计算机组成原理第2版-ch05

1、5.6 DMA方式方式5.5 程序中断方式程序中断方式5.4 程序查询方式程序查询方式5.3 I/O接口接口5.2 外部设备外部设备5.1 概述概述一、输入输出系统的发展概况一、输入输出系统的发展概况 P1571. 早期早期分散连接分散连接CPU 和和 I/O设备设备 串行串行 工作工作程序查询方式程序查询方式2. 接口模块和接口模块和 DMA 阶段阶段总线连接总线连接CPU 和和 I/O设备设备 并行并行 工作工作3. 具有通道结构的阶段具有通道结构的阶段4. 具有具有 I/O 处理机的阶段处理机的阶段中断方式中断方式DMA 方式方式二、输入输出系统的组成二、输入输出系统的组成 P158-1

2、591. I/O 软件软件(1) I/O 指令指令(2) 通道指令通道指令CPU 指令的一部分指令的一部分通道自身的指令通道自身的指令指出数组的首地址、传送字数、操作命令指出数组的首地址、传送字数、操作命令如如 IBM/370 通道指令为通道指令为 64 位位2. I/O 硬件硬件设备设备I/O 接口接口设备设备设备控制器设备控制器通道通道操作码操作码命令码命令码设备码设备码三、三、I/O 设备与主机的联系方式设备与主机的联系方式1. I/O 设备编址方式设备编址方式(1) 统一编址统一编址(2) 不统一编址不统一编址用取数、存数指令用取数、存数指令有专门的有专门的 I/O 指令指令2. 设备

3、选址设备选址用设备选择电路识别是否被选中用设备选择电路识别是否被选中3. 传送方式传送方式(1) 串行串行(2) 并行并行数据字数据字命令字命令字命令字命令字0 1 1 0 1 0 0 0起始位起始位终止位终止位9.09 ms2 9.09 ms4. 联络方式联络方式(1) 立即响应立即响应(2) 异步工作采用应答信号异步工作采用应答信号 “Ready”“Strobe”I/O 接接 口口I/O 设设 备备CPU(3) 同步工作采用同步时标同步工作采用同步时标并行并行串行串行起始位起始位终止位终止位9.09 ms2 9.09 ms5. I/O 设备与主机的连接方式设备与主机的连接方式(1) 辐射式

4、连接辐射式连接(2) 总线连接总线连接 外设外设 外设外设 外设外设 主主机机不便于增删设备不便于增删设备每台设备都配有一套每台设备都配有一套控制线路和一组信号线控制线路和一组信号线便于增删设备便于增删设备四、四、I/O设备与主机信息传送的控制方式设备与主机信息传送的控制方式1. 程序查询方式程序查询方式CPU 和和 I/O 串行工作串行工作踏步等待踏步等待CPU读读I/O状态状态检查状态检查状态未准备就绪未准备就绪出错出错从从I/O接口中读接口中读 一个字到一个字到CPU从从CPU向主存向主存 写入一个字写入一个字CPU向向I/O发发 读指令读指令CPU读读I/O状态状态检查状态检查状态 完

5、成否完成否未准备就绪未准备就绪现行程序现行程序是是出错出错已准备就绪已准备就绪否否2. 程序中断方式程序中断方式I/O 工作工作CPU 不查询不查询CPU 暂停现行程序暂停现行程序自身准备自身准备与主机交换信息与主机交换信息CPU 和和 I/O 并行工作并行工作 启动启动 I/O设备设备现行程序现行程序 中断服务程序中断服务程序KK+1没有踏步等待现象没有踏步等待现象中断现行程序中断现行程序程序中断方式流程程序中断方式流程CPU 向向 I/O 发读指令发读指令CPU 读读 I/O 状态状态检查状态检查状态完成否？完成否？CPU 做其他事情做其他事情I/O 设备工作设备工作准备就绪准备就绪CPU

