計算機組成原理-輸入輸出系統(tǒng)課件

計算機組成原理主講老師：葉林鋒電子郵件:64664921@聯(lián)系電話:139221550662023/2/31計算機組成原理第8章

輸入輸出系統(tǒng)2023/2/32計算機組成原理第8章計算機的輸入輸出系統(tǒng)是整個計算機系統(tǒng)中最具有多樣性和復(fù)雜性的部分，本章首先介紹主機與外設(shè)之間的連接問題，接著重點介紹程序查詢方式、程序中斷方式、DMA方式和通道方式。2023/2/33計算機組成原理8.1主機與外設(shè)的連接8.1.1

輸入輸出接口

主機和外設(shè)的連接方式有輻射型連接、總線型連接等。輸入/輸出接口（I/O接口）是主機和外設(shè)之間的交接界面，通過接口可以實現(xiàn)主機和外設(shè)之間的信息交換。主機和外設(shè)各自具有自己的工作特點，它們在信息形式和工作速度上具有很大的差異，接口正是為了解決這些差異而設(shè)置的。

2023/2/34計算機組成原理8.1主機與外設(shè)的連接主機和外設(shè)之間需要交換的信息有：1.數(shù)據(jù)信息這類信息可以是通過輸入設(shè)備送到計算機的輸入數(shù)據(jù)，也可以是經(jīng)過計算機運算處理和加工后，送到輸出設(shè)備的結(jié)果數(shù)據(jù)。傳送可以是并行的，也可以是串行的。2.控制信息這是CPU對外設(shè)的控制信息或管理命令，如外設(shè)的啟動和停止控制、輸入或輸出操作的指定、工作方式的選擇、中斷功能的允許和禁止等。2023/2/35計算機組成原理8.1主機與外設(shè)的連接3.狀態(tài)信息這類信息用來標志外設(shè)的工作狀態(tài)，比如，輸入設(shè)備數(shù)據(jù)準備好標志，輸出設(shè)備忙閑標志等。CPU在必要時可通過對它的查詢來決定下一步的操作。4.

聯(lián)絡(luò)信息這是主機和外設(shè)間工作的時間配合信息，它與主機和外設(shè)間的信息交換方式密切相關(guān)。通過聯(lián)絡(luò)信息可以決定不同工作速度的外設(shè)和主機之間交換信息的最佳時刻，以保證整個計算機系統(tǒng)能統(tǒng)一協(xié)調(diào)地工作。2023/2/36計算機組成原理8.1主機與外設(shè)的連接5.外設(shè)識別信息這是I/O尋址的信息，使CPU能從眾多的外設(shè)中尋找出與自己進行信息交換的唯一外部設(shè)備。2023/2/37計算機組成原理8.1主機與外設(shè)的連接8.1.2接口的功能和基本組成1.接口的功能(1)實現(xiàn)主機和外設(shè)的通信聯(lián)絡(luò)控制接口中的同步控制電路用來解決主機與外設(shè)的時間配合問題。(2)進行地址譯碼和設(shè)備選擇當CPU送來選擇外設(shè)的地址碼后，接口必須對地址進行譯碼以產(chǎn)生設(shè)備選擇信息，使主機能和指定外設(shè)交換信息。2023/2/38計算機組成原理8.1主機與外設(shè)的連接(3)實現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖在接口電路中，一般設(shè)置有一個或幾個數(shù)據(jù)緩沖寄存器，用于數(shù)據(jù)的暫存，以避免因速度不一致而丟失數(shù)據(jù)。在傳送過程中，先將數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)緩沖寄存器中，然后再送到輸出設(shè)備或主機中去。(4)數(shù)據(jù)格式的變換在輸入或輸出操作過程中，為了滿足主機或外設(shè)的各自要求，接口電路中必須具有完成各類數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換的功能。2023/2/39計算機組成原理8.1主機與外設(shè)的連接(5)傳遞控制命令和狀態(tài)信息當CPU要啟動某一外設(shè)時，通過接口中的控制命令寄存器向外設(shè)發(fā)出啟動命令；當外設(shè)準備就緒時，則有狀態(tài)信息送回接口中的狀態(tài)寄存器，為CPU提供反饋信息，告訴CPU，I/O設(shè)備已經(jīng)具備和CPU交換數(shù)據(jù)的條件。當外設(shè)向CPU提出中斷請求和DMA請求時，CPU也有相應(yīng)的響應(yīng)信號反饋給外設(shè)。2023/2/310計算機組成原理8.1主機與外設(shè)的連接2.接口的基本組成接口中要分別傳送數(shù)據(jù)信息、控制信息和狀態(tài)信息，數(shù)據(jù)信息、控制信息和狀態(tài)信息都通過數(shù)據(jù)總線來傳送。大多數(shù)計算機都把I/O設(shè)備的狀態(tài)信息視為輸入數(shù)據(jù)，而把控制信息看成輸出數(shù)據(jù)，并在接口中分設(shè)各自相應(yīng)的寄存器，賦以不同的端口地址，各種信息分時地使用數(shù)據(jù)總線傳送到各自的寄存器中。2023/2/311計算機組成原理8.1主機與外設(shè)的連接主機外設(shè)識別數(shù)據(jù)/命令/狀態(tài)控制電路地址信息控制聯(lián)絡(luò)信息數(shù)據(jù)(并)外設(shè)控制聯(lián)絡(luò)數(shù)據(jù)(并/串)接口2023/2/312計算機組成原理8.1主機與外設(shè)的連接接口與端口是兩個不同的概念。端口是指接口電路中可以進行讀/寫的寄存器，若干個端口加上相應(yīng)的控制邏輯電路才組成接口。2023/2/313計算機組成原理8.1主機與外設(shè)的連接通常，一個接口中包含有數(shù)據(jù)端口、控制端口和狀態(tài)端口。存放數(shù)據(jù)信息的寄存器稱為數(shù)據(jù)端口，存放控制命令的端口稱為命令端口，存放狀態(tài)信息的寄存器稱為狀態(tài)端口。CPU通過輸入指令可以從有關(guān)端口中讀出信息，通過輸出指令可以把信息寫入有關(guān)端口。對狀態(tài)端口只進行輸入操作，將設(shè)備狀態(tài)標志送到CPU中去；對命令端口只進行輸出操作，CPU將向外設(shè)發(fā)送各種控制命令。因此，在有的接口電路中狀態(tài)信息和控制信息共用一個寄存器，稱之為設(shè)備的控制狀態(tài)寄存器。2023/2/314計算機組成原理8.1主機與外設(shè)的連接3.接口的類型(1)按數(shù)據(jù)傳送方式分類有串行接口和并行接口。這里所說的數(shù)據(jù)傳送方式指的是外設(shè)和接口一側(cè)的傳送方式，而在主機和接口一側(cè)，數(shù)據(jù)總是并行傳送的。

