計(jì)算機(jī)組成原理第十章

第十章輸入/輸出系統(tǒng)10.1I/O系統(tǒng)概述10.2程序查詢輸入/輸出方式10.3程序中斷輸入/輸出方式10.4DMA方式10.5通道方式10.1I/O系統(tǒng)概述一I/O系統(tǒng)的功能與組成1.基本功能

選擇設(shè)備信息傳輸2.系統(tǒng)組成二、輸入\輸出設(shè)備的尋址方式基本原則：按地址訪問編址方式:

獨(dú)立編址、存儲器統(tǒng)一編址1.獨(dú)立編址對外圍設(shè)備統(tǒng)一編碼，從0開始。由于與存儲器分別編址，因此必須由單獨(dú)的I/O指令來訪問。

指令的地址碼字段指出輸入輸出設(shè)備的設(shè)備代碼10.1I/O系統(tǒng)概述⒉存儲器統(tǒng)一編址

在存儲器總的地址空間中分出一個區(qū)域，作為I/O系統(tǒng)中的設(shè)備代碼，當(dāng)訪問這些地址時，表示被訪問的不是存儲器，而是I/O設(shè)備的設(shè)備寄存器。在這種情況下，CPU不設(shè)專門的I/O指令，一般訪問內(nèi)存的指令都可以訪問外圍設(shè)備。各種尋址方式及數(shù)據(jù)處理指令也都可以被I/O端口使用。使得輸入輸出過程的處理更加靈活方便。10.1I/O系統(tǒng)概述三、輸入輸出數(shù)據(jù)傳送控制方式兩個問題：解決速度匹配提高整機(jī)性能1.程序查詢方式外圍設(shè)備的各種操作由CPU執(zhí)行程序來實(shí)現(xiàn)控制2.中斷方式

即當(dāng)外圍設(shè)備需要CPU為其服務(wù)時，才向CPU請求服務(wù)，CPU暫停當(dāng)前的工作，轉(zhuǎn)而為外圍設(shè)備服務(wù)。當(dāng)CPU為外圍設(shè)備的服務(wù)結(jié)束后，繼續(xù)原來的工作。

缺點(diǎn)：中斷過于頻繁，整機(jī)的性能會受到很大的影響。10.1I/O系統(tǒng)概述3.DMA方式原則：盡量不占用CPU方法：

在DMA方式中，CPU把部分輸入輸出的控制權(quán)交給了設(shè)備控制器，在外圍設(shè)備與主存之間傳送信息期間，CPU不必訪問主存，因此，信息傳送率較高。10.1I/O系統(tǒng)概述4.通道方式方法：輸入、輸出操作通過設(shè)備控制器執(zhí)行自己的指令或程序來實(shí)現(xiàn)特點(diǎn)：只需中斷兩次CPU（啟動、結(jié)束）外圍設(shè)備、通道、CPU同時工作5.IO處理機(jī)方式把操作系統(tǒng)中有關(guān)外圍設(shè)備管理部分的功能分散到輸入輸出通道中，就形成了I/O處理機(jī)10.1I/O系統(tǒng)概述傳輸控制方式種類：

程序查詢方式、中斷方式、DMA方式、通道方式、IO處理機(jī)方式10.1I/O系統(tǒng)概述一、程序查詢方式的接口接口：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與外圍設(shè)備之間的一個邏輯部件功能：選擇外圍設(shè)備信息傳輸組成：10.2程序查詢輸入輸出方式二、程序查詢輸入輸出方式程序查詢方式一般采用狀態(tài)驅(qū)動方式。傳送時，CPU首先通過接口將命令字發(fā)給外圍設(shè)備，啟動外圍設(shè)備工作。接著CPU等待外圍設(shè)備完成接收或發(fā)送數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備工作。在等待時間內(nèi)，CPU不斷地用一條測試指令測試外圍設(shè)備的狀態(tài)。一旦CPU檢測到外圍設(shè)備處于“就緒”狀態(tài)，就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。程序查詢方式的工作流程如右圖所示。10.2程序查詢輸入輸出方式服務(wù)子程序的功能：

①實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。②修改內(nèi)存地址，為下一個數(shù)據(jù)傳送作好準(zhǔn)備。③修改傳送字節(jié)數(shù)，以便確定數(shù)據(jù)塊傳送是否完成。優(yōu)先級10.2程序查詢輸入輸出方式一、中斷的基本概念中斷：