6、 I/O从从 CPU 向主存写入一个字向主存写入一个字CPU 主存主存从从 I/O 接口中读一个字到接口中读一个字到CPUI/O CPU中断请求中断请求I/O CPU出错出错是是否否未错未错3. DMA 方式方式主存和主存和 I/O 之间有一条直接数据通道之间有一条直接数据通道不中断现行程序不中断现行程序周期挪用（周期窃取）周期挪用（周期窃取）CPU 和和 I/O 并行工作并行工作存取周期结束存取周期结束CPU 执行现行程序执行现行程序CPU 执行现行程序执行现行程序DMA请求请求启动启动I/OI/O准备准备I/O准备准备一个存取周期一个存取周期实现实现I/O与主存之间的传送与主存之间的传送三

7、种方式的三种方式的 CPU 工作效率比较工作效率比较存取周期结束存取周期结束CPU 执行现行程序执行现行程序CPU 执行现行程序执行现行程序DMA请求请求启动启动I/OI/O准备准备I/O准备准备一个存取周期一个存取周期实现实现I/O与主存与主存之间的传送之间的传送CPU 执行执行现行程序现行程序CPU查询等待并传输查询等待并传输I/O数据数据CPU 执行执行现行程序现行程序启动启动I/OI/O 准备及传送准备及传送指令执行周期结束指令执行周期结束CPU 执行现行程序执行现行程序CPU 执行现行程序执行现行程序启动启动I/O中断请求中断请求I/O准备准备I/O准备准备CPU 处理中断服务程序处

8、理中断服务程序实现实现 I/O 与主机之间的传送与主机之间的传送间间断断启动启动I/O启动启动I/OI/O准备准备中断请求中断请求启动启动I/OI/O准备准备一个存取周期一个存取周期DMA请求请求程序程序查询查询方式方式程序程序中断中断方式方式DMA 方式方式I/O 准备及传送准备及传送间间断断I/O准备准备I/O准备准备一、概述一、概述主机主机 设备设备控制器控制器机、电机、电磁、光磁、光部分部分I/O接接口口外部设备外部设备外部设备大致分三类外部设备大致分三类键盘、鼠标、打印机、显示器键盘、鼠标、打印机、显示器 磁盘、光盘、磁带磁盘、光盘、磁带1. 人机交互设备人机交互设备2. 计算机信息

9、存储设备计算机信息存储设备3. 机机 机通信设备机通信设备调制解调器等调制解调器等二、输入设备二、输入设备1. 键盘键盘 P1682. 鼠标鼠标3. 触摸屏触摸屏 P170按键按键判断哪个键按下判断哪个键按下将此键翻译成将此键翻译成 ASCII 码码 （编码键盘法）（编码键盘法）机械式机械式 金属球金属球 电位器电位器光电式光电式 光电转换器光电转换器三、输出设备三、输出设备1. 显示器显示器 P171-177(1) 字符显示字符显示(2) 图形显示图形显示(3) 图像显示图像显示字符发生器字符发生器主观图像主观图像客观图像客观图像2. 打印机打印机(1) 击打式击打式(2) 非击打式非击打式

10、点阵式（逐字、逐行）点阵式（逐字、逐行）喷墨（逐字）喷墨（逐字）激光（逐页）激光（逐页）四、其他四、其他1. A/D、D/A2. 终端终端3. 汉字处理汉字处理P183五、多媒体技术五、多媒体技术完成显示控制与存储、键盘管理及通信控制完成显示控制与存储、键盘管理及通信控制模拟模拟/数字（数字数字（数字/模拟）转换器模拟）转换器汉字输入、汉字存储、汉字输出汉字输入、汉字存储、汉字输出1. 什么是多媒体什么是多媒体2. 多媒体计算机的关键技术多媒体计算机的关键技术由键盘和显示器组成由键盘和显示器组成一、概述一、概述为什么要设置接口？为什么要设置接口？1. 实现设备的选择实现设备的选择2. 实现数据