(2)按主機訪問I/O設(shè)備的控制方式分類可分為程序查詢式接口、中斷接口、DMA接口等。(3)按功能選擇的靈活性分類有可編程接口和不可編程接口。2023/2/315計算機組成原理8.1主機與外設(shè)的連接(4)按通用性分類有通用接口和專用接口。(5)按輸入/輸出的信號分類有數(shù)字接口和模擬接口。(6).按應(yīng)用來分類

①

運行輔助接口。

②

用戶交互接口。

③

傳感接口。

④

控制接口。2023/2/316計算機組成原理8.1主機與外設(shè)的連接8.1.3外設(shè)的識別與端口尋址外設(shè)識別是通過地址總線和接口電路中的外設(shè)識別電路來實現(xiàn)的，I/O端口地址就是主機與外設(shè)直接通信的地址，CPU可以通過端口發(fā)送命令、讀取狀態(tài)和傳送數(shù)據(jù)。1.端口地址編址方式

I/O端口編址方式有兩種：一種是I/O映射方式，即把I/O端口地址與主存單元地址分別進行獨立的編址；另一種是存儲器映射方式，即把端口地址與主存單元地址統(tǒng)一編址。2023/2/317計算機組成原理8.1主機與外設(shè)的連接(1)獨立編址主存地址空間和I/O端口地址空間是相對獨立的，分別單獨編址。比如，在8086中，其主存地址范圍是從00000H～FFFFFH連續(xù)的1MB，其I/O端口的地址范圍從0000H～FFFFH，它們互相獨立，互不影響。CPU訪問主存時，由主存讀/寫控制線控制；訪問外設(shè)時，由I/O讀/寫控制線控制，所以在指令系統(tǒng)中必須設(shè)置專門的I/O指令。當CPU使用I/O指令時，其指令的地址字段直接或間接的指示出端口地址。2023/2/318計算機組成原理8.1主機與外設(shè)的連接(2)統(tǒng)一編址

I/O端口地址和主存單元的地址是統(tǒng)一編址的，把I/O接口中的端口作為主存單元一樣進行訪問，不設(shè)置專門的I/O指令。每個外設(shè)至少有兩個寄存器：控制狀態(tài)寄存器和數(shù)據(jù)緩沖寄存器，外設(shè)寄存器的地址碼是連續(xù)的。在PDP-11中，把主存的高4KB地址空間留給外設(shè)接口寄存器和CPU內(nèi)部寄存器使用，這4KB存儲空間不允許用戶再存放其他內(nèi)容。2023/2/319計算機組成原理8.1主機與外設(shè)的連接2.獨立編址方式的端口訪問

Intel80x86最多可直接尋址256個字節(jié)端口，可間接尋址65536個字節(jié)端口。任意兩個連續(xù)的8位端口可作為16位端口處理；四個連續(xù)的8位端口可作為32位端口處理。因此，I/O地址空間最多能提供64K個8位端口、32K個16位端口、16K個32位端口或總?cè)萘坎怀^64KB的不同端口的組合。2023/2/320計算機組成原理8.1主機與外設(shè)的連接

80x86的專用I/O指令I(lǐng)N和OUT有直接尋址和間接尋址兩種類型。直接尋址I/O端口的尋址范圍為00～FFH，至多為256個端口地址。這時程序可以指定：編號0到255的256個8位端口；編號0、2、4…252、254的128個16位端口；編號0、4、8…248、252的64個32位端口。2023/2/321計算機組成原理8.1主機與外設(shè)的連接間接尋址由DX寄存器間接給出I/O端口地址。DX寄存器長16位，尋址范圍為0000～FFFFH，最多可尋址216=64K個端口地址，這時程序可指定：編號0到65535的65536個8位端口；編號0、2、4…65532、65534的32768個16位端口；編號0、4、8…65528、65532的16384個32位端口。2023/2/322計算機組成原理8.1主機與外設(shè)的連接

CPU一次可實現(xiàn)字節(jié)（8位）、字（16位）或雙字（32位）的數(shù)據(jù)傳送，與存儲器中的雙字一樣。32位端口應(yīng)對準可被4整除的偶地址，與存儲器中的字一樣，16位端口應(yīng)對準偶地址，8位端口可定位在偶地址，也可定位在奇地址。2023/2/323計算機組成原理

8.1主機與外設(shè)的連接8.1.4輸入/輸出信息傳送控制方式

主機和外設(shè)之間的信息傳送控制方式，經(jīng)歷了由低級到高級、由簡單到復(fù)雜、由集中管理到各部件分散管理的發(fā)展過程，按其發(fā)展的先后次序和主機與外設(shè)并行工作的程度，可以分為四種。2023/2/324計算機組成原理

8.1主機與外設(shè)的連接1.程序查詢方式程序查詢方式是一種程序直接控制方式，這是主機與外設(shè)間進行信息交換的最簡單方式，輸入和輸出完全是通過CPU執(zhí)行程序來完成的。

這種方式控制簡單，但外設(shè)和主機不能同時工作，各外設(shè)之間也不能同時工作，系統(tǒng)效率很低，因此，僅適用于外設(shè)的數(shù)目不多，對I/O處理的實時要求不那么高，CPU的操作任務(wù)比較單一，并不很忙的情況。2023/2/325計算機組成原理8.1主機與外設(shè)的連接2.程序中斷方式外設(shè)在作好輸入/輸出準備時，向主機發(fā)中斷請求，主機接到請求后就暫時中止原來執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)程序?qū)ν獠空埱筮M行處理，在中斷處理完畢后返回原來的程序繼續(xù)執(zhí)行。程序中斷不僅允許主機和外設(shè)同時并行工作，并且允許一臺主機管理多臺外設(shè)。但是完成一次程序中斷需要許多輔助操作，可能使CPU應(yīng)接不暇；對于一些高速外設(shè)，可能會造成信息丟失，因此，它主要適用于中、低速外設(shè)。

2023/2/326計算機組成原理8.1主機與外設(shè)的連接3.直接存儲器存取（DMA）方式

DMA方式是在主存儲器和外部設(shè)備之間開辟直接的數(shù)據(jù)通路，可以進行基本上不需要CPU介入的主存和外設(shè)之間的信息傳送，這樣不僅能保證CPU的高效率，而且能滿足高速外設(shè)的需要。