當(dāng)外圍設(shè)備或其它急需處理的事件產(chǎn)生請求時，CPU暫時中斷正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)至該服務(wù)程序去處理這一事件，待事件處理完畢后返回原程序繼續(xù)執(zhí)行。10.3程序中斷輸入輸出方式例：現(xiàn)有1號、2號、3號外圍設(shè)備處于中斷工作方式，它們分別在時刻t1、t2和t3向CPU請求服務(wù)，其示意圖如下頁圖所示。10.3程序中斷輸入輸出方式中斷系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的作用

⑴實(shí)現(xiàn)CPU和外圍設(shè)備并行工作⑵實(shí)現(xiàn)分時操作⑶監(jiān)督現(xiàn)行程序，提高系統(tǒng)處理故障的能力，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。⑷實(shí)現(xiàn)實(shí)時處理⑸實(shí)現(xiàn)人機(jī)交換總之，中斷系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)中具有很重要的作用。中斷系統(tǒng)和操作系統(tǒng)是密切相關(guān)的。在很多方面，操作系統(tǒng)是借助中斷系統(tǒng)來控制和管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的。10.3程序中斷輸入輸出方式二、中斷方式的接口中斷方式接口的示意圖如下圖所示。10.3程序中斷輸入輸出方式三、中斷的響應(yīng)和處理兩個階段：中斷響應(yīng)，中斷處理響應(yīng)階段主要解決三個問題：①正確地找到對應(yīng)的中斷服務(wù)程序的入口地址；②為中斷返回作好準(zhǔn)備；③保證中斷響應(yīng)的完整性。10.3程序中斷輸入輸出方式中斷源識別：CPU必須知道對應(yīng)中斷的中斷號或中斷向量獲取中斷號或中斷向量的方法是：在中斷響應(yīng)期間，CPU往接口發(fā)送中斷響應(yīng)信號INTA，接口接收到INTA信號后，將中斷號或中斷向量通過數(shù)據(jù)總線傳送給CPU10.3程序中斷輸入輸出方式正確返回的基礎(chǔ)第一，當(dāng)外圍設(shè)備請求中斷后，CPU待當(dāng)前基本操作結(jié)束后，才響應(yīng)中斷；第二，CPU必須將當(dāng)前程序計(jì)數(shù)器PC的值（斷點(diǎn)地址）及CPU的狀態(tài)（包括各種標(biāo)志的程序狀態(tài)字）壓入堆棧保護(hù)起來，這些操作叫做現(xiàn)場保護(hù)解決方法：在中斷響應(yīng)期間，置CPU內(nèi)的中斷允許標(biāo)志為無效狀態(tài)10.3程序中斷輸入輸出方式中斷服務(wù)程序的結(jié)構(gòu)模式10.3程序中斷輸入輸出方式1.保護(hù)現(xiàn)場：將程序計(jì)數(shù)器、寄存器的內(nèi)容及程序狀態(tài)字保護(hù)方法：