11、缓冲达到速度匹配实现数据缓冲达到速度匹配4. 实现电平转换实现电平转换5. 传送控制命令传送控制命令6. 反映设备的状态反映设备的状态（“忙忙”、“就绪就绪”、“中断请求中断请求”）3. 实现数据串实现数据串 并格式转换并格式转换二、接口的功能和组成二、接口的功能和组成(1) 设备选择线设备选择线(2) 数据线数据线(3) 命令线命令线(4) 状态线状态线I/O 接口接口设备设备I/O 接口接口设备设备数据线数据线命令线命令线状态线状态线I/O总线总线设备选择线设备选择线 总线连接方式的总线连接方式的 I/O 接口电路接口电路2. 接口的功能和组成接口的功能和组成功能功能组成组成选址功能选址功

12、能传送命令的功能传送命令的功能传送数据的功能传送数据的功能反映设备状态的功能反映设备状态的功能设备选择电路设备选择电路命令寄存器、命令译码器命令寄存器、命令译码器数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器设备状态标记设备状态标记完成触发器完成触发器 D工作触发器工作触发器 B中断请求触发器中断请求触发器 INTR屏蔽触发器屏蔽触发器 MASK3. I/O 接口的基本组成接口的基本组成 命令寄存器命令寄存器和命令译码器和命令译码器 设备选择设备选择 电路电路 设备状态设备状态 标记标记 数据缓冲数据缓冲 寄存器寄存器DBR 控制逻辑电路控制逻辑电路I/O接口接口外外 部部 设设 备备数据线数据线命令命令状态状

13、态数据线数据线命令线命令线状态线状态线CPU地址线地址线三、接口类型三、接口类型并行接口并行接口串行接口串行接口可编程接口可编程接口不可编程接口不可编程接口通用接口通用接口专用接口专用接口1. 按数据按数据 传送方式传送方式 分类分类2. 按功能按功能 选择的灵活性选择的灵活性 分类分类3. 按按 通用性通用性 分类分类4. 按数据传送的按数据传送的 控制方式控制方式 分类分类中断接口中断接口DMA 接口接口Intel 8255Intel 8251Intel 8255、 Intel 8251Intel 8212Intel 8255、 Intel 8251Intel 8279、 Intel 82

14、75Intel 8259Intel 8257一、程序查询流程一、程序查询流程检查状态标记检查状态标记1 设备设备1 准备就绪？准备就绪？检查状态标记检查状态标记N 设备设备N准备就绪？准备就绪？处理设备处理设备1是是否否否否处理设备处理设备N是是1. 查询流程查询流程检查状态标记检查状态标记交换数据交换数据准备就绪准备就绪?是是否否单个设备单个设备多个设备多个设备测测试试指指令令转转移移指指令令传传送送指指令令2. 程序流程程序流程设置主存缓冲区首址设置主存缓冲区首址设置计数值设置计数值启动外设启动外设传送一个数据传送一个数据修改主存地址修改主存地址修改计数值修改计数值结束结束I/O传送传送准

15、备好？准备好？传送完？传送完？未完未完是是完完否否 保存保存 寄存器内容寄存器内容设备选择电路设备选择电路DBRQQ&数据线数据线准备就绪准备就绪启动命令启动命令地址线地址线SEL输入数据输入数据启动设备启动设备设备工作设备工作 结束结束DB二、程序查询方式的接口电路二、程序查询方式的接口电路 P19310 10以输入为例以输入为例一、中断的概念一、中断的概念KK+1QQ+1中断服务程序中断服务程序1中断服务程序中断服务程序2入口入口1入口入口2二、二、I/O 中断的产生中断的产生以打印机为例以打印机为例发中断请求发中断请求 空闲空闲接收接收数据数据接收接收数据数据准备准备发中断请求发

