计算机组成原理第8章-输入输出系统课件

1、本章给出计算机系统中信息传输过程中的技术解决方案。输入/输出系统 8.18.1.1I/O系统的功能和组成8.1输入/输出系统概述需要交换的信息数据信息 状态信息 控制信息 主机和外设之间需要交换的信息实现主机和外设的联络控制 传送控制命令和状态信息 进行地址译码和设备选择 数据格式的变换 实现数据缓冲 功能接口的功能8.1.1I/O系统的功能和组成8.1输入/输出系统概述接口的组成主机外设外设识别数据或命令或状态控制电路8.1.2I/O设备的寻址方式8.1输入/输出系统概述 统一编址方式又称存储器映射编址方式，即把每个I/O端口都当成一个存储单元看待，I/O端口与存储器单元在同一个地址空间进行

2、编址。通常是在整个地址空间中划分出一小块连续的地址分配给I/O端口，被I/O端口占用了的地址存储器不能再使用。统一编址8.1.2I/O设备的寻址方式8.1输入/输出系统概述 在独立编址方式中，主存地址空间和I/O端口地址空间是相对独立的，分别单独编址。例如，在8086系统中，其主存地址范围是从00000HFFFFFH连续的1 MB，其I/O端口的地址范围从0000HFFFFH，它们互相独立，互不影响。CPU访问主存时，由主存读写控制线控制；访问外设时，由I/O读写控制线控制，所以在指令系统中必须设置专门的I/O指令。 独立编址8.1.3输入/输出方式8.1输入/输出系统概述程序查询方式 通道方

3、式 程序中断方式 DMA方式 输入/输出方式8.2.1程序查询方式的工作原理8.2程序查询方式用程序查询方式传送时，CPU通过执行程序不断地读取并测试外设的状态，如果外设处于准备好状态 （输入设备）或者空闲状态（输出设备），则CPU执行输入指令或输出指令与外设交换信息。对于程序查询方式来说，一个数据传送过程包括3个环节： （1）CPU从接口读取状态字。 （2）CPU检测状态字的对应位是否满足“就绪”条件，如果不满足，则继续回到前一步读取状态字。 （3）如果状态字表明外设已处于“就绪”状态，则传送数据。8.2.1程序查询方式的工作原理8.2程序查询方式程序查询方式的工作流程启动外设读取外设状态字

4、外设准备就绪？传送一次数据修改传送数据传送完否？结束8.2.2程序查询方式的接口8.2程序查询方式输入接口输入设备DRQ锁存器数据缓冲器三态缓冲器地址译码8.2.2程序查询方式的接口8.2程序查询方式输出接口输出设备数据锁存器状态寄存器地址译码QRD8.3.1中断的基本概念 8.3程序中断方式中断的引入有两个方面的原因：在查询方式下，CPU不断地读取和检测状态字，如果状态表明外设未准备就绪，则CPU必须等待。这些过程占用了CPU大量的工作时间，而CPU真正用于传送数据的时间却很短，而且大多数外设的速度比CPU的工作速度慢得多，所以程序查询方式的实质无异于让CPU降低有效的工作速度，适应慢速的外

5、设。有两个方面的原因：用程序查询方式工作时，如果一个系统有多个外设，那么CPU只能轮流对每个外设进行查询，而这些外设的工作速度各不相同。这时CPU显然不能很好地满足各个外设随机性地对CPU提出的输入/输出服务要求，所以不具备实时性。可见，在实时系统以及多个外设的系统中，采用程序查询方式进行数据传送往往是不合适的。8.3.1中断的基本概念 8.3程序中断方式中断的引入中断：由于系统中某些突发事件或异常情况的发生，而强迫CPU暂停（或中断）正在执行的程序转去执行相应的服务，当中断服务结束之后再回到原来被中断的地方继续执行原来的程序。中断源：发出中断请求的来源。中断源可以分为两大类：内部中断和外部中

