第5章 输入输出系

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概述系统总线存储器运算器控制器接口与通信输入/输出设备Cache一、I/O系统的发展

1.早期分散连接阶段2.接口模块和DMA阶段I/O设备间独立；CPU与I/O串行工作；增减困难主存CPUI/O设备总线连接;接口(查询\中断\DMA)管理;CPU和I/O并行工作主存CPUI/O设备1接口I/O设备2接口I/O设备n接口…总线BUS5.1概述3.通道结构的阶段通道作为辅助处理器代替CPU管理I/O设备主存CPU通道I/O设备1……设备控制器I/O设备2设备控制器I/O设备n设备控制器4.I/O处理机的阶段I/O处理机与CPU并列地位主存主CPUI/OCPU1I/O设备1…设备控制器1I/O设备2I/O设备1I/OCPU2I/OCPU3存控…设备控制器mI/O设备2…………二、I/O系统的组成

I/O软件I/O硬件通道指令（CCW,ChannelControlWord

I/O指令接口式：接口+设备

自身指令，指出数组首地址、传送字节数、设备码、操作命令属于CPU指令,用来启停设备、查询状态和操作操作码命令码设备码通道式：通道(处理机)+控制器+设备接口数据与CPU交换设备状态测试设备操作与其它指令的区别代码设备地址码内存空间FFFFFH供I/O接口使用00000HI/O端口NI/O端口2I/O端口0I/O端口1系统各I/O端口配置地址64KBI/O空间

…三、I/O设备与主机的联系方式1.I/O设备编址方式统一编址——存储器映射编址

把每个I/O设备地址都当作一个存储器单元看待，I/O设备与存储器单元在同一地址空间中进行统一编址。常常在整个地址空间中划分出一小块连续的地址分配给I/O设备。被分配给I/O设备的地址，存储器不能再使用。统一编址的优缺点优点：

（1）不需要专门的I/O指令（2）外设寻址方式就是内存寻址方式，利于I/O程序设计缺点：

（1）I/O设备占用一部分存储器的地址空间（2）在程序中不容易区分哪些指令是访问存储器、哪些指令是访问外设，所以程序不易阅读。

I/O端口NI/O端口2I/O端口0I/O端口1系统各I/O设备配置地址64KB内存空间FFFFFH00000H1MBFFFFHI/O空间…独立编址——I/O映射编址

将存储器和I/O设备建立两个完全独立的地址空间。CPU使用专门的控制信号来区分是对存储器访问还是对I/O设备进行访问。这些控制信号的产生是由指令来控制。

独立编址的优缺点优点：

（1）使用专门的I/O指令，程序清晰易读；（2）I/O设备的地址空间独立，不占用存储器的存储空间，且地址译码电路相对简单。缺点：

（1）访问外设的指令没有访问存储器的指令多（2）CPU需设置专门的控制信号，区分对存储器的访问和对外设地址的访问。2.设备寻址

I/O指令设备码段指出设备号，通过接口电路中的设备选择电路SEL选中需要的外设。3.信息传送方式串行：速度慢，需要1数据线1地址线，适合远距离并行：速度快，数据线多根，适合快速传送CPUI/O地址数据CPUI/O地址数据4.连接方式辐射式：用于分散连接的外设总线式：用于现代计算机外设主机外设外设外设主机外设外设外设5.联络方式(1)立即响应：CPU指令到，低速设备立即动作(2)异步工作采用应答信号：速度不匹配，信号联络(3)同步工作采用同步时标：专用电路产生同步信号并行串行“Ready”“Strobe”I/O接口I/O设备CPU并行数据字命令字命令字011010009.09ms2×

9.09ms起始位终止位9.09ms2×

9.09ms一、程序查询方式工作原理：CPU查询外设已准备好后，才传送数据。特点：CPU与外设间通过程序同步，CPU被外设独占，CPU效率低下。要求：不需要增加额外的硬件电路。应用：适用于CPU不太忙且传送速度要求不高时。四、I/O设备与主机信息传送的控制方式

查询传送流程返回二、程序中断方式工作原理：在外设准备数据时，CPU执行与传送数据无关的工作，外设在准备好数据后，主动向CPU发送一个中断请求，当CPU执行完当前指令后，停止当前程序的执行，自动转向中断服务程序，在中断服务程序中，完成一个数据的传送，之后中断返回至原来的断点处，继续执行。特点：在外设准备数据时，CPU与外设并行工作，CPU效率有所提高，并且CPU可以同时被多个外设占用。要求：接口中需要中断控制逻辑支持。应用：适用于中低速设备。取指令执行指令中断？响应中断中断服务中断返回启动否是中断传送流程返回三、直接存储器访问（DMA）方式工作原理：将I/O过程中，与内存交换数据的操作交由DMA控制器来控制，简化了CPU对输入输出的控制，进一步提高了CPU的效率。特点：数据的传送不经过CPU（由DMAC控制），而I/O设备管理由CPU控制，简化了CPU对I/O的控制。硬件开销大，结构复杂，但CPU的效率高。要求：需要DMA控制器及相关逻辑支持。应用：适用与高速度大量数据传送时。DMA请求DMA响应发送内存地址传送一个数据字DMA结束修改地址指针修改字计数器检测传送是否结束否是DMA传送流程返回三种方式的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I/O准备及传送5.2I/O设备输入设备：输入的数据计算机可以识别。输出设备：输出计算机中存储的数据。输入输出设备种类繁多，很难用一种结构形式加以描述，一般结构为接口输入设备输出设备接口例如：声卡、显示卡例如：显示器、打印机1、输入设备设备功能输入程序、数据、声音、文字、图形、图象输入方式键盘方式、指点方式、手写方式、扫描方式常用设备键盘、鼠标、写字板、扫描仪