DMA方式只能進行簡單的數(shù)據(jù)傳送操作，在數(shù)據(jù)塊傳送的起始和結(jié)束時還需CPU及中斷系統(tǒng)進行預(yù)處理和后處理。

2023/2/327計算機組成原理8.1主機與外設(shè)的連接4.I/O通道控制方式通道是一個具有特殊功能的處理器，它能獨立地執(zhí)行通道程序，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，實現(xiàn)對外設(shè)的統(tǒng)一管理和外設(shè)與主存之間的數(shù)據(jù)傳送。但它不是一個完全獨立的處理機，它要在CPU的I/O指令指揮下才能啟動、停止或改變工作狀態(tài)，是從屬于CPU的一個專用處理器。一個通道執(zhí)行輸入/輸出過程全部由通道按照通道程序自行處理，不論交換信息多少，只打擾CPU兩次（啟動和停止時）。2023/2/328計算機組成原理8.2程序查詢方式及其接口8.2.1程序查詢方式1.程序查詢的基本思想由CPU執(zhí)行一段輸入、輸出程序來實現(xiàn)主存與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式，叫做程序直接控制方式。根據(jù)外設(shè)的不同性質(zhì)，這種傳送方式又可分為無條件傳送和程序查詢方式兩種。在無條件傳送方式中，I/O接口總是準備好接收主機的輸出數(shù)據(jù)，或總是準備好向主機輸入的數(shù)據(jù)，因而CPU無需查詢外設(shè)的工作狀態(tài)，而默認外設(shè)始終處于準備就緒狀態(tài)。2023/2/329計算機組成原理8.2程序查詢方式及其接口許多外設(shè)的工作狀態(tài)是很難事先預(yù)知的，為了保證數(shù)據(jù)傳送的正確進行，就要求CPU在程序中查詢外設(shè)的工作狀態(tài)，如果外設(shè)尚未準備就緒，CPU就等待，只有外設(shè)已作好準備，CPU才能執(zhí)行I/O指令，這就是程序查詢方式。2023/2/330計算機組成原理8.2程序查詢方式及其接口2.程序查詢方式的工作流程(1)預(yù)置傳送參數(shù)在傳送數(shù)據(jù)之前，由CPU執(zhí)行一段程序，預(yù)置傳送參數(shù)。傳送參數(shù)包括存取數(shù)據(jù)的主存緩沖區(qū)首地址和傳送數(shù)據(jù)的個數(shù)。(2)向I/O接口發(fā)命令字當CPU選中某臺外設(shè)時，執(zhí)行輸出指令向I/O接口發(fā)出命令字，啟動外設(shè)，為接收數(shù)據(jù)或發(fā)送數(shù)據(jù)的操作做準備。2023/2/331計算機組成原理8.2程序查詢方式及其接口(3)從I/O接口取回狀態(tài)字

CPU執(zhí)行輸入指令，從I/O接口中取回狀態(tài)字并進行測試，判斷數(shù)據(jù)傳送是否可以進行。(4)查詢外設(shè)標志

CPU不斷查詢狀態(tài)標志，如果外設(shè)沒有準備就緒，CPU就踏步進行等待，一直到這個外設(shè)準備就緒，并發(fā)出“準備就緒”信號為止。2023/2/332計算機組成原理8.2程序查詢方式及其接口(5)傳送數(shù)據(jù)只有外設(shè)準備好，才能實現(xiàn)主機與外設(shè)間的一次數(shù)據(jù)傳送。輸入時，CPU執(zhí)行輸入指令，從I/O接口的數(shù)據(jù)緩沖寄存器中接收數(shù)據(jù)；輸出時，CPU執(zhí)行輸出指令，將數(shù)據(jù)寫入I/O接口的數(shù)據(jù)緩沖寄存器。(6)修改傳送參數(shù)每進行一次數(shù)據(jù)傳送，需要修改傳送參數(shù)，其中包括主存緩沖區(qū)地址加1，傳送個數(shù)減1。2023/2/333計算機組成原理8.2程序查詢方式及其接口(7)判斷傳送是否結(jié)束

如果傳送個數(shù)不為0，則轉(zhuǎn)第3步，繼續(xù)傳送，直到傳送結(jié)束為止。2023/2/334計算機組成原理8.2程序查詢方式及其接口預(yù)置傳送參數(shù)啟動外設(shè)取外設(shè)狀態(tài)傳送一次數(shù)據(jù)修改傳送參數(shù)外設(shè)準備就緒?傳送完否?YYNN結(jié)束輸出指令(OUT控制口,AL)輸入/輸出指令(INAL,數(shù)據(jù)口/OUT數(shù)據(jù)口,AL)輸入指令(INAL,狀態(tài)口)2023/2/335計算機組成原理8.2程序查詢方式及其接口8.2.2程序查詢方式接口最簡單、經(jīng)濟的I/O方式，只需很少的硬件。通常接口中至少有兩個寄存器，一個是數(shù)據(jù)緩沖寄存器，即數(shù)據(jù)端口，用來存放與CPU進行傳送的數(shù)據(jù)信息，另一個是供CPU查詢的設(shè)備狀態(tài)寄存器，即狀態(tài)端口，這個寄存器由多個標志位組成，其中最重要的是設(shè)備準備就緒標志。當CPU得到這位信息后就進行判斷，以決定下一步是繼續(xù)循環(huán)等待還是進行I/O傳送，也有些計算機僅設(shè)置狀態(tài)標志觸發(fā)器，其作用與設(shè)備狀態(tài)寄存器相同。2023/2/336計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式8.3.1中斷的基本概念1.中斷的提出程序查詢方式存在著下列明顯的缺點。①在查詢過程中，CPU長期處于踏步等待狀態(tài)，使系統(tǒng)效率大大降低。②CPU在一段時間內(nèi)只能和一臺外設(shè)交換信息，其它設(shè)備不能同時工作。③不能發(fā)現(xiàn)和處理預(yù)先無法估計的錯誤和異常情況。2023/2/337計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式啟動工作工作完成完成響應(yīng)響應(yīng)中斷請求中斷請求中斷返回中斷返回外部設(shè)備中斷服務(wù)程序現(xiàn)行程序CPU2023/2/338計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式為了提高輸入/輸出能力和CPU的效率，50年代中期，中斷傳送方式被引進計算機系統(tǒng)?，F(xiàn)代計算機，無論是巨型機、大型機、小型機還是微型機無不具有中斷能力。中斷系統(tǒng)是計算機實現(xiàn)中斷功能的軟、硬件總稱。一般在CPU中配置中斷機構(gòu)，在外設(shè)接口中配置中斷控制器，在軟件上設(shè)計相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。2023/2/339計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式2.程序中斷與調(diào)用子程序的區(qū)別表面上看起來，計算機的中斷處理過程有點類似于調(diào)用子程序的過程，這里現(xiàn)行程序相當于主程序，中斷服務(wù)程序相當于子程序。但是，它們之間卻是有著本質(zhì)上的區(qū)別的。2023/2/340計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式⑴子程序的執(zhí)行是由程序員事先安排好的（由一條調(diào)用子程序指令轉(zhuǎn)入），而中斷服務(wù)程序的執(zhí)行則是由隨機的中斷事件引起的；⑵子程序的執(zhí)行受到主程序或上層子程序的控制，而中斷服務(wù)程序一般與被中斷的現(xiàn)行程序毫無關(guān)系；⑶不存在同時調(diào)用多個子程序的情況，而有可能發(fā)生多個外設(shè)同時請求CPU為自己服務(wù)的情況。2023/2/341計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式3.中斷的基本類型(1)自愿中斷和強迫中斷自愿中斷又稱程序自中斷，它不是隨機產(chǎn)生的中斷，而是在程序中安排的有關(guān)指令，這些指令可以使機器進入中斷處理的過程，如：指令系統(tǒng)中的軟件中斷指令等。

