第5章輸入輸出系

第５章輸入輸出系統(tǒng)5.6DMA方式5.5程序中斷方式5.4程序查詢方式5.3I/O接口5.2外部設(shè)備5.1概述5.1概述一、輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展概況1.早期分散連接CPU和I/O設(shè)備串行工作程序查詢方式2.接口模塊和DMA階段總線連接CPU和I/O設(shè)備并行工作3.具有通道結(jié)構(gòu)的階段4.具有I/O處理機(jī)的階段中斷方式DMA方式二、輸入輸出系統(tǒng)的組成1.I/O軟件(1)I/O指令(2)通道指令CPU指令的一部分通道自身的指令指出數(shù)組的首地址、傳送字?jǐn)?shù)、操作命令如IBM/370通道指令為64位2.I/O硬件設(shè)備I/O接口設(shè)備設(shè)備控制器通道操作碼命令碼設(shè)備碼5.1三、I/O設(shè)備與主機(jī)的聯(lián)系方式1.I/O設(shè)備編址方式(1)統(tǒng)一編址(2)不統(tǒng)一編址用取數(shù)、存數(shù)指令有專門的I/O指令2.設(shè)備選址用接口中的設(shè)備選擇電路識別是否被選中3.傳送方式(1)串行(2)并行5.1數(shù)據(jù)字命令字命令字01101000起始位終止位9.09ms2×

9.09ms4.聯(lián)絡(luò)方式(1)立即響應(yīng)(2)異步工作采用應(yīng)答信號“Ready”“Strobe”I/O接口I/O設(shè)備CPU(3)同步工作采用同步時標(biāo)5.1并行串行起始位終止位9.09ms2×

9.09ms5.I/O設(shè)備與主機(jī)的連接方式(1)輻射式連接(2)總線連接外設(shè)Ⅰ外設(shè)Ⅱ外設(shè)Ⅲ主機(jī)不便于增刪設(shè)備每臺設(shè)備都配有一套控制線路和一組信號線5.1便于增刪設(shè)備四、I/O設(shè)備與主機(jī)信息傳送的控制方式1.程序查詢方式CPU和I/O串行工作踏步等待CPU讀I/O狀態(tài)檢查狀態(tài)未準(zhǔn)備就緒出錯從I/O接口中讀一個字到CPU從CPU向主存寫入一個字CPU向I/O發(fā)讀指令CPU讀I/O狀態(tài)檢查狀態(tài)完成否未準(zhǔn)備就緒現(xiàn)行程序是出錯已準(zhǔn)備就緒否5.12.程序中斷方式I/O工作CPU不查詢CPU暫?，F(xiàn)行程序自身準(zhǔn)備與主機(jī)交換信息CPU和I/O并行工作

啟動I/O設(shè)備現(xiàn)行程序

……中斷服務(wù)程序KK+1…沒有踏步等待現(xiàn)象中斷現(xiàn)行程序5.1程序中斷方式流程CPU向I/O發(fā)讀指令CPU讀I/O狀態(tài)檢查狀態(tài)完成否？CPU做其他事情I/O設(shè)備工作準(zhǔn)備就緒CPUI/O從CPU向主存寫入一個字CPU主存從I/O接口中讀一個字到CPUI/OCPU中斷請求I/OCPU出錯是否未錯5.13.DMA方式主存和I/O之間有一條直接數(shù)據(jù)通道不中斷現(xiàn)行程序周期挪用（周期竊?。〤PU和I/O并行工作存取周期結(jié)束CPU執(zhí)行現(xiàn)行程序CPU執(zhí)行現(xiàn)行程序DMA請求啟動I/OI/O準(zhǔn)備I/O準(zhǔn)備一個存取周期實(shí)現(xiàn)I/O與主存之間的傳送5.12.三總線結(jié)構(gòu)主存總線DMA總線I/O總線CPU

