第七章輸入輸出系統(tǒng)

第七章輸入輸出系統(tǒng)第一頁，共72頁。第七章I/O系統(tǒng)7.1信息交換的控制方式7.2程序查詢方式7.3程序中斷方式7.4DMA方式7.5通道控制方式第二頁，共72頁。第七章I/O系統(tǒng)輸入/輸出(I/O)是指微處理器與外界交換信息，即通信。微處理器與外界的通信是通過輸入/輸出設(shè)備進(jìn)行的。當(dāng)微處理器進(jìn)行實時控制或進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時，總要涉及與外界進(jìn)行二進(jìn)制數(shù)據(jù)的交換和執(zhí)行具體任務(wù)時對I/O部分提出要求。第三頁，共72頁。第七章I/O系統(tǒng)數(shù)據(jù)在微處理器與輸入/輸出設(shè)備之間的往返情況，類似于其在微處理器與存儲器之間的往返情況，也是分為送地址碼、送數(shù)據(jù)(或等待數(shù)據(jù))、等待完成回答(或讀取數(shù)據(jù))三步。

因此，從概念上可以將存儲器看作是另一種形式的外圍設(shè)備。但是，在接口設(shè)計與實際操作中，外圍設(shè)備要考慮的問題卻遠(yuǎn)比存儲器來得廣泛、復(fù)雜。第四頁，共72頁。第七章I/O系統(tǒng)這是由于外部設(shè)備一般具有以下特點(diǎn)：(1)品種繁多：有機(jī)械式、機(jī)電式和電子式等；(2)工作速度一般要比微處理器慢得多，而且速度的分布也相當(dāng)寬；(3)信號類型與電平種類不只一種，既有數(shù)字電壓信號，也有連續(xù)的電流信號或其它的模擬信號。而且信號電平的高低大小很不統(tǒng)一，范圍廣，離散性大；第五頁，共72頁。第七章I/O系統(tǒng)這是由于外部設(shè)備一般具有以下特點(diǎn)：(4)信息的結(jié)構(gòu)格式復(fù)雜。常見的例子有電傳打字機(jī)、盒式磁帶機(jī)與軟盤驅(qū)動器等。這些設(shè)備之間的信息格式也各不相同，這就增加了接口設(shè)計的復(fù)雜性。第六頁，共72頁。第七章I/O系統(tǒng)因此，在進(jìn)行微型計算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計時，對輸入/輸出部分與微處理器的連接，不能采用類似于存儲器那樣的簡單方法。對輸入/輸出部分，必須要考慮兩個問題：一是某一外圍設(shè)備如何與微處理器連接，以進(jìn)行數(shù)據(jù)、狀態(tài)和控制信號的轉(zhuǎn)換；二是CPU如何尋址相應(yīng)的I/O設(shè)備，以實現(xiàn)與該設(shè)備之間的通信。第七頁，共72頁。7.1信息交換方式

為了實現(xiàn)CPU與I/O設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送，通常采用以下五種I/O傳送方式：程序傳送方式中斷傳送方式直接存儲器存取(DMA)方式通道方式外圍處理機(jī)方式。第八頁，共72頁。7.1信息交換方式1、程序查詢方式信息交換方式的控制完全由主機(jī)執(zhí)行程序來實現(xiàn)，CPU與I/O串行2、程序中斷控制方式中斷概念開始是為使計算機(jī)具有實時處理能力而引入的。在實時控制系統(tǒng)中，產(chǎn)生過程中的信息變化是隨機(jī)的，而且要求能快響應(yīng)處理，這就導(dǎo)致了中斷處理技術(shù)的產(chǎn)生。第九頁，共72頁。2、程序中斷控制方式中斷控制方式的特點(diǎn)是允許CPU和I/O設(shè)備并行工作準(zhǔn)備(CPU不管)

就緒:告知CPU中斷現(xiàn)行程序，轉(zhuǎn)I/O服務(wù)（傳送）

回原被中斷的程序這就充分發(fā)揮了微型計算機(jī)的高速效能CPU(還沒完全擺脫對I/O操作的具體管理)7.1信息交換方式第十頁，共72頁。3、DMA（直接存儲存?。┮灾袛酁榛A(chǔ)

