第9章IO系统组织

1、2022-6-13 2011 第7版1第第 9 9 章章 I/OI/O系统组织系统组织 2022-6-132本章学习内容 I/OI/O系统系统的功能的功能 接口的功能接口的功能 中断的基本概念中断的基本概念 DMADMA的基本概念的基本概念 通道的基本概念通道的基本概念2022-6-1339.1 I/O9.1 I/O系统概述系统概述 I/OI/O系统的基本功能系统的基本功能 为数据传输操作选择输入为数据传输操作选择输入/ /输出设备。输出设备。 控制被选的输入控制被选的输入/ /输出设备与主机之间的信息输出设备与主机之间的信息交换。交换。2022-6-134I/OI/O系统需解决的主要问题系统

2、需解决的主要问题 解决主机与外部设备间的信息通讯问题，提供主解决主机与外部设备间的信息通讯问题，提供主机与外设间的信息通路，使外围设备与主机能够机与外设间的信息通路，使外围设备与主机能够协调一致地工作。协调一致地工作。 使处理机与外部设备在数据处理的速度上能够使处理机与外部设备在数据处理的速度上能够相互匹配。相互匹配。解决方法：缓冲技术解决方法：缓冲技术 使处理机与外部设备能够并行工作，以提高整使处理机与外部设备能够并行工作，以提高整个计算机系统的工作效率。个计算机系统的工作效率。解决方法：减少处理机对外部设备的直接控制，解决方法：减少处理机对外部设备的直接控制，乃至处理机不再干预外部设备的控

3、制，而交由专乃至处理机不再干预外部设备的控制，而交由专门的硬件装置去实现对外部设备的管理与监督门的硬件装置去实现对外部设备的管理与监督。2022-6-1359.1.2 I/O9.1.2 I/O系统的组成系统的组成 典型计算机系统中典型计算机系统中I/O系统的组成：系统的组成： 系统总线、系统总线、I/O设备接口控制器、设备接口控制器、I/O设备、相关设备、相关控制软件。控制软件。 CPU内存储器设备接口系统总线.I/O设备I/O设备I/O设备设备接口设备接口I/O设备2022-6-136 现代计算机系统中现代计算机系统中I/O系统的组成：系统的组成： 扩展总线、扩展总线、I/O设备接口控制器、

4、设备接口控制器、I/O设备、相关控设备、相关控制软件。制软件。 系统总线主存储器高速缓冲存储器/总线桥处理机高速总线SCSI接口适配器FireWire接口适配器局域网接口适配器图形接口适配器扩展总线扩展总线接口传真机接口适配器调制解调器接口适配器串行接口适配器局部总线2022-6-137 扩展总线及扩展总线及I/O接口控制器的作用：接口控制器的作用： 分流分流CPU和内存之间以及外设和内存之间和内存之间以及外设和内存之间的数据流的数据流 现代计算机系统的主机与外设工作速度相差很现代计算机系统的主机与外设工作速度相差很大，需要分流大，需要分流CPU和内存之间以及外设和内存和内存之间以及外设和内存

5、之间的数据流，因此需要引入扩展总线。之间的数据流，因此需要引入扩展总线。 便于系统实现标准化、模块化。便于系统实现标准化、模块化。 系统总线（也包括扩展总线）中的控制总线通系统总线（也包括扩展总线）中的控制总线通常定义为通用或标准的信号，而具体的常定义为通用或标准的信号，而具体的I/O设设备设置的是专用的控制信号，因此需要备设置的是专用的控制信号，因此需要I/O接接口控制器进行信号的转换。口控制器进行信号的转换。 2022-6-138 I/O设备控制接口的发展趋势设备控制接口的发展趋势 在现代计算机系统中，许多在现代计算机系统中，许多I/O设备的控制器设备的控制器中（比如磁盘控制器、激光打印机

6、）往往会采中（比如磁盘控制器、激光打印机）往往会采用专用的微处理器对有关设备进行控制，使用用专用的微处理器对有关设备进行控制，使用相应的设备控制程序。相应的设备控制程序。 因此传统的单纯由因此传统的单纯由硬件电路硬件电路实现的实现的I/O设备控设备控制接口，逐渐演变为由制接口，逐渐演变为由软、硬件相互配合软、硬件相互配合的的I/O设备控制接口。设备控制接口。 2022-6-1399.1.3 9.1.3 主机与外设间的连接方式与组织管理主机与外设间的连接方式与组织管理 主机与外围设备的连接方式大致可分为：主机与外围设备的连接方式大致可分为： 总线方式总线方式 通道方式通道方式 I/O处理机方式处

7、理机方式(IOP方式方式) 2022-6-13101 1总线型连接方式总线型连接方式 CPUCPU通过系统总线与主存储器，通过系统总线与主存储器，I/OI/O控制器，控制器，I/OI/O接口电路相连接，通过接口电路相连接，通过I/OI/O接口电路进一步接口电路进一步实现对外设的控制。实现对外设的控制。 系统总线包括地址总线，数据总线和控制总线，系统总线包括地址总线，数据总线和控制总线，分别用于传送地址信号，数据信号和控制信号分别用于传送地址信号，数据信号和控制信号( (如读如读/ /写信号、中断申请及应答信号等写信号、中断申请及应答信号等) )。2022-6-13112022-6-1312 总