16、中断请求打印打印打印打印打印机打印机执行主程序执行主程序继续执行主程序继续执行主程序继续执行主程序继续执行主程序响应中断响应中断中断返回中断返回响应中断响应中断中断返回中断返回 启动启动打印机打印机传送传送数据数据传送传送数据数据CPUCPU 与打印机并行工作与打印机并行工作三、程序中断方式的接口电路三、程序中断方式的接口电路1. 配置中断请求触发器和中断屏蔽触发器配置中断请求触发器和中断屏蔽触发器DQ&1INTR 中断请求触发器中断请求触发器INTR = 1 有请求有请求MASK 中断屏蔽触发器中断屏蔽触发器MASK = 1 被屏蔽被屏蔽来自来自 CPU 的的中断查询信号中断查询信号

17、受设备本身控制受设备本身控制INTR D MASKQD 完成触发器完成触发器中断请求中断请求2. 排队器排队器排队排队在在 CPU 内或在接口电路中（链式排队器）内或在接口电路中（链式排队器）硬件硬件软件软件 详见第八章详见第八章INTP1INTP2INTP3INTP4INTR1INTR2INTR3INTR4 1& 1& 1& 1& INTR1设备设备 1#、2#、3#、4# 优先级按优先级按 降序排列降序排列INTRi = 1 有请求有请求 即即 INTRi = 01INTP11INTP21INTP31INTP4&INTR1INTR2INTR3INTR

18、4INTR1INTR2INTR3INTR4 1& 1& 1& 1& INTP1INTP2INTP3INTP4INTR2INTR1INTR1INTR21&INTP22. 排队器排队器排队排队在在 CPU 内或在接口电路中（链式排队器）内或在接口电路中（链式排队器）硬件硬件软件软件 详见第八章详见第八章3. 中断向量地址形成部件中断向量地址形成部件入口地址入口地址向量地址向量地址排队器输出排队器输出由软件产生由软件产生硬件向量法硬件向量法 显示器服务程序显示器服务程序 打印机服务程序打印机服务程序JMP 400JMP 300JMP 200主存主存12H13H

19、14H200300向量地址向量地址入口地址入口地址入口地址入口地址中断向量地址中断向量地址 形成部件形成部件 设备设备编码器编码器1 0 0 0000100100 1 0 000010011详见第八章详见第八章由由 硬件硬件 产生产生 向量地址向量地址再由再由 向量地址向量地址 找到找到 入口地址入口地址设备选择电路设备选择电路DBR DQ&数据线数据线启动命令启动命令地址线地址线SEL输入数据输入数据启动设备启动设备设备工作设备工作 结束结束&1QQDINTR BQQMASK 设备编码器设备编码器排队器排队器中断查询中断查询来自高一级来自高一级 的排队器的排队器至低一级至低一

20、级的排队器的排队器向量地址向量地址中断响应中断响应 INTA中断请求中断请求命令译码命令译码4. 程序中断方式接口电路的基本组成程序中断方式接口电路的基本组成四、四、I/O 中断处理过程中断处理过程1. CPU 响应中断的条件和时间响应中断的条件和时间(1) 条件条件(2) 时间时间允许中断触发器允许中断触发器 EINT = 1用用 开中断开中断 指令将指令将 EINT 置置 “1”用用 关中断关中断 指令将指令将 EINT 置置“ 0” 或硬件或硬件 自动复自动复位位当当 D = 1（随机）且随机）且 MASK = 0 时时在每条指令执行阶段的结束前在每条指令执行阶段的结束前CPU 发发 中

21、断查询信号中断查询信号（将（将 INTR 置置“1”）设备选择电路设备选择电路DBR DQ&数据线数据线启动命令启动命令地址线地址线SEL输入数据输入数据启动设备启动设备设备工作设备工作 结束结束&1QQDINTR BQQ MASK设备编码器设备编码器排队器排队器中断查询中断查询来自高一级来自高一级 的排队器的排队器至低一级至低一级的排队器的排队器向量地址向量地址中断响应中断响应 INTA中断请求中断请求命令译码命令译码2. I/O 中断处理过程中断处理过程 P19810&DBR设备选择电路设备选择电路01以输入为例以输入为例五、中断服务程序流程五、中断服务程序流程1.

