计算机组织与结构课件第5章

第５章输入输出系统5.6DMA方式5.5程序中断方式5.4程序查询方式5.3I/O接口5.2外部设备5.1概述5.1概述一、输入输出系统的发展概况1.早期分散连接CPU和I/O设备串行工作程序查询方式2.接口模块和DMA阶段总线连接CPU和I/O设备并行工作3.具有通道结构的阶段:选择、数组多路、字符多路4.具有I/O处理机的阶段中断方式DMA方式二、输入输出系统的组成1.I/O软件(1)

I/O指令(2)通道指令CPU指令的一部分通道自身的指令指出数组的首地址、传送字数、操作命令如IBM/370通道指令为64位2.I/O硬件设备I/O接口设备设备控制器通道操作码命令码设备码5.1三、I/O设备与主机的联系方式1.I/O设备编址方式(1)统一编址(2)不统一编址用取数、存数指令有专门的I/O指令2.设备选址用设备选择电路识别是否被选中3.传送方式(1)串行(2)并行5.1数据字命令字命令字01101000起始位终止位9.09ms2×

9.09ms4.联络方式(1)立即响应(2)异步工作采用应答信号

“Ready”“Strobe”I/O接口I/O设备CPU(3)同步工作采用同步时标5.1并行串行起始位终止位9.09ms2×

9.09ms5.I/O设备与主机的连接方式(1)辐射式连接(2)总线连接外设Ⅰ外设Ⅱ外设Ⅲ主机不便于增删设备每台设备都配有一套控制线路和一组信号线5.1便于增删设备四、I/O设备与主机信息传送的控制方式1.程序查询方式CPU和I/O串行工作踏步等待CPU读I/O状态检查状态未准备就绪出错从I/O接口中读一个字到CPU从CPU向主存写入一个字CPU向I/O发读指令CPU读I/O状态检查状态完成否未准备就绪现行程序是出错已准备就绪否5.12.程序中断方式I/O工作CPU不查询CPU暂停现行程序自身准备与主机交换信息CPU和I/O并行工作

启动I/O设备现行程序

……中断服务程序KK+1…没有踏步等待现象中断现行程序5.1程序中断方式流程CPU向I/O发读指令CPU读I/O状态检查状态完成否？CPU做其他事情I/O设备工作准备就绪CPUI/O从CPU向主存写入一个字CPU主存从I/O接口中读一个字到CPUI/OCPU中断请求I/OCPU出错是否未错5.13.DMA方式主存和I/O之间有一条直接数据通道不中断现行程序周期挪用（周期窃取）CPU和I/O并行工作存取周期结束CPU执行现行程序CPU执行现行程序DMA请求启动I/OI/O准备I/O准备一个存取周期实现I/O与主存之间的传送5.1三种方式的CPU工作效率比较存取周期结束CPU执行现行程序CPU执行现行程序DMA请求启动I/OI/O准备I/O准备一个存取周期实现I/O与主存之间的传送CPU

