计算机组成原理第八章 输入输出系统ppt课件

1、第八章 输入输出系统,基本概念 程序查询方式 程序中断方式 DMA方式 通道方式 通用I/O标准接口,基本概念输入输出系统的功能,输入输出系统的功能： 为了得到高效可靠的数据传输，选择输入输出设备。 在选定的输入输出设备和CPU之间进行数据交换。,输入输出设备和CPU交换数据的过程： 输入过程： CPU把一个地址值放在地址总线上，这一步将选择一个输入设备 CPU等候输入设备的数据成为有效 CPU从数据总线上读入数据，并放在一个相应的寄存器中 输出过程： CPU把一个地址值放在地址总线上，这一步将选择一个输出设备 CPU把数据放在数据总线上 输出设备认为数据有效，从而把数据取走。,基本概念CPU

2、和外围设备的定时,CPU和外围设备的定时，分为三种情况： 慢速外围设备 中速外围设备 高速外围设备,基本概念CPU和外围设备的定时,速度极慢或简单的外围设备：对于这类设备CPU总是能足够快地作出响应，也可以说，CPU认为输入的数据一直有效，在这种情况下，CPU只要接受和发送数据就可以了。 常用的有：机械开关，显示二极管等。 开关-CPU认为输入数据一直有效; 显示二极管-输出一定准备就绪。,基本概念CPU和外围设备的定时,慢速或中速的外围设备：CPU与这类设备之间的数据交换通常采用异步定时方式。 在这种情况下，CPU和外设之间用问答信号进行定时的方式叫做应答式数据交换。,采用异步定时方式 设备

3、状态:,CPU接收外设一批数据字的过程:,基本概念CPU和外围设备的定时,高速外围设备：CPU和这类设备之间通常采用同步定时方式，一旦CPU和外设发生同步，他们之间的数据交换用时钟控制来进行。 1)同步定时方式 CPU以等间隔的速率执行I/O指令。 靠时钟脉冲控制进行。 2)DMA方式,基本概念CPU和外围设备之间信息交换的方式,CPU和外设之间信息交换的方式： 程序查询方式 程序中断方式 直接内存访问（DMA）方式 通道方式 外围处理机方式,基本概念CPU和外围设备之间信息交换的方式,程序查询方式基本概念,程序查询方式：通过由I/O指令所编的程序，来控制主机与外设之间的信息传送。 工作过程：

4、先由主机通过启动指令启动外设工作，启动后主机用测试指令不断查询外设工作是否完成，一旦外设工作完成，就可进行数据传送了。 特点：这种方式控制简单，但是主机和外设是串行工作的。当外设速度很慢时，主机大量时间被消耗在测试等待中，使主机不能充分发挥效率。,程序查询方式基本概念,CPU需要不断监测状态位以确定是否该做下一个I/O操作。由于CPU比I/O设备快得多，所以轮询就要浪费大量的CPU时间。,程序查询方式程序流程图,设置计数值,设置内存缓冲区首址,启动外设,传送一个数据,修改内存地址,结束I/O传送,修改计数器,准备好？,传送完？,程序查询 方式的程序流程图,否,是,是,否,程序中断方式,中断：是

5、指CPU中止现行程序的执行，转而执行另一个更紧迫事件的程序，一旦处理完毕，自动返回原来被中断的程序。 中断技术的出现，提供了一种以响应外部异常事件而改变状态流程的有效手段，它支持了多重程序的运行及多个用户同时共享整个计算机资源，充分发挥了计算机的高速处理和实时处理能力，以及自动处理机内部故障的能力。,程序中断方式基本概念,中断的基本概念 中断问题的提出 中断类型 多重中断和单级中断 中断的功能,中断问题的提出： 在程序查询方式中，CPU和外设的工作是串行的，当CPU和外设交换信息时，就把CPU的控制权交给了该设备，而CPU只能做测试等待，直到外设工作完成。CPU的大部分工作时间被浪费了。 假若

