn)場恢復(fù)現(xiàn)場開中斷開中斷開中斷開中斷開中斷開中斷否否取指令取指令執(zhí)行指令執(zhí)行指令中斷否？中斷否？否否 中斷響應(yīng)中斷響應(yīng) 程序斷點(diǎn)進(jìn)棧程序斷點(diǎn)進(jìn)棧 關(guān)中斷關(guān)中斷向量地址向量地址 PC中斷周期中斷周期是是中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序單重單重 多重多重 5.5 DMA 方式方式一、一、DMA 方式的特點(diǎn)方式的特點(diǎn)1. DMA 和程序中斷兩種方式的數(shù)據(jù)通路和程序中斷兩種方式的數(shù)據(jù)通路CPU主主存存ACC 中斷接口中斷接口DMA 接口接口I/O 設(shè)設(shè) 備備中斷方式數(shù)據(jù)傳送通路中斷方式數(shù)據(jù)傳送通路輸入指令輸入指令輸出指令輸出指令DMA方式數(shù)據(jù)傳送通路方式數(shù)據(jù)傳送通路2. DMA 與主存交換數(shù)據(jù)的三種方

17、式與主存交換數(shù)據(jù)的三種方式(1) 停止停止 CPU 訪問主存訪問主存控制簡單控制簡單CPU 處于不工作狀態(tài)或保持狀態(tài)處于不工作狀態(tài)或保持狀態(tài)未充分發(fā)揮未充分發(fā)揮 CPU 對主存的利用率對主存的利用率主存工作時間主存工作時間CPU不執(zhí)行程序不執(zhí)行程序DMA不工作不工作DMA不工作不工作DMA工作工作 CPU控制控制并使用主存并使用主存 DMA控制控制并使用主存并使用主存t適用于速度很高的適用于速度很高的I/O設(shè)備實現(xiàn)設(shè)備實現(xiàn)成組數(shù)據(jù)成組數(shù)據(jù)傳送傳送(2) 周期挪用（或周期竊?。┲芷谂灿茫ɑ蛑芷诟`取）DMA 訪問主存有三種可能訪問主存有三種可能 CPU 此時不訪存此時不訪存 CPU 正在訪存正在訪

18、存 CPU 與與 DMA 同時請求訪存同時請求訪存此時此時 CPU 將總線控制權(quán)讓給將總線控制權(quán)讓給 DMA主存工作時間主存工作時間 CPU控制控制并使用主存并使用主存 DMA控制控制并使用主存并使用主存t單字傳送單字傳送(3) DMA 與與 CPU 交替訪問交替訪問主存工作時間主存工作時間 DMA控制控制并使用主存并使用主存 CPU控制控制并使用主存并使用主存tCPU 工作周期工作周期C1 專供專供 DMA 訪存訪存C2 專供專供 CPU 訪存訪存適合于適合于CPU的工作周期比主存存取周期長的情況的工作周期比主存存取周期長的情況二、二、DMA 接口的功能和組成接口的功能和組成1. DMA 接

19、口功能接口功能(1) 向向 CPU 申請申請 DMA 傳送傳送(2) 處理總線處理總線 控制權(quán)的轉(zhuǎn)交控制權(quán)的轉(zhuǎn)交(3) 管理管理 系統(tǒng)總線、系統(tǒng)總線、控制控制 數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)傳送(4) 確定確定 數(shù)據(jù)傳送的數(shù)據(jù)傳送的 首地址和長度首地址和長度(5) DMA 傳送結(jié)束時，傳送結(jié)束時，給出操作完成信號給出操作完成信號修正修正 傳送過程中的數(shù)據(jù)地址和長度傳送過程中的數(shù)據(jù)地址和長度DMA接口接口主主存存CPU2. DMA 接口基本組成接口基本組成DMA 控控 制制 邏邏 輯輯 中中 斷斷 機(jī)機(jī) 構(gòu)構(gòu)設(shè)備設(shè)備HLDAARWCDARHRQ中斷請求中斷請求數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線地址線地址線+1+1溢出信號溢出信號DRE

20、QDACKBR三、三、DMA 的工作過程的工作過程1. DMA 傳送過程傳送過程預(yù)處理、數(shù)據(jù)傳送、后處理預(yù)處理、數(shù)據(jù)傳送、后處理(1) 預(yù)處理預(yù)處理通過幾條輸入輸出指令預(yù)置如下信息通過幾條輸入輸出指令預(yù)置如下信息 通知通知 DMA 控制邏輯傳送方向（入控制邏輯傳送方向（入/出）出） 設(shè)備地址設(shè)備地址 DMA 的的 DAR 主存地址主存地址 DMA 的的 AR 傳送字?jǐn)?shù)傳送字?jǐn)?shù) DMA 的的 WC預(yù)處理預(yù)處理：主存起始地址主存起始地址設(shè)備地址設(shè)備地址 傳送數(shù)據(jù)個數(shù)傳送數(shù)據(jù)個數(shù)啟動設(shè)備啟動設(shè)備DMADMADMA數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)傳送：繼續(xù)執(zhí)行主程序繼續(xù)執(zhí)行主程序同時完成一批數(shù)據(jù)傳送同時完成一批數(shù)據(jù)傳送后

21、處理后處理：中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序做做 DMA 結(jié)束處理結(jié)束處理繼續(xù)執(zhí)行主程序繼續(xù)執(zhí)行主程序CPU(2) DMA 傳送過程示意傳送過程示意允許傳送？允許傳送？主存地址送總線主存地址送總線數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)送I/O設(shè)備（或主存設(shè)備（或主存 ）主存地址主存地址 加加 1傳送個數(shù)傳送個數(shù) 減減 1 數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)塊傳送結(jié)束？傳送結(jié)束？向向CPU申請申請 程序中斷程序中斷DMA請求請求否否否否是是是是數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)傳送(3) 數(shù)據(jù)傳送過程（輸入）數(shù)據(jù)傳送過程（輸入）BR設(shè)備設(shè)備DMA 控控 制制 邏邏 輯輯 中中 斷斷 邏邏 輯輯ARWCDARDMA接口接口主主存存CPU+1+1DREQHRQHLDA地址線地址線

22、DACK數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線溢出信號溢出信號中斷請求中斷請求ARWC+1+1BRBRBRBRBRBRBR設(shè)備設(shè)備DMA 控控 制制 邏邏 輯輯 中中 斷斷 邏邏 輯輯ARWCDARDMA接口接口主主存存CPU+1+1DREQHRQHLDA地址線地址線DACK數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線溢出信號溢出信號中斷請求中斷請求ARWC+1+1(4) 數(shù)據(jù)傳送過程（輸出）數(shù)據(jù)傳送過程（輸出）BRBRBRBR(5) 后處理后處理校驗送入主存的數(shù)是否正確校驗送入主存的數(shù)是否正確是否繼續(xù)用是否繼續(xù)用 DMA測試傳送過程是否正確，錯則轉(zhuǎn)診斷程序測試傳送過程是否正確，錯則轉(zhuǎn)診斷程序由中斷服務(wù)程序完成由中斷服務(wù)程序完成2. DMA 接口與系統(tǒng)的連接方式接口與系統(tǒng)的連接方式DMA接口接口1DMA接口接口2DMA接口接口nCPU主存主存DMA響應(yīng)響應(yīng)I/O總線總線數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線地址線地址線DMA請求請求(1) 具有公共請求線的具有公共請求線的 DMA 請求請求(2) 獨(dú)立的獨(dú)立的 DMA 請求請求DMA接口接口1DMA接口接口2DMA接口接口3CPU主存主存DMA響應(yīng)響