CPU傳送前的預(yù)置DMAC

（DMA控制器）準(zhǔn)備DMA

中斷（告訴CPU做完）傳送收尾CPU4、通道（IOP）以DMA為基礎(chǔ)有自己的指令系統(tǒng)通道程序（誰編，由CPU根據(jù)I/O請求編）7.1信息交換方式第十一頁，共72頁。5、外圍處理機(jī)方式（PPU）外圍處理機(jī)(PPU)方式是通道方式的進(jìn)一步發(fā)展。由于PPU基本上獨(dú)立于主機(jī)工作，它的結(jié)構(gòu)更接近一般處理機(jī)，甚至就是微小計算機(jī)。在一些系統(tǒng)中，設(shè)置了多臺PPU，分別承擔(dān)I/O控制、通信、維護(hù)診斷等任務(wù)。從某種意義上來講，這種系統(tǒng)已變成分布式的多機(jī)系統(tǒng)。總結(jié)：

7.1信息交換方式第十二頁，共72頁。7.1信息交換方式

第十三頁，共72頁。I/O端口的尋址方式

統(tǒng)一編址（存儲器映射方式）外設(shè)的編址方式獨(dú)立編址（I/O映射方式）第十四頁，共72頁。I/O端口的尋址方式1、設(shè)備編址1）統(tǒng)一定義：一個I/O端口等同于一個存儲器單元結(jié)構(gòu)—不同地址2）獨(dú)立各有獨(dú)立空間（重號問題）訪I/O:IORQ

結(jié)構(gòu)不同的控制信號訪存：MERQ

專門的I/O指令第十五頁，共72頁。I/O端口的尋址方式

外設(shè)接口通過總線與CPU連接CPU訪問外設(shè)的實質(zhì)是訪問外設(shè)接口中的寄存器(端口)。相比存儲器的訪問，CPU訪問外設(shè)的過程是完全等同的，不同的是所發(fā)送的讀寫信號有區(qū)別第十六頁，共72頁。I/O指令

功能：1）測狀態(tài)指令2）寫控制字3）傳送數(shù)據(jù)不同的機(jī)器，采用的I/O指令格式和操作也不相同第十七頁，共72頁。7.2.1程序查詢I/O方式工作原理：CPU查詢外設(shè)已準(zhǔn)備好后，才傳送數(shù)據(jù)。特點(diǎn)：CPU與外設(shè)間通過程序同步，CPU被外設(shè)獨(dú)占，CPU效率低下。要求：不需要增加額外的硬件電路。應(yīng)用：適同在CPU不太忙且傳送速度要求不高時。第十八頁，共72頁。1、基本思想若ＣＰＵ要執(zhí)行一段I/O程序，則用其中一條指令查詢設(shè)備狀態(tài)，如果設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送沒有準(zhǔn)備好，就重復(fù)執(zhí)行詢問指令，一直等到設(shè)備準(zhǔn)備好為止。2、實現(xiàn)（利用程序控制）1）單個設(shè)備查詢2）多個設(shè)備輪詢輪詢程序，各設(shè)備I/O服務(wù)程序ＣＰＵ:周期性運(yùn)行輪詢有某設(shè)備就續(xù)，轉(zhuǎn)I/O服務(wù)程序7.2.1程序查詢I/O方式第十九頁，共72頁。輪詢程序，各設(shè)備I/O服務(wù)程序ＣＰＵ:周期性運(yùn)行輪詢有某設(shè)備就續(xù)，轉(zhuǎn)I/O服務(wù)程序設(shè)備服務(wù)子程序的功能（比如傳送多個數(shù)據(jù)：內(nèi)存始地址，傳送的長度，修改傳送的長度，錯誤處理狀態(tài)分析）3）優(yōu)先級別4）硬件7.2.1程序查詢I/O方式第二十頁，共72頁。7.2.2程序查詢方式的接口１、狀態(tài)忙busy就緒

Ready

出錯error２、設(shè)備選擇：判別地址總線上呼叫的設(shè)備是不是本設(shè)備３、數(shù)據(jù)緩沖器并串串并移位第二十一頁，共72頁。7.2.2程序查詢方式的接口４、工作過程向cpu發(fā)送請求（設(shè)備的地址，I/O請求命令字）當(dāng)busy