主存設(shè)備1設(shè)備n高速外設(shè)I/O接口I/O接口I/O接口……3.4三種方式的CPU工作效率比較存取周期結(jié)束CPU執(zhí)行現(xiàn)行程序CPU執(zhí)行現(xiàn)行程序DMA請求啟動I/OI/O準(zhǔn)備I/O準(zhǔn)備一個存取周期實(shí)現(xiàn)I/O與主存之間的傳送CPU

執(zhí)行現(xiàn)行程序CPU查詢等待并傳輸I/O數(shù)據(jù)CPU

執(zhí)行現(xiàn)行程序啟動I/OI/O準(zhǔn)備及傳送指令執(zhí)行周期結(jié)束CPU執(zhí)行現(xiàn)行程序CPU執(zhí)行現(xiàn)行程序啟動I/O中斷請求I/O準(zhǔn)備I/O準(zhǔn)備CPU處理中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)I/O與主機(jī)之間的傳送間斷啟動I/O啟動I/OI/O準(zhǔn)備中斷請求啟動I/OI/O準(zhǔn)備一個存取周期DMA請求程序查詢方式程序中斷方式DMA方式5.1I/O準(zhǔn)備及傳送間斷I/O準(zhǔn)備I/O準(zhǔn)備5.2I/O設(shè)備一、概述主機(jī)設(shè)備控制器機(jī)、電磁、光部分I/O接口外部設(shè)備外部設(shè)備大致分三類鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)、顯示器磁盤、光盤、磁帶1.人機(jī)交互設(shè)備2.計算機(jī)信息存儲設(shè)備3.機(jī)機(jī)通信設(shè)備調(diào)制解調(diào)器等二、輸入設(shè)備1.鍵盤2.鼠標(biāo)3.觸摸屏按鍵判斷哪個鍵按下將此鍵翻譯成ASCII碼（編碼鍵盤法）機(jī)械式金屬球電位器5.2光電式光電轉(zhuǎn)換器三、輸出設(shè)備1.顯示器(1)字符顯示(2)圖形顯示(3)圖像顯示字符發(fā)生器主觀圖像客觀圖像2.打印機(jī)(1)擊打式(2)非擊打式點(diǎn)陣式（逐字、逐行）噴墨（逐字）激光（逐頁）5.2四、其他1.A/D、D/A2.終端3.漢字處理五、多媒體技術(shù)完成顯示控制與存儲、鍵盤管理及通信控制模擬/數(shù)字（數(shù)字/模擬）轉(zhuǎn)換器漢字輸入、漢字存儲、漢字輸出1.什么是多媒體2.多媒體計算機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)5.2由鍵盤和顯示器組成5.3I/O接口一、概述為什么要設(shè)置接口？1.實(shí)現(xiàn)設(shè)備的選擇2.實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖達(dá)到速度匹配4.實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換5.傳送控制命令6.反映設(shè)備的狀態(tài)（“忙”、“就緒”、“中斷請求”）3.實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)串并格式轉(zhuǎn)換二、接口的功能和組成(1)設(shè)備選擇線(2)數(shù)據(jù)線(3)命令線(4)狀態(tài)線I/O接口設(shè)備I/O接口設(shè)備數(shù)據(jù)線命令線狀態(tài)線I/O總線設(shè)備選擇線總線連接方式的I/O接口電路5.32.接口的功能和組成功能組成選址功能傳送命令的功能傳送數(shù)據(jù)的功能反映設(shè)備狀態(tài)的功能設(shè)備選擇電路命令寄存器、命令譯碼器數(shù)據(jù)緩沖寄存器設(shè)備狀態(tài)標(biāo)記完成觸發(fā)器D工作觸發(fā)器B中斷請求觸發(fā)器INTR屏蔽觸發(fā)器MASK5.3當(dāng)D=0,B=0時，I/O設(shè)備暫停；當(dāng)D=1,B=0時，I/O設(shè)備準(zhǔn)備就緒，完成；當(dāng)D=0,B=0時，I/O設(shè)備正處于準(zhǔn)備狀態(tài)3.I/O接口的基本組成命令寄存器和命令譯碼器設(shè)備選擇電路設(shè)備狀態(tài)標(biāo)記數(shù)據(jù)緩沖寄存器DBR控制邏輯電路I/O接口外部設(shè)備數(shù)據(jù)線命令狀態(tài)數(shù)據(jù)線命令線狀態(tài)線CPU地址線5.3三、接口類型并行接口串行接口可編程接口不可編程接口通用接口專用接口1.按數(shù)據(jù)傳送方式分類2.按功能選擇的靈活性分類3.按通用性分類4.按數(shù)據(jù)傳送的控制方式分類中斷接口DMA接口5.3Intel8255Intel8251Intel8255、Intel8251Intel8212Intel8255、Intel8251Intel8279、Intel8275Intel8259Intel82575.4程序查詢方式一、程序查詢流程檢查狀態(tài)標(biāo)記1設(shè)備1準(zhǔn)備就緒？檢查狀態(tài)標(biāo)記N設(shè)備N準(zhǔn)備就緒？…處理設(shè)備1是否否處理設(shè)備N是1.查詢流程檢查狀態(tài)標(biāo)記交換數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒?是否單個設(shè)備多個設(shè)備測試指令轉(zhuǎn)移指令傳送指令2.程序流程設(shè)置主存緩沖區(qū)首址設(shè)置計數(shù)值啟動外設(shè)傳送一個數(shù)據(jù)修改主存地址修改計數(shù)值結(jié)束I/O傳送準(zhǔn)備好？傳送完？未完是完否5.4