壓入堆棧保護(hù)2.中斷期間中斷允許標(biāo)志清“0”，即CPU處于禁止中斷狀態(tài)3.恢復(fù)現(xiàn)場

壓入堆棧的內(nèi)容從堆棧中彈出，傳送給原來的那些寄存器10.3程序中斷輸入輸出方式四、多級中斷多級中斷的情況：

一是兩個中斷源同時請求中斷；二是當(dāng)CPU正在處理一個中斷時，又有新的中斷請求解決方案：

中斷優(yōu)先級控制10.3程序中斷輸入輸出方式優(yōu)先級原則：①當(dāng)只有一個中斷源請求中斷時，CPU響應(yīng)此中斷。②當(dāng)有兩個中斷源同時請求中斷時，CPU先響應(yīng)優(yōu)先級別高的中斷源。③當(dāng)CPU正在處理一個中斷時，有一新的中斷請求，且新的中斷源的優(yōu)先級比正在處理的中斷源的優(yōu)先級高，則CPU暫停當(dāng)前中斷的處理，轉(zhuǎn)而響應(yīng)和處理優(yōu)先級高的中斷。待優(yōu)先級別高的中斷處理完畢后，才再繼續(xù)原中斷的處理。④當(dāng)CPU正在處理一個中斷時，有一新的中斷請求，且新的中斷源的優(yōu)先級比正在處理的中斷源的優(yōu)先級低，則待CPU處理完當(dāng)前中斷后，才去響應(yīng)和處理新的中斷。10.3程序中斷輸入輸出方式中斷優(yōu)先級的解決方法軟件查詢法、硬件電路法1.軟件查詢法CPU在接到中斷請求信號后，用程序來查詢中斷源，以查詢到中斷源的先后次序來確定優(yōu)先級，若改變查詢次序就可以修改優(yōu)先級。在確認(rèn)了有請求的中斷源后，轉(zhuǎn)入到相應(yīng)的中斷服務(wù)程序：用軟件查詢法實(shí)現(xiàn)中斷優(yōu)先級的處理電路簡單，但效率較低10.3程序中斷輸入輸出方式⒉硬件電路法種類：菊花鏈電路和專用判優(yōu)邏輯兩種⑴菊花鏈電路：用于單線請求的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。菊花鏈電路實(shí)現(xiàn)中斷優(yōu)先級的處理速度快，但功能固定，不夠靈活。10.3程序中斷輸入輸出方式⑵專用判優(yōu)邏輯：用于多線中斷請求的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它用可編程芯片實(shí)現(xiàn)，用戶可靈活設(shè)置中斷優(yōu)先級、中斷號、屏蔽和開放中斷等內(nèi)容10.3程序中斷輸入輸出方式10.4DMA方式一、DMA方式的基本概念直接存儲器存?。―MA）方式，是一種完全由硬件控制的輸入輸出工作方式，這種硬件就是DMA控制器。DMA方式一般用于高速地傳送成組數(shù)據(jù)10.4DMA方式DMA操作的主要優(yōu)點(diǎn)：

速度快

因此，DMA方式能滿足高速外圍設(shè)備的要求，也有利于提高計(jì)算機(jī)的整機(jī)效率二、DMA傳送方式

CPU和DMA控制器都可以作為主控設(shè)備，它們可以分時控制總線，實(shí)現(xiàn)內(nèi)存和外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送。DMA控制器和CPU分時使用總線的方式有以下三種：①停止CPU訪問；②周期挪用；③DMA控制器和CPU交替訪問內(nèi)存。10.4DMA方式⒈停止CPU訪問停止CPU訪問方式，是指在DMA傳送過程中，CPU釋放總線的控制權(quán)，處于不工作狀態(tài)（保持狀態(tài)）。優(yōu)點(diǎn)是控制簡單，它適用于高速的外圍設(shè)備與內(nèi)存之間實(shí)現(xiàn)成組的數(shù)據(jù)傳送。由于外圍設(shè)備和內(nèi)存?zhèn)魉蛢蓚€數(shù)據(jù)之間的間隔一般總是大于內(nèi)存存儲周期，因此，在DMA期間，一部分內(nèi)存的工作周期處于空閑狀態(tài)，內(nèi)存的效能未得到充分發(fā)揮。10.4DMA方式⒉周期挪用在周期挪用方式中，當(dāng)外圍設(shè)備沒有DMA請求時，CPU按程序要求訪問內(nèi)存；當(dāng)外圍設(shè)備有DMA請求時，則由外圍設(shè)備挪用一個或幾個內(nèi)存周期，實(shí)現(xiàn)外圍設(shè)備和內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳送兩種情況：CPU不需要訪問內(nèi)存外圍設(shè)備、CPU都需要訪問內(nèi)存外圍設(shè)備訪問內(nèi)存的優(yōu)先級比CPU要高10.4DMA方式周期挪用方式的特點(diǎn)：1.優(yōu)點(diǎn)：外圍設(shè)備與CPU可以同時工作，提高了效率2.缺點(diǎn)：過程:申請－>創(chuàng)建－>釋放適用：

適用于外圍設(shè)備讀寫周期大于內(nèi)存存取周期的情況10.4DMA方式⒊DMA控制器和CPU交替訪問內(nèi)存實(shí)現(xiàn)原理：

總線控制權(quán)分兩個周期分時由DMA控制器和CPU控制，DMA控制器和CPU有各自的訪問內(nèi)存地址寄存器、數(shù)據(jù)寄存器和讀寫控制邏輯透明的DMA：

DMA傳送對CPU來說是透明的，沒有任何感覺和影響該方式訪問效率高，應(yīng)用廣泛，硬件控制復(fù)雜10.4DMA方式三、基本的DMA控制器

DMA控制器可以作為主控部件控制總線實(shí)現(xiàn)內(nèi)存與外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送，因此，它具有總線請求和響應(yīng)、總線控制、傳送地址，對傳送的字?jǐn)?shù)據(jù)計(jì)數(shù)等功能。DMA控制器的邏輯結(jié)構(gòu)如下圖所示。10.4DMA方式四、

