大學計算機組成原理第9章、輸入輸出原理

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第九章、輸入輸出原理

outline程序查詢方式程序中斷方式直接內(nèi)存訪問方式通道方式外圍處理機方式2程序查詢方式數(shù)據(jù)傳輸完全依賴于程序控制CPU與外設之間的操作能夠同步硬件結構簡單頻繁的查詢動作浪費了大量寶貴的CPU時間最古老的一種方式，目前很少使用3查詢方式CPU處理過程

啟動設備

查詢設備狀態(tài)

傳送數(shù)據(jù)

內(nèi)存地址遞增

傳送量計數(shù)

關閉設備準備好傳送完NNYY4程序中斷方式外圍設備主動通知CPU，準備數(shù)據(jù)傳輸當中斷發(fā)生時，CPU中斷當前的工作，轉向中斷處理子程序，該程序用于數(shù)據(jù)傳輸。提高了CPU的使用效率。適合隨機出現(xiàn)的服務硬件結構相對復雜，服務開銷時間大5直接內(nèi)存訪問DMA方式用于成組交換數(shù)據(jù)的場合中斷方式不適合于成組數(shù)據(jù)交換由硬件執(zhí)行I/O交換的工作方式DMA控制器從CPU接管總線控制，數(shù)據(jù)交換無須CPU干預，直接在內(nèi)存以及外圍設備之間進行，節(jié)約了中斷開銷需要更多硬件6通道方式分擔CPU的I/O處理的功能通道是一個具有特殊功能的輸入/輸出處理器(IOP)可以實現(xiàn)外圍設備的統(tǒng)一管理和DMA操作大大提高了CPU工作效率花費更多的硬件代價7外圍處理機方式(PPU)PPU方式是通道方式的進一步延伸；獨立于主機工作8信息交換方式程序查詢方式程序中斷方式直接內(nèi)存訪問方式通道方式外圍處理機方式9程序中斷方式中斷基本概念程序中斷基本接口中斷仲裁方式中斷控制器10中斷基本概念CPU暫時中止現(xiàn)行程序的執(zhí)行，轉去執(zhí)行為某個隨機事件服務的中斷處理子程序，處理完畢后自動恢復原程序的執(zhí)行保存斷點，保護現(xiàn)場；恢復現(xiàn)場，返回斷點。一條指令結束時切換。保證程序的完整性。11中斷意義…非正常的現(xiàn)象:運算溢出、除零、死循環(huán)或電壓下降等外部設備要求傳送信息

中斷技術賦于計算機應變能力，將有序的運行和無序的事件統(tǒng)一起來，大大增強了系統(tǒng)的處理能力12程序中斷處理示意圖主程序A請求中斷B請求中斷C請求中斷A中斷服務子程序B中斷服務子程序C中斷服務子程序13中斷程序與子程序子程序調(diào)用是由主程序安排在特定位置上的，與主程序存在必然聯(lián)系。中斷隨機發(fā)生，可在程序任何一個位置切換，沒有直接聯(lián)系。14中斷作用實現(xiàn)主機和外部設備并行工作使用中斷技術后，CPU原來用于查詢外設狀態(tài)的時間被充分地利用起來了，其工作效率得到了顯著的提高。主程序啟動設備設備請求中斷設備準備中斷服務15兩種控制方式中CPU運行軌跡16中斷作用故障處理系統(tǒng)能在故障出現(xiàn)時發(fā)出中斷信號，調(diào)用相應的處理程序，將故障的危害降到最低程度，并請求系統(tǒng)管理員排除故障。實時處理計算機在現(xiàn)場測試和控制、網(wǎng)絡通訊、人機對話時都具有強烈的實時性，中斷技術能確保實時信號的處理。17中斷的類型

中斷

內(nèi)中斷

外中斷(強迫中斷)