8、线型连接方式的总线型连接方式的优点优点： 系统模块化程度较高，系统模块化程度较高，I/O接口扩充方便。接口扩充方便。 总线型连接方式的总线型连接方式的缺点缺点： 系统中部件之间的信息交换，均依赖于总线，系统中部件之间的信息交换，均依赖于总线，总线成为系统中的速度瓶颈，因而不适于系统总线成为系统中的速度瓶颈，因而不适于系统需配备有大量外设的场合。需配备有大量外设的场合。 实际设备中，一种实际设备中，一种I/O接口适配器也可以控制接口适配器也可以控制多台多台I/O设备，如多用户卡。一块多用户设备，如多用户卡。一块多用户I/O适适配器，可以控制多台终端的工作，这种方式称配器，可以控制多台终端的工作，

9、这种方式称之为现代星型之为现代星型I/O设备的连接方式。设备的连接方式。2022-6-1313多用户接口适配器多用户接口适配器终端终端终端终端总线总线2022-6-13142 2通道控制连接方式通道控制连接方式 通道控制方式通道控制方式 由通道控制器执行专门的通道程序，通过由通道控制器执行专门的通道程序，通过I/OI/O总总线控制接口与外设。线控制接口与外设。 通道控制连接方式主要用于连接外设数量多，通道控制连接方式主要用于连接外设数量多，外设类型多，外设速度差异大的大型主机系统。外设类型多，外设速度差异大的大型主机系统。2022-6-1315系统总线I/O总线绘图仪扫描仪磁盘阵列软盘驱动器光

10、盘驱动器打印机硬盘驱动器处理机通道控制器内存储器I/O 控制器I/O 控制器I/O 控制器I/O 控制器2022-6-1316 通道控制器是专门负责通道控制器是专门负责I/OI/O操作的控制器，它操作的控制器，它执行一种专门的通道程序，可与执行一种专门的通道程序，可与CPUCPU并行工作。并行工作。 通道控制器通过执行通道程序或采用通道控制器通过执行通道程序或采用DMADMA方式方式实现存储器与外部设备之间的直接数据传输，实现存储器与外部设备之间的直接数据传输，减少减少CPUCPU对对I/OI/O处理工作的控制。处理工作的控制。通道控制器通道控制器2022-6-1317 从连接角度看，主机一般

11、通过单独的数据通路从连接角度看，主机一般通过单独的数据通路分别连接数目有限的通道，各通道再通过分别连接数目有限的通道，各通道再通过I/OI/O总线连接总线连接I/OI/O接口，再与外设连接。接口，再与外设连接。 通道的四级连接方式通道的四级连接方式： 主机主机 通道通道 I/O I/O接口接口( (设备控制器设备控制器) ) 外设外设2022-6-1318通道的四级连接方式通道的四级连接方式 外设 。 I/O控制器 CPU 主 机 图1-10 大型、中型计算机系统的典型结构 存储器 通道 通道 I/O控制器 I/O控制器 I/O控制器 外设 外设 外设 外设 外设 外设 外设 。 2022-6

12、-13193 3I/O处理机控制连接方式处理机控制连接方式(IOP方式方式) I/O处理机处理机(IOP) 一种具有比一种具有比I/O通道更强独立性的专用通道更强独立性的专用CPU。 IOP有自己的指令系统，可编程控制，适应性有自己的指令系统，可编程控制，适应性强、通用性好。其程序的执行可与强、通用性好。其程序的执行可与CPU并行，并行，可使可使CPU彻底摆脱对彻底摆脱对I/O的控制处理。的控制处理。 IOP可大可小，大的如在巨型机系统中，可大可小，大的如在巨型机系统中，IOP可为一台通用的小型机或中型计算机，称为可为一台通用的小型机或中型计算机，称为前前端处理机端处理机；小的则为一块大规模集

13、成电路芯片，；小的则为一块大规模集成电路芯片，如如Intel公司为其微处理器公司为其微处理器(CPU)8086配套的配套的IOP8089。2022-6-13209.1.4 9.1.4 I/O信息传送的控制方式信息传送的控制方式 I/O数据传送控制方式也称数据传送控制方式也称I/O信息交换方式。信息交换方式。 I/O数据传送控制方式与主机和外设之间的连数据传送控制方式与主机和外设之间的连接方式有很大的关系，各种方式有不同的适用接方式有很大的关系，各种方式有不同的适用对象和应用场合，需要相应的硬件来支持。对象和应用场合，需要相应的硬件来支持。 2022-6-1321 按按I/OI/O控制组织的演变

14、顺序和外设与主机并行工控制组织的演变顺序和外设与主机并行工作程度以及数据传送的控制方式，对作程度以及数据传送的控制方式，对I/OI/O数据传数据传送控制分类如下：送控制分类如下： 直接程序控制方式：直接程序控制方式： 程序中断方式：程序中断方式： DMADMA方式：方式： 通道方式通道方式 I/OI/O处理机方式处理机方式由由专有硬专有硬件控制的件控制的数据传送数据传送由由程序控程序控制的数据制的数据传送传送采用辅助采用辅助硬件实现硬件实现适合快适合快速外设速外设快、慢设备均适用快、慢设备均适用适合于大、中型机适合于大、中型机适合慢适合慢速外设速外设适适合合于于小小微微型型机机2022-6-1

15、322（1 1）由程序控制的数据传送）由程序控制的数据传送 这种控制方式是指在主机和设备之间的这种控制方式是指在主机和设备之间的I/OI/O数数据传送，需要通过处理机执行具体的据传送，需要通过处理机执行具体的I/OI/O指令指令来完成。即由处理机执行所谓的来完成。即由处理机执行所谓的I/OI/O程序，实程序，实现对整个现对整个I/OI/O数据传送过程的全程监督与管理。数据传送过程的全程监督与管理。 程序控制程序控制方式一般在总线型连接方式中采用。方式一般在总线型连接方式中采用。 由程序控制的数据传送可进一步分为由程序控制的数据传送可进一步分为直接程序直接程序控制方式控制方式和和程序中断传送方式

