主機與外部設(shè)備信息交換培訓教材

1、主機與外部設(shè)備信息交換培訓教材學習目標v掌握：I/O接口的根本功能與組成，同步總線與同步擴展總線，異步總線應(yīng)答關(guān)系。直接程序控制方式。v熟練掌握：中斷方式定義、特點、應(yīng)用、中斷接口、中斷過程、向量中斷方式，DMA定義、特點、應(yīng)用、DMA過程。v理解：接口分類，系統(tǒng)總線的信號組成。v了解：IOP。7.1 總線與接口總線與接口7.1.1 主機與外部設(shè)備的連接方式7.1.2 系統(tǒng)總線的功能與分類7.1.3 接口的功能與分類7.2 I/O指令與直接程序控制方式指令與直接程序控制方式7.2.1 I/O指令7.2.2 直接程序控制7.3 程序中斷方式程序中斷方式7.3.1 中斷根本概念中斷根本概念7.3.

2、2 中斷接口模型中斷接口模型7.3.3 中斷過程中斷過程7.4 DMA方式方式7.4.1 DMA根本概念根本概念7.4.2 DMA初始化及初始化及DMA傳送過程傳送過程7.5 系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線7.5.1 總線標準及信號組成總線標準及信號組成7.5.2 總線的操作時序總線的操作時序7.5.3 典型總線舉例典型總線舉例不做要求7.1 總線與接口總線與接口7.1.1 主機與外部設(shè)備的連接方式主機與外部設(shè)備的連接方式CPU主存接口接口I/O設(shè)備I/O設(shè)備圖1-1 常見計算機硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)外設(shè)經(jīng)I/O接口到系統(tǒng)總線上，再通過系統(tǒng)總線與主機相連。1、帶有IOP的總線連接方式CPU主存接口接口I/OI/OIO

3、P即輸入輸出處理機，它的結(jié)構(gòu)和功能與CPU類似，有自己的指令系統(tǒng)，可以進行信息的碼制轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)格式更換、字帶與字的裝配和拆卸、數(shù)據(jù)傳送的檢測與糾錯等預處理操作。局部存儲器接口接口I/OI/OIOP局部總線2、多總線連接方式CPU主存接口接口高速I/O高速I/O為提高信息的傳輸效率，在一些連接高速I/O設(shè)備的系統(tǒng)中，設(shè)備多組總線。系統(tǒng)總線控制器接口接口I/OI/O系統(tǒng)總線主機在傳統(tǒng)大型機中采用通道連接方式，即P301。7.1.2 系統(tǒng)總線的功能與分類系統(tǒng)總線的功能與分類總線是一組能為多個部件分時共享的公共的信息傳送線路，以及相關(guān)的總線協(xié)議和相應(yīng)的控制邏輯。1、總線的功能：是以共享、分時的方式為多

4、個部件提供信息交換通路。幾個概念：教材P3021共享2分時3總線協(xié)議2、總線的分類：、總線的分類：1按總線在系統(tǒng)中的作用劃分按總線在系統(tǒng)中的作用劃分CPU內(nèi)部總線內(nèi)部總線也稱也稱CPU內(nèi)總線，用來連接內(nèi)總線，用來連接CPU內(nèi)內(nèi)的各個存放器與算術(shù)邏輯運算部件。的各個存放器與算術(shù)邏輯運算部件。部件內(nèi)總線部件內(nèi)總線也稱片級總線，用來連接插件板上也稱片級總線，用來連接插件板上的各個芯片，常稱為局部總線。的各個芯片，常稱為局部總線。系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線也稱板級總線，用來連接計算機系統(tǒng)也稱板級總線，用來連接計算機系統(tǒng)內(nèi)各個大功能部件。包括三總線：地址線、控制內(nèi)各個大功能部件。包括三總線：地址線、控制線、數(shù)據(jù)線

5、。線、數(shù)據(jù)線。外總線外總線也稱通訊總線，用來連接多個計算機系統(tǒng)，也稱通訊總線，用來連接多個計算機系統(tǒng)，或連接計算機系統(tǒng)與甚設(shè)備?；蜻B接計算機系統(tǒng)與甚設(shè)備。2按數(shù)據(jù)傳送格式劃分按數(shù)據(jù)傳送格式劃分并行總線并行總線有多根數(shù)據(jù)線，可同時傳送有多根數(shù)據(jù)線，可同時傳送多個數(shù)據(jù)位，因而傳送速度快。計算機多個數(shù)據(jù)位，因而傳送速度快。計算機系統(tǒng)內(nèi)部的總路線多采用并行總線。系統(tǒng)內(nèi)部的總路線多采用并行總線。串行總線串行總線有一根數(shù)據(jù)線，串行逐位地有一根數(shù)據(jù)線，串行逐位地傳送數(shù)據(jù)，傳送速度慢，但節(jié)省傳送線。傳送數(shù)據(jù)，傳送速度慢，但節(jié)省傳送線。外總線多采用串行總線，以降低通訊線外總線多采用串行總線，以降低通訊線路的本錢