自愿中斷——本質屬子程序調(diào)用

強迫中斷

硬件故障

軟件出錯

不可屏蔽中斷

可屏蔽中斷

18中斷優(yōu)先級多個設備同時產(chǎn)生中斷請求，CPU必須采用一定的策略進行響應優(yōu)先級——CPU響應并處理中斷請求的先后次序優(yōu)先級高的先響應優(yōu)先級高的設備的中斷請求可以中斷CPU當前所服務的優(yōu)先級低的服務程序19中斷優(yōu)先級…CPU設定優(yōu)先級：優(yōu)先級隨執(zhí)行程序而改變(如執(zhí)行某設備的服務程序，CPU的優(yōu)先級就與該設備的優(yōu)先級一樣)凡是低于或者等于當前優(yōu)先級的設備請求均要屏蔽CPU在程序開始執(zhí)行時，就設置設備接口中的中斷屏蔽觸發(fā)器(INM)狀態(tài)(如CPU當前優(yōu)先級是3級(0為最高級)，則將3級以上的低優(yōu)先級設備接口中的INM置“1”即屏蔽，其他置“0”)20劃分優(yōu)先級的一般規(guī)律硬件故障中斷屬于最高級，其次是程序錯誤中斷非屏蔽中斷優(yōu)于可屏蔽中斷DMA請求優(yōu)先于I/O設備傳送的中斷請求高速設備優(yōu)于低速設備，輸入設備的中斷優(yōu)于輸出設備，實時設備優(yōu)先于普通設備同一優(yōu)先等級中可以包括多臺設備，這些設備中離計算機近的優(yōu)先，形成了二維優(yōu)先等級。21二維優(yōu)先級示意圖22中斷屏蔽中斷屏蔽技術可動態(tài)改變各設備的優(yōu)先級。響應優(yōu)先級CPU對各設備中斷請求進行響應，并準備好處理的先后次序，這種次序往往在硬件線路上已固定，不便于變動。處理優(yōu)先級。CPU實際對各中斷請求處理的先后次序。如果不使用屏蔽技術，響應的優(yōu)先次序就是處理的優(yōu)先次序。23中斷屏蔽方式24中斷屏蔽位CPU響應中斷后，正在執(zhí)行中斷服務子程序時，可能有另外一個設備也發(fā)出中斷請求，為了不發(fā)生混亂，中斷管理部件中必須有一個中斷屏蔽寄存器。設置1為設置屏蔽，否則取消屏蔽。25屏蔽碼通過控制各設備接口的屏蔽觸發(fā)器狀態(tài)，達到改變處理次序的目的。CPU送往各設備接口屏蔽觸發(fā)器狀態(tài)信息的集合，稱為屏蔽碼26單級中斷與多級中斷當幾個設備同時產(chǎn)生中斷請求時，CPU響應即優(yōu)先級高的中斷請求。但當CPU正在處理低優(yōu)先級設備時，出現(xiàn)了高優(yōu)先級設備的中斷請求，那是不是一定要中斷運行中的程序呢？出于對系統(tǒng)硬件、軟件開銷的權衡，有兩種解決方式，即單級中斷處理和多重中斷處理。27單級中斷所有中斷源均屬同一級，離CPU近的優(yōu)先級高。當CPU正在處理某個中斷時，不允許其它設備再中斷CPU的程序，即使優(yōu)先級高的設備也不能打斷，只能等到中斷處理完畢后，CPU才響應其它中斷。28多級中斷優(yōu)先級高的中斷級可以打斷優(yōu)先級低的中斷服務程序，以實現(xiàn)中斷程序的嵌套。主程序ABC29同時中斷請求的處理方法