強迫中斷是隨機產(chǎn)生的中斷，不是程序中事先安排好的。當這種中斷產(chǎn)生后，由中斷系統(tǒng)強迫計算機中止現(xiàn)行程序并轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序。2023/2/342計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式(2)程序中斷和簡單中斷

程序中斷就是我們前面提到的中斷，主機在響應(yīng)中斷請求后，通過執(zhí)行一段中斷服務(wù)程序來處理更緊迫的任務(wù)。

簡單中斷就是外設(shè)與主存間直接進行信息交換的方法，即DMA方式。這種“中斷”不去執(zhí)行中斷服務(wù)程序，故不破壞現(xiàn)行程序的狀態(tài)。主機發(fā)現(xiàn)有簡單中斷請求（也就是DMA請求）時，將讓出一個或幾個存取周期供外設(shè)與主存交換信息，然后繼續(xù)執(zhí)行程序。2023/2/343計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式(3)內(nèi)中斷和外中斷內(nèi)中斷是指由于CPU內(nèi)部硬件或軟件原因引起的中斷。

外中斷是指CPU以外的部件引起的中斷。(4)向量中斷和非向量中斷

向量中斷是指那些中斷服務(wù)程序的入口地址是由中斷事件自己提供的中斷。中斷事件在提出中斷請求的同時，通過硬件向主機提供中斷服務(wù)程序入口地址，即向量地址。2023/2/344計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式

非向量中斷的中斷事件不能直接提供中斷服務(wù)程序的入口地址，而由CPU查詢之后得到。(5)單重中斷和多重中斷

單重中斷在CPU執(zhí)行中斷服務(wù)程序的過程中不能被再打斷。

多重中斷在執(zhí)行某個中斷服務(wù)程序的過程中，CPU可去響應(yīng)級別更高的中斷請求，又稱為中斷嵌套。2023/2/345計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式8.3.2中斷請求和中斷判優(yōu)1.中斷源和中斷請求信號

中斷源是指中斷的來源，即任何引起計算機中斷的事件，一般計算機都有多個中斷源。由于每個中斷源向CPU發(fā)出中斷請求的時間是隨機的，為了記錄中斷事件并區(qū)分不同的中斷源，可采用具有存儲功能的觸發(fā)器來記錄中斷源，稱為中斷請求觸發(fā)器。當某一個中斷源有中斷請求時，其相應(yīng)的中斷請求觸發(fā)器置成“1”狀態(tài)，此時，該中斷源向CPU發(fā)出中斷請求信號。2023/2/346計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式多個中斷請求觸發(fā)器構(gòu)成一個中斷請求寄存器，其中每一位對應(yīng)一個中斷源，中斷請求寄存器的內(nèi)容稱為中斷字或中斷碼，中斷字中為“1”的位就表示對應(yīng)的中斷源有中斷請求。2023/2/347計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式2.中斷請求信號的傳送(1)獨立請求線每個中斷源單獨設(shè)置中斷請求線，將中斷請求信號直接送往CPU，這種方式的特點是CPU在接到中斷請求的同時也就知道了中斷源是誰，其中斷服務(wù)程序的入口地址在哪里。2023/2/348計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式(2)公共請求線多個中斷源共有一根公共請求線，這種方式的特點是在負載允許的情況下，中斷源的數(shù)目可隨意擴充，但CPU在接到中斷請求后，必須通過軟件或硬件的方法來識別中斷源，然后再找出中斷服務(wù)程序的入口地址。(3)二維結(jié)構(gòu)將中斷請求線連成二維結(jié)構(gòu)，同一優(yōu)先級別的中斷源，采用一根公共的請求線，不同請求線上的中斷源優(yōu)先級別不同，這種方式綜合了前兩種方式的優(yōu)點，在中斷源較多的系統(tǒng)中常采用這種方式。2023/2/349計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式3.中斷優(yōu)先級與判優(yōu)方法當多個中斷源同時發(fā)出中斷請求時，CPU在任何瞬間只能接受一個中斷源的請求。通常，把全部中斷源按中斷的性質(zhì)和處理的輕重緩急安排優(yōu)先級，并進行排隊。確定中斷優(yōu)先級的原則是：對那些提出中斷請求后需要立刻處理，否則就會造成嚴重后果的中斷源規(guī)定最高的優(yōu)先級；而對那些可以延遲響應(yīng)和處理的中斷源規(guī)定較低的優(yōu)先級。如故障中斷一般優(yōu)先級較高，接著才是I/O設(shè)備中斷。而在I/O設(shè)備中又可以根據(jù)各個設(shè)備的速度來決定優(yōu)先級。2023/2/350計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式每個中斷源均有一個為其服務(wù)的中斷服務(wù)程序，每個中斷服務(wù)程序都有與之對應(yīng)的優(yōu)先級別。另外，CPU正在執(zhí)行的程序也有優(yōu)先級。只有當某個中斷源的優(yōu)先級別高于CPU現(xiàn)在的優(yōu)先級時，才能中止CPU執(zhí)行現(xiàn)在的程序。2023/2/351計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式(1)軟件判優(yōu)法軟件判優(yōu)法，就是用程序來判別優(yōu)先級，這是最簡單的中斷判優(yōu)方法。2023/2/352計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式當CPU接到中斷請求信號后，就執(zhí)行查詢程序，逐個檢測中斷請求寄存器的各位狀態(tài)，檢測順序是按優(yōu)先級的大小排列的，最先檢測的中斷源具有最高的優(yōu)先級，其次檢測的中斷源具有次高優(yōu)先級，如此下去，最后檢測的中斷源具有最低的優(yōu)先級。顯然，軟件判優(yōu)是與識別中斷源結(jié)合在一起的，當查詢到中斷請求信號的發(fā)出者，也就是找到了中斷源，程序立即可以轉(zhuǎn)入對應(yīng)的中斷服務(wù)程序中去。2023/2/353計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式(2)硬件判優(yōu)電路采用硬件實現(xiàn)中斷優(yōu)先級判定可節(jié)省CPU時間，而且速度快，但是成本較高。根據(jù)中斷請求信號的傳送方式不同，有不同的優(yōu)先排隊電路，常見的有以下幾種方案。獨立請求線的優(yōu)先排隊電路公共請求線的優(yōu)先排隊電路2023/2/354計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式8.3.3中斷響應(yīng)和中斷處理1.CPU響應(yīng)中斷的條件(1)CPU接收到中斷請求信號首先中斷源要發(fā)出中斷請求，同時CPU還要接收到這個中斷請求信號。(2)CPU允許中斷

