原計算機組成和體系結構課件

湖南大學計算機與通信學院1第十章輸入輸出結構10.1異步數(shù)據(jù)傳輸10.2可編程I/O10.3中斷10.4直接存儲器訪問10.5I/O處理器10.6串行通信10.7實例：串行通信標準湖南大學計算機與通信學院2為了有效地執(zhí)行功能，計算機除了能實現(xiàn)與存儲器的交互，還應能與外部世界和設備交互信息，所有這些與計算機進行交互的設備可以歸類為輸入輸出設備（I/O設備）舉例：輸入設備：鍵盤、鼠標、掃描儀輸出設備：顯示器、打印機輸入/輸出設備：硬盤、調制調解器湖南大學計算機與通信學院3第十章輸入輸出結構10.1異步數(shù)據(jù)傳輸10.2可編程I/O10.3中斷10.4直接存儲器訪問10.5I/O處理器10.6串行通信10.7實例：串行通信標準湖南大學計算機與通信學院4輸入/輸出設備通過系統(tǒng)的地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線和CPU相連（如圖10.1）圖10.1CPU與I/O設備的連接地址總線：單向數(shù)據(jù)總線：單/雙控制總線：單向湖南大學計算機與通信學院5根據(jù)是源還是目的設備啟動傳送以及是否使用握手，異步數(shù)據(jù)傳送可分為四種不帶握手的源啟動數(shù)據(jù)傳送不帶握手的目的啟動數(shù)據(jù)傳送帶握手的源啟動數(shù)據(jù)傳送帶握手的目的啟動數(shù)據(jù)傳送湖南大學計算機與通信學院610.1.1源啟動數(shù)據(jù)傳送源設備輸出數(shù)據(jù)選通控制信號并維持一段時間目的設備讀入數(shù)據(jù)源設備使控制信號和數(shù)據(jù)無效圖10.2不帶握手的源啟動數(shù)據(jù)傳送（a）時序湖南大學計算機與通信學院7實現(xiàn)源數(shù)據(jù)傳送更新LED的電路如圖10.2（b）

每隔30秒，源設備向輸出設備發(fā)送一個新值，輸出設備將此值存貯于一個8位寄存器中；寄存器的輸出轉換成相應的信號，在LED上顯示兩位數(shù)字。

圖10.2不帶握手的源啟動數(shù)據(jù)傳送:（b）實現(xiàn)湖南大學計算機與通信學院810.1.1目的啟動的數(shù)據(jù)傳送目的設備傳輸選通信號給源設備一段時間后源設備使數(shù)據(jù)有效，并將數(shù)據(jù)穩(wěn)定一段時間目的設備讀入數(shù)據(jù)后置數(shù)據(jù)選通信號無效源設備停止傳輸有效數(shù)據(jù)圖10.3不帶握手的目的啟動數(shù)據(jù)傳送（a）時序湖南大學計算機與通信學院9實現(xiàn)目的數(shù)據(jù)傳送更新LED的電路如圖10.3（b）

圖10.3不帶握手的目的啟動數(shù)據(jù)傳送：（b）實現(xiàn)當30秒時鐘信號為高時，數(shù)據(jù)選通信號置1，選通三態(tài)緩沖器，使源設備傳輸有效數(shù)據(jù)，一個規(guī)定的延遲確保數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，目的寄存器讀取數(shù)據(jù)，然后時鐘信號為低，數(shù)據(jù)選通信號無效，有效數(shù)據(jù)不能傳輸。

湖南大學計算機與通信學院1010.3.1握手不帶握手的數(shù)據(jù)傳送無需確認數(shù)據(jù)收到，適合于在規(guī)定的時間內傳送。當每次傳送所花費的時間不同時，設備可采用握手（handshaking）方式來協(xié)調數(shù)據(jù)傳送。