(A>B>C>CPU)30信息交換的中斷過程數(shù)據(jù)就緒，發(fā)出中斷請求CPU響應中斷，暫停當前主程序，并自動轉移到該設備中斷服務子程序中斷服務子程序結束以后，CPU回到原來的主程序31中斷處理過程32中斷處理中的問題中斷時機保存現(xiàn)場中斷屏蔽中斷過程由軟硬件結合完成33中斷識別非向量中斷將服務程序入口組織在查詢程序中；響應時執(zhí)行查詢程序查詢中斷源，轉入相應服務程序。向量中斷將服務程序入口(中斷向量)組織在中斷向量表中；響應時由硬件直接產(chǎn)生相應向量地址，按地址查表，取得服務程序入口，轉入相應服務程序。34中斷識別程序識別單線查詢法中斷向量法35程序識別36單線查詢法37中斷向量法38DMA方式DMA基本概念DMA傳輸方式基本DMA控制器39DMA基本概念中斷方式每傳送一個字或一個字節(jié)的數(shù)據(jù)就要執(zhí)行一次中斷服務程序，數(shù)據(jù)傳送時仍然要占用CPU的時間，不適合于高速傳輸?shù)南到y(tǒng)。DMA在外設與主存之間建立一個由硬件管理的數(shù)據(jù)通路，使CPU不介入傳送時的操作，數(shù)據(jù)也不經(jīng)過CPU。減少了CPU的開銷，效率提高。CPU主存DMA接口接口40內(nèi)存爭用DMA方式進行數(shù)據(jù)傳送時，CPU仍執(zhí)行主程序，此時DMA控制邏輯與CPU可能同時要訪問主存，引起主存使用權的沖突。如何處理這種沖突呢？停止CPU使用主存DMA與CPU交替使用主存周期挪用法41停止CPU使用主存當DMA傳送數(shù)據(jù)時，CPU停止工作，把主存使用權交給DMA控制邏輯。在DMA傳送數(shù)據(jù)過程中，CPU處于等待狀態(tài)在這批數(shù)據(jù)傳送結束后，DMA再交還主存使用權方法簡單42DMA與CPU交替使用主存每個CPU工作周期分成兩個時間段，一段用于DMA訪問主存，一段用于CPU訪問主存。CPU和DMA都能訪問主存，沒有主存使用權移交過程，所以這種方式的效率較高，但是硬件投資較大，而且要求CPU工作周期比存儲周期長很多。CPU周期DMA訪內(nèi)CPU訪內(nèi)43周期挪用法DMA要求訪問主存時，CPU暫停一個或多個存儲周期。一個數(shù)據(jù)傳送結束后，CPU繼續(xù)運行。CPU現(xiàn)場并沒有變動，只是延緩了對指令的執(zhí)行，這種技術稱為周期挪用，或稱周期竊取。如發(fā)生訪存沖突，則DMA優(yōu)先訪問。M1M2

存儲周期M3DMA挪用傳送數(shù)據(jù)外設準備數(shù)據(jù)44DMA主要操作過程（準備階段）主機通過指令向DMA接口發(fā)送必要的傳送參數(shù)，并啟動DMA工作。這些參數(shù)的作用是指出數(shù)據(jù)傳送的方向，即指出是主機將數(shù)據(jù)傳送給設備，還是由設備傳給主機。指出數(shù)據(jù)塊在主存的首地址。指出數(shù)據(jù)在外設存儲介質上的地址。指出數(shù)據(jù)的傳送量。45DMA主要操作過程（傳送階段）從宏觀上看DMA接口連續(xù)傳送一批數(shù)據(jù)。從微觀上看，每傳送一個數(shù)據(jù)，發(fā)一次DMA請求，經(jīng)歷一個循環(huán)操作。循環(huán)操作的主要內(nèi)容有：設備準備好一個數(shù)據(jù)的傳送后，接口向主機發(fā)出DMA請求。CPU中DMA控制邏輯響應DMA請求，將主存使用權讓給DMA。DMA送來主存單元地址、讀或寫命令。若是寫命令，DMA還送來數(shù)據(jù)。DMA挪用一個周期對主存進行讀寫操作。周期挪用結束后給DMA接口應答信號。DMA接口接到應答信號，撤除DMA請求，將主存數(shù)據(jù)緩沖區(qū)地址指示器加1，指向下一個數(shù)據(jù)要傳送的單元地址，字數(shù)計數(shù)器減1。DMA接口控制邏輯判斷數(shù)據(jù)是否全部傳送完。若傳送完畢，則進入結束階段；若沒傳完則又開始下一個循環(huán)操作。46DMA主要操作過程（結束階段）DMA在兩種情況下都進入結束階段。正常結束，一批數(shù)據(jù)傳送完畢；非正常結束，DMA發(fā)生了故障，也要進入結束階段不論是哪一種情況進入結束階段，DMA都向主機發(fā)出中斷請求，CPU執(zhí)行服務程序，查詢DMA接口狀態(tài)，根據(jù)狀態(tài)進行不同處理。47一個數(shù)據(jù)塊的傳送過程DMA請求DMA響應