6、断。 8.3.1中断的基本概念 8.3程序中断方式中断的基本概念和思想在中断传送方式下，外部设备具有申请CPU服务的主动权。当输入设备将数据准备好或者输出设备准备好接收数据时，便可以向CPU发中断请求，使CPU暂时停下当前正在执行的程序而和外部设备完成一次数据传输。等输入/输出操作完成以后，CPU继续执行原来的程序。8.3.1中断的基本概念 8.3程序中断方式中断的基本概念和思想中断的原理8.3.1中断的基本概念 8.3程序中断方式中断的作用使CPU与I/O设备实现并行工作 中断的作用硬件故障处理 实现人机联系 实现多道程序和分时操作 实现实时处理 8.3.2中断的工作过程 8.3程序中断方式

7、中断的请求当外部设备处于就绪状态，即输入设备将数据准备好或者输出设备准备好接收数据时，便通过相应的硬件电路向CPU发送一个中断请求信号，请求为之服务。8.3.2中断的工作过程 8.3程序中断方式中断判优一个计算机系统包含多个中断源。由于中断产生的随机性，使得有可能在某一时刻有多个中断源向CPU发出中断请求，但是CPU在任意时刻只能响应并处理一个中断。 中断优先级判定的方法一般有两种：软件判优和硬件判优。8.3.2中断的工作过程 8.3程序中断方式中断判优软件判优是指通过软件来安排各中断源的优先级别，但是也要借助于简单的硬件电路实现，如下图所示。软件判优CPUD0D7INTR并行I/O端口1中断

8、请求寄存器8.3.2中断的工作过程 8.3程序中断方式中断判优硬件判优硬件判优是指利用专门的硬件电路或中断控制器来安排各中断源的优先级。菊花链法的基本思想是将所有的中断源构成一个链，各中断源在链中的前后顺序是根据中断源优先级的高低来排列的，排在链前面的高优先级的中断会自动封锁后边低优先级的中断。8.3.2中断的工作过程 8.3程序中断方式中断判优硬件判优菊花链线路图8.3.2中断的工作过程 8.3程序中断方式中断判优硬件判优菊花链逻辑电路 8.3.2中断的工作过程 8.3程序中断方式中断响应 （1）断点保护。为了在中断处理结束后能正确地返回到中断处，在响应中断时，必须把当前的程序计数器的内容（

9、断点）保存起来。 （2）根据前面得到的中断类型码计算出中断服务子程序的入口地址。8.3.3中断处理 8.3程序中断方式1关中断 保护现场 23开中断 执行中断服务程序 45关中断和恢复现场 6中断返回 中断处理8.3.4单级中断与多级中断 8.3程序中断方式单级中断系统在单级中断系统中，所有的中断源都属于同一级，其优先次序是离CPU近的优先级高。当响应某一中断请求时，执行该中断源的中断服务程序，在此过程中，不允许其他中断源打断中断服务程序。8.3.4单级中断与多级中断 8.3程序中断方式多级中断8.4.1DMA方式的基本概念8.4DMA方式DMA传送方式的提出基于两点原因：中断传送方式的传输效

10、率不是很高。程序查询方式和中断方式不能实现按数据块传送 。 对需要高速数据传送的设备，希望外设能够不通过CPU而直接与内存进行信息交换，这就是DMA方式。在这种方式下，外部设备利用专用的接口电路直接和存储器进行高速数据传送，而并不经过CPU。这样，传输时就不必进行保护断点和保护现场之类的一系列额外操作，数据的传输速率基本取决于外设和存储器的速度。DMA传送方式的基本思想8.4.1DMA方式的基本概念8.4DMA方式DMA方式一般应用于主存与高速外设之间的数据传送。高速外设如磁盘、磁带、光盘等辅助存储器以及其他带有局部存储器的外设、通信设备等。DMA方式的应用8.4.2DMA传送方式8.4DMA

11、方式当外围设备要求传送一批数据时，由DMA控制器向CPU发出一个总线请求信号，要求CPU放弃对数据总线、地址总线和有关控制总线的使用权。DMA控制器获得总线控制权后，开始进行数据传送。在一批数据传送完毕后，DMA控制器通知CPU可以使用内存，并把总线控制权交换给CPU。 暂停CPU访问8.4.2DMA传送方式8.4DMA方式一旦外设有DMA请求并获得CPU批准后，CPU让出一个周期的总线控制权，由DMA控制器控制系统总线，挪用一个存取周期进行一次数据传送，传送一个字节或一个字。然后DMA控制器将总线控制权交回CPU，CPU继续进行自己的操作，等待下一个DMA请求的到来。重复上述过程，直至数据块