＝０時，接受請求，cpu置busy

＝１測Ready狀態(tài)（０繼續(xù)測，１轉(zhuǎn)傳送）傳送置busy

＝０第二十二頁，共72頁。7.3程序中斷方式7.3.1、中斷的基本概念最初：目的CPU與I/O并行１、中斷

事件（突發(fā)）－中斷請求暫停現(xiàn)行程序響應(yīng)中斷事件處理返回被中斷程序第二十三頁，共72頁。7.3.1、中斷的基本概念2、用途1）CPU與I/O并行2）可靠性3）人機(jī)聯(lián)系（程序調(diào)制器）4）實現(xiàn)多道程序5）實時控制：規(guī)定的時間內(nèi)完成工作6）實現(xiàn)目態(tài)程序和操作系統(tǒng)的聯(lián)系目態(tài)—管態(tài)之間的切換7）多處理機(jī)可把任務(wù)分解若干子任務(wù)，并行多處理機(jī)同步處理第二十四頁，共72頁。7.3.2CPU響應(yīng)中斷條件一、條件

1、有中斷請求

2、CPU允許中斷

3、指令執(zhí)行結(jié)束二、概念1、中斷源：引起中斷的事件或發(fā)出中斷請求的來源2、中斷響應(yīng)：CPU停止現(xiàn)行程序轉(zhuǎn)去處理中斷請求3、開/關(guān)中斷：開CPU允許進(jìn)入中斷；關(guān)不可中斷第二十五頁，共72頁。中斷源的分類1、原因I/O：啟動，數(shù)據(jù)傳送，I/O錯誤處理運(yùn)算器：溢出存儲器：刷新，地址非法，頁面失效控制器：非法指令（在目態(tài)下使用管態(tài)的指令）過程控制：監(jiān)視采樣時鐘定時電源故障第二十六頁，共72頁。中斷源的分類2、中斷源一般可以分為硬中斷和軟中斷兩類。硬中斷：由外部設(shè)備和其他CPU外部事件引起的中斷，因此又叫外中斷。

常見的外部中斷有輸入輸出請求、實時時鐘、計時器、電源故障、設(shè)備故障、校驗線路等等。外中斷一般通過CPU的中斷請求引腳引入。

例如，在80X86系列CPU上，設(shè)有INTR、NMI兩個中斷請求引腳第二十七頁，共72頁。中斷源的分類2、中斷源一般可以分為硬中斷和軟中斷兩類。軟中斷：指CPU內(nèi)部的指令或程序執(zhí)行中的突發(fā)事件所引起的中斷，又叫內(nèi)中斷。

常見的軟中斷主要包括指令中斷（例如中斷指令I(lǐng)NTn）和程序異常（例如除數(shù)為零，運(yùn)算溢出、指令的單步運(yùn)行、程序運(yùn)行至斷點(diǎn)處等等）。第二十八頁，共72頁。中斷源的分類自愿中斷—指令中斷內(nèi)中斷硬件故障

強(qiáng)迫中斷軟件故障外設(shè)請求外中斷（強(qiáng)迫中斷）人的干預(yù)第二十九頁，共72頁。中斷源的建立1、中斷源觸發(fā)器有請求1：有請求

0：無請求2、中斷寄存器（多位中斷觸發(fā)器）—中斷字/碼每一位對應(yīng)一種中斷請求源第三十頁，共72頁。中斷源的建立3、中斷的分級與中斷優(yōu)先權(quán)中斷的優(yōu)先級是指有多個中斷同時發(fā)生時，CPU對中斷源響應(yīng)的次序。一維、多維確定中斷優(yōu)先級的原則是(數(shù)據(jù)的傳輸率和服務(wù)程序的要求)對—旦提出請求需要立刻響應(yīng)處理，否則就會造成嚴(yán)重后果的中斷源，規(guī)定最高的優(yōu)先級,對可以延遲響應(yīng)和處理的中斷源，規(guī)定較低的優(yōu)先級.第三十一頁，共72頁。中斷源的建立3、中斷的分級與中斷優(yōu)先權(quán)

一般，把硬件故障引起的中斷優(yōu)先級定為最高，其次是軟件故障中斷和I/O中斷第三十二頁，共72頁。禁止中斷和中斷屏蔽1、禁止中斷“中斷允許”觸發(fā)器1允許開置位

