第七章 輸入輸出系統(tǒng)

第七章輸入輸出系統(tǒng)7.5DMA方式7.4程序中斷方式7.3程序查詢方式7.2輸入/輸出控制7.1輸入/輸出設(shè)備7.1輸入/輸出設(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)非擊打式點陣式（逐字、逐行）噴墨（逐字）激光（逐頁）四、其他1.A/D、D/A2.終端3.漢字處理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、漢字輸出由鍵盤和顯示器組成7.2輸入/輸出控制一、I/O接口1.為什么要設(shè)置接口？實現(xiàn)設(shè)備的選擇實現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖達(dá)到速度匹配實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換傳送控制命令反映設(shè)備的狀態(tài)（“忙”、“就緒”、“中斷請求”）實現(xiàn)數(shù)據(jù)串并格式轉(zhuǎn)換2.什么是接口接口：兩個系統(tǒng)或兩個部件之間的交接部分。既可以是兩個硬件之間的連接電路，也可以是兩個軟件之間的公共邏輯邊界I/0接口：主機(jī)與I/O設(shè)備之間設(shè)置的一個硬件電路及其相應(yīng)的軟件控制。3.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(1)總線連接方式的I/O接口電路(2)接口的功能和組成功能組成識別設(shè)備的功能傳送控制命令的功能傳送數(shù)據(jù)與緩沖的功能反映設(shè)備狀態(tài)的功能設(shè)備選擇電路命令寄存器數(shù)據(jù)緩沖寄存器設(shè)備狀態(tài)寄存器完成觸發(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MASK(3)I/O接口的基本組成命令寄存器設(shè)備選擇電路設(shè)備狀態(tài)寄存器數(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4.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Intel8255Intel8251Intel8255、Intel8251Intel8212Intel

8255、Intel

8251Intel8279、Intel8275Intel8259Intel82575.I/O端口的編址方式將I/O端口與存儲器單元進(jìn)行統(tǒng)一編址I/O端口與存儲器單元獨立編址，CPU需要設(shè)置專門的輸入/輸出指令訪問端口(1)統(tǒng)一編址方式(2)獨立編址方式I/O端口：I/O接口中的寄存器或特定的硬件電路優(yōu)點：不需要專門的輸入/輸出指令

CPU訪問I/O的操作更靈活、方便缺點：進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入/輸出操作執(zhí)行速度慢優(yōu)點：程序編制清晰、易于理解缺點：CPU需要提供存儲器讀/寫，I/O讀寫等控制信號，增加了控制的復(fù)雜性二、輸入/輸出控制方式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2.程序中斷方式I/O工作CPU不查詢自身準(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3.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)備一個存取周期實現(xiàn)I/O與主存之間的傳送三種方式的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I/O準(zhǔn)備及傳送4.I/O通道控制方式I/O通道控制方式是DMA方式的進(jìn)一步發(fā)展具有特殊功能的處理器，由通道對I/O統(tǒng)一管理通道I/O接口設(shè)備n

……I/O接口設(shè)備0

CPU主存主存總線I/O總線5.I/O處理機(jī)方式I/O處理機(jī)的結(jié)構(gòu)更接近于一般的處理機(jī)I/O處理機(jī)獨立于主機(jī)工作計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由功能集中式發(fā)展為功能分散的分布式系統(tǒng)7.3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)置內(nèi)存緩沖區(qū)首址設(shè)置計數(shù)器啟動外設(shè)傳送一個數(shù)據(jù)修改內(nèi)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①②③⑤⑥1010④以輸入為例時序讀寫方式主機(jī)I/O設(shè)備設(shè)備選擇電路數(shù)據(jù)緩沖寄存器設(shè)備狀態(tài)寄存器控制邏輯電路啟動準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)線控制線地址線接口...數(shù)據(jù)線二、程序查詢方式的接口電路中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序入口1入口2127.4程序中斷方式一、中斷的基本概念…KK+1QQ+1……中斷服務(wù)程序1中斷服務(wù)程序21.中斷的概念⑴定義