16、程序中断传送方式。 2022-6-1323（2 2）由专有硬件控制的数据传送）由专有硬件控制的数据传送 这种控制方式需要在系统中设置专门用于控制这种控制方式需要在系统中设置专门用于控制I/O数据传输的硬件装置，处理机只要启动这数据传输的硬件装置，处理机只要启动这些装置，就会在它们的控制下完成些装置，就会在它们的控制下完成I/O数据传数据传输，因此输，因此具体的具体的I/O数据传输过程无需处理机数据传输过程无需处理机的控制的控制。 由专有硬件控制的数据传送可具体分为：由专有硬件控制的数据传送可具体分为： 直接存储器存取（直接存储器存取（DMA）方式）方式 通道控制方式通道控制方式 I/O处理机控

17、制方式处理机控制方式2022-6-13249.2 9.2 I/OI/O接口接口 接口接口：通常指设备：通常指设备( (硬件硬件) )之间的界面。之间的界面。 I/OI/O接口接口: :主机主机( (系统总线系统总线) )与外部设备或其它外与外部设备或其它外部系统之间的接口逻辑。部系统之间的接口逻辑。2022-6-13259.2.1 9.2.1 I/OI/O接口的基本功能接口的基本功能 实现数据的传送、缓冲、隔离和锁存。实现数据的传送、缓冲、隔离和锁存。 实现实现信号形式和数据格式转换。信号形式和数据格式转换。 控制主机与外设之间的通信联络，实现控控制主机与外设之间的通信联络，实现控制命令和状态

18、信息的交换，保证时序协调。制命令和状态信息的交换，保证时序协调。 寻址，即识别设备地址，选择指定的设备寻址，即识别设备地址，选择指定的设备和和I/OI/O端口。端口。2022-6-1326CPUCPU和外设之间传送的信息和外设之间传送的信息 数据信息数据信息 数字量数字量 数字量是指用二进制码形式提供的信息，如用数字量是指用二进制码形式提供的信息，如用二进制形式表示的数据、以二进制形式表示的数据、以ASCIIASCII码形式表示码形式表示的字符等。通常有的字符等。通常有8 8位、位、1616位和位和3232位数据。位数据。 模拟量模拟量 模拟量是指连续变化的物理量，如温度、湿度、模拟量是指连续

19、变化的物理量，如温度、湿度、位移、压力、流量等。计算机无法直接接收和位移、压力、流量等。计算机无法直接接收和处理模拟量，要经过处理模拟量，要经过A/DA/D变换将模拟量变成数变换将模拟量变成数字量，才能送入计算机；同样，计算机输出的字量，才能送入计算机；同样，计算机输出的数字量要经过数字量要经过D/AD/A变换将数字量变成模拟量，变换将数字量变成模拟量，才能送入使用模拟量的外设。才能送入使用模拟量的外设。 2022-6-1327 开关量开关量 开关量有两个状态：如开关的闭合和断开、设开关量有两个状态：如开关的闭合和断开、设备的启动和停止等，可以备的启动和停止等，可以“0”0”和和“1” 1”

20、表示。表示。2022-6-1328 状态信息状态信息 状态信息就是反映当前外设所处的工作状态的状态信息就是反映当前外设所处的工作状态的信息。信息。 在与外设进行数据信息的交换时，在与外设进行数据信息的交换时，CPUCPU需要通需要通过状态信息了解外设的工作状态。通常外设用过状态信息了解外设的工作状态。通常外设用准备好（准备好（READYREADY）信号来表明是否准备就绪；信号来表明是否准备就绪；用用忙（忙（BUSYBUSY）信号表示是否处于空闲状态。例信号表示是否处于空闲状态。例如，当输入设备准备好向系统输入的数据信息如，当输入设备准备好向系统输入的数据信息时，就用时，就用READYREADY

21、信号通知信号通知CPUCPU读入数据；输出设读入数据；输出设备只有处于备只有处于空闲状态（不忙）空闲状态（不忙）时，才可以接收时，才可以接收CPUCPU送来的信息。送来的信息。 外设的状态信息通过接口送往外设的状态信息通过接口送往CPUCPU。 2022-6-1329 控制信息控制信息 在外设的工作过程中，在外设的工作过程中，CPUCPU需要通过控制信息需要通过控制信息控制外设的工作，如对外设的启动和停止等。控制外设的工作，如对外设的启动和停止等。不同外设所需的控制信息各不相同，因此不同外设所需的控制信息各不相同，因此CPUCPU需要通过接口将控制信息传送给外设。需要通过接口将控制信息传送给外

22、设。 2022-6-1330I/O信息的传送信息的传送 数据信息、状态信息和控制信息各不相同，应数据信息、状态信息和控制信息各不相同，应该分别传送。该分别传送。 为了便于处理，为了便于处理，将状态信息、控制信息也广义将状态信息、控制信息也广义地看成数据信息，通过数据总线来传送。地看成数据信息，通过数据总线来传送。为了为了区别这三种信息，在接口线路中将它们分别送区别这三种信息，在接口线路中将它们分别送入不同的寄存器（入不同的寄存器（ I/O端口）。端口）。 CPU同外设之间的信息传送实质上是对相应的同外设之间的信息传送实质上是对相应的寄存器进行寄存器进行“读读”或或“写写”操作。操作。 端口端口