湖南大學計算機與通信學院11帶握手的源啟動數(shù)據(jù)傳送源設備置數(shù)據(jù)請求信號為高，然后使有效數(shù)據(jù)可用數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，目的設備讀取此數(shù)據(jù)目的設備讀完數(shù)據(jù)，就發(fā)送一個數(shù)據(jù)確認信號給源設備源設備停止傳輸有效數(shù)據(jù)，目的設備復位數(shù)據(jù)確認信號圖10.4帶握手的源啟動數(shù)據(jù)傳送（a）時序湖南大學計算機與通信學院12圖10.4帶握手的源啟動數(shù)據(jù)傳送：（b）實現(xiàn)當30秒時鐘為高時，數(shù)據(jù)請求觸發(fā)器置1；數(shù)據(jù)請求信號也置1，并依次選通三態(tài)緩沖器，使有效數(shù)據(jù)對目的設備可用。經(jīng)一段延遲后，目的設備讀取此數(shù)據(jù)并向源設備發(fā)送數(shù)據(jù)確認信號。清除數(shù)據(jù)請求觸發(fā)器，置數(shù)據(jù)請求信號為低并使數(shù)據(jù)無效。最后數(shù)據(jù)確認信號置低。湖南大學計算機與通信學院13帶握手的目的啟動數(shù)據(jù)傳送目的設備傳輸一個數(shù)據(jù)選通信號，源設備使有效數(shù)據(jù)可用數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，目的設備讀取此數(shù)據(jù)目的設備讀完數(shù)據(jù)，就發(fā)送一個數(shù)據(jù)準備就緒信號給源設備源設備停止傳輸有效數(shù)據(jù)，目的設備復位數(shù)據(jù)準備就緒信號圖10.5帶握手的目的啟動數(shù)據(jù)傳送（a）時序湖南大學計算機與通信學院14圖10.5帶握手的目的啟動數(shù)據(jù)傳送：（a）時序和（b）實現(xiàn)湖南大學計算機與通信學院15第十章輸入輸出結構10.1異步數(shù)據(jù)傳輸10.2可編程I/O10.3中斷10.4直接存儲器訪問10.5I/O處理器10.6串行通信10.7實例：串行通信標準湖南大學計算機與通信學院16可編程I/O（programmedI/O）

用指令編程來控制CPU輸入或輸出數(shù)據(jù)?？删幊蘄/O的編址方式

獨立編址

有專門的指令訪問I/O端口 存儲器編址

把I/O端口視為存儲器的一個單元，采 用存儲器存取指令即可訪問它們湖南大學計算機與通信學院17

相對簡單CPU，其結構不能采用獨立的I/O方式，但可利用存儲器編址I/O方式例：執(zhí)行指令LDACFFFF為了實現(xiàn)此I/O端口，設計硬件如圖10.6圖10.6地址為FFFFH的輸入端口當?shù)刂房偩€上的值為FFFFH，控制信號READ=1時，三態(tài)緩沖器才選通

湖南大學計算機與通信學院18

用相對簡單的CPU設計自動調溫器，它控制房間的加熱和制冷系統(tǒng)，它可能執(zhí)行下列操作：由外部傳感器讀取溫度；如果（溫度≥自動調溫器的設置溫度+2°），則打開空調；如果（溫度≤自動調溫器的設置溫度且空調打開），則關空調；如果（溫度≤自動調溫器的設置溫度-2°），則打開加熱器；如果（溫度≥自動調溫器的設置溫度且加熱器打開），則關加熱器；返回至1。湖南大學計算機與通信學院19CPU從存儲器編址輸入端口地址FFFFH中讀取當前溫度CPU從端口地址FFFEH中獲取調溫器的設定溫度CPU向地址為FFFDH的輸出端口中寫入下面的值，以控制加熱器和空調系統(tǒng)。

01=打開空調 02=關閉空調

03=打開加熱器 04=關閉加熱器4.當前狀態(tài)存貯于存儲單元1000H中

00=加熱器和空調均關閉FF=加熱器打開FE=空調打開

湖南大學計算機與通信學院20系統(tǒng)控制程序的算法如圖10.7所示

圖10.7自動調溫器控制算法湖南大學計算機與通信學院2110.2.1新指令為了修改相對簡單CPU以支持獨立的I/O方式：必須在CPU指令集中增加輸入、輸出指令；產(chǎn)生必要的新控制信號；在狀態(tài)圖中增加新狀態(tài)；開發(fā)RTL代碼支持新狀態(tài)；修改寄存器、ALU和控制單元硬件來支持新的指令；湖南大學計算機與通信學院22