保存寄存器內(nèi)容②設(shè)備選擇電路DBRQQ&數(shù)據(jù)線準(zhǔn)備就緒啟動命令地址線SEL輸入數(shù)據(jù)啟動設(shè)備設(shè)備工作結(jié)束①③④⑤⑥D(zhuǎn)B二、程序查詢方式的接口電路①②③⑤1010④5.4以輸入為例⑥5.5程序中斷方式一、中斷的概念…KK+1QQ+1……中斷服務(wù)程序1中斷服務(wù)程序2入口1入口2二、I/O中斷的產(chǎn)生以打印機(jī)為例發(fā)中斷請求空閑接收數(shù)據(jù)接收數(shù)據(jù)準(zhǔn)備發(fā)中斷請求打印打印打印機(jī)執(zhí)行主程序繼續(xù)執(zhí)行主程序繼續(xù)執(zhí)行主程序響應(yīng)中斷中斷返回響應(yīng)中斷中斷返回啟動打印機(jī)傳送數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)CPUCPU與打印機(jī)并行工作5.5三、程序中斷方式的接口電路1.配置中斷請求觸發(fā)器和中斷屏蔽觸發(fā)器DQ&1INTR中斷請求觸發(fā)器INTR=1有請求MASK中斷屏蔽觸發(fā)器MASK=1被屏蔽來自CPU的中斷查詢信號受設(shè)備本身控制INTRDMASKQD完成觸發(fā)器5.5中斷請求2.排隊(duì)器排隊(duì)在CPU內(nèi)或在接口電路中（鏈?zhǔn)脚抨?duì)器）硬件軟件5.5詳見第八章INTP1′INTP2′INTP3′INTP4′INTR1INTR2INTR3INTR41&1&1&1&INTR1設(shè)備1#、2#、3#、4#優(yōu)先級按降序排列INTRi

=1有請求即INTRi=01INTP11INTP21INTP31INTP4&&&&INTR1INTR2INTR3INTR4INTR1INTR2INTR3INTR41&1&1&1&INTP1′INTP2′INTP3′INTP4′INTR2INTR1INTR1INTR25.51&INTP22.排隊(duì)器排隊(duì)在CPU內(nèi)或在接口電路中（鏈?zhǔn)脚抨?duì)器）硬件軟件詳見第八章3.中斷向量地址形成部件入口地址…向量地址…排隊(duì)器輸出由軟件產(chǎn)生硬件向量法