6、CPU在启动外设工作后，设备释放对CPU的控制权使CPU继续工作，当外设工作完成后向CPU发中断请求信号，若CPU响应中断，则停止正在执行的程序，转中断服务程序为该程序服务，这样就能实现CPU和外设并行工作，使CPU的效率充分发挥。,程序中断方式基本概念,中断类型： 按中断处理方法分类： 程序中断：主机响应中断请求后 ，通过执行一段程序来处理有关的事宜。 简单中断：主机响应中断请求后，不需要执行服务程序，而是让出一个或几个主存周期，使I/O设备和主存直接交换数据 。,程序中断方式基本概念,按中断源分类： 强迫中断：是随机产生的。产生强迫中断的中断源有四个方面： 内中断：由硬件故障及程序故障引起

7、的中断。 外中断：是由系统配置的外部设备引起的中断。 正在执行着的现行程序所引起的中断。 处理机之间的中断。 自愿中断（程序自中断）：事先在程序某初设置断点，并借用中断处理方式保护现场，引出一段服务程序。,程序中断方式基本概念,按中断源是否提供向量地址分类： 向量中断：CPU响应中断后，由中断机构自动地将向量地址通知处理机，由向量地址指明中断向量位置并实现向量切换，不必经过处理程序来查询中断源的中断功能，称为向量中断 。 非向量中断：是不能直接提供中断服务程序的入口地址，而要采用软件查询措施最后找到服务程序入口地址，然后再转入相应的中断服务程序。,程序中断方式基本概念,多级中断和单级中断： 单

8、级中断：在执行中断的过程中，如果只能为本次中断服务，不允许打断服务程序，只有在服务程序完成后，才能响应新的请求，称为单级中断。 多级中断：如在一次服务程序执行中，允许优先级高的中断级别低的中断服务程序，在保存断点和现场后，转去响应优先级别更高的中断程序，并执行新的中断服务程序。,根据系统的配置不同，多级中断可分为一维多级中断和二维多级中断。 一维多级中断是指每一级中断里只有一个中断源，而二维多级中断是指每一级中断里又有多个中断源。,程序中断方式基本概念,中断功能： 引入中断系统后，可使CPU和I/O设备并行工作，从而大大提高了CPU的工作效率。 利用中断来处理故障，提高了机器的可靠性。 利用中

9、断进行实时处理。实时处理是指在某个事件或现象出现的实际时间内及时地进行处理，而不是积压起来再进行批处理。 利用中断进行人机对话。 实现多道程序的运行，需要借助于中断系统。,程序中断方式中断的基本接口,中断的基本接口： 工作标志触发器BS 就绪标志触发器RD 允许中断触发器EI 中断请求触发器IR 中断屏蔽触发器IM,程序中断方式中断的基本接口,程序中断方式中断的基本接口,各个触发器的具体功能： 准备就绪标志（RD）：一旦设备做好一次数据的接受和发送，便发出一个设备动作完毕信号，使RD标志置“1”。 允许中断触发器（EI）：可以用程序指令来置位。EI为1时，某设备可以向CPU发出中断请求；EI为

10、0时，不能向CPU发出中断请求。这意谓着某中断源被禁止。,程序中断方式中断的基本接口,中断请求触发器（IR）：暂存中断请求线上由设备发出的中断请求信号。当IR为“1”时，表示设备发出了中断请求。 中断屏蔽触发器（IM）：是CPU是否受理中断或批准中断的标志。IM为“0”时，CPU可以受理外界的中断请求，反之，CPU 不受理外界的中断。,程序中断方式中断的基本接口,程序中断方式中断结构,中断过程： 中断过程由中断请求、中断响应、状态保存、中断屏蔽、中断处理、恢复和返回组成。 中断源： 中断源是引起中断的事件及发生中断请求的来源。 中断结构：是指处理机与设备、设备与设备之间在中断系统中互相连接的关