12、传送完毕。 周期挪用DMA与CPU交替访问8.4.2DMA传送方式8.4DMA方式把原来的一个存取周期分成两个时间片，一片分给CPU，一片分给DMA，使CPU和DMA交替地访问内存。这种方法无须申请和归还总线，使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，而CPU既不停止现行程序的运行，也不进入保持状态，在CPU不知不觉中便进行了DMA传送。 8.4.3DMA控制器8.4DMA方式内存CPU中断机构控制状态逻辑内存地址计数字计数器DMA请求触发器数据缓冲寄存器设备选择设备DMA控制器的基本组成（1）当外设准备就绪，希望进行DMA操作时，会向DMA控制器发出DMA请求信

13、号，DMA控制器接到此信号后，会向CPU发出总线请求信号。（2）当CPU响应此总线请求，发出总线响应信号后，DMA控制器能接管对总线的控制，进入DMA操作周期。（3）确定传送数据的主存单元地址及传送长度，并能自动修改内存地址计数值和字计数值。（4）规定数据在内存与外设之间的传送方向，发出读写信号或其他控制信号，并执行数据传送操作。（5）DMA过程结束时，DMA控制器向CPU发出结束信号，并将总线控制权让给CPU。8.4.3DMA控制器8.4DMA方式DMA控制器的功能8.4.4DMA工作过程8.4DMA方式 预处理阶段由CPU执行几条输入/输出指令，用于测试设备状态，向内存地址计数器中送入起始

14、地址，向字计数器中送入交换的数据字个数，启动外部设备等。在这些工作完成以后，CPU继续执行原来的程序。1.DMA预处理2.数据传送DMA请求DMA响应发送内存地址发送一次数据检测传送是否结束？DMA结束修改内存计数值和字计数值8.4.4DMA工作过程8.4DMA方式 当字计数值减到0时，DMA操作结束，DMA控制器向CPU发出中断请求，CPU停止原来程序的执行，转去执行中断服务程序做DMA结束处理工作。这些工作包括检验送入内存的数据是否正确；决定继续使用DMA方式传送下去，还是结束传送；测试在传送过程中是否发生了错误等。3.DMA结束处理8.5.1通道的功能8.5通道方式通道是一个特殊功能的处

15、理器，它有自己的指令和程序专门负责数据输入/输出的传输控制，且CPU将“传输控制”的功能下放给通道后只负责“数据处理”功能。这样，通道与CPU分时使用内存，实现了CPU内部运算与I/O设备的并行工作。1.通道简介8.5.1通道的功能8.5通道方式 设备控制器的具体任务如下：（1）从通道接收通道指令，控制外围设备完成所要求的操作。（2）向通道反映外围设备的状态。（3）将各种外围设备的不同信号转换成通道能够识别的标准信号。3.通道对设备控制器的管理CPU通过执行I/O指令以及处理来自通道的中断，实现对通道的管理。来自通道的中断有两种：一种是数据传送结束中断，另一种是故障中断。2.CPU对通道的管理

16、8.5.2通道的工作过程8.5通道方式 通道完成一次数据传送的主要过程分为以下3步： （1）在用户程序中使用访管指令进入管理程序，由CPU通过管理程序组织一个通道程序，并启动通道。 （2）通道执行CPU为它组织的通道程序，完成指定的数据输入/输出工作。 （3）通道程序结束后向CPU发出中断请求。CPU响应这个中断请求后，第二次进入操作系统，调用管理程序对中断请求进行处理。1.字节多路通道一个字节多路通道，包含多个按字节方式传送信息的子通道。每个子通道服务于一个设备控制器，每个子通道都可以独立地执行通道程序。各个子通道可以并行工作，但是所有子通道的控制部分是公共的，各个子通道可以分时地使用。8.5.3通道的类型8.5通道方式2.选择通道在一段时间内，通道只能选择一台设备进行数据传送，此时该设备可以独占整个通道。因此，选择通道一次只能执行一个通道程序，只有当它与主存交换完信息后，才能再选择另一台外部设备并执行该设备的通道程序。 8.5.3通道的类型8.5通道方式3.数组多路通道数组多路通道是把字节多路通道和选择通道的特点结合起