顯示器服務(wù)程序

打印機(jī)服務(wù)程序JMP400JMP300JMP200…………主存12H13H14H200300向量地址入口地址入口地址中斷向量地址形成部件設(shè)備編碼器1000…000100100100…00010011詳見第八章由硬件產(chǎn)生向量地址再由向量地址找到入口地址5.5設(shè)備選擇電路DBR

DQ&數(shù)據(jù)線啟動命令地址線SEL輸入數(shù)據(jù)啟動設(shè)備設(shè)備工作結(jié)束&1QQDINTRBQQMASK

設(shè)備編碼器排隊(duì)器中斷查詢來自高一級的排隊(duì)器至低一級的排隊(duì)器向量地址中斷響應(yīng)INTA中斷請求命令譯碼4.程序中斷方式接口電路的基本組成5.5四、I/O中斷處理過程1.CPU響應(yīng)中斷的條件和時間(1)條件(2)時間允許中斷觸發(fā)器EINT=1用開中斷指令將EINT置“1”用關(guān)中斷指令將EINT置“0”或硬件自動復(fù)位當(dāng)D=1（隨機(jī)）且MASK=0時在每條指令執(zhí)行階段的結(jié)束前CPU發(fā)中斷查詢信號（將INTR置“1”）5.5設(shè)備選擇電路DBRDQ&數(shù)據(jù)線啟動命令地址線SEL輸入數(shù)據(jù)啟動設(shè)備設(shè)備工作結(jié)束&1QQDINTRBQQMASK設(shè)備編碼器排隊(duì)器中斷查詢來自高一級的排隊(duì)器至低一級的排隊(duì)器向量地址中斷響應(yīng)INTA中斷請求命令譯碼①②③④⑤⑥⑦⑧2.I/O中斷處理過程①10&DBR④⑤⑦⑧設(shè)備選擇電路01以輸入為例②5.5③⑥五、中斷服務(wù)程序流程1.中斷服務(wù)程序的流程(1)保護(hù)現(xiàn)場(2)中斷服務(wù)(3)恢復(fù)現(xiàn)場(4)中斷返回對不同的I/O設(shè)備具有不同內(nèi)容的設(shè)備服務(wù)中斷返回指令2.單重中斷和多重中斷不允許中斷現(xiàn)行的中斷服務(wù)程序單重中斷多重中斷允許級別更高的中斷源中斷現(xiàn)行的中斷服務(wù)程序中斷隱指令完成進(jìn)棧指令出棧指令程序斷點(diǎn)的保護(hù)寄存器內(nèi)容的保護(hù)5.53.單重中斷和多重中斷的服務(wù)程序流程中斷否？保護(hù)現(xiàn)場設(shè)備服務(wù)恢復(fù)現(xiàn)場開中斷中斷返回取指令執(zhí)行指令中斷服務(wù)程序

中斷響應(yīng)程序斷點(diǎn)進(jìn)棧關(guān)中斷向量地址PC中斷周期是中斷返回保護(hù)現(xiàn)場設(shè)備服務(wù)恢復(fù)現(xiàn)場開中斷開中斷開中斷中斷隱指令中斷隱指令否取指令執(zhí)行指令中斷否？否

中斷響應(yīng)程序斷點(diǎn)進(jìn)棧關(guān)中斷向量地址PC中斷周期是中斷服務(wù)程序單重多重5.5程序中斷接口芯片8259A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)5.5內(nèi)部總線緩沖器讀/寫邏輯級聯(lián)緩沖器/比較器優(yōu)先權(quán)判別器(PR)中斷服務(wù)寄存器(ISR)