CPU允許中斷即開中斷。CPU內(nèi)部有一個中斷允許觸發(fā)器，只有當其被置位時，CPU才可能響應(yīng)中斷源的中斷請求（中斷開放）。如其被復(fù)位，CPU處于不可中斷狀態(tài)，即使中斷源有中斷請求，CPU也不響應(yīng)（中斷關(guān)閉）。2023/2/355計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式(3)一條指令執(zhí)行完畢一般情況下，CPU在一條指令執(zhí)行完畢，且沒有更緊迫的任務(wù)時才能響應(yīng)中斷請求。2.中斷隱指令

CPU響應(yīng)中斷之后，經(jīng)過某些操作，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)程序。這些操作是由硬件直接實現(xiàn)的，我們把它稱為中斷隱指令。中斷隱指令并不是指令系統(tǒng)中的一條真正的指令，它沒有操作碼，所以中斷隱指令是一種不允許、也不可能為用戶使用的特殊指令。其所完成的操作主要有：2023/2/356計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式(1)保存斷點將原來程序的斷點（即程序計數(shù)器PC的內(nèi)容）保存起來。(2)暫不允許中斷為了在用軟件保護中斷現(xiàn)場（即CPU的主要寄存器狀態(tài)）時，不被新的中斷所打斷，從而保證被中斷的程序在中斷服務(wù)程序執(zhí)行完畢之后能接著正確地執(zhí)行下去。(3)引出中斷服務(wù)程序引出中斷服務(wù)程序的實質(zhì)就是取出中斷服務(wù)程序的入口地址送程序計數(shù)器。2023/2/357計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式3.中斷周期中斷周期需完成如下操作：⑴將特定地址“0”送至存儲器地址寄存器，記作0→MAR；⑵將PC的內(nèi)容（斷點）送至MDR，記作(PC)→MDR；

⑶向主存發(fā)寫命令，啟動存儲器做寫操作，記作Write；⑷將MDR的內(nèi)容通過數(shù)據(jù)總線寫入到MAR所指示的主存單元（0號）中，記作MDR→M(MAR)；2023/2/358計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式⑸向量地址形成部件的輸出送至PC，為進入中斷服務(wù)程序作準備，記作向量地址→PC；⑹

關(guān)中斷，將中斷允許觸發(fā)器清0，記作0→EINT。如果斷點存入堆棧，只需將上述⑴改為堆棧指針SP→MAR。2023/2/359計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式4.進入中斷服務(wù)程序識別中斷源在于轉(zhuǎn)入為該中斷源專門設(shè)置的中斷服務(wù)程序。向量中斷時，中斷源向CPU發(fā)出中斷請求信號之后，CPU經(jīng)過一定的判優(yōu)處理，若決定響應(yīng)這個中斷請求，則向中斷源發(fā)出中斷響應(yīng)信號。中斷源接到中斷響應(yīng)信號后就通過自己的向量地址發(fā)生器向CPU發(fā)送向量地址。2023/2/360計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式工作完成允許中斷發(fā)中斷請求中斷優(yōu)先級判定選優(yōu)中斷響應(yīng)識別中斷源向量地址形成現(xiàn)場處理啟動中斷服務(wù)程序向量地址_____INTRINTA中斷源

CPU工作完成允許中斷發(fā)中斷請求中斷優(yōu)先級判定選優(yōu)中斷響應(yīng)識別中斷源向量地址形成現(xiàn)場處理啟動中斷服務(wù)程序2023/2/361計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式向量地址通常有兩種情況：(1)向量地址是中斷服務(wù)程序的入口地址如果向量地址就是中斷服務(wù)程序的入口地址，則CPU不需要再經(jīng)過處理就可以進入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。

PC←8×NNN轉(zhuǎn)中斷服務(wù)程序入口地址由此可見，中斷服務(wù)程序的入口地址依次是00H、08H、10H、……、38H。2023/2/362計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式(2)向量地址是中斷向量表的指針如果向量地址是中斷向量表的指針，則向量地址指向一個中斷向量表，從中斷向量表的相應(yīng)單元中再取出中斷服務(wù)程序的入口地址，此時中斷源給出的向量地址是中斷服務(wù)程序入口地址的地址。2023/2/363計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式2023/2/364計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式5.中斷現(xiàn)場的保護和恢復(fù)中斷現(xiàn)場指的是發(fā)生中斷時CPU的主要狀態(tài)，其中最重要的是斷點，另外還有一些通用寄存器的狀態(tài)。之所以需要保護和恢復(fù)現(xiàn)場的原因是因為CPU要先后執(zhí)行兩個完全不同的程序（現(xiàn)行程序和中斷服務(wù)程序），必須進行兩種程序運行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。一般來說，在中斷隱指令中，CPU硬件將自動保存斷點，有些計算機還自動保存程序狀態(tài)寄存器的內(nèi)容。但是，在許多應(yīng)用中，要保證中斷返回后原來的程序能正確地繼續(xù)運行，僅保存這一、二個寄存器的內(nèi)容是不夠的。2023/2/365計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式為此，在中斷服務(wù)程序開始時，應(yīng)由軟件去保存那些硬件沒有保存，而在中斷服務(wù)程序中又可能用到的寄存器（如某些通用寄存器）的內(nèi)容，在中斷返回之前，這些內(nèi)容還應(yīng)該被恢復(fù)。現(xiàn)代計算機一般都先采用硬件方法來自動快速的保護和恢復(fù)部分重要的現(xiàn)場，其余寄存器的內(nèi)容再由軟件完成保護和恢復(fù)，這種方法的硬件支持是堆棧。