6、，實現(xiàn)遠距離傳輸。路的本錢，實現(xiàn)遠距離傳輸。3按時序控制方式劃分按時序控制方式劃分定義典型作法特點適用范圍同同步步總總線線指總線傳送操作由統(tǒng)一的同步時序信號控制由CPU或?qū)ｉT的系統(tǒng)時鐘提供統(tǒng)一時序，在固定的時鐘周期內(nèi)傳送數(shù)據(jù)，用同步脈沖定時將數(shù)據(jù)打入目的地。有嚴格的時鐘周期劃分，傳送操作所需的總線周期可能包含若干個固定的時鐘周期，控制簡單，時間利用率低。適用于系統(tǒng)內(nèi)各部件之間的傳送時間差異較、傳送時間確定、傳送距離較短的場合。3按時序控制方式劃分按時序控制方式劃分定義典型作法特點適用范圍異異步步總總線線指根據(jù)各部件的實際需要，以異步應(yīng)答方式控制總線傳送操作。先由部件甲向部件乙發(fā)出傳送請求信號，

7、然后啟動總線傳送（讀傳送或?qū)憘魉停?。無固定的時鐘周期劃分，用異步應(yīng)答方式控制傳送，用于傳送操作的總線周期可長可短，時間利用率很高，但控制較復雜。適用于各部件傳送速度差異較大，距離較長、傳送時間不確定的場合。3按時序控制方式劃分按時序控制方式劃分定義典型作法特點適用范圍擴擴展展同同步步總總線線采用以同步方式為基礎(chǔ)，部分 引入異步控制的做法，使異步事件同步化。以時鐘周期為時間基準，總線周期所包含的時鐘周期數(shù)可以根據(jù)需要而變化。周期長度不固定，時間利用率高，控制簡單。為廣義上的同步總線范疇。備注：備注：CPU內(nèi)總線和局部總線采用同步總線，系統(tǒng)總線采用擴展同步總線或異步總線，外總線則多為異步總線。7.

8、1.3 接口的功能與分類接口的功能與分類接口是兩個部件之間的交接局部，或稱界面。硬件接口、軟件接口、軟硬接口I/O接口是指主機和外設(shè)之間的硬件接口。1、I/O接口的根本功能1尋址2數(shù)據(jù)緩沖3預處理4控制功能具體內(nèi)容見教材P304頁3、I/O接口的分類：接口的分類：1按數(shù)據(jù)傳送格式劃分按數(shù)據(jù)傳送格式劃分并行接口并行接口是指接口與系統(tǒng)總線之間、是指接口與系統(tǒng)總線之間、接口與外設(shè)之間均按并行方式傳送數(shù)據(jù)。接口與外設(shè)之間均按并行方式傳送數(shù)據(jù)。串行接口串行接口是指接口與外設(shè)之間采取串是指接口與外設(shè)之間采取串行方式傳送數(shù)據(jù)，接口與系統(tǒng)總線之間行方式傳送數(shù)據(jù)，接口與系統(tǒng)總線之間仍按并行方式進行傳送。仍按并行

9、方式進行傳送。2按傳送控制方式劃分按傳送控制方式劃分P306直接程序傳送接口直接程序傳送接口指接口與指接口與CPU之間的信息傳之間的信息傳送采用直接程序控制方式。即送采用直接程序控制方式。即CPU在其程序中訪在其程序中訪問接口，查詢設(shè)備的狀態(tài)，以決定等待還是執(zhí)行問接口，查詢設(shè)備的狀態(tài)，以決定等待還是執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送操作，數(shù)據(jù)傳送操作，中斷接口中斷接口是指接口與是指接口與CPU之間的采用中斷方式進行之間的采用中斷方式進行聯(lián)絡(luò)，即接口向聯(lián)絡(luò)，即接口向CPU申請中斷，申請中斷，CPU響應(yīng)后執(zhí)行中斷響應(yīng)后執(zhí)行中斷效勞程序，與接口進行信息交換。效勞程序，與接口進行信息交換。DMA接口接口是指接口與主存之間采