傳送一個字DMA結束NY傳送完?修改地址指針和字計數(shù)器發(fā)送內(nèi)存地址48DMA與程序中斷的區(qū)別中斷通過程序實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，而DMA靠硬件來實現(xiàn)。中斷時機為兩條指令之間的公操作，DMA響應時機為兩個存儲周期之間。中斷不僅具有數(shù)據(jù)傳送能力，還能處理異常事件。DMA只能進行數(shù)據(jù)傳送。DMA僅挪用了一個存儲周期，不改變CPU現(xiàn)場。DMA請求的優(yōu)先權比中斷請求高。CPU優(yōu)先響應DMA請求，是為了避免DMA所連接的高速外設丟失數(shù)據(jù)。DMA利用了中斷技術49通道方式通道的功能通道類型50動機隨著設備數(shù)量的增加，DMA控制器增加，成本也相應增加。必須找出一種方法使DMA技術被更多的設備共享。DMA接口的起始準備仍需CPU執(zhí)行一段程序完成。高速設備的信息是成批傳送的，一批數(shù)據(jù)包含了相當多的數(shù)據(jù)塊，每一數(shù)據(jù)塊都要使DMA接口初始化。數(shù)據(jù)塊連續(xù)頻繁地傳送，其占用CPU的時間就不可忽視了。51通道方式設置一種專用的輸入輸出處理機(通道)，分擔主機對輸入輸出管理的全部或大部分工作。不僅能管理高速設備，還能管理低速設備。吸取了DMA硬件技術，并增加了軟件管理。它設有專用的通道指令。一個主機可以連接多個通道，一個通道可以管理多個設備控制器。而一個設備控制器又可以控制多臺設備。這樣就形成了一個較完整的I／O系統(tǒng)，并具有明顯的層次性。

52通道功能根據(jù)CPU要求，組織設備與系統(tǒng)連接和通信；選取通道指令，通過設備控制器向設備發(fā)出操作命令；指出數(shù)據(jù)在設備中的位置和在主存緩沖區(qū)內(nèi)的位置，組織設備與主存間的數(shù)據(jù)傳輸。檢查設備和設備控制器的工作狀態(tài)。向CPU反映設備、設備控制器及通道本身的狀態(tài)信息。將外設和通道本身的中斷請求，按次序及時報告CPU。設備控制器介于通道與設備之間，是通道對外部設備實行具體控制的機構。53通道分類根據(jù)設備共享通道的情況及信息傳送速度的要求，通道分為3類：字節(jié)多路通道選擇通道數(shù)組多路通道。54第9章查詢方式基本原理中斷方式基本原理DMA方式基本原理通道方式基本原理總復習請各位同學認真聽講?。?6第一章重點內(nèi)容計算機發(fā)展簡史計算機分類、應用計算機硬件系統(tǒng)計算機軟件系統(tǒng)計算機系統(tǒng)層次結構57第二章重點內(nèi)容二進制表示以及進制轉換運算2X、X/2、X/64的求解方法真值、原碼