2023/2/366計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式2023/2/367計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式8.3.4多重中斷與中斷屏蔽1.中斷嵌套中斷嵌套的層次可以有多層，越在里層的中斷越急迫，優(yōu)先級越高，因此優(yōu)先得到CPU的服務(wù)。要使計算機具有多重中斷的能力，首先要能保護多個斷點，先發(fā)生的中斷請求的斷點，先保護后恢復(fù)；后發(fā)生的中斷請求的斷點，后保護先恢復(fù)，堆棧的先進后出特點正好滿足多重中斷這一先后次序的需要。在CPU進入某一中斷服務(wù)程序之后，系統(tǒng)必須處于開中斷狀態(tài)，否則中斷嵌套是不可能實現(xiàn)的。2023/2/368計算機組成原理現(xiàn)行程序中斷服務(wù)程序1中斷服務(wù)程序2第一次中斷請求優(yōu)先級別更高的中斷請求8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式2023/2/369計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式2.允許和禁止中斷允許中斷還是禁止中斷是用CPU中的中斷允許觸發(fā)器控制的，當中斷允許觸發(fā)器被置“1”，則允許中斷，當中斷允許觸發(fā)器被置“0”，則禁止中斷。

允許中斷即開中斷，下列情況時應(yīng)開中斷：

⑴

在中斷服務(wù)程序執(zhí)行完畢，恢復(fù)中斷現(xiàn)場之后；

⑵

在多重中斷的情況下，保護中斷現(xiàn)場之后。2023/2/370計算機組成原理

禁止中斷即關(guān)中斷，下列情況時應(yīng)關(guān)中斷：

⑴

當響應(yīng)某一級中斷請求，不再允許被其他中斷請求打斷時；

⑵

在中斷服務(wù)程序的保護和恢復(fù)現(xiàn)場之前。3.中斷屏蔽中斷源發(fā)出中斷請求之后，這個中斷請求并不一定能真正送到CPU去，在有些情況下，可以用程序方式有選擇地封鎖部分中斷，這就是中斷屏蔽。8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式2023/2/371計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式如果給每個中斷源都相應(yīng)地配備一個中斷屏蔽觸發(fā)器MASK，則每個中斷請求信號在送往判優(yōu)電路之前，還要受到屏蔽觸發(fā)器的控制。當MASK=1，表示對應(yīng)中斷源的請求被屏蔽（封鎖其中斷源的請求），可見中斷請求觸發(fā)器和中斷屏蔽觸發(fā)器是成對出現(xiàn)的，只有當INTRi=1（中斷源有中斷請求），MASKi=0（該級中斷未被屏蔽），才允許對應(yīng)的中斷請求送往CPU。

2023/2/372計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式在中斷接口電路中，多個屏蔽觸發(fā)器組成一個屏蔽寄存器，其內(nèi)容稱為屏蔽字或屏蔽碼，由程序來設(shè)置。屏蔽字某一位的狀態(tài)將成為本中斷源能否真正發(fā)出中斷請求信號的必要條件之一。這樣，就可實現(xiàn)CPU對中斷處理的控制，使中斷能在系統(tǒng)中合理協(xié)調(diào)地進行。中斷屏蔽寄存器的作用：用程序設(shè)置的方法將屏蔽寄存器中的某一位置“1”，則對應(yīng)的中斷請求被封鎖，無法去參加排隊判優(yōu)；若屏蔽寄存器中的某一位置“0”，才允許對應(yīng)的中斷請求送往CPU。2023/2/373計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式＆

＆

＆

＆

≥12023/2/374計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式如一個中斷系統(tǒng)有16個中斷源，每一個中斷源按其優(yōu)先級別賦予一個屏蔽字?！?”表示開放，“1”表示屏蔽。第1級中斷源的優(yōu)先級別最高，它禁止本級和更低級的中斷請求；第16級中斷源的優(yōu)先級別最低，它僅禁止本級的中斷請求，而對其他高級的中斷請求全部開放。

中斷源的優(yōu)先級屏蔽字（16位）123

1516111…111011…111001…111

000…011000…001……2023/2/375計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式4.中斷升級中斷屏蔽字的另一個作用是可以改變中斷優(yōu)先級，將原級別較低的中斷源變成較高的級別，我們稱之為中斷升級。這實際上是一種動態(tài)改變優(yōu)先級的方法。這里所說的改變優(yōu)先次序是指改變中斷的處理次序。中斷處理次序和中斷響應(yīng)次序是兩個不同的概念，中斷響應(yīng)次序是由硬件排隊電路決定的，無法改變。但是，中斷處理次序是可以由屏蔽碼來改變的，故把屏蔽碼看成軟排隊器。中斷處理次序可以不同于中斷響應(yīng)次序。2023/2/376計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式例如，某計算機的中斷系統(tǒng)有4個中斷源，每個中斷源對應(yīng)一個屏蔽碼。中斷響應(yīng)的優(yōu)先次序為1→2→3→4。中斷的處理次序和中斷的響應(yīng)次序是一致的。程序級別

屏蔽碼1級2級3級4級第1級第2級第3級第4級10001100111011112023/2/377計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式根據(jù)這一次序，可以看到CPU運動的軌跡，當多個中斷請求同時出現(xiàn)時，處理次序與響應(yīng)次序一致；當中斷請求先后出現(xiàn)時，允許優(yōu)先級別高的中斷請求打斷優(yōu)先級別低的中斷服務(wù)程序，實現(xiàn)中斷嵌套。中斷服務(wù)程序現(xiàn)行程序①②①③③②②④④①2023/2/378計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式在不改變中斷響應(yīng)次序的條件下，通過改寫屏蔽碼可以改變中斷處理次序，例如，要使中斷處理次序改為1→4→3→2。程序級別