DMA工作過程

DMA的數(shù)據(jù)傳送過程可分為兩個階段：DMA傳送前的預(yù)處理及數(shù)據(jù)傳送。⒈DMA傳送預(yù)處理

DMA傳送預(yù)處理是對DMA控制器的初始化操作。初始化命令字主要包括6個方面10.4DMA方式⑴設(shè)置DMA傳送方式的數(shù)據(jù)傳送方向。DMA數(shù)據(jù)傳送方向由三種選擇：

①外圍設(shè)備到內(nèi)存的數(shù)據(jù)傳送②內(nèi)存到外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送③內(nèi)存到內(nèi)存的數(shù)據(jù)傳送⑵設(shè)置DMA的數(shù)據(jù)傳送方式⑶設(shè)置DMA各通道的優(yōu)先級⑷開放或屏蔽DMA通道⑸設(shè)置DMA傳送的字?jǐn)?shù)據(jù)數(shù)⑹設(shè)置DMA傳送的內(nèi)存初始地址10.4DMA方式⒉數(shù)據(jù)傳送過程。

在DMA傳送過程中，DMA控制器作為主控部件，控制總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。下面以外圍設(shè)備向內(nèi)存?zhèn)魉蛿?shù)據(jù)為例說明DMA的數(shù)據(jù)傳送過程：

⑴外圍設(shè)備向DMA控制器請求DMA傳送⑵若該通道未被屏蔽，則DMA控制器進(jìn)行優(yōu)先級裁決。⑶CPU結(jié)束當(dāng)前正在進(jìn)行的基本操作后，釋放總線的控制權(quán)，并向DMA控制器發(fā)一個總線響應(yīng)信號10.4DMA方式⑷DMA控制器接收總線響應(yīng)信號后，獲得總線的控制權(quán)，并將DMA響應(yīng)信號傳遞給外圍設(shè)備⑸DMA控制器將地址寄存器的內(nèi)容發(fā)往地址總線，同時發(fā)I/O讀和存儲器寫等控制信號，以傳送一個字?jǐn)?shù)據(jù)。⑹地址寄存器的內(nèi)容加1，字計(jì)數(shù)器的內(nèi)容加1。⑺若為單字傳送，則DMA過程結(jié)束。若為數(shù)據(jù)塊傳送，則判斷字計(jì)數(shù)器是否溢出，如果未溢出，則繼續(xù)第⑸步；若溢出，則DMA傳送結(jié)束。⑻若DMA結(jié)束，則DMA控制器將總線控制權(quán)交還給CPU，CPU繼續(xù)原來的處理10.5通道方式一、通道的作用和功能存在問題：CPU的負(fù)擔(dān)較重，整個計(jì)算機(jī)的性能勢必降低如何讓DMA控制器能被多臺外圍設(shè)備共享通道的引入通道處理機(jī)能夠負(fù)擔(dān)外圍設(shè)備的大部分輸入輸出工作，包括所有按字節(jié)傳送方式工作的低速和中速外圍設(shè)備，按數(shù)據(jù)塊傳送方式工作的高速外圍設(shè)備10.5通道方式四級層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通道1通道n······設(shè)備控制器1設(shè)備控制器m······外圍設(shè)備1外圍設(shè)備k······第一層第二層第三層第四層10.5通道方式通道的基本功能：執(zhí)行通道指令、組織外圍設(shè)備和內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳送，按I/O指令要求啟動外圍設(shè)備，向CPU報(bào)告中斷

⑴接收CPU的I/O指令，按指令要求與指定的外圍設(shè)備進(jìn)行通訊。⑵從內(nèi)存取出屬于該通道程序的通道指令，經(jīng)譯碼后向設(shè)備控制器或外圍設(shè)備發(fā)出各種命令。⑶組織外圍設(shè)備與內(nèi)存之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，并根據(jù)需要提供數(shù)據(jù)傳送的緩存空間，提供數(shù)據(jù)存入內(nèi)存的地址和傳送的數(shù)據(jù)量。

10.5通道方式⑷從外圍設(shè)備得到狀態(tài)信息，形成并保存通道本身的狀態(tài)信息，根據(jù)要求將這些狀態(tài)信息送到內(nèi)存的指定單元，供CPU使用。⑸將外圍設(shè)備的中