中斷

請求

寄存

器(IRR)中斷屏蔽寄存器（IMR）控制邏輯INTINTAD7~D0A0RDWRCSCAS0CAS1CAS2SP/ENIR0IR1IR2IR3IR4IR5IR6IR7內(nèi)部總線主程序和服務(wù)程序搶占CPU示意圖準(zhǔn)備工作準(zhǔn)備工作準(zhǔn)備工作傳送數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)發(fā)中斷請求發(fā)中斷請求I/O宏觀上CPU和I/O并行工作微觀上CPU中斷現(xiàn)行程序?yàn)镮/O服務(wù)主程序繼續(xù)執(zhí)行主程序啟動外設(shè)

服務(wù)程序（傳送數(shù)據(jù)）

服務(wù)程序（傳送數(shù)據(jù)）繼續(xù)執(zhí)行主程序CPU5.55.6DMA方式一、DMA方式的特點(diǎn)1.DMA和程序中斷兩種方式的數(shù)據(jù)通路CPU主存ACC中斷接口DMA接口I/O設(shè)備中斷方式數(shù)據(jù)傳送通路輸入指令輸出指令DMA方式數(shù)據(jù)傳送通路2.DMA與主存交換數(shù)據(jù)的三種方式(1)停止CPU訪問主存控制簡單CPU處于不工作狀態(tài)或保持狀態(tài)未充分發(fā)揮CPU對主存的利用率主存工作時間CPU不執(zhí)行程序DMA不工作DMA不工作DMA工作CPU控制并使用主存DMA控制并使用主存t5.6(2)周期挪用（或周期竊?。〥MA訪問主存有三種可能

CPU此時不訪存

CPU正在訪存

CPU與DMA同時請求訪存此時CPU將總線控制權(quán)讓給DMA主存工作時間CPU控制并使用主存DMA控制并使用主存t5.6(3)DMA與CPU交替訪問主存工作時間DMA控制并使用主存CPU控制并使用主存tCPU工作周期C1專供DMA訪存C2專供CPU

訪存所有指令執(zhí)行過程中的一個基準(zhǔn)時間5.6不需要申請建立和歸還總線的使用權(quán)二、DMA接口的功能和組成1.DMA接口功能(1)向CPU申請DMA傳送(2)處理總線控制權(quán)的轉(zhuǎn)交(3)管理系統(tǒng)總線、控制數(shù)據(jù)傳送(4)確定數(shù)據(jù)傳送的首地址和長度(5)DMA傳送結(jié)束時，給出操作完成信號修正傳送過程中的數(shù)據(jù)地址和長度5.6DMA接口主存CPU2.DMA接口組成DMA控制邏輯