23、（Port或或I/O端口）：接口中可以由端口）：接口中可以由CPU进行读或写的寄存器。进行读或写的寄存器。2022-6-1331I/OI/O端口的寻址方式端口的寻址方式 对对I/O设备的寻址实质上就是对设备的寻址实质上就是对I/O端口的寻址。端口的寻址。 I/O端口与主存统一编址端口与主存统一编址 将一个将一个I/O端口作为存储器中的一个单元对待，每端口作为存储器中的一个单元对待，每一个一个I/O端口占用一个存储器单元地址。编址时将端口占用一个存储器单元地址。编址时将I/O端口与存储器单元一起进行编址。端口与存储器单元一起进行编址。 又称为又称为存储器对应的输入输出方式或存储器映象存储器对应的

24、输入输出方式或存储器映象编址方式编址方式。2022-6-1332I/O端口与主存统一编址端口与主存统一编址内存内存I/O端口端口内存内存2022-6-1333 I/O端口与主存统一编址方式的端口与主存统一编址方式的优点优点： CPU可使用所有存储器操作指令对可使用所有存储器操作指令对I/O端口端口中数据进行操作，十分灵活和方便。中数据进行操作，十分灵活和方便。 不需要用专门的指令及控制信号区分是存储不需要用专门的指令及控制信号区分是存储器还是器还是I/O操作。使得系统相对简单。操作。使得系统相对简单。 I/O端口与主存统一编址方式存在的端口与主存统一编址方式存在的缺点缺点： I/O端口占用了内

25、存单元的部分地址空间，端口占用了内存单元的部分地址空间，使内存容量减小。使内存容量减小。 由于在程序中不易分清指令访问的是存储器由于在程序中不易分清指令访问的是存储器还是还是I/O端口，所以采用这种方式编制的程序端口，所以采用这种方式编制的程序不易阅读。不易阅读。2022-6-1334 I/O端口独立编址端口独立编址 将将I/O端口与存储器单元分别独立进行编址，端口与存储器单元分别独立进行编址，CPU访问外设时，需使用专门的访问外设时，需使用专门的I/O指令，并需要有与指令，并需要有与接口电路联系的单独的控制信号。接口电路联系的单独的控制信号。 也称为也称为I/O端口寻址输入输出方式端口寻址输

26、入输出方式。存储器存储器I/O端口端口FFFFH0000HFFFH000H2022-6-1335IBMPC中中I/O地址的分配地址的分配 输入输出设备输入输出设备 占用地址数占用地址数 地址地址(16进制进制) 硬盘控制器硬盘控制器 16 32032F 软盘控制器软盘控制器 8 3F03F7 彩色图形显示适彩色图形显示适配器配器 16 3D03DF 异步通讯控制器异步通讯控制器 8 3F83FF 2022-6-1336 I/O端口独立编址方式的端口独立编址方式的优点优点： I/O端口具有独立的地址空间，不占用内存端口具有独立的地址空间，不占用内存空间。空间。 I/O指令中的地址字段的长度较短，

27、可以节指令中的地址字段的长度较短，可以节省指令存储空间和指令执行时间。省指令存储空间和指令执行时间。 由于访问存储器和访问由于访问存储器和访问I/O端口使用不同的端口使用不同的指令，因此编制的程序比较清晰易读。指令，因此编制的程序比较清晰易读。 I/O端口独立编址方式的端口独立编址方式的缺点缺点： I/O操作指令的种类通常没有存储器操作指令操作指令的种类通常没有存储器操作指令丰富，设计程序时不够方便。丰富，设计程序时不够方便。2022-6-13379.2.2 9.2.2 接口的基本组成接口的基本组成CPU外部 设备数据寄存器（组）状态寄存器（组）控制寄存器（组）状态字生成逻辑控制信号生成逻辑地

28、址译码数据总线地址总线控制总线外部数据线状态信号线命令控制线2022-6-1338 设备选择电路设备选择电路 用于接收总线传来的地址信息，经译码后，决定用于接收总线传来的地址信息，经译码后，决定选择哪个设备或选择哪个设备或I/OI/O接口内部的部件。接口内部的部件。 数据缓冲寄存器（数据端口）数据缓冲寄存器（数据端口） 用于存放主机与外设之间要传递的数据信息。用于存放主机与外设之间要传递的数据信息。 命令寄存器（控制端口）命令寄存器（控制端口） 用于存放主机向外设发送的控制命令。用于存放主机向外设发送的控制命令。 状态寄存器（状态端口）状态寄存器（状态端口） 用于存放外设或接口的工作状态。用于

29、存放外设或接口的工作状态。 其它有关部件其它有关部件 如中断控制逻辑、如中断控制逻辑、DMADMA控制逻辑以及各类特殊部件。控制逻辑以及各类特殊部件。2022-6-13399.2.3 I/O 9.2.3 I/O 接口的分类接口的分类 1. 1. 按数据传送格式分按数据传送格式分 串行接口串行接口：接口与设备之间的信息传送是逐位：接口与设备之间的信息传送是逐位串行进行的。串行进行的。 并行接口并行接口：接口与设备之间的信息传送是将一：接口与设备之间的信息传送是将一个字或一个字节的所有位同时并行地进行传送个字或一个字节的所有位同时并行地进行传送的。的。2022-6-13402022-6-1341主

30、主机机串串行行接接口口外外设设TxDRxDDn10主主机机并并行行接接口口外外设设Dn10I/OI/On n1 10 02022-6-1342 2. 2. 按时序的控制方式分按时序的控制方式分 同步接口同步接口：一般与同步总线相连，接口与总线：一般与同步总线相连，接口与总线采用统一时钟信号，无论采用统一时钟信号，无论CPUCPU与与I/OI/O设备，还是设备，还是存储器与存储器与I/OI/O设备交换信息，都与总线同步时钟设备交换信息，都与总线同步时钟脉冲同步。脉冲同步。 异步接口异步接口：与异步总线相连，接口与系统总线：与异步总线相连，接口与系统总线之间采用异步应答方式。之间采用异步应答方式。