增加兩條新指令：一條輸入數(shù)據(jù)、一條輸出數(shù)據(jù)。如表10.1所示指令指令碼操作INPT00100000ΓAC←輸入端口ΓOTPT00100001Γ輸出端口Γ←AC表10.1相對簡單CPU的獨立I/O指令湖南大學計算機與通信學院23

增加一個新控制信號IO，IO=1時為I/O操作，IO=0時為存儲器操作

新狀態(tài)圖10.8實現(xiàn)INPT指令執(zhí)行周期的狀態(tài)RTL代碼INPT1：DR←M，PC←PC+1，AR←AR+1INPT2：TR←DR，DR←M，PC←PC+1INPT3：AR←DR，TRINPT4：DR←輸入端口INPT5：AC←DR

湖南大學計算機與通信學院24硬件的修改

（1）修改寄存器； （2）修改ALU；

（3）修改控制單元

圖10.9產(chǎn)生INPT執(zhí)行周期的狀態(tài)信號的硬件湖南大學計算機與通信學院25

計數(shù)器控制信號修改：

INC=（INC原有值）∨INPT1∨INPT2∨INPT3∨INPT4 CLR=（CLR原有值）∨INPT5組合INPT1狀態(tài)所需進行的修改：DRLOAD=（DRLOAD原有值）∨INPT1MEMBUS=（MEMBUS原有值）∨INPT1PCINC=（PCINC原有值）∨INPT1ARINC=（ARINC原有值）∨INPT1設定為IO=INPT4存儲器讀=READ∧IOˊ

湖南大學計算機與通信學院26第十章輸入輸出結構10.1異步數(shù)據(jù)傳輸10.2可編程I/O10.3中斷10.4直接存儲器訪問10.5I/O處理器10.6串行通信10.7實例：串行通信標準湖南大學計算機與通信學院2710.3.1CPU和I/O設備之間的數(shù)據(jù)傳送解決I/O設備變化延遲查詢（polling）

中斷（interrupt） 減少由不確定性造成的延遲， 優(yōu)化系統(tǒng)性能的一種機制湖南大學計算機與通信學院28查詢（polling）CPUI/O傳送數(shù)據(jù)請求信號準備好沒有？湖南大學計算機與通信學院29考察計算機系統(tǒng)的一個輸入設備

CPU通過向I/O地址1001H中輸出01H值，啟動一個請求然后不斷查詢輸入端口1002H直至其最低位置1繼后CPU從輸入端口1000H中讀取數(shù)據(jù)圖10.10采用查詢方式實現(xiàn)I/O端口的硬件湖南大學計算機與通信學院30查詢方式在設計和編程方面都相對直觀，常用于CPU負荷不很重的情況

不適合對于CPU時間很寶貴的系統(tǒng)等待狀態(tài)（waitstate）

處理器向I/O設備請求數(shù)據(jù)（或發(fā)送數(shù)據(jù)給I/O設備），I/O設備經(jīng)控制總線向CPU發(fā)送一個等待信號。只要等待信號有效，CPU就一直處于等待狀態(tài)湖南大學計算機與通信學院31中斷請求（interruptrequest）

當I/O設備采用中斷方式時，CPU在向I/O設備輸出請求后，能夠繼續(xù)執(zhí)行指令，完成有用的工作，而無需查詢設備或進入等待狀態(tài)