0不允許關(guān)復(fù)位2、中斷屏蔽一般中斷系統(tǒng)中，對應(yīng)每一個中斷源設(shè)置一個中斷屏蔽觸發(fā)器INTMi，以實現(xiàn)對單個中斷源的屏蔽控制。INTMi=1，則中斷源i被屏蔽。INTMi=0，則中斷源i被開放。第三十三頁，共72頁。禁止中斷和中斷屏蔽1、禁止中斷“中斷允許”觸發(fā)器1允許開置位

0不允許關(guān)復(fù)位2、中斷屏蔽將中斷系統(tǒng)中的所有中斷源的屏蔽觸發(fā)器放在一起，形成一個寄存器，用一個地址對其尋址，稱為屏蔽寄存器IMR。第三十四頁，共72頁。禁止中斷和中斷屏蔽有一些中斷請求不可屏蔽的(不管中斷系統(tǒng)是否開,一旦提出,CPU必須立即響應(yīng)）中斷源可屏蔽中斷不可屏蔽中斷第三十五頁，共72頁。7.3.3中斷處理1、程序中斷（CPU參與）

CPU暫?，F(xiàn)行程序保護(hù)現(xiàn)場和斷點(diǎn)（PSW,AC,基址，變址，PC）服務(wù)程序入口地址PC

建立自己的現(xiàn)場轉(zhuǎn)中斷服務(wù)執(zhí)行服務(wù)程序返回現(xiàn)場（恢復(fù)現(xiàn)場，恢復(fù)斷點(diǎn)）2、簡單中斷CPU暫時讓出系統(tǒng)總線控制權(quán)（DMA）或可以執(zhí)行非訪問內(nèi)存的操作第三十六頁，共72頁。一、中斷處理的步驟1、關(guān)中斷進(jìn)入不可在響應(yīng)中斷的狀態(tài)，保護(hù)現(xiàn)場時，不允許更高級的中斷源申請中斷，即使有，也不響應(yīng)。2、保護(hù)現(xiàn)場和斷點(diǎn)斷點(diǎn)：為了正確返回到中斷點(diǎn)，必須保存PC的內(nèi)容現(xiàn)場保護(hù)（硬件和軟件）第三十七頁，共72頁。一、中斷處理的步驟3、判中斷源，轉(zhuǎn)中斷服務(wù)程序4、開中斷（允許更高優(yōu)先級的中斷進(jìn)入，實現(xiàn)中斷嵌套）5、執(zhí)行中斷服務(wù)程序6、返回現(xiàn)場（關(guān)中斷，恢復(fù)，開中斷）第三十八頁，共72頁。中斷處理的步驟第三十九頁，共72頁。二、判別中斷條件中斷的優(yōu)先級是指有多個中斷同時發(fā)生時，CPU對中斷源響應(yīng)的次序。★確定中斷優(yōu)先級的原則是：

對—旦提出請求需要立刻響應(yīng)處理，否則就會造成嚴(yán)重后果的中斷源，規(guī)定最高的優(yōu)先級.

對可以延遲響應(yīng)和處理的中斷源，規(guī)定較低的優(yōu)先級。

第四十頁，共72頁。二、判別中斷條件

一般，把硬件故障引起的中斷優(yōu)先級定為最高，其次是軟件故障中斷和I/O中斷

中斷請求的排隊判優(yōu)，常用的方法有兩種：軟件查詢和硬件排隊電路第四十一頁，共72頁。三、中斷條件判斷1、查詢法（適合于低速和中速設(shè)備）每一個中斷源有一個標(biāo)志1有中斷請求

0無中斷請求用程序來判斷優(yōu)先級，這是最簡單的中斷判優(yōu)方法。軟件查詢法用于一根公共請求線的情況第四十二頁，共72頁。三、中斷條件判斷1、查詢法（適合于低速和中速設(shè)備）優(yōu)點(diǎn)：可以靈活地修改中斷源的優(yōu)先級別，硬件電路實現(xiàn)簡單；缺點(diǎn)：查詢、判優(yōu)完全靠程序?qū)崿F(xiàn)，需要占用CPU時間，同時中斷響應(yīng)較慢，優(yōu)先級較低的設(shè)備被響應(yīng)的等待時間也較長。第四十三頁，共72頁。四、中斷條件判斷—查詢法查詢中斷執(zhí)行過程流程圖第四十四頁，共72頁。五、中斷條件判斷—硬件排隊電路