31、2022-6-1343 3. 3. 按信息传送交换的控制方式分按信息传送交换的控制方式分 程序控制程序控制I/O接口接口：采用直接程序控制方式进：采用直接程序控制方式进行信息交换的接口。行信息交换的接口。 程序中断程序中断I/O接口接口：主机与外设以程序中断方：主机与外设以程序中断方式进行信息交换控制的接口。式进行信息交换控制的接口。 直接存储器存取直接存储器存取I/O接口接口：以直接存储器存取：以直接存储器存取(DMA)方式控制信息传送的接口。方式控制信息传送的接口。2022-6-1344 程序控制方式的特点：程序控制方式的特点： 数据传输操作通过在处理机上执行的数据传输操作通过在处理机上执

32、行的I/O指令来实指令来实现。现。 程序控制方式下数据传输的过程：程序控制方式下数据传输的过程： 输入数据输入数据 CPU执行执行I/O输入指令，启动输入操作总线周期，输入指令，启动输入操作总线周期，将将I/O接口数据缓冲寄存器中的数据取到接口数据缓冲寄存器中的数据取到CPU中的中的累加器中。累加器中。 CPU执行写存储器指令，启动写存储器总线周执行写存储器指令，启动写存储器总线周期，将累加器中存放的输入数据写到内存某个单期，将累加器中存放的输入数据写到内存某个单元中。元中。9.3 9.3 程序控制方式程序控制方式2022-6-1345 输出数据输出数据 CPU执行读存储器指令，启动读存储器总

33、线执行读存储器指令，启动读存储器总线周期，将内存某个单元中存放的待输出数据取周期，将内存某个单元中存放的待输出数据取到到CPU的累加器中。的累加器中。 CPU执行执行I/O输出指令，启动输出操作总线周输出指令，启动输出操作总线周期，将累加器中存放的待输出数据写到设备接期，将累加器中存放的待输出数据写到设备接口的数据缓冲寄存器中。口的数据缓冲寄存器中。 在程序控制方式下，内存与外设交换一个数据在程序控制方式下，内存与外设交换一个数据需要使用两次总线，即需要执行一个访问存储需要使用两次总线，即需要执行一个访问存储单元的总线周期和一个访问单元的总线周期和一个访问I/O的总线周期。的总线周期。 202

34、2-6-13469.3.1 9.3.1 直接程序控制方式直接程序控制方式 直接程序控制方式完全通过程序来控制主机与直接程序控制方式完全通过程序来控制主机与外设之间信息传送。外设之间信息传送。 通常是在用户程序中安排一段由通常是在用户程序中安排一段由I/OI/O指令和其它指令和其它指令组成的指令组成的I/OI/O程序，通过执行程序，通过执行I/OI/O程序实现对程序实现对外设的直接控制。外设的直接控制。 2022-6-13471. 1. 直接数据传送方式直接数据传送方式 CPUCPU在控制与外设之间的数据传送之前，不需在控制与外设之间的数据传送之前，不需了解外设的工作状态，也不需考虑同步问题，了

35、解外设的工作状态，也不需考虑同步问题，即可直接执行即可直接执行I/0I/0指令，实现数据传送。指令，实现数据传送。 在采用直接数据传送方式进行数据传输的接口在采用直接数据传送方式进行数据传输的接口中，不需设置状态寄存器及相关逻辑。中，不需设置状态寄存器及相关逻辑。 直接数据传送方式也称为直接数据传送方式也称为无条件传送方式无条件传送方式，是，是I/OI/O数据传送控制最简单的一种，多用于数据传送控制最简单的一种，多用于I/0I/0操操作时间固定且已知作时间固定且已知的情况下。的情况下。2022-6-1348 n e x t : mov dx,8000h; D X指向数据端口指向数据端口 in

36、al,dx;从输入端口读开关状态从输入端口读开关状态 not al;反相反相 out dx,al;送输出端口显示送输出端口显示 call delay;调子程序延时调子程序延时 jmp next;重复重复2022-6-13492. 2. 程序查询数据传送控制方式程序查询数据传送控制方式 CPUCPU在进行输入在进行输入/ /输出操作之前，先查询外设的输出操作之前，先查询外设的状态，只有当外设准备就绪时，才进行数据传状态，只有当外设准备就绪时，才进行数据传送。也称为送。也称为条件传送方式条件传送方式。 当有关操作的时间未知或不定时，往往采用程当有关操作的时间未知或不定时，往往采用程序查询方式进行同

37、步控制。序查询方式进行同步控制。2022-6-1350程序查询方式程序查询方式I/0程序的操作步骤程序的操作步骤 启动I/O设备 设备“就绪”？ 执行一条I/O指令进行数据传输数据传输完毕？ 图9-6 程序查询方式否否是是2022-6-1351 mov dx,8000h; D X指向状态端口指向状态端口 status: in al,dx ;读状态端口读状态端口 test al,01h;测试标志位测试标志位D0 jz status ; D 0，未就绪，继续查询，未就绪，继续查询0 inc dx ; D1,就绪，就绪，DX改指向数据端口改指向数据端口0 in al,dx ;从数据端口输入数据从数据

38、端口输入数据2022-6-1352在程序查询方式中，为了提供程序在程序查询方式中，为了提供程序查询依据，通常需要设置状态寄存查询依据，通常需要设置状态寄存器，占用一个器，占用一个I/OI/O端口地址。端口地址。2022-6-1353 直接程序控制方式适用于下述场合：直接程序控制方式适用于下述场合： CPU CPU速度不高速度不高 CPU CPU工作效率问题不是很重要工作效率问题不是很重要 需要调试或诊断需要调试或诊断I/OI/O接口及设备的时候接口及设备的时候 直接程序控制方式的缺点：直接程序控制方式的缺点： CPU CPU与外围设备无法并行工作，与外围设备无法并行工作，CPUCPU效率很低。