11、系。,程序中断方式中断结构,中断结构 中断请求的提出 中断请求的传送和中断的优先排队,程序中断方式中断结构,中断请求的提出： 中断申请：由中断源向处理机发出的中断请求，称为中断请求。中断源发中断请求要满足两个条件： 外设工作已经完成。 该外设的中断没有被系统屏蔽。,程序中断方式中断结构,中断请求的传送和中断的优先排队： 中断源的优先权 几种排队判优的方法 单线请求软件查询判优 单线请求菊花链响应 多线请求判优响应 多线请求菊花链响应,程序中断方式中断结构,中断源的优先权： 在各种类型的中断请求中： 一般是故障引起的中断最优先； 其次是简单中断及I/O程序中断。 在I/O程序中断中： 一般高速外

12、设优先级高于低速外设的优先级； 输入设备的优先级高于输出设备的优先级。,程序中断方式中断结构,排队判优的方法： 单线请求软件查询判优：所有的设备的中断请求连到一根公用的中断请求线IRQ上。,CPU,I/O,I/O,程序中断方式中断结构,具有公共请求线的中断请求传送方案,IRQ,程序中断方式中断结构,单线请求菊花链响应： 各设备的中断请求仍公用一根请求线来传送，当CPU接到中断请求后设备的优先级不是用查询程序依排队次序来决定，而是用硬件排队线路来代替软件排队。即用硬接线逻辑将设备连在中断响应线INACK上，使优先级最高的设备离CPU最近。,CPU INACK,1# 设备,2# 设备,n# 设备,

13、程序中断方式中断结构,单线请求菊花链响应,地址 数据线,控制线,IRQ,程序中断方式中断结构,多线请求判优响应：每一各设备分配一个优先级，每一个设备都通过各自的中断请求线，将中断请求信号传送到CPU，在CPU内设置有判有逻辑，接受各中断请求信号。并且给每一个设备设一根中断响应线传送中断响应信号。,IRQ CPU INVEC,判 优 逻 辑,1# 设备,2# 设备,n# 设备,程序中断方式中断结构,多线请求判优响应,IRQn,INACKn,IRQ2,INACK2,IRQ1,INACK1,程序中断方式中断结构,多线请求菊花连响应：如果系统中连接设备较多，即设备数超过了系统的优先级数时，把几个设备归

14、到同一个优先级上，把同一优先级的I/O设备挂在同一根公共请求线上。在不同请求线上I/O设备中断优先级不同。,程序中断方式中断结构,CPU IRQ INACK INVEC,IRQ0 INACK0 IRQ1 INACK1 IRQ2 INACK2,1# 设备,2# 设备,3# 设备,4# 设备,5# 设备,6# 设备,7# 设备,8# 设备,9# 设备,数据线,2,中断判优逻辑,程序中断方式中断响应及响应条件,中断响应及响应条件 中断响应：I/O设备提出中断请求后，CPU中止现行程序的执行，转去为某个设备服务的过程，称为中断响应。 中断响应的条件： 中断源有中断请求 CPU允许接受中断请求 CPU响

15、应中断的时间,程序中断方式中断响应及响应条件,中断响应：在中断响应的过程中，处理机从一个程序切换到另一个程序，这时应注意： 关键性硬件状态的保存 中断请求设备的识别 提高响应速度,程序中断方式中断响应及响应条件,单线请求中断查询的响应 在单线请求的中断结构中，中断响应即为CPU进入中断周期状态，在该状态下由CPU执行一条中断隐指令。 中断隐指令的功能： 关闭中断触发器。 保护断点值。 执行跳转操作。,程序中断方式中断响应及响应条件,单线请求菊花链响应 单线请求菊花链响应方案中CPU响应中断请求后，进入中断周期状态。在中断周期状态下CPU执行中断隐指令，并切换到中断服务程序，其过程与中断查询的响