中斷機(jī)構(gòu)設(shè)備HLDAARWCDARHRQ中斷請求數(shù)據(jù)線地址線+1+1溢出信號DREQDACKBR5.6三、DMA的工作過程1.DMA傳送過程預(yù)處理、數(shù)據(jù)傳送、后處理(1)預(yù)處理通過幾條輸入輸出指令預(yù)置如下信息通知DMA控制邏輯傳送方向（入/出）設(shè)備地址DMA的DAR主存地址DMA的AR傳送字?jǐn)?shù)DMA的WC5.6預(yù)處理：主存起始地址設(shè)備地址傳送數(shù)據(jù)個數(shù)啟動設(shè)備DMADMADMA數(shù)據(jù)傳送：繼續(xù)執(zhí)行主程序同時完成一批數(shù)據(jù)傳送后處理：中斷服務(wù)程序做DMA結(jié)束處理繼續(xù)執(zhí)行主程序CPU(2)DMA傳送過程示意允許傳送？主存地址送總線數(shù)據(jù)送I/O設(shè)備（或主存）修改主存地址修改字計數(shù)器數(shù)據(jù)塊傳送結(jié)束？向CPU申請程序中斷DMA請求否否是是數(shù)據(jù)傳送5.6BR設(shè)備DMA控制邏輯中斷機(jī)構(gòu)ARWCDARDMA接口主存CPU+1+1(3)數(shù)據(jù)傳送過程（輸入）DREQ②HRQ③HLDA④地址線⑤DACK⑥①數(shù)據(jù)線⑦溢出信號中斷請求ARWC+1+15.6BRBRBRBRBRBR設(shè)備DMA控制邏輯中斷機(jī)構(gòu)ARWCDARDMA接口主存CPU+1+1BRDREQ②HRQ③HLDA④地址線⑤DACK⑥①數(shù)據(jù)線⑦溢出信號中斷請求ARWC+1+1(4)數(shù)據(jù)傳送過程（輸出）5.6BRBRBRBR(5)后處理校驗(yàn)送入主存的數(shù)是否正確是否繼續(xù)用DMA測試傳送過程是否正確，錯則轉(zhuǎn)診斷程序由中斷服務(wù)程序完成5.62.DMA接口與系統(tǒng)的連接方式DMA接口1DMA接口2DMA接口nCPU…主存DMA響應(yīng)I/O總線數(shù)據(jù)線地址線DMA請求(1)具有公共請求線的DMA請求5.6(2)獨(dú)立的DMA請求DMA接口1DMA接口2DMA接口3CPU主存DMA響應(yīng)1DMA請求1DMA響應(yīng)2DMA請求2DMA響應(yīng)3DMA請求3I/O總線數(shù)據(jù)線地址線5.63.DMA方式與程序中斷方式的比較(1)數(shù)據(jù)傳送(2)響應(yīng)時間(3)處理異常情況(4)中斷請求(5)優(yōu)先級中斷方式DMA方式程序硬件指令執(zhí)行結(jié)束存取周期結(jié)束能不能低高傳送數(shù)據(jù)后處理5.6四、DMA接口的類型1.選擇型在物理上連接多個設(shè)備在邏輯上只允許連接一個設(shè)備設(shè)備地址寄存器控制狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)緩沖寄存器主存地址寄存器時序電路字計數(shù)器DMA接口CPU主存設(shè)備1設(shè)備2設(shè)備n選擇線...系統(tǒng)總線5.62.多路型在物理上連接多個設(shè)備在邏輯上允許連接多個設(shè)備同時工作5.6設(shè)備設(shè)備設(shè)備DMA接口CPU主存…獨(dú)立請求式設(shè)備設(shè)備設(shè)備DMA接口CPU主存…鏈?zhǔn)健?.多路型DMA接口的工作原理T4T6T7T2為磁盤服務(wù)T5T8T3為磁帶服務(wù)為打印機(jī)服務(wù)T15s

5.6DMA請求打印機(jī)tDMA請求DMA請求DMA請求45s

磁帶tDMA請求DMA請求DMA請求DMA請求30s

磁盤t第五節(jié)通道與IOPDMA傳送的對外圍設(shè)備的管理和某些操作的控制需由CPU承擔(dān)；

大型計算機(jī)系統(tǒng)中依靠主CPU采取中斷和DMA等管理方式已不能滿足需要；

通道和IOP方式引入計算機(jī)系統(tǒng)解決了上述問題；7.5.1通道一、通道方式及其特點(diǎn)通道是一種專用控制器，它通過執(zhí)行通道程序進(jìn)行I/O操作的管理，為主機(jī)與I/O設(shè)備提供一種數(shù)據(jù)傳輸通道通道方式是在DMA方式的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的、功能更強(qiáng)的一種I/O管理方式下圖為一種采用通道的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

二、通道的分類

按照數(shù)據(jù)傳送的方式，通道可分為三類

字節(jié)多路型通道

：簡單的共享通道。用于連接與管理多臺低速設(shè)備，以字節(jié)交叉的方式傳送信息。選擇型通道：

高速通道，一段時間內(nèi)只能選擇一臺設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。數(shù)組多路型通道：綜合以上兩種通道特點(diǎn)，某設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時