执行现行程序CPU查询等待并传输I/O数据CPU

执行现行程序启动I/OI/O准备及传送指令执行周期结束CPU执行现行程序CPU执行现行程序启动I/O中断请求I/O准备I/O准备CPU处理中断服务程序实现I/O与主机之间的传送间断启动I/O启动I/OI/O准备中断请求启动I/OI/O准备一个存取周期DMA请求程序查询方式程序中断方式DMA方式5.1I/O准备及传送间断I/O准备I/O准备5.2I/O设备一、概述主机设备控制器机、电磁、光部分I/O接口外部设备外部设备大致分三类键盘、鼠标、打印机、显示器磁盘、光盘、磁带1.人机交互设备2.计算机信息存储设备3.机机通信设备调制解调器等二、输入设备1.键盘2.鼠标3.触摸屏按键判断哪个键按下将此键翻译成ASCII码（编码键盘法）机械式金属球电位器5.2光电式光电转换器电阻式、电容式、表面超声波式、扫描红外线式、压感式三、输出设备1.显示器(1)字符显示(2)图形显示(3)图像显示字符发生器主观图像客观图像2.打印机(1)击打式(2)非击打式点阵式（逐字、逐行）喷墨（逐字）激光（逐页）5.2四、其他1.A/D、D/A2.终端3.汉字处理五、多媒体技术完成显示控制与存储、键盘管理及通信控制模拟/数字（数字/模拟）转换器汉字输入、汉字存储、汉字输出1.什么是多媒体2.多媒体计算机的关键技术5.2由键盘和显示器组成5.3I/O接口一、概述为什么要设置接口？1.实现设备的选择2.实现数据缓冲达到速度匹配4.实现电平转换5.传送控制命令6.反映设备的状态（“忙”、“就绪”、“中断请求”）3.实现数据串并格式转换二、接口的功能和组成(1)设备选择线(2)数据线(3)命令线(4)状态线I/O接口设备I/O接口设备数据线命令线状态线I/O总线设备选择线总线连接方式的I/O接口电路5.32.接口的功能和组成功能组成选址功能传送命令的功能传送数据的功能反映设备状态的功能设备选择电路命令寄存器、命令译码器数据缓冲寄存器设备状态标记完成触发器D工作触发器B中断请求触发器INTR屏蔽触发器MASK5.33.I/O接口的基本组成命令寄存器和命令译码器设备选择电路设备状态标记数据缓冲寄存器DBR控制逻辑电路I/O接口外部设备数据线命令状态数据线命令线状态线CPU地址线5.3三、接口类型并行接口串行接口可编程接口不可编程接口通用接口专用接口1.按数据传送方式分类2.按功能选择的灵活性分类3.按通用性分类4.按数据传送的控制方式分类中断接口DMA接口5.3Intel8255Intel8251Intel8255、Intel8251Intel8212Intel8255、Intel8251Intel8279、Intel8275Intel8259Intel82575.4程序查询方式一、程序查询流程检查状态标记1设备1准备就绪？检查状态标记N设备N准备就绪？…处理设备1是否否处理设备N是1.查询流程检查状态标记交换数据准备就绪?是否单个设备多个设备测试指令转移指令传送指令2.程序流程设置主存缓冲区首址设置计数值启动外设传送一个数据修改主存地址修改计数值结束I/O传送准备好？传送完？未完是完否5.4

保存寄存器内容②设备选择电路DBRQQ&数据线准备就绪启动命令地址线SEL输入数据启动设备设备工作结束①③④⑤⑥DB二、程序查询方式的接口电路①②③⑤1010④5.4以输入为例⑥程序查询方式的适用性P193例5.1如何提高接口性能呢？5.5程序中断方式一、中断的概念…KK+1QQ+1……中断服务程序1中断服务程序2入口1入口2二、I/O中断的产生以打印机为例发中断请求空闲接收数据接收数据准备发中断请求打印打印打印机执行主程序继续执行主程序继续执行主程序响应中断中断返回响应中断中断返回启动打印机传送数据传送数据CPUCPU与打印机并行工作5.5三、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DQ&1INTR中断请求触发器INTR=1有请求MASK中断屏蔽触发器MASK=1被屏蔽来自CPU的中断查询信号受设备本身控制INTRDMASKQD完成触发器5.5中断请求2.排队器排队在CPU内或在接口电路中（链式排队器）硬件软件5.5详见第八章INTP1´INTP2´INTP3´INTP4´INTR1INTR2INTR3INTR41&1&1&1&INTR1设备1#、2#、3#、4#优先级按降序排列INTRi

=1有请求即INTRi=01INTP11INTP21INTP31INTP4&&&&INTR1INTR2INTR3INTR4INTR1INTR2INTR3INTR41&1&1&1&INTP1´INTP2´INTP3´INTP4´INTR2INTR1INTR1INTR25.51&INTP22.排队器排队在CPU内或在接口电路中（链式排队器）硬件软件详见第八章3.中断向量地址形成部件入口地址…向量地址…排队器输出由软件产生硬件向量法

显示器服务程序

打印机服务程序JMP400JMP300JMP200…………主存12H13H14H200300向量地址入口地址入口地址中断向量地址形成部件设备编码器1000…000100100100…00010011详见第八章由硬件产生向量地址再由向量地址找到入口地址5.5设备选择电路DBR

DQ&数据线启动命令地址线SEL输入数据启动设备设备工作结束&1QQDINTRBQQMASK

设备编码器排队器中断查询来自高一级的排队器至低一级的排队器向量地址中断响应INTA中断请求命令译码4.程序中断方式接口电路的基本组成5.5四、I/O中断处理过程1.CPU响应中断的条件和时间(1)条件(2)时间允许中断触发器EINT=1用开中断指令将EINT置“1”用关中断指令将EINT置“0”或硬件自动复位当D=1（随机）且MASK=0