在計算機(jī)的運(yùn)行過程中，如果發(fā)生某種隨機(jī)事態(tài)，CPU將暫停執(zhí)行現(xiàn)行程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷處理程序，為該事態(tài)服務(wù)，并在服務(wù)完畢后自動恢復(fù)原程序的執(zhí)行。⑵實質(zhì)與特點①實質(zhì)程序切換方法：保存斷點，保護(hù)現(xiàn)場；恢復(fù)現(xiàn)場，返回斷點。時間：一條指令結(jié)束時切換,保證程序的完整性。②特點隨機(jī)性隨機(jī)發(fā)生的事態(tài)注意中斷與轉(zhuǎn)子的區(qū)別（按鍵、故障）隨機(jī)請求2.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)并行工作二、中斷系統(tǒng)1.概述(1)引起中斷的各種因素1)人為設(shè)置的中斷2)程序性事故如轉(zhuǎn)管指令溢出、操作碼不能識別、除法非法5)外部事件4)I/O設(shè)備數(shù)據(jù)傳送、故障處理、DMA或通道的后處理3)硬件故障用鍵盤中斷現(xiàn)行程序轉(zhuǎn)管指令………管理程序(2)中斷系統(tǒng)需解決的問題1)各中斷源如何向CPU提出請求？2)各中斷源同時提出請求怎么辦？5)如何尋找入口地址？4)如何保護(hù)現(xiàn)場？3)CPU什么條件、什么時間、以什么方式

響應(yīng)中斷？6)如何恢復(fù)現(xiàn)場，如何返回？7)處理中斷的過程中又出現(xiàn)新的中斷怎么辦？硬件

＋軟件2.中斷請求(1)中斷源的建立與屏蔽INTR一個請求源

一個INTR

中斷請求觸發(fā)器多個INTR

組成中斷請求寄存器INTR

分散在各個中斷源的接口電路中INTR集中在CPU

的中斷系統(tǒng)內(nèi)12345n掉電過熱階上溢內(nèi)存讀寫校驗錯非法除法鍵盤打印機(jī)DQ&1INTR中斷請求觸發(fā)器INTR=1有請求中斷屏蔽寄存器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)器中斷請求中斷屏蔽觸發(fā)器和中斷屏蔽寄存器12345nMASK中斷屏蔽觸發(fā)器(2)中斷請求信號的傳送①獨立請求線②公共請求線

CPU

中斷源1中斷源nINTR1INTRn…CPU中斷源2中斷源1INTRINTA…中斷源n③二維結(jié)構(gòu)CPU中斷源12中斷源11INTR1INTA1…中斷源1n中斷源22中斷源21INTR2INTA2…中斷源2n中斷源m2中斷源m1INTRmINTAm…中斷源mn…④

兼有公共請求線和獨立請求線CPU中斷源32中斷源31INTR3INTA3…中斷源3n中斷源m2中斷源m1INTRmINTAm…中斷源mn…中斷源1中斷源2INTR1INTR2優(yōu)先順序：硬件故障中斷→程序錯誤中斷→DMA請求→I/O設(shè)備中斷高速I/O設(shè)備→低速I/O設(shè)備實時控制I/O設(shè)備→一般I/O設(shè)備近的同級別I/O設(shè)備→遠(yuǎn)的同級別I/O設(shè)備3.中斷判優(yōu)邏輯3.中斷判優(yōu)邏輯①集中在CPU

內(nèi)(1)硬件實現(xiàn)（排隊器）111&1

&1&INTR1INTR2INTR3INTR4INTP1INTP2INTP3INTP4INTP1′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

=0②分散在各個中斷源的接口電路中鏈?zhǔn)脚抨犉?INTP11INTP21INTP31INTP4&&&&INTR1INTR2INTR3INTR4INTR1INTR2INTR3INTR41&1&1&1&INTP1′INTP2′INTP3′INTP4′INTR2INTR1INTR1INTR21&INTP2NYYY(2)軟件實現(xiàn)（程序查詢）保存斷點和現(xiàn)場0#中斷源有請求？1#中斷源有請求？n#中斷源有請求？恢復(fù)斷點和現(xiàn)場返回主程序…執(zhí)行0#中斷源中斷服務(wù)程序執(zhí)行1#中斷源中斷服務(wù)程序執(zhí)行n#中斷源中斷服務(wù)程序NN4.中斷響應(yīng)(1)CPU響應(yīng)中斷的條件和時間CPU接收到中斷請求信號CPU允許中斷中斷允許觸發(fā)器EINT=13)一條指令執(zhí)行完畢指令執(zhí)行周期結(jié)束時刻由CPU發(fā)查詢信號

CPU中斷查詢INTR1DQINTR2DQINTRnDQ中斷源1中斷源2中斷源n……至排隊器(2)中斷隱指令1)關(guān)中斷2)保存斷點和現(xiàn)場3)取中斷服務(wù)程序入口地址斷點存于特定地址內(nèi)斷點進(jìn)棧向量地址形成部件INTSQREINTSQRPC

1&≥1排隊器……INT中斷請求EINT中斷允許R–S

觸發(fā)器向量地址PC（硬件向量法）中斷查詢程序入口地址MPC（軟件查詢法）3)服務(wù)程序入口的獲取方式入口地址…向量地址…排隊器輸出由軟件產(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由硬件產(chǎn)生向量地址再由向量地址找到入口地址5.中斷處理(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I(lǐng)RET中斷隱指令完成進(jìn)棧指令PUSH出棧指令POP程序斷點的保護(hù)寄存器內(nèi)容的保護(hù)6.中斷處理方式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)程序不允許中斷現(xiàn)行的中斷服務(wù)程序