屏蔽碼1級2級3級4級第1級第2級第3級第4級10001111101110012023/2/379計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式在同樣中斷請求的情況下，CPU的運動軌跡發(fā)生了變化。中斷服務(wù)程序現(xiàn)行程序①①③③②②④④②①2023/2/380計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式8.3.5中斷全過程中斷全過程是指從中斷源發(fā)出中斷請求開始，CPU響應(yīng)這個請求，現(xiàn)行程序被中斷，轉(zhuǎn)至中斷服務(wù)程序，直至中斷服務(wù)程序執(zhí)行完畢，CPU再返回原來的程序繼續(xù)執(zhí)行的整個過程。中斷全過程分為五個階段：

中斷請求、中斷判優(yōu)、中斷響應(yīng)、中斷處理、中斷返回。2023/2/381計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式其中中斷處理就是執(zhí)行中斷服務(wù)程序，中斷服務(wù)程序基本上由三部分組成，第一部分為準備部分，其基本功能是保護現(xiàn)場，對于非向量中斷方式則需要確定中斷源，最后開放中斷，允許更高級的中斷請求打斷低級的中斷服務(wù)程序。第二部分為處理部分，即真正執(zhí)行為某個中斷源服務(wù)的中斷服務(wù)程序。第三部分為結(jié)尾部分，首先要關(guān)中斷，以防止在恢復(fù)現(xiàn)場過程中被新的中斷打斷，接著恢復(fù)現(xiàn)場，然后開放中斷，以便返回原來的程序后可響應(yīng)其它的中斷請求。2023/2/382計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式2023/2/383計算機組成原理8.4DMA方式及其接口8.4.1DMA方式的基本概念1.DMA方式的特點無論程序查詢還是程序中斷方式，主要的工作都是由CPU執(zhí)行程序完成的，這需要花費時間，因此不能實現(xiàn)高速外設(shè)與主機的信息交換。直接存儲器訪問DMA方式是在外設(shè)和主存儲器之間開辟一條“直接數(shù)據(jù)通道”，在不需要CPU干預(yù)也不需要軟件介入的情況下在兩者之間進行的高速數(shù)據(jù)傳送方式。2023/2/384計算機組成原理8.4DMA方式及其接口在DMA傳送方式中，對數(shù)據(jù)傳送過程進行控制的硬件稱為DMA控制器。當外設(shè)需要進行數(shù)據(jù)傳送時，通過DMA控制器向CPU提出DMA傳送請求，CPU響應(yīng)之后將讓出系統(tǒng)總線，由DMA控制器接管總線進行數(shù)據(jù)傳送。

DMA方式具有下列特點：①它使主存與CPU的固定聯(lián)系脫鉤，主存既可被CPU訪問，又可被外設(shè)訪問。2023/2/385計算機組成原理②在數(shù)據(jù)塊傳送時，主存地址的確定，傳送數(shù)據(jù)的計數(shù)等等都用硬件電路直接實現(xiàn)。③主存中要開辟專用緩沖區(qū)，及時供給和接收外設(shè)的數(shù)據(jù)。④DMA傳送速度快，CPU和外設(shè)并行工作，提高了系統(tǒng)的效率。⑤DMA在開始前和結(jié)束后要通過程序和中斷方式進行預(yù)處理和后處理。8.4DMA方式及其接口2023/2/386計算機組成原理8.4DMA方式及其接口2.DMA和中斷的區(qū)別兩者的重要區(qū)別為：①中斷方式是程序切換，需要保護和恢復(fù)現(xiàn)場；而DMA方式除了開始和結(jié)尾時，不占用CPU的任何資源。②對中斷請求的響應(yīng)只能發(fā)生在每條指令執(zhí)行完畢時；而對DMA請求的響應(yīng)可以發(fā)生在每個機器周期結(jié)束時。取指令取源操作數(shù)取目的操作數(shù)執(zhí)行中斷斷點DMA斷點中斷斷點DMA斷點2023/2/387計算機組成原理8.4DMA方式及其接口③中斷傳送過程需要CPU的干預(yù)；而DMA傳送過程不需要CPU的干預(yù)，故數(shù)據(jù)傳送速率非常高，適合于高速外設(shè)的成組數(shù)據(jù)傳送。④DMA請求的優(yōu)先級高于中斷請求。⑤中斷方式具有對異常事件的處理能力；而DMA方式僅局限于完成傳送信息塊的I/O操作。2023/2/388計算機組成原理8.4DMA方式及其接口8.4.2DMA接口（DMA控制器）1.DMA控制器的功能在DMA傳送過程中，DMA控制器將接管CPU的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線，CPU的主存控制信號被禁止使用。而當DMA傳送結(jié)束后，將恢復(fù)CPU的一切權(quán)利并開始執(zhí)行其操作。由此可見，DMA控制器必須具有控制系統(tǒng)總線的能力，即能夠像CPU一樣輸出地址信號，接收或發(fā)出控制信號，輸入或輸出數(shù)據(jù)信號。2023/2/389計算機組成原理8.4DMA方式及其接口

DMA控制器在外設(shè)與主存之間直接傳送數(shù)據(jù)期間，完全代替CPU進行工作，它的主要功能有：

⑴

接受外設(shè)發(fā)出的DMA請求，并向CPU發(fā)出總線請求；

⑵

當CPU響應(yīng)此總線請求，發(fā)出總線響應(yīng)信號后，接管對總線的控制，進入DMA操作周期；

⑶

確定傳送數(shù)據(jù)的主存單元地址及傳送長度，并能自動修改主存地址計數(shù)值和傳送長度計數(shù)值；2023/2/390計算機組成原理8.4DMA方式及其接口⑷

規(guī)定數(shù)據(jù)在主存與外設(shè)之間的傳送方向，發(fā)出讀/寫或其他控制信號，并執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送的操作。