时在每条指令执行阶段的结束前CPU发中断查询信号（将INTR置“1”）5.5设备选择电路DBRDQ&数据线启动命令地址线SEL输入数据启动设备设备工作结束&1QQDINTRBQQMASK设备编码器排队器中断查询来自高一级的排队器至低一级的排队器向量地址中断响应INTA中断请求命令译码①②③④⑤⑥⑦⑧2.I/O中断处理过程①10&DBR④⑤⑦⑧设备选择电路01以输入为例②5.5③⑥链式排队器和设备编码器举例P197例5.2问题:1）设备编码器输出用什么门电路？

2）中断向量地址输出到什么总线？送到哪里去？

五、中断服务程序流程1.中断服务程序的流程(1)保护现场(2)中断服务(3)恢复现场(4)中断返回对不同的I/O设备具有不同内容的设备服务中断返回指令2.单重中断和多重中断不允许中断现行的中断服务程序单重中断多重中断允许级别更高的中断源中断现行的中断服务程序中断隐指令完成进栈指令出栈指令程序断点的保护寄存器内容的保护5.53.单重中断和多重中断的服务程序流程中断否？保护现场设备服务恢复现场开中断中断返回取指令执行指令中断服务程序

中断响应程序断点进栈关中断向量地址PC中断周期是中断返回保护现场设备服务恢复现场开中断开中断开中断中断隐指令中断隐指令否取指令执行指令中断否？否

中断响应程序断点进栈关中断向量地址PC中断周期是中断服务程序单重多重5.5程序中断接口芯片8259A的内部结构5.5内部总线缓冲器读/写逻辑级联缓冲器/比较器优先权比较器(PR)中断服务寄存器(ISR)

中断

请求

寄存

器(IRR)中断屏蔽寄存器（IMR）控制逻辑INTINTAD7~D0A0RDWRCSCAS0CAS1CAS2SP/ENIR0IR1IR2IR3IR4IR5IR6IR7内部总线主程序和服务程序抢占CPU示意图准备工作准备工作准备工作传送数据传送数据发中断请求发中断请求I/O宏观上CPU和I/O并行工作微观上CPU中断现行程序为I/O服务主程序继续执行主程序启动外设

服务程序（传送数据）

服务程序（传送数据）继续执行主程序CPU5.55.6DMA方式一、DMA方式的特点1.DMA和程序中断两种方式的数据通路CPU主存ACC中断接口DMA接口I/O设备中断方式数据传送通路输入指令输出指令DMA方式数据传送通路2.DMA与主存交换数据的三种方式(1)停止CPU访问主存控制简单CPU处于不工作状态或保持状态未充分发挥CPU对主存的利用率主存工作时间CPU不执行程序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t5.6(2)周期挪用（或周期窃取）DMA访问主存有三种可能

CPU此时不访存

CPU正在访存

CPU与DMA同时请求访存此时CPU将总线控制权让给DMA主存工作时间CPU控制并使用主存DMA控制并使用主存t5.6(3)DMA与CPU交替访问主存工作时间DMA控制并使用主存CPU控制并使用主存tCPU工作周期C1专供DMA访存C2专供CPU

访存所有指令执行过程中的一个基准时间5.6不需要申请建立和归还总线的使用权二、DMA接口的功能和组成1.DMA接口功能(1)向CPU申请

DMA传送(2)处理总线控制权的转交(3)管理系统总线、控制数据传送(4)确定数据传送的首地址和长度(5)DMA传送结束时，给出操作完成信号修正传送过程中的数据地址和长度5.6DMA接口主存CPU2.DMA接口组成DMA控制逻辑

中断机构设备HLDAARWCDARHRQ中断请求数据线地址线+1+1溢出信号DREQDACKBR5.6三、DMA的工作过程1.DMA传送过程预处理、数据传送、后处理(1)预处理通过几条输入输出指令预置如下信息通知DMA控制逻辑传送方向（入/出）设备地址DMA的DAR主存地址DMA的AR传送字数DMA的WC5.6预处理：主存起始地址设备地址