22、 中断服务程序的流程中断服务程序的流程(1) 保护现场保护现场(2) 中断服务中断服务(3) 恢复现场恢复现场(4) 中断返回中断返回对不同的对不同的 I/O 设备具有不同内容的设备服务设备具有不同内容的设备服务中断返回指令中断返回指令2. 单重中断和多重中断单重中断和多重中断不允许中断不允许中断 现行的现行的 中断服务程序中断服务程序单重单重 中断中断多重多重 中断中断允许级别更高允许级别更高 的中断源的中断源中断中断 现行的现行的 中断服务程序中断服务程序中断隐指令完成中断隐指令完成进栈指令进栈指令出栈指令出栈指令程序断点的保护程序断点的保护寄存器内容的保护寄存器内容的保护3. 单重中断和

23、多重中断的服务程序流程单重中断和多重中断的服务程序流程中断否？中断否？保护现场保护现场设备服务设备服务恢复现场恢复现场 开中断开中断中断返回中断返回取指令取指令执行指令执行指令中断服务程序中断服务程序 中断响应中断响应 程序断点进栈程序断点进栈 关中断关中断 向量地址向量地址 PC中断周期中断周期是是中断返回中断返回保护现场保护现场设备服务设备服务恢复现场恢复现场开中断开中断开中断开中断开中断开中断中断隐指令中断隐指令中断隐指令中断隐指令否否取指令取指令执行指令执行指令中断否？中断否？否否 中断响应中断响应 程序断点进栈程序断点进栈 关中断关中断向量地址向量地址 PC中断周期中断周期是是中断服

24、务程序中断服务程序单重单重 多重多重 程序中断接口芯片程序中断接口芯片 8259A 的内部结构的内部结构 内部总线内部总线 缓冲器缓冲器读读 / 写写逻逻 辑辑级联缓冲级联缓冲器器/比较器比较器优先权优先权比较器比较器 ( PR ) 中断中断 服务服务 寄存寄存 器器(ISR) 中断中断 请求请求 寄存寄存 器器(IRR)中断屏蔽寄存器中断屏蔽寄存器 （IMR）控制逻辑控制逻辑INTINTAD7D0A0RDWRCSCAS0CAS1CAS2SP/ENIR0IR1IR2IR3IR4IR5IR6IR7内部总线内部总线主程序和服务程序抢占主程序和服务程序抢占 CPU 示意图示意图准备工作准备工作准备工

25、作准备工作准备工作准备工作传送数据传送数据传送数据传送数据发中断请求发中断请求发中断请求发中断请求I/O宏观宏观 上上 CPU 和和 I/O 并行并行 工作工作微观微观 上上 CPU 中断现行程序中断现行程序 为为 I/O 服务服务主程序主程序继续执行主程序继续执行主程序启动外设启动外设 服务程序服务程序（传送数据）（传送数据） 服务程序服务程序（传送数据）（传送数据）继续执行主程序继续执行主程序CPU一、一、DMA 方式的特点方式的特点1. DMA 和程序中断两种方式的数据通路和程序中断两种方式的数据通路CPU主主存存ACC 中断接口中断接口DMA 接口接口I/O 设设 备备中断方式数据传送

26、通路中断方式数据传送通路输入指令输入指令输出指令输出指令DMA方式数据传送通路方式数据传送通路2. DMA 与主存交换数据的三种方式与主存交换数据的三种方式(1) 停止停止 CPU 访问主存访问主存 P203控制简单控制简单CPU 处于不工作状态或保持状态处于不工作状态或保持状态未充分发挥未充分发挥 CPU 对主存的利用率对主存的利用率主存工作时间主存工作时间CPU不执行程序不执行程序DMA不工作不工作DMA不工作不工作DMA工作工作 CPU控制控制并使用主存并使用主存 DMA控制控制并使用主存并使用主存t(2) 周期挪用（或周期窃取）周期挪用（或周期窃取） P203DMA 访问主存有三种可能