10、用是指接口與主存之間采用DMA方式進行方式進行數(shù)據(jù)交換。傳送控制功能主要由數(shù)據(jù)交換。傳送控制功能主要由DMA控制器承擔。控制器承擔。7.2 I/O指令與直接程序控制方式指令與直接程序控制方式實現(xiàn)主機與外設(shè)之間的信息傳送，采取I/O傳送控制方式，也稱為信息交換方法。在一般的系統(tǒng)中采用直接程序控制方式、直接程序控制方式、程序中斷方式和程序中斷方式和DMA方式方式。在大型系統(tǒng)中可采用通道方式或IOP方式。7.2.1 I/O指令指令I(lǐng)/O指令的根本功能是實現(xiàn)各種信息的輸入/輸出。這里的信息包括要交換的數(shù)據(jù)、主機的命令、設(shè)備的狀態(tài)等。不同的計算機系統(tǒng)或CPU，在I/O指令的格式和功能方面存在較大的差異。

11、1隱式I/O指令，即用通用的傳送指令代替專用的I/O指令。2專用I/O指令顯式指令，該I/O接口分配單獨的端口地址，在I/O指令中以直接或間接方式給出接口的端口地址，以訪問接口中的相應(yīng)存放器。3有的系統(tǒng)所設(shè)置的I/O指令不僅用于數(shù)據(jù)的輸入/輸出，還可在指令中向外設(shè)發(fā)出有關(guān)控制命令，或直接根據(jù)外設(shè)的狀態(tài)進行判斷和轉(zhuǎn)移。1、輸入指令、輸入指令格式：格式：IN 存放器號，輸入端口號存放器號，輸入端口號功能：將端口地址送入接口進行譯碼，功能：將端口地址送入接口進行譯碼，取出被選中的接口存放器的內(nèi)容，輸入取出被選中的接口存放器的內(nèi)容，輸入CPU的存放器中。的存放器中。端口地址采用兩種方法獲得：端口地址采

12、用兩種方法獲得：1直接直接I/O端口尋址端口尋址2間接間接I/O端口尋址端口尋址2、輸出指令、輸出指令格式：格式：OUT 輸入端口號，存放器號輸入端口號，存放器號功能：將直接或間接獲得的端口地址送功能：將直接或間接獲得的端口地址送入進行曲譯碼，并將入進行曲譯碼，并將CPU存放器的內(nèi)容存放器的內(nèi)容輸出到被選中的接口存放器中。輸出到被選中的接口存放器中。1直接直接I/O端口尋址端口尋址2間接間接I/O端口尋址端口尋址7.2.2 直接程序控制方式直接程序控制方式1、定義：、定義：當CPU所運行的程序需要進行I/O傳送時，該程序直接使用I/O指令訪問I/O接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。2、兩種情況：、兩種情況：

13、一是CPU不需了解設(shè)備的狀態(tài)，直接用I/O指令與接口交換數(shù)據(jù)。二是CPU啟動外設(shè)后需要查詢等待，直到外設(shè)準備好才能進行數(shù)據(jù)交換。3、程序查詢方式程序查詢方式按照啟動、查詢、等待、交換的步驟進行。7.3 程序中斷方式程序中斷方式7.3.1 中斷根本概念中斷根本概念1、中斷方式：、中斷方式：定義：中斷方式是指定義：中斷方式是指CPU在執(zhí)行程序的在執(zhí)行程序的過程中，假設(shè)因出現(xiàn)某種隨機事件而收過程中，假設(shè)因出現(xiàn)某種隨機事件而收到中斷請求，遇暫時停止現(xiàn)行程序的執(zhí)到中斷請求，遇暫時停止現(xiàn)行程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)去執(zhí)行下一段中斷效勞程序，以行，轉(zhuǎn)去執(zhí)行下一段中斷效勞程序，以處理該事件，并在處理完畢后自動恢復處理該事

14、件，并在處理完畢后自動恢復原程序的執(zhí)行。原程序的執(zhí)行。特點：程序切換程序轉(zhuǎn)移和隨機性。特點：程序切換程序轉(zhuǎn)移和隨機性。7.3.1 中斷根本概念中斷根本概念1、中斷方式：、中斷方式：定義：中斷方式是指定義：中斷方式是指CPU在執(zhí)行程序在執(zhí)行程序的過程中，假設(shè)因出現(xiàn)某種隨機事件的過程中，假設(shè)因出現(xiàn)某種隨機事件而收到中斷請求，遇暫時停止現(xiàn)行程而收到中斷請求，遇暫時停止現(xiàn)行程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)去執(zhí)行下一段中斷效勞序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)去執(zhí)行下一段中斷效勞程序，以處理該事件，并在處理完畢程序，以處理該事件，并在處理完畢后自動恢復原程序的執(zhí)行。后自動恢復原程序的執(zhí)行。特點：程序切換程序轉(zhuǎn)移和隨機性。特點：程序切換程序轉(zhuǎn)移