關(guān)中斷保存斷點及PSW取服務(wù)程序入口地址及新PSW中斷周期是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？否關(guān)中斷保存斷點及PSW取服務(wù)程序入口地址及新PSW中斷周期是中斷服務(wù)程序單重多重關(guān)中斷保護(hù)現(xiàn)場開中斷設(shè)備服務(wù)送新屏蔽字恢復(fù)現(xiàn)場開中斷恢復(fù)原屏蔽字中斷返回(1)多重中斷的概念klmk

+1l

+1m

+1第一次中斷第二次中斷第三次中斷程序斷點k+1,l+1,m+17.中斷屏蔽技術(shù)INTR3INTR2INTR1(2)實現(xiàn)多重中斷的條件B,CA中斷請求主程序2)優(yōu)先級別高的中斷源有權(quán)中斷優(yōu)先級別低的中斷源1)提前設(shè)置開中斷指令A(yù)BCD中斷服務(wù)程序（A、B、C、D優(yōu)先級按降序排列）D

&(3)屏蔽技術(shù)1)屏蔽觸發(fā)器的作用MASK=0（未屏蔽）INTR能被置“1”

1

&

&

&

1

1

1

1INTP1INTP2INTP3INTP4INTR1INTR2INTR3INTR4MASK1MASK2MASK3MASK4DQ1DINTR

MASKQCPU查詢MASKi

=1（屏蔽）中斷屏蔽寄存器的作用編碼器排隊邏輯……向量地址&&&&≥1INT0101010101010101由程序控制中斷屏蔽寄存器中斷請求寄存器INTR1INTR4INTR2INTR32)中斷屏蔽技術(shù)應(yīng)用場合多重中斷中斷升級通過中斷屏蔽字改變中斷優(yōu)先級優(yōu)先級含義：中斷響應(yīng)優(yōu)先級：CPU對各設(shè)備中斷請求進(jìn)行響應(yīng)，并準(zhǔn)備好處理的先后次序。中斷處理優(yōu)先級：CPU實際上對各中斷源請求處理的先后次序。例1：某計算機(jī)的中斷系統(tǒng)有4個中斷源A、B、C、D，按中斷響應(yīng)的優(yōu)先次序由高到低為A>B>C>D。每個中斷源對應(yīng)一個屏蔽字。中斷源屏蔽字ABCDA1111B0111C0011D0001中斷處理次序和中斷響應(yīng)次序是一致的。中斷屏蔽字設(shè)置CPU的運(yùn)動軌跡A中斷源服務(wù)程序B中斷源服務(wù)程序C中斷源服務(wù)程序D中斷源服務(wù)程序現(xiàn)行程序ABDCBA要使中斷處理次序為A>D>C>B中斷屏蔽字為：中斷源屏蔽字ABCDA1111B0100C0110D0111處理次序改變后的CPU運(yùn)動軌跡A中斷源服務(wù)程序B中斷源服務(wù)程序C中斷源服務(wù)程序D中斷源服務(wù)程序現(xiàn)行程序ABDCBA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)備編碼器排隊器中斷查詢來自高一級的排隊器至低一級的排隊器向量地址中斷響應(yīng)INTA中斷請求命令譯碼三、程序中斷方式接口電路的基本組成設(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)備編碼器排隊器中斷查詢來自高一級的排隊器至低一級的排隊器向量地址中斷響應(yīng)INTA中斷請求命令譯碼①②③④⑤⑥⑦⑧I/O中斷處理過程①10&DBR③④⑤⑦⑧⑥設(shè)備選擇電路01以輸入為例②主程序和服務(wù)程序搶占CPU示意準(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)行程序為I/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CPU7.5DMA方式一、DMA方式的特點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t(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t(3)與CPU交替訪存主存工作時間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)時間二、DMA控制器1.DMA控制器的功能(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DMA接口主存CPU2.DMA控制器的組成DMA

控制邏輯中斷邏輯設(shè)備HLDAARWCDARHRQ中斷請求數(shù)據(jù)線地址線+1+1溢出信號DREQDACKBR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WC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）主存地址加1傳送個數(shù)減1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(3)數(shù)據(jù)傳送過程（輸入）BR設(shè)備DMA

控制邏輯中斷邏輯ARWCDARDMA接口主存CPU+1+1DREQ②HRQ③HLDA④地址線⑤DACK⑥①數(shù)據(jù)線⑦溢出信號中斷請求ARWC+1+1BRBRBRBRBRBRBR設(shè)備DMA

控制邏輯中斷邏