設備準備傳輸數(shù)據(jù)時，它向CPU發(fā)送中斷請求信號

CPU響應中斷，置中斷響應信號有效，完成數(shù)據(jù)傳輸湖南大學計算機與通信學院3210.3.2中斷類型外部中斷

CPU采用外部中斷與輸入/輸出設備進行交互

內部中斷

內部中斷完全發(fā)生在CPU內部，沒有任何輸入/輸出設備介入軟中斷

由CPU指令集中的特定中斷指令產(chǎn)生

湖南大學計算機與通信學院3310.3.3中斷處理中斷服務程序：處理中斷工作的服務軟件

一對一或一對多 一個中斷服務程序對應一個中斷 一個中斷服務程序對應多個中斷湖南大學計算機與通信學院34

不管是一個還是多個中斷服務程序的配置方式，每個中斷都執(zhí)行下列事件無操作（直至當前指令執(zhí)行完）獲取中斷服務程序地址（僅向量型中斷）調用中斷服務程序

湖南大學計算機與通信學院35考察相對簡單CPU的LDAC指令的執(zhí)行周期：無操作（直至當前指令執(zhí)行完）LDAC1：DR←M，PC←PC+1，AR←AR+1發(fā)生中斷……LDAC2：TR←DR，DR←M，PC←PC+1LDAC3：AR←DR，TRLDAC4：DR←MLDAC5：AC←DR如果執(zhí)行周期完成后產(chǎn)生中斷，則僅需保存PC的內容否則必須保存CPU內部寄存器內容和控制單元的狀態(tài)信息

湖南大學計算機與通信學院36獲取中斷服務程序地址（僅向量型中斷）向量中斷

向CPU提供中斷向量，此中斷向量用于產(chǎn)生該中斷的中斷服務程序的地址

非向量中斷

非向量中斷在一個已知地址處讀取中斷服務程序

湖南大學計算機與通信學院37調用中斷服務程序阻止任何進一步的中斷3.確保返回主程序前所有相關的寄存 器保存原有值 2.清除當前中斷，避免一個中斷請求 觸發(fā)多于一個的中斷湖南大學計算機與通信學院3810.3.4中斷硬件和優(yōu)先級非向量中斷（單個設備）圖10.11單個設備的非向量中斷（a）硬件（b）時序可用于簡單嵌入式控制器

湖南大學計算機與通信學院39向量中斷 CPU必須從設備中讀取中斷向量，調用中斷服務程序，程序的地址是該向量的一個函數(shù)圖10.12單個設備的向量中斷（a）硬件（b）時序在這種結構中如果在中斷響應前，設備取消IRQ會發(fā)生什么？湖南大學計算機與通信學院40非向量中斷（多個中斷）圖10.13多個非向量中斷的硬件每個設備均有自己的IRQ和IACK信號他們的優(yōu)先級是預定的，IRQn優(yōu)先級最高CPU首先響應和服務優(yōu)先級最高的中斷湖南大學計算機與通信學院41向量中斷（菊花鏈方法）菊花鏈：用于多中斷優(yōu)先權排隊的一種方法圖10.14菊花鏈設備發(fā)出中斷請求信號CPU發(fā)出中斷響應信號設備n#接受IACK信號IACK=1？IACK=0CPU讀入中斷向量/調用程序一種可能的處理過程IACK=0/傳給其他設備YN湖南大學計算機與通信學院42IACKIN和IACKOUT所有的可能值、狀態(tài)IACKinIACKout狀態(tài)11設備有權中斷但未發(fā)送中斷請求10設備中斷CPU01無效狀態(tài)00設備的中斷請求被優(yōu)先權更高的設備阻塞（設備可能或沒有發(fā)送中斷請求）表10.2IACKIN和IACKOUT的可能值及其狀態(tài)湖南大學計算機與通信學院43并行優(yōu)先權排隊