39、效率很低。 无法发现和处理异常情况，不能响应来自外无法发现和处理异常情况，不能响应来自外部的随机请求。部的随机请求。2022-6-13549.3.2 9.3.2 程序中断传送方式程序中断传送方式 程序中断方式简称为程序中断方式简称为中断方式中断方式，它是目前几乎，它是目前几乎所有计算机系统都具备的一种重要工作机制。所有计算机系统都具备的一种重要工作机制。 中断不仅用在输入输出过程控制中，而且在多中断不仅用在输入输出过程控制中，而且在多道程序、分时操作、实时处理、人机联系、故道程序、分时操作、实时处理、人机联系、故障处理、程序的监视与跟踪、目态程序和操作障处理、程序的监视与跟踪、目态程序和操作系

40、统的联系以及多处理机系统中各机间联系方系统的联系以及多处理机系统中各机间联系方面都起着十分重要的作用。面都起着十分重要的作用。2022-6-13559.3.2.1 9.3.2.1 中断的基本概念中断的基本概念 1 1中断中断 中断是指处理机暂时中止执行现行程序而转去执中断是指处理机暂时中止执行现行程序而转去执行处理更加紧迫事件的服务程序，待处理完毕后，行处理更加紧迫事件的服务程序，待处理完毕后，再自动返回执行原来的程序的过程。再自动返回执行原来的程序的过程。 相对于在相对于在CPUCPU上运行的程序，中断具有上运行的程序，中断具有随机性随机性（不（不可预测性）、可预测性）、异步性异步性和和不可

41、再现性不可再现性。2022-6-1356 2 2实现中断应考虑的问题实现中断应考虑的问题 保护现场保护现场 中断过程实质上是一种程序切换过程，因此必中断过程实质上是一种程序切换过程，因此必须处理好保存旧现场、建立新现场的问题。须处理好保存旧现场、建立新现场的问题。 及时获得中断请求信号及时获得中断请求信号 中断具有随机性中断具有随机性( (程序自愿中断除外程序自愿中断除外) )。因此必。因此必须及时检测中断请求信号，以便及时处理。须及时检测中断请求信号，以便及时处理。2022-6-13573 3中断的作用中断的作用 (1) (1) 解决主机与外设的速度匹配问题，实现解决主机与外设的速度匹配问题

42、，实现CPUCPU与与I/OI/O设备并行工作。设备并行工作。CPUCPU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空闲启空闲启动动准备准备发发中中断断请请求求接收接收数据数据打印打印发发中中断断请请求求接收接收数据数据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响响应应中中断断响响应应中中断断打印打印中中断断返返回回中中断断返返回回2022-6-1358 (2) (2) 及时处理异常情况，提高机器的可靠性。及时处理异常情况，提高机器的可靠性。 (3) (3) 便于实现人便于实现人机联系机联系 (4) (4) 便于实现多道程序运行便于实现多

43、道程序运行 (5) (5) 便于实现多台设备并行工作便于实现多台设备并行工作 (6) (6) 便于实现实时控制便于实现实时控制 (7) (7) 便于实现目态程序和操作系统的联系便于实现目态程序和操作系统的联系 (8) (8) 便于实现多处理机系统中各处理机间的联系便于实现多处理机系统中各处理机间的联系2022-6-13594 4中断处理的过程中断处理的过程2022-6-1360 中断源以硬件信号形式通过中断控制线路向中断源以硬件信号形式通过中断控制线路向CPUCPU提出中断请求。提出中断请求。 中断源中断源：引起中断事件的原因引起中断事件的原因。 中断源可以是外部的硬件设备，如键盘、打印中断源

44、可以是外部的硬件设备，如键盘、打印机等输入机等输入/ /输出设备和各种控制设备；也可以输出设备和各种控制设备；也可以是软件指令，如中断指令；还可能是由各种故是软件指令，如中断指令；还可能是由各种故障和出错引起的中断，如计算溢出等。障和出错引起的中断，如计算溢出等。 中断请求中断请求2022-6-1361 中断判优及响应中断判优及响应 根据中断优先权进行判断，择优予以响应。根据中断优先权进行判断，择优予以响应。 保护现场保护现场 保护主程序的运行现状，如保护主程序的运行现状，如PCPC值、值、PSWPSW、寄存、寄存器和内存中的重要数据。器和内存中的重要数据。 中断服务中断服务 按中断源的工作要

45、求，执行相应的中断服务程按中断源的工作要求，执行相应的中断服务程序，进行特定的数据传送或控制处理。序，进行特定的数据传送或控制处理。2022-6-1362 恢复现场恢复现场 为了正确返回原程序，需要进行恢复现场的工为了正确返回原程序，需要进行恢复现场的工作，即将前面保存的寄存器的内容送回原寄存作，即将前面保存的寄存器的内容送回原寄存器。器。 中断返回中断返回 返回被中断的程序返回被中断的程序 ，继续执行。，继续执行。2022-6-13635 5中断的分类中断的分类 按中断源来分按中断源来分内中断内中断外中断外中断强迫中断强迫中断自愿中断：程序中预先安排的中断自愿中断：程序中预先安排的中断硬件故