16、应方案相同。所不同的是，中断服务程序首先执行一条中断查询指令INTA R0，查询由中断查询指令启动，通过接口中硬件连接电路来查出优先级最高的设备。,中断服务处理,当CPU执行完一条现行指令时，如果外设发出中断请求，CPU在满足响应条件的情况下，将发出中断响应信号，同时关闭中断，表示CPU不再受理另外一个设备的中断。 这时，CPU将寻找中断请求源是哪个设备，并保存CPU自己的程序计数器（PC）的内容，然后，他将转移到处理该中断源的中断服务程序。 CPU在保存现场信息，设备服务以后，将恢复现场信息，在这些动作完成以后，开放中断，并返回到原来被中断的主程序的下一条指令。,程序中断方式中断服务处理,中

17、断？,转移到中断 服务子程序,设备服务,否,是,程序中断方式中断服务处理,保存PC,中断服务地址,程序中断方式多级中断及中断优先权的动态分配,多重中断是指当CPU正在执行某个中断服务程序期间，且CPU处于开中断状态，则允许优先级高的中断源中断优先级别低的中断服务程序。 在保存断点和现场后转去响应优先级更高的中断请求，并执行新的中断服务程序。,程序中断方式多级中断及中断优先权的动态分配,中断系统的优先权包含着响应优先权和处理优先权。 响应优先权指多个中断请求同时提出时，由硬件排队线路决定CPU响应中断请求的次序。 处理优先权指CPU执行服务程序过程中，优先执行哪个中断服务的次序。,DMA直接内存

18、访问,基本概念 直接内存访问(DMA)是一种完全由硬件执行I/O交换的工作方式。在这种方式中，DMA控制器从CPU完全接管对总线的控制，数据交换不经过CPU，而直接在内存和I/O设备之间进行 。DMA方式一般用于高速传送成组的数据。 DMA的特点 DMA的三种工作方式 DMA控制器的组成 DMA的操作过程,DMA直接内存访问基本概念,DMA数据传送方式是在I/O设备与主存储器之间由硬件组成的直接数据通路，用于高速设备按照连接地址直接访问主存储器的成块数据传送。 数据传送是在DMA控制器的控制下进行的。由DMA给出当前正在传送的数据字的主存地址，并统计传送数据的个数，以确定一组数据的传送是否已结

19、束。在主存中开辟连续地址的专用缓冲器，用来提供或接受传送的数据。在数据传送前和结束后，要通过程序或中断方式对缓冲器和DMA控制器进行预处理。,基本操作：,(1)从外围设备发出DMA请求； (2)CPU响应请求，把CPU工作改成DMA操作方式，DMA控制器从CPU接管总线的控制 (3)由DMA控制器对内存寻址，即决定数据传送的内存单元地址及数据传送个数的计数，并执行数据传送的操作； (4)向CPU报告DMA操作的结束。,DMA I/O,CPU向DMA控制器发送开始地址、方向；然后，发射“开始”命令。,DMA控制器向外设提供握手信号；向存储器提供地址和握手信号。,DMA直接内存访问特点,DMA控制

20、器建立了外围设备和内存之间直接交换的数据通道，大大减轻了总线负荷。 数据传送过程是由DMA控制器来实现控制的。 主存需开辟专用缓冲区，及时供给和接受数据。 为了解决CPU和DMA同时访问内存发生的冲突，DMA传送常采用周期挪用。,DMA直接内存访问DMA三种工作方式,CPU暂停方式 CPU周期窃取方式 DMA与CPU交替访内,DMA三种工作方式,停止CPU访问内存 CPU响应DMA请求后，让出存储总线，直到一组数据传送完毕后，DMA控制器才把总线控制权交还给CPU。采用这种方式的I/O设备，在其接口中一般设置小容量的存储器。I/O设备先与小容量存储器交换数据，然后由小容量存储器与主机交换数据，