菊花鏈將引起硬件延遲，特別是當鏈較長時，延遲就更大

通過一個優(yōu)先權編碼器采用并行優(yōu)先權排隊（parallelpriority）方式實現(xiàn)向量中斷,減少延遲

湖南大學計算機與通信學院44圖10.15并行方式實現(xiàn)優(yōu)先級中斷防止干擾信號湖南大學計算機與通信學院4510.3.5CPU內部實現(xiàn)中斷例：相對簡單CPU處理中斷的過程添加一個IRQ輸入引腳，其響應信號傳至IACK輸出引腳添加新指令LDSP、PUSHAC等識別中斷并訪問此中斷處理的狀態(tài)訪問中斷服務程序湖南大學計算機與通信學院46指令指令碼操作LDSP10000000ΓSP←ΓCALL10000010ΓSP←SP-1;M[SP]←PC[15..8],SP←SP-1;M[SP]←PC[7..0],PC←ΓRET10000011PC[7..0]←M[SP],SP←SP+1;PC[15..8]←M[SP],SP←SP+1PUSHAC10000100SP←SP-1;M[SP]←ACPOPAC10000101AC←M[SP],SP←SP+1PUSHR10000110SP←SP-1;M[SP]←RPOPR10000111R←M[SP],SP←SP+1IESET01000000IE←1IERST01000001IE←0IPRST01000010IP←0表10.3相對簡單CPU的新指令湖南大學計算機與通信學院47識別中斷并訪問此中斷處理的狀態(tài)方法一方法二圖10.16兩種訪問中斷服務程序的方法（b）修改FETCH1支持中斷（a）采用分離的FETCH1狀態(tài)和INT1狀態(tài)(IE′∨IP′)∧FETCH1IE∧IP∧FETCH1湖南大學計算機與通信學院48訪問中斷服務程序（部分）INT1：AR←SPINT2：DR←PC[15..8]，SP←SP-1INT3：M←DR，AR←AR-1，SP←SP-1INT4：DR←PC[7..0]INT5：M←DRINT6：DR←（數(shù)據(jù)總線來的向量）INT7：PC←1111,DR,0000，IP←0湖南大學計算機與通信學院49第十章輸入輸出結構10.1異步數(shù)據(jù)傳輸10.2可編程I/O10.3中斷10.4直接存儲器訪問10.5I/O處理器10.6串行通信10.7實例：串行通信標準湖南大學計算機與通信學院50直接存儲器訪問（DMA）

數(shù)據(jù)直接在I/O設備與存儲器之間傳送

DMA控制器（通道）實現(xiàn)直接存儲器訪問湖南大學計算機與通信學院51圖10.17帶有DMA的計算機系統(tǒng)DMA控制器CPU置BR=1,發(fā)送總線請求置BG=1,發(fā)送總線允許湖南大學計算機與通信學院52DMA控制器CPU置BR=0,發(fā)送取消請求置BG=0,發(fā)送取消允許當數(shù)據(jù)傳輸完成，DMA交回控制權湖南大學計算機與通信學院53DMA內部結構

圖10.18DMA控制器的內部結構湖南大學計算機與通信學院54DMA控制器包括多個寄存器DMA地址寄存器

存貯數(shù)據(jù)傳輸過程中需用到的存儲器地址

DMA計數(shù)寄存器

保存?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)

DMA控制寄存器

從CPU中接受命令

狀態(tài)寄存器

向CPU提供信息

湖南大學計算機與通信學院55超時

:I/O設備在某個預定的時間內沒有準備就緒

湖南大學計算機與通信學院5610.4.2DMA傳輸方式突發(fā)方式 在突發(fā)方式中，整個數(shù)據(jù)塊連續(xù)傳輸周期竊取方式 連續(xù)地獲取和放棄系統(tǒng)總線控制權來傳輸透明方式

DMA利用空閑時間傳輸數(shù)據(jù)湖南大學計算機與通信學院5710.4.3修改CPU使其與DMA共處為了使CPU能與DMA控制器共同工作增加控制輸入信號BR和控制輸出信號BG產(chǎn)生BG的邏輯電路

CPU允許在以下狀態(tài)接受DMA的請求：

取指令后、譯碼后、取操作數(shù)后、指令執(zhí)行完后、結果保存后

湖南大學計算機與通信學院58對BG的操作

如果BR=1且CPU處于FETCH1狀態(tài)，則CPU置BG為1；CPU將保持FETCH1狀態(tài)直至BR置0 BR∧FETCH1：BG←1

如果BR=0，則CPU置BG為0且執(zhí)行與FETCH1狀態(tài)相關的其它微操作

BR′∧FETCH1：BG←0，（FETCH1的微操作）湖南大學計算機與通信學院59實現(xiàn)BG的硬件圖10.19BG的硬件實現(xiàn)狀態(tài)圖所需的修改