46、障硬件故障软件故障软件故障外设请求中断外设请求中断控制台中断控制台中断2022-6-1364 按中断服务程序入口的获取方式分按中断服务程序入口的获取方式分 向量中断：由中断系统硬件，直接向主机提供被响应向量中断：由中断系统硬件，直接向主机提供被响应 中断的中断向量地址。中断的中断向量地址。 非向量中断：通过软件查询方式识别中断源，转非向量中断：通过软件查询方式识别中断源，转 入相应的中断服务程序入口地址。入相应的中断服务程序入口地址。 按是否可屏蔽分按是否可屏蔽分 可屏蔽中断：可屏蔽中断：CPUCPU可以禁止响应的外部中断。可以禁止响应的外部中断。 不可屏蔽中断：不可屏蔽中断：CPUCPU必须

47、响应的外部中断。必须响应的外部中断。 2022-6-13656.6.中断系统的设计要求中断系统的设计要求 保证中断请求信号的建立及保持的准确性，保保证中断请求信号的建立及保持的准确性，保证中断在未被响应时，中断请求信号不能随便被证中断在未被响应时，中断请求信号不能随便被丢失。丢失。 保证各类中断都能及时得到响应，不应出现某保证各类中断都能及时得到响应，不应出现某些中断由于某种原因长时间得不到响应的情况。些中断由于某种原因长时间得不到响应的情况。 必须防止在处理某个中断过程中，又去响应同必须防止在处理某个中断过程中，又去响应同样的中断样的中断 。 保证中断处理过程的正确性，在中断处理过程保证中断

48、处理过程的正确性，在中断处理过程结束后能够正确返回被中断的程序使之继续执行结束后能够正确返回被中断的程序使之继续执行。2022-6-1366 高级中断应能中断低级中断的处理，即要高级中断应能中断低级中断的处理，即要允许中断嵌套。允许中断嵌套。 中断优先级的设置应具备方便性及灵活性，中断优先级的设置应具备方便性及灵活性，允许动态改变一个中断的优先级别。允许动态改变一个中断的优先级别。2022-6-13679.3.2.2 9.3.2.2 中断请求信号的建立与传送中断请求信号的建立与传送 1 1中断请求信号的建立与中断屏蔽中断请求信号的建立与中断屏蔽 中断请求信号的建立，基于中断源有请求中断中断请求

49、信号的建立，基于中断源有请求中断的需要。的需要。 例如，当外设已例如，当外设已“准备就绪准备就绪”或或“完成一次操完成一次操作作”，可以用这类状态信号作为中断请求信号，可以用这类状态信号作为中断请求信号建立的原始信号，使中断请求触发器的状态置建立的原始信号，使中断请求触发器的状态置“1” 1” ，表明已有中断请求。，表明已有中断请求。 设备中通常有三种状态：空闲、就绪、忙设备中通常有三种状态：空闲、就绪、忙2022-6-1368空闲空闲忙忙就绪就绪BusyBusy0 0ReadyReady0 0BusyBusy0 0ReadyReady1 1产生中断请求产生中断请求BusyBusy1 1Rea

50、dyReady0 0启动启动清除清除准备好准备好再启动再启动清除清除2022-6-1369外设发出请求中断信号的条件外设发出请求中断信号的条件 外设准备就绪外设准备就绪（ReadyReady1 1） 外设的中断请求没有被屏蔽外设的中断请求没有被屏蔽2022-6-1370 中断请求信号是否能够传送给中断请求信号是否能够传送给CPUCPU，要看中断源，要看中断源是否被屏蔽。是否被屏蔽。中断屏蔽中断屏蔽2022-6-1371 中断屏蔽中断屏蔽：中断源的中断请求不能向中断源的中断请求不能向CPUCPU发出。发出。 可以根据需要对中断请求信号予以屏蔽。可以根据需要对中断请求信号予以屏蔽。 先屏蔽方式先屏

51、蔽方式：在中断请求触发器：在中断请求触发器IRQIRQ的的D D端进端进行屏蔽。行屏蔽。 后屏蔽方式后屏蔽方式：在中断请求触发器：在中断请求触发器IRQIRQ的输出端的输出端进行屏蔽。进行屏蔽。 集中屏蔽方式集中屏蔽方式：即在公共接口逻辑中设置一：即在公共接口逻辑中设置一个中断控制器，内含一个屏蔽字寄存器，个中断控制器，内含一个屏蔽字寄存器，CPUCPU将将屏蔽字送入其中。在各中断源的接口不另设屏蔽屏蔽字送入其中。在各中断源的接口不另设屏蔽触发器。将各个请求信号汇集到中断控制器，并触发器。将各个请求信号汇集到中断控制器，并与屏蔽字比较，若未被屏蔽，则中断控制器送出与屏蔽字比较，若未被屏蔽，则中

52、断控制器送出一个公共的中断请求信号一个公共的中断请求信号INTINT，送往，送往CPUCPU。2022-6-1372 T TD D：状态信号，：状态信号，T TD D1 1，需要请求中断，需要请求中断 T TM M：中断屏蔽信号，：中断屏蔽信号，T TM M1 1，屏蔽中断请求，屏蔽中断请求 QIRQ CP DIRQ&T TD DT TM M QIRQ CP D1T TD DT TM MIRQ2022-6-13738259A的内部结构和引脚的内部结构和引脚2022-6-13742 2中断请求信号的传送中断请求信号的传送 一台计算机系统中有多个中断源，可能产生多一台计算机系统中有多个中断