27、访问主存有三种可能 CPU 此时不访存此时不访存 CPU 正在访存正在访存 CPU 与与 DMA 同时请求访存同时请求访存此时此时 CPU 将总线控制权让给将总线控制权让给 DMA主存工作时间主存工作时间 CPU控制控制并使用主存并使用主存 DMA控制控制并使用主存并使用主存t(3) DMA 与与 CPU 交替访问交替访问主存工作时间主存工作时间DMA控制控制并使用主存并使用主存CPU控制控制并使用主存并使用主存tCPU 工作周期工作周期C1 专供专供 DMA 访存访存C2 专供专供 CPU 访存访存所有指令执行过程中的一个基准时间所有指令执行过程中的一个基准时间不需要不需要 申请建立和归还申

28、请建立和归还 总线的使用权总线的使用权二、二、DMA 接口的功能和组成接口的功能和组成1. DMA 接口功能接口功能(1) 向向 CPU 申请申请 DMA 传送传送(2) 处理总线处理总线 控制权的转交控制权的转交(3) 管理管理 系统总线、系统总线、控制控制 数据传送数据传送(4) 确定确定 数据传送的数据传送的 首地址和长度首地址和长度(5) DMA 传送结束时，传送结束时，给出操作完成信号给出操作完成信号修正修正 传送过程中的数据传送过程中的数据 地址地址 和和 长度长度DMA接口接口主主存存CPU2. DMA 接口组成接口组成 P205-206DMA 控控 制制 逻逻 辑辑 中中 断断

29、 机机 构构设备设备HLDAARWCDARHRQ中断请求中断请求数据线数据线地址线地址线+1+1溢出信号溢出信号DREQDACKBR三、三、DMA 的工作过程的工作过程1. DMA 传送过程传送过程预处理、数据传送、后处理预处理、数据传送、后处理(1) 预处理预处理通过几条输入输出指令预置如下信息通过几条输入输出指令预置如下信息 通知通知 DMA 控制逻辑传送方向（入控制逻辑传送方向（入/出）出） 设备地址设备地址 DMA 的的 DAR 主存地址主存地址 DMA 的的 AR 传送字数传送字数 DMA 的的 WC预处理预处理：主存起始地址主存起始地址设备地址设备地址 传送数据个数传送数据个数启动

30、设备启动设备DMADMADMA数据传送数据传送：继续执行主程序继续执行主程序同时完成一批数据传送同时完成一批数据传送后处理后处理：中断服务程序中断服务程序做做 DMA 结束处理结束处理继续执行主程序继续执行主程序CPU(2) DMA 传送过程示意传送过程示意允许传送？允许传送？主存地址送总线主存地址送总线数据送数据送I/O设备（或主存设备（或主存 ）修改修改 主存地址主存地址修改修改 字计数器字计数器 数据块数据块传送结束？传送结束？向向CPU申请申请 程序中断程序中断DMA请求请求否否否否是是是是数据传送数据传送BR设备设备DMA 控控 制制 逻逻 辑辑 中中 断断 机机 构构ARWCDARDMA接口接口主主存存CPU+1+1(3) 数据传送过程（输入）数据传送过程（输入）P207DREQHRQHLDA地址线地址线DACK数据线数据线溢出信号溢出信号中断请求中断请求ARWC+1+1BRBRBRBRBRBR设备设备DMA 控控 制制 逻逻 辑辑 中中 断断 机机 构构ARWCDARDMA接口接口主主存存CPU+1+1BRDREQHRQHLDA地址线地址线DACK数据线数据线溢出信号溢出信号中断请求中断请求ARWC+1+1(4) 数据传送过程（输出）数据传送过程（输出）P208BRBRBRBR(5) 后处理后处理校