圖10.20修改狀態(tài)圖接納BR和BG湖南大學計算機與通信學院60第十章輸入輸出結構10.1異步數(shù)據(jù)傳輸10.2可編程I/O10.3中斷10.4直接存儲器訪問10.5I/O處理器10.6串行通信10.7實例：串行通信標準湖南大學計算機與通信學院61DMA控制器

僅能傳輸數(shù)據(jù)

I/O處理器

與CPU交互，處理由I/O設備讀出后數(shù)據(jù) 可連接多個I/O設備

I/O設備連接至I/O總線上，而不是系統(tǒng)總線上

湖南大學計算機與通信學院62圖10.21帶I/O處理器的系統(tǒng)結構湖南大學計算機與通信學院63

CPU向I/O處理器發(fā)送一系列I/O指令，而不象處理DMA那樣將值存于寄存器中，指令分為三類：

塊傳送命令2.執(zhí)行算術、邏輯、和分支操作的命令3.控制命令

傳輸數(shù)據(jù)塊，類似于DMA數(shù)據(jù)塊傳輸有助于處理數(shù)據(jù)以便使數(shù)據(jù)能為CPU所用

通常是硬件相關并對計算機系統(tǒng)功能的正確發(fā)揮十分關鍵湖南大學計算機與通信學院64一個I/O處理器的系列命令能執(zhí)行許多連續(xù)的I/O傳送，考慮以下任務：1、從端口地址9000H的磁盤驅動器處讀取247字節(jié)的數(shù)據(jù)，寫入起始地址為1000H的存儲器中；2、從地址為9001H的輸入端口讀取1字節(jié)數(shù)據(jù)寫入CPU的累加器中；3、將內存單元2000H至207FH的內容寫至I/O地址為9002H的打印機上。

帶DMA控制器而沒有I/O處理器的系統(tǒng)首先將數(shù)據(jù)寫入DMA控制器的寄存器中，并啟動傳輸，等待它完成。然后它從地址為9001H的I/O端口輸入1字節(jié)數(shù)據(jù)。最后為打印數(shù)據(jù)塊啟動第二個DMA傳送。 而在帶I/O處理器的系統(tǒng)中，CPU將執(zhí)行三個任務所需的命令寫入存儲器的一個連續(xù)塊中，并將塊的指針給I/O處理器，從而減少了建立傳輸?shù)拈_銷。湖南大學計算機與通信學院65第十章輸入輸出結構10.1異步數(shù)據(jù)傳輸10.2可編程I/O10.3中斷10.4直接存儲器訪問10.5I/O處理器10.6串行通信10.7實例：串行通信標準湖南大學計算機與通信學院66并行通信：同一時間內傳輸多位數(shù)據(jù)

DMA控制器和I/O處理器都采用并行通信串行通信：在給定的時間內不能傳輸多位數(shù) 據(jù)，傳輸數(shù)據(jù)要通過并串轉換

打印機、MODEM等通過串口與CPU通信異步串行通信：連接的設備不共用同一時鐘并且需同時傳輸數(shù)據(jù)

同步串行傳輸

：以幀（frame）的形式傳輸數(shù)據(jù)塊，幀中包括傳輸信息頭、數(shù)據(jù)和傳輸信息尾湖南大學計算機與通信學院6710.6.1串行通信原理

兩個設備采用異步串行傳輸通信時，他們不共用同一時鐘。必須采用許多措施同步數(shù)據(jù)流因而事先就一些傳輸參數(shù)達成一致

速度：比特/秒-----每秒位數(shù)奇偶校驗位

起始位停止位

一些基本參數(shù)湖南大學計算機與通信學院68

圖10.22顯示了傳輸兩字節(jié)數(shù)據(jù)及其傳輸間隔中傳輸線的值，此系統(tǒng)采用許多調制解調器傳輸時的典型設置N81：即沒有奇偶位、八位數(shù)據(jù)位和一位停止位

圖10.22兩字節(jié)數(shù)據(jù)的傳輸實例12345678開銷達到整