53、源，可能产生多个中断请求信号，因此需要解决多个中断请求个中断请求信号，因此需要解决多个中断请求信号如何传送给信号如何传送给CPUCPU的问题。的问题。 独立请求线方式独立请求线方式（多线单级结构）（多线单级结构） 各中断源单独设置自己的中断请求线，多根请各中断源单独设置自己的中断请求线，多根请求线直接送往求线直接送往CPUCPU。当。当CPUCPU接到中断请求信号后，接到中断请求信号后，立即知道请求源是谁，并予以相应的处理。立即知道请求源是谁，并予以相应的处理。 这种方法有利于实现向量中断，因为可以通过这种方法有利于实现向量中断，因为可以通过编码电路形成向量地址。但因为编码电路形成向量地址。但

54、因为CPUCPU所能连接所能连接的中断请求线数目有限，所以中断源数目难以的中断请求线数目有限，所以中断源数目难以扩充。扩充。2022-6-1375独立请求线方式独立请求线方式CPUCPUINTRINTR0 0INTRINTR1 1INTRINTRn n1 12022-6-1376 公共请求线方式公共请求线方式（单线多级结构）（单线多级结构） 各中断源的请求信号通过三态门汇集到一根公各中断源的请求信号通过三态门汇集到一根公共请求线，共请求线，CPUCPU只需接收一根中断请求线的请只需接收一根中断请求线的请求信号。求信号。 这种方法节省引脚，但这种方法节省引脚，但CPUCPU响应中断后，还需响应中

55、断后，还需要通过一定逻辑来识别是哪个中断源发出的中要通过一定逻辑来识别是哪个中断源发出的中断请求，所以响应速度慢一些。断请求，所以响应速度慢一些。CPUCPUINTRINTR0 0INTRINTR1 1INTRINTRn n1 1I/OI/OI/OI/OI/OI/OINTINT2022-6-1377 两维结构两维结构（多线多级结构）（多线多级结构） CPUCPU设置数根中断请求输入线，它们体现不同设置数根中断请求输入线，它们体现不同的优先级别，称为主优先级。再将主优先级相的优先级别，称为主优先级。再将主优先级相同的中断请求源汇集到同一公共请求线上。同的中断请求源汇集到同一公共请求线上。 这种方

56、法综合了前两种模式的优点，既可以在这种方法综合了前两种模式的优点，既可以在主优先级层次迅速判明中断源，又能随意扩充主优先级层次迅速判明中断源，又能随意扩充中断源数目。中断源数目。2022-6-1378两维结构两维结构CPUCPUINTRINTR0 0INTRINTR1 1I/OI/OINTINT0 0INTRINTRk k1 1I/OI/OI/OI/OINTRINTR0 0INTRINTR1 1I/OI/OINTRINTRn n1 1I/OI/OI/OI/OINTINTn n1 1INTRINTR0 0INTRINTR1 1I/OI/OINTINT1 1INTRINTRl l1 1I/OI/O

57、I/OI/O2022-6-1379 独立请求线与公共请求线兼有方式独立请求线与公共请求线兼有方式 将要求快速响应的中断请求，采取独立请求线方将要求快速响应的中断请求，采取独立请求线方式，以便快速识别。将其余响应速度允许相对低式，以便快速识别。将其余响应速度允许相对低些的中断请求，汇集为一根公共请求线。些的中断请求，汇集为一根公共请求线。 有些微处理器由于引脚数有限，就采取这种模式。有些微处理器由于引脚数有限，就采取这种模式。CPUCPUINTRINTRINTRINTRINTRINTRI/OI/OI/OI/OI/OI/OI/OI/OI/OI/OINTRINTR0 0INTRINTR1 1INTR

58、INTRm m1 12022-6-13809.3.2.3 9.3.2.3 中断排队与判优中断排队与判优 1. 1. 有关概念有关概念 中断排队中断排队：中断系统设计人员对中断请求的响：中断系统设计人员对中断请求的响应次序作出安排。应次序作出安排。 中断判优中断判优：系统运行过程中，当有多个中断源：系统运行过程中，当有多个中断源同时请求中断时，根据中断排队事先规定的次同时请求中断时，根据中断排队事先规定的次序判断中断请求的响应优先次序。序判断中断请求的响应优先次序。 中断优先级中断优先级（中断优先权）：根据中断源中断（中断优先权）：根据中断源中断任务的紧迫程度，给各中断请求安排的响应次任务的紧迫

59、程度，给各中断请求安排的响应次序。序。2022-6-1381中断排队的原则中断排队的原则 内部中断优先于外部中断内部中断优先于外部中断 故障中断优先于设备请求中断故障中断优先于设备请求中断 非屏蔽中断优先于可屏蔽中断非屏蔽中断优先于可屏蔽中断 输入操作的中断请求优先于输出操作的中断请输入操作的中断请求优先于输出操作的中断请求求 数据有效时间短的中断优先于数据有效时间长数据有效时间短的中断优先于数据有效时间长的中断的中断 具体设计时，中断优先级可以是固定的，也可以具体设计时，中断优先级可以是固定的，也可以是动态变化的。可以采用硬件或软件进行中断排是动态变化的。可以采用硬件或软件进行中断排队和判优

60、。队和判优。2022-6-13822 2CPUCPU与中断请求间的判优与中断请求间的判优 CPUCPU是否响应中断请求，要看当时占有是否响应中断请求，要看当时占有CPUCPU的程序的程序的优先级。的优先级。 如程序的优先级高于或等于当前中断请求的优先如程序的优先级高于或等于当前中断请求的优先级，则级，则CPUCPU可以不响应这个中断，或说可以不响应这个中断，或说CPUCPU不允许不允许被中断、中断被禁止。被中断、中断被禁止。 如占有如占有CPUCPU的程序优先级低于请求中断的优先级，的程序优先级低于请求中断的优先级，则不应禁止这个中断，而使则不应禁止这个中断，而使CPUCPU能够响应这个中能够响应这个中断，或说断，