優(yōu)先級別高的中斷請求將自動封鎖優(yōu)先級別低的中斷請求的處理。硬件排隊電路一旦設(shè)計連接好之后，將無法改變其優(yōu)先級別。第四十五頁，共72頁。五、中斷條件判斷—硬件排隊電路1、串聯(lián)排隊鏈和向量中斷適用于向量中斷方式，中斷響應(yīng)信號逐級傳送，先到達(dá)的設(shè)備，其優(yōu)先級高于中斷響應(yīng)信號后到達(dá)的設(shè)備，即電路中距離CPU最近的中斷源優(yōu)先級最高，這里距離遠(yuǎn)近是指電氣上的信號傳遞順序。

這種方法實現(xiàn)時電路較簡單，但優(yōu)先級固定，取決于固定的硬件連接，不夠靈活，不易于改變或調(diào)整優(yōu)先級。第四十六頁，共72頁。六、中斷條件判斷—硬件排隊電路1、串聯(lián)排隊鏈和向量中斷1)IRi發(fā)出中斷請求信號1有

0無

IR1~IRi-1無效才可發(fā)出IRi

優(yōu)先級IR1>IR2>…>IRi-1>IRi2)ISi為IRi對應(yīng)的中斷排隊選中信號1選中

0沒選中3)設(shè)備地址（中斷向量）

設(shè)備碼中斷服務(wù)程序的入口地址

第四十七頁，共72頁。七、中斷條件判斷—硬件排隊電路第四十八頁，共72頁。八、中斷條件判斷—硬件排隊電路識別中斷源，轉(zhuǎn)入服務(wù)程序入口地址中斷源識別的方法有兩種：向量中斷和軟件查詢向量中斷中斷服務(wù)程序入口地址被稱為中斷向量。通常將各中斷源的中斷向量存放在內(nèi)存一片連續(xù)的單元中，形成一張中斷向量表，表的內(nèi)容是相應(yīng)的中斷服務(wù)程序入口地址，存放中斷向量的單元地址稱為中斷向量地址，簡稱為向量地址。第四十九頁，共72頁。八、中斷條件判斷—硬件排隊電路向量中斷當(dāng)CPU響應(yīng)中斷時，由硬件（外設(shè)接口或者中斷控制器）自動產(chǎn)生一個指定的地址（向量地址）或者代碼（中斷類型號），它們與該中斷源的中斷向量有一一對應(yīng)關(guān)系。由向量地址或中斷類型號指出每個中斷源設(shè)備的中斷向量（中斷服務(wù)程序入口地址），這種使用向量識別中斷源的中斷系統(tǒng)稱為向量中斷。第五十頁，共72頁。八、中斷條件判斷—硬件排隊電路識別中斷源，轉(zhuǎn)入服務(wù)程序入口地址中斷源識別的方法有兩種：向量中斷和軟件查詢軟件查詢

由CPU執(zhí)行一個公共的中斷處理程序，逐個詢問外設(shè)接口有否發(fā)出中斷請求（測試中斷請求觸發(fā)器），若有中斷請求，則轉(zhuǎn)入其中斷服務(wù)程序的入口開始執(zhí)行第五十一頁，共72頁。2、獨(dú)立請求每一個都有獨(dú)立請求線請求受控于中斷屏蔽（改變優(yōu)先級）中斷判優(yōu)排隊IR1>IR2>…>IRi-1>IRi

高優(yōu)先級的中斷請求自動封鎖比它優(yōu)先級低的中斷處理請求中斷源輸出信號IRi產(chǎn)生一個預(yù)定的地址碼，轉(zhuǎn)中斷服務(wù)程序入口地址八、中斷條件判斷—硬件排隊電路第五十二頁，共72頁。中斷條件判斷—硬件排隊電路第五十三頁，共72頁。7.3.4單級中斷和多級中斷