传送数据个数启动设备DMADMADMA数据传送：继续执行主程序同时完成一批数据传送后处理：中断服务程序做DMA结束处理继续执行主程序CPU(2)DMA传送过程示意允许传送？主存地址送总线数据送I/O设备（或主存）修改主存地址修改字计数器数据块传送结束？向CPU申请程序中断DMA请求否否是是数据传送5.6BR设备DMA控制逻辑中断机构ARWCDARDMA接口主存CPU+1+1(3)数据传送过程（输入）DREQ②HRQ③HLDA④地址线⑤DACK⑥①数据线⑦溢出信号中断请求ARWC+1+15.6BRBRBRBRBRBR设备DMA控制逻辑中断机构ARWCDARDMA接口主存CPU+1+1BRDREQ②HRQ③HLDA④地址线⑤DACK⑥①数据线⑦溢出信号中断请求ARWC+1+1(4)数据传送过程（输出）5.6BRBRBRBR(5)后处理校验送入主存的数是否正确是否继续用DMA测试传送过程是否正确，错则转诊断程序由中断服务程序完成5.6中断与DMA方式性能对比：P208例5.3问题：1）为什么DMA快？

2）DMA接口是主设备还是从设备？2.DMA接口与系统的连接方式DMA接口1DMA接口2DMA接口nCPU…主存DMA响应I/O总线数据线地址线DMA请求(1)具有公共请求线的DMA请求5.6(2)独立的DMA请求DMA接口1DMA接口2DMA接口3CPU主存DMA响应1DMA请求1DMA响应2DMA请求2DMA响应3DMA请求3I/O总线数据线地址线5.63.DMA方式与程序中断方式的比较(1)数据传送(2)响应时间(3)处理异常情况(4)中断请求(5)优先级中断方式DMA方式程序硬件指令执行结束存取周期结束能不能低高传送数据后处理5.6四、DMA接口的类型1.选择型在物理上连接多个设备在逻辑上只允许连接一个设备设备地址寄存器控制状态寄存器数据缓冲寄存器主存地址寄存器时序电路字计数器DMA接口CPU主存设备1设备2设备n选择线...系统总线5.62.多路型在物理上连接多个设备在逻辑上允许连接多个设备同时工作5.6设备设备设备DMA接口CPU主存…独立请求式设备设备设备DMA接口CPU主存…链式……3.多路型DMA接口的工作原理T4T6T7T2为磁盘服务T5T8T3为磁带服务为打印机服务T15s

5.6DMA请求打印机tDMA请求DMA请求DMA请求45s

磁带tDMA请求DMA请求DMA请求DMA请求30s

磁盘t练习题精选1.下列选项中，能引起外部中断的事件是(A)A．键盘输入 B．除数为0 C．浮点运算下溢 D．访存缺页(2009)练习题精选2.单级中断系统中，中断服务程序内的执行顺序是(A)I．保护现场 II．开中断 III．关中断 IV．保存断点V．中断事件处理 VI．恢复现场VII．中断返回A．I→V→VI→II→VII B．III→I→V→VIIC．III→IV→V→VI→VIID．IV→I→V→VI→VII(2010)练习题精选3.假定一台计算机的显示存储器用DRAM芯片实现，若要求显示分辨率为1600×1200，颜色深度为24位，帧频为85Hz，显存总带宽的50%用来刷新屏幕，则需要的显存总带宽至少约为(D)

A．245Mbps B．979Mbps C．1958Mbps D．7834Mbps(2010)练习题精选4.某计算机处理器主频为50MHz，采用定时查询方式控制设备A的I/O，查询程序运行一次所用的时钟周期数至少为500。在设备A工作期间，为保证数据不丢失，每秒需对其查询至少200次，则CPU用于设备A的I/O的时间占整个CPU时间的百分比至少是(C)A．0.02% B．0.05% C．0.20% D．0.50%(2011)练习题精选5.下列选项中，在I/O总线的数据线上传输的信息包括（D）。

Ⅰ、I/O接口中的命令字

Ⅱ、I/O接口中的状态字

Ⅲ、中断类型号A.仅Ⅰ、ⅡB.仅Ⅰ、ⅢC.仅Ⅱ、ⅢD.Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ(2012)练习题精选6.响应外部中断的过程中，中断隐指令完成的操作，除保护断点外，还包括（B）。

I、关中断Ⅱ、保存通用寄存器的内容Ⅲ、形成中断服务程序入口地址并送PCA.仅I、ⅡB.仅I、ⅢC.仅Ⅱ、ⅢD.I、Ⅱ、Ⅲ(2012)练习题精选7.下列关于中断I/O方式和DMA方式比较的叙述中，错误的是（D）A．中断I/O方式请求的是CPU处理时间，DMA方式请求的是总线使用权B．中断响应发生在一条指令执行结束后，DMA响应发生在一个总线事务完成后C．中断I/O方式下数据传送通过软件完成，DMA方式下数据传送由硬件完成D．