15、和隨機性。2、中斷方式應(yīng)用范圍：、中斷方式應(yīng)用范圍：1處理中、低速處理中、低速I/O操作，實現(xiàn)主機與操作，實現(xiàn)主機與外設(shè)的并行工作外設(shè)的并行工作2處理故障處理故障3進行實時處理進行實時處理4使用軟中斷使用軟中斷5實現(xiàn)人機對話實現(xiàn)人機對話6實現(xiàn)多機通信實現(xiàn)多機通信3、怎樣組織中斷方式？、怎樣組織中斷方式？采用模塊化的思想，將現(xiàn)行程序主程序采用模塊化的思想，將現(xiàn)行程序主程序與中斷處理程序中斷子程序分開組織。與中斷處理程序中斷子程序分開組織。主程序主要完成初始化中斷接口、開中斷、主程序主要完成初始化中斷接口、開中斷、啟動啟動I/O等工作，以便在主程序的執(zhí)行過等工作，以便在主程序的執(zhí)行過程中能響應(yīng)隨機

16、提出的中斷請求。程中能響應(yīng)隨機提出的中斷請求。中斷處理程序那么需針對系統(tǒng)中各中斷源的中斷處理程序那么需針對系統(tǒng)中各中斷源的情況事先編寫，并存放在主存儲器中。情況事先編寫，并存放在主存儲器中。獲取中斷效勞程序的入口地址主要通過非向獲取中斷效勞程序的入口地址主要通過非向量中斷和向量中斷兩種方式實現(xiàn)。量中斷和向量中斷兩種方式實現(xiàn)。1非向量中斷方式：將各個中斷效非向量中斷方式：將各個中斷效勞程序的入口地址編寫在一個查詢程勞程序的入口地址編寫在一個查詢程序中。當序中。當CPU響應(yīng)中斷時，按固定地響應(yīng)中斷時，按固定地址轉(zhuǎn)入查詢程序執(zhí)行，查找并確定中址轉(zhuǎn)入查詢程序執(zhí)行，查找并確定中斷源，再由查詢程序切換到相

17、應(yīng)的中斷源，再由查詢程序切換到相應(yīng)的中斷效勞程序。斷效勞程序。2向量中斷方式：將各中斷效勞程序向量中斷方式：將各中斷效勞程序的入口地址中斷向量組織在中斷向的入口地址中斷向量組織在中斷向量表中。當量表中。當CPU響應(yīng)中斷時，由硬件直響應(yīng)中斷時，由硬件直接產(chǎn)生對應(yīng)于中斷源的向量地址，按該接產(chǎn)生對應(yīng)于中斷源的向量地址，按該地址訪問向量表，取得效勞程序的入口，地址訪問向量表，取得效勞程序的入口，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷效勞程序。轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷效勞程序。參見P315頁圖7-7 中斷接口組成模型。1、存放器選擇邏輯：作用是對接口中的存放器尋址。選擇邏輯對系統(tǒng)總線送來的地址譯碼形成一組選擇信號，選中某個存放器供CPU

18、訪問。2、命令字存放器：作用是傳送CPU命令。3、狀態(tài)字存放器：作用是反映設(shè)備和接口的運行狀態(tài)。7.3.2 中斷接口模型中斷接口模型4、數(shù)據(jù)緩沖存放器：暫時存放主機與、數(shù)據(jù)緩沖存放器：暫時存放主機與外設(shè)需要交換的數(shù)據(jù)，起到數(shù)據(jù)緩沖外設(shè)需要交換的數(shù)據(jù)，起到數(shù)據(jù)緩沖的作用。的作用。5、控制邏輯：、控制邏輯：6、公用的中斷控制器：、公用的中斷控制器：7.3.3 中斷過程中斷過程1、中斷請求、中斷請求將中斷請求信號傳送到將中斷請求信號傳送到CPU可采用兩類傳可采用兩類傳送模式：單獨請求和公共請求。送模式：單獨請求和公共請求。2、中斷判優(yōu)與屏蔽、中斷判優(yōu)與屏蔽1現(xiàn)行程序與中斷請求之間的判優(yōu)現(xiàn)行程序與中斷請求之間的判優(yōu)2中斷請求之間的判優(yōu)中斷請求之間的判優(yōu)3、中斷響應(yīng)、中斷響應(yīng)1發(fā)中斷響應(yīng)信號、查詢中斷源發(fā)中斷響應(yīng)信號、查詢中斷源2關(guān)中斷關(guān)中斷3保存斷點保存斷點4取中斷向量取中斷向量4、中斷處理、中斷處理1保護現(xiàn)場保護現(xiàn)場2送新屏蔽字并開中斷送新屏蔽字并開中斷3進行具體中斷效勞進行具體中斷效勞4關(guān)中斷并恢復現(xiàn)場關(guān)中