21、这样可减少DMA传送占用存储总线的时间，减少CPU暂停工作时间。,DMA直接内存访问DMA三种工作方式,CPU周期挪用方式 DMA控制器与主存储器之间传送一个数据，占用一个CPU周期，即CPU暂停工作一个周期，然后继续执行程序。,DMA直接内存访问DMA三种工作方式,DMA与CPU交替访内 如果CPU的工作周期比内存存取周期长很多，此时采用交替访内的方法可以使DMA传送和CPU同时发挥最高的效率。这种方式不需要总线使用权的申请、建立和归还过程，对于总线，可通过用C1，C2控制的多路转换器，这种总线控制权的转移几乎不需要什么时间，所以对DMA传送来讲效率是很高的。,DMA直接内存访问DMA三种工

22、作方式,DMA直接内存访问DMA控制器的组成,DMA控制器的组成： 寄存器组 中断控制逻辑 DMA请求触发器 传输线,DMA直接内存访问DMA控制器的组成,寄存器组 DMA地址寄存器DMAR 外围设备地址寄存器ADR 字数计数器WCR 控制和状态寄存器CSR 数据缓冲寄存器DBR,DMA直接内存访问DMA控制器的组成,中断控制逻辑 DMA通道由CPU程序准备和启动，一旦启动后，数据传送过程完全由DMA接口实现；当DMA传送结束后，由DMA接口中的中断控制逻辑向CPU发中断申请，要求处理机做结束 处理工作。,DMA直接内存访问DMA控制器的组成,DMA请求触发器 在批量数据传输过程中，每一个数据

23、的交换都要向CPU发一次DMA请求，接口中设置DMA触发器，一次周期结束，在CPU一侧，DMA控制器清除，在设备一侧，当设备读/写操作完成后，则以完成信号回答接口，且使置1，表示下次DMA请求开始。,DMA直接内存访问DMA控制器的组成,传输线： 传输线是DMA接口和主机 和DMA接口与I/O设备两个方向的数据线，地址线和控制信号线。,DMA直接内存访问DMA控制器的组成,DMA直接内存访问DMA操作过程,DMA操作过程 DMA传送前的预处理 DMA数据传送 DMA的结束处理,DMA请求,DMA响应,发送内存地址,传送一个字数据,DMA结束,修改 地址指针和字计数器,检测传送 是否结束？,DM

24、A直接内存访问DMA操作过程,DMA直接内存访问DMA操作过程,DMA传送前的预处理 为了实现外围设备和内存之间数据直接成批的交换，必然把有关数据来源、去向和传送数据的总数等信息事先实现通知DMA接口。所以在传送前先由由CPU用测试指令测试设备状态，以判断是否可以调用该设备。若可以调用该设备，则用几条输入输出指令实现。 在完成这些工作之后，CPU继续执行原程序，从此CPU与高速设备重叠运行。DMA接口被启动后，便代替CPU管理I/O设备进行数据传送。,DMA直接内存访问DMA操作过程,DMA数据传送（以数据输入为例） 由主程序启动设备后，从I/O设备存储介质上读入一个字到DMA数据缓冲寄存器的

25、DBR中。此时设备控制器以“完成”信号置1，表明设备已完成一个数据传送工作，并向CPU发出DMA请求，申请存储周期。 CPU响应DMA请求并在CPU的一个存储周期结束后，DMA立即占用下一个存储周期进行写操作，此时CPU现场冻结。 清除信号在DMA接口中执行三个操作 高速设备只需启动一次，以后连续不断读出即循环上面几步，完成所要传送的全部字符。 数据全部读出并交换完毕后，DMA接口发DMA中断请求。,DMA直接内存访问DMA操作过程,DMA的结束处理 CPU响应中断后，则停止原程序执行，转去执行中断服务程序，做一些DMA结束处理工作。,内 存,CPU,字计数器,内存地址,数据缓冲器,状态控制,设备号,时序电路,设备1,设备2,设备n,DMA直接内存访问DMA控制器的类型,选择型DMA 控制器,内存,CPU,DMA 控制器,设备,设备,链式多路型DMA,多路型DMA控制器,DMA直接内存访问DMA控制器的类型,通道方式,通道的功能： 执行通道指令