多個設(shè)備同時要求中斷時,CPU處理是優(yōu)先級高的優(yōu)選處理，但當(dāng)CPU處理低優(yōu)先級時，高優(yōu)先級怎么處理？1、單級中斷特點(diǎn)：所有的中斷源屬于同一級在同級中CPU響應(yīng)某一中斷請求時，執(zhí)行該中斷源的中斷服務(wù)而不允許其他中斷源打斷中斷服務(wù)程序，即使優(yōu)先權(quán)比它高的中斷源也不允許去打斷它優(yōu)先級：先近后高第五十四頁，共72頁。7.3.4單級中斷和多級中斷2、多級中斷特點(diǎn)：優(yōu)先級高中斷級可以打斷低程序以嵌套方式進(jìn)行工作結(jié)構(gòu)一維多級二維多級例子：第五十五頁，共72頁。單級中斷和多級中斷第五十六頁，共72頁。程序中斷方式的接口第五十七頁，共72頁。7.4DMA方式7.4.1DMA方式的基本概念與傳送方式高速外設(shè)與內(nèi)存之間進(jìn)行直接通信一.DMA方式的基本概念1、基本概念DMA（直接存儲訪問）方式是一種完全由硬件執(zhí)行I/O傳送方式2、特點(diǎn)

DMAC從CPU中接管對總線的控制,數(shù)據(jù)傳送不經(jīng)CPU，而直接在內(nèi)存和I/O設(shè)備之間進(jìn)行第五十八頁，共72頁。7.4DMA方式7.4.1DMA方式的基本概念與傳送方式一.DMA方式的基本概念3、適用性高速傳數(shù)成組數(shù)據(jù)第五十九頁，共72頁。一.DMA方式的基本概念4、DMAC的功能①從外圍設(shè)備接收DMA請求并傳送到CPU②CPU響應(yīng)DMA請求，DMAC接管總線的控制權(quán)③DMAC對內(nèi)存尋址，數(shù)據(jù)傳送個數(shù)計數(shù)，并執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送④向CPU報告DMA操作的結(jié)束，CPU以中斷方式響應(yīng)，由CPU在中斷程序中進(jìn)行結(jié)束后的處理工作（如數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的處理、數(shù)據(jù)的校驗等簡單操作）第六十頁，共72頁。一.DMA方式的基本概念★中斷和DMA相比較①中斷傳送需要保存CPU現(xiàn)場并執(zhí)行中斷服程序，時間開銷較大，而DMA由硬件實現(xiàn)，不需要保存CPU現(xiàn)場，時間開銷較?、谥袛鄠魉椭荒茉谝粋€指令周期結(jié)束后進(jìn)行，而DMA傳送則可以在兩個機(jī)器周期之間進(jìn)行第六十一頁，共72頁。二、DMA的傳送方式

根據(jù)DMA控制器與CPU分時訪問主存的方式不同，DMA傳送方式有以下3種1、停止CPU訪問內(nèi)存①做法

DMAC—發(fā)DMA請求

CPU收到請求，放棄總線控制權(quán)（無條件）

DMAC獲得總線的控制權(quán)后，開始傳送數(shù)據(jù)傳送完畢后向CPU報告DMA操作的結(jié)束總線控制權(quán)還給CPU②適用于I/O周期<存儲周期

第六十二頁，共72頁。2、周期挪用方式①做法

I/O無DMA請求CPU正常訪問當(dāng)I/O有DMA請求，則CPU給出一個或幾個存儲周期②沖突：DMA優(yōu)先③缺點(diǎn)操作頻繁，每傳送一個數(shù)據(jù)，DMA都要產(chǎn)生訪問④優(yōu)點(diǎn)充分發(fā)揮CPU和I/O設(shè)備的利用率3、CPU與DMA交替訪問主存二、DMA的傳送方式第六十三頁，共72頁。7.4.2DMAC的基本組成1、組成內(nèi)存地址計數(shù)器字計數(shù)器中斷機(jī)構(gòu)控制/狀態(tài)邏輯數(shù)據(jù)緩沖寄存器

DMA請求標(biāo)志2、DMA數(shù)據(jù)的傳送初始化DMA控制器CPU

正式傳送DMA

傳送后的處理收尾CPU

第六十四頁，共72頁。7.4.3選擇型和多路型D