⑸

向CPU報告DMA操作的結(jié)束。2023/2/391計算機組成原理8.4DMA方式及其接口2.DMA控制器的基本組成(1)主存地址計數(shù)器用來存放主存中要交換數(shù)據(jù)的地址，該計數(shù)器的初始值為主存緩沖區(qū)的首地址，當DMA傳送時，每傳送一個數(shù)據(jù)，將地址計數(shù)器加“1”，從而以增量方式給出主存中要交換的一批數(shù)據(jù)的地址，直至這批數(shù)據(jù)傳送完畢為止。2023/2/392計算機組成原理(2)傳送長度計數(shù)器用來記錄傳送數(shù)據(jù)塊的長度，其初始值為傳送數(shù)據(jù)的總字數(shù)或總字節(jié)數(shù)，每傳送一個字或一個字節(jié)，計數(shù)器自動減“1”，當其內(nèi)容為“0”時表示數(shù)據(jù)已全部傳送完畢。(3)數(shù)據(jù)緩沖寄存器用來暫存每次傳送的數(shù)據(jù)。輸入時，數(shù)據(jù)由外設(shè)（如磁盤）先送往數(shù)據(jù)緩沖寄存器，再通過數(shù)據(jù)總線送到主存。反之，輸出時，數(shù)據(jù)由主存通過數(shù)據(jù)總線送到數(shù)據(jù)緩沖寄存器，然后再送到外設(shè)。8.4DMA方式及其接口2023/2/393計算機組成原理8.4DMA方式及其接口(4)DMA請求觸發(fā)器每當外設(shè)準備好一個數(shù)據(jù)后給出一個控制信號，使DMA請求觸發(fā)器置位，控制/狀態(tài)邏輯經(jīng)系統(tǒng)總線向CPU發(fā)出總線請求（HOLD），如果CPU響應(yīng)，發(fā)回批準信號（HLDA），DMA控制器接管總線控制權(quán)，向系統(tǒng)總線送出傳送命令與總線地址?？刂?狀態(tài)邏輯接收此信號后使DMA請求觸發(fā)器復(fù)位，為交換下一個數(shù)據(jù)做準備。2023/2/394計算機組成原理8.4DMA方式及其接口(5)控制/狀態(tài)邏輯它由控制和時序電路以及狀態(tài)標志等組成，用于指定傳送方向，修改傳送參數(shù)，并對DMA請求信號和CPU響應(yīng)信號進行協(xié)調(diào)和同步。(6)中斷機構(gòu)當一個數(shù)據(jù)塊傳送完畢，由溢出信號觸發(fā)中斷機構(gòu)，向CPU提出中斷請求，CPU將進行DMA傳送的結(jié)尾處理。2023/2/395計算機組成原理8.4DMA方式及其接口3.DMA控制器的引出線(1)地址總線

在DMA方式下，呈輸出狀態(tài)，可對主存進行地址選擇；在CPU方式下，呈輸入狀態(tài)，可對DMA控制器中的有關(guān)寄存器進行尋址。(2)數(shù)據(jù)總線

在DMA方式下，用它進行數(shù)據(jù)傳送；在CPU方式下，可對DMA控制器的有關(guān)寄存器進行編程。2023/2/396計算機組成原理8.4DMA方式及其接口(3)控制數(shù)據(jù)傳送方式的信號線

存儲器讀信號、存儲器寫信號、外設(shè)讀信號、外設(shè)寫信號。(4)DMA控制器與外設(shè)之間的聯(lián)絡(luò)信號線

DMA請求信號

DMA響應(yīng)信號(5)DMA控制器與CPU之間的聯(lián)絡(luò)信號線

總線請求

總線響應(yīng)信號2023/2/397計算機組成原理8.4DMA方式及其接口

4.DMA控制器的連接和傳送

⑴首先由外設(shè)向DMA控制器發(fā)出請求信號DREQ。⑵DMA控制器向CPU發(fā)出總線請求信號HRQ。⑶CPU向DMA控制器發(fā)出總線響應(yīng)信號HLDA，此時，DMA控制器獲取了總線的控制權(quán)。⑷DMA控制器向外設(shè)發(fā)出DMA響應(yīng)信號DACK，表示DMA控制器已控制了總線，允許外設(shè)與主存交換數(shù)據(jù)。2023/2/398計算機組成原理8.4DMA方式及其接口⑸DMA控制器按主存地址計數(shù)器的內(nèi)容發(fā)出地址信號作為主存地址的選擇，同時主存地址計數(shù)器的內(nèi)容加1（或減1）。⑹DMA控制器發(fā)出IOR信號到外設(shè)，將外設(shè)數(shù)據(jù)讀入總線，同時發(fā)出MEMW信號，將數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)寫入地址總線選中的主存單元。⑺傳送長度計數(shù)器減１。重復(fù)⑸⑹⑺步驟，直到字節(jié)計數(shù)器減到“0”為止，數(shù)據(jù)塊的DMA方式傳送工作宣告完成。這時，DMA控制器的HRQ降為低電平，總線控制權(quán)交還CPU。2023/2/399計算機組成原理8.4DMA方式及其接口8.4.3DMA傳送方法與傳送過程1.DMA傳送方法(1)CPU停止訪問主存法用DMA請求信號迫使CPU讓出總線控制權(quán)，CPU在現(xiàn)行機器周期執(zhí)行完成之后，使其數(shù)據(jù)、地址總線處于三態(tài)，并輸出總線批準信號。每次DMA請求獲得批準后，DMA控制器獲得總線控制權(quán)以后，連續(xù)占用若干個存取周期（總線周期）進行成組連續(xù)的數(shù)據(jù)傳送，直至批量傳送結(jié)束，DMA控制器才把總線控制權(quán)交回CPU。在DMA操作期間，CPU處于保持狀態(tài)，停止訪問主存，僅能進行一些與總線無關(guān)的內(nèi)部操作。這種方法只適用于高速外設(shè)的成組傳送。2023/2/3100計算機組成原理8.4DMA方式及其接口DMA不工作DMA不工作CPU控制并使用主存DMA控制并使用主存主存工作時間tDMA工作2023/2/3101計算機組成原理8.4DMA方式及其接口(2)存儲器分時法把原來的一個存取周期分成兩個時間片，一片給CPU，一片給DMA，使CPU和DMA交替地訪問主存。這種方法不需要申請和歸還總線，使總線控制權(quán)的轉(zhuǎn)移幾乎不需要什么時間，所以對DMA傳送來講效率是很高的，而且CPU既不停止現(xiàn)行程序的運行，也不進入保持狀態(tài)，在CPU不知不覺中便進行了DMA傳送，但這種方法需要主存在原來的存取周期內(nèi)為兩個部件服務(wù)，如果要維持CPU的訪存速度不變，就要求主存的工作速度提高一倍。2023/2/3102計算機組成原理8.4DMA方式及其接口另外，由于大多數(shù)外設(shè)的速度都不能與CPU相匹配，所以供DMA使用的時間片可能成為空操作，將會造成一些不必要的浪費。CPU控制并使用主存DMA控制并使用主存主存工作時間t2023/2/3103計算機組成原理8.4DMA方式及其接口