键盘鼠标写字板扫描仪

键盘是微机中不可缺少的输入设备，目前普遍使用的有101键、104键和108键等几种形式，101键的键盘没有Windows菜单快捷键。几种键盘的主要差别是Windows功能键的多少，不影响使用。[101标准键盘][104标准键盘][带托手板的104键盘][具有人体工程学的键盘]键盘的运行原理

把每个键在键盘上的位置对应为一个编码。

具体实现：是用行列扫描的方法，即把每个键分配在一个m列*n行矩阵的一个交叉点上，通过并行接口向

n行依次送出仅有一行为零、其余各行均为一的值，再用并行接口读入m列上的取值。

当读入值不为FFH（全1码）时，表明有键按下，若该值仅含一位零，表明取值为0的行、列的交叉点的键被按下，用一个对照表即可得相应键编码。尚需解决如下的一些问题：键的抖动、多键同时按下、由哪个部件完成这些操作过程。并行接口并行接口+5V10K0列1列m-1列0行1行n-1行键盘键.....。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。…...011A键1101...

并行接口送来

10…1

的n位数值到二极管的负极，并行接口接收键盘线路m列送出的m位数据。当A键按下去后，5V电源送出经电阻、A键、二极管到0信号处的电流，从而在第2列产生0电平（绿线），其他各列都给出高电平（黑线），故并行接口接收到的是

110…1

这样的m位数据110...。1101...二极管鼠标：是一种指点式设备，替代光标移动键进行光标定位操作和替代回车键操作；在软件支持下，其按钮可完成某种特定功能。有机械式、光电式和轨迹球式。机械式鼠标：

摩擦底部可滚动的小球，小球滚动，与4个方位电位器接触，测得上下左右位移量轨迹球鼠标：

将小球放在上面，鼠标不动，而用手转动小球来移动屏幕光标。光电式鼠标：

内部发光元件发射光经过透镜聚焦后从底部小孔向下射出，照在光栅板上再反射回。移动鼠标，将板上反射光强弱变化变成电脉冲进行计数即可测出鼠标器移动的距离写字板：

直接用光笔在写字板上书写汉字，即可将汉字录入进计算机里，不用记忆各种输入法。写字板上的光笔代替鼠标作为指点设备。摄像机扫描仪2、输出设备设备功能将计算机处理结果信息按所要求形式展示输入方式文字、图形、图像、声音，常用设备显示器、打印机、绘图仪

显示器打印机绘图仪显示器

显示器：显示计算机的输出信息输出设备。有不同的类别、显示方式和分辨率[类别]按显示颜色分类：有单色显示器和彩色显示器。按扫描方式分类：隔行扫描显示器和逐行扫描显示器按显像原理分类：CRT、LCD、PDP

按显示器功能分类：普通显示器、显示终端[方式]显示器的显示方式:字符方式\图形方式\图像方式在字符方式下屏幕被划分为一个个固定的行和列，按行列方式将字符显示出来;在图形方式下屏幕上的每个像素都可以被设置成不同的色彩和亮度，并由像素组合成字符或图形。[分辨率]分辨率指屏幕有多少个发光点，由显卡、显示器决定。

单色字符显示标准（MDA):像素720×350左右彩色图形显示标准（CGA）：像素在320×200左右；

中分辨率（EGA）：像素在640×350左右；

高分辨率（VGA）：像素在640×480及以上(SVGA\XGA\UXGA)[显示卡]显示卡是显示器与主机连接的接口，由显示内存、寄存器组和控制电路三部分构成。其功能是控制显示器的显示分辨率、显示速度、颜色或灰度等级、图形显示能力等。CRT显示器LCD显示器PDP显示器灯丝阴极聚焦极石墨层荧光屏显示屏阳极帽偏转线圈栅极阳极电子枪电子束阴极射线管（CRT）构成工作原理液晶定义：

LiquidCrystal一种白浊有粘性的液体，具有多种弯曲性质，是流动性结晶。

显示棒状的分子形状，既有晶体各向异性，又有液体流动性，在分子长轴和短轴方向，折射率不同(双折射)液晶基本性质：

自然光经过一偏振片后“过滤”为线性偏振光，由于液晶分子在盒子中的扭曲螺距远比可见光波长大得多，所以当沿取向膜表面的液晶分子排列方向一致或正交的线性偏振光入射后，其偏光方向在经过整个液晶层后会扭曲90°由另一侧射出，正交偏振片起到透光的作用;如果在液晶盒上施加一定值的电压，液晶长轴开始沿电场方向倾斜，当电压达到约2倍阈值电压后，除电极表面的液晶分子外，所有液晶盒内两电极之间的液晶分子都变成沿电场方向的再排列，这时90°旋光的功能消失，在正交片振片间失去了旋光作用，使器件不能透光。如果使用平行偏振片则相反。利用给液晶盒通电或断电的办法使光改变其透-遮住状态，从而实现显示。液晶显示原理：

液晶显示原理：

不加电，旋光通过显示加电，无旋光，不显示液晶显示器结构

用气体放电激发荧光粉发光的显示装置，类似普通日光灯。相距几百微米的两块玻璃板，中间排列大量的等离管密封组成。每个等离子管是在两层间隔为100-200μm的玻璃衬板之间隔成的小室，每个小室内都充有氖氙气体(压力为几百托)。在等离子管电极间加上高压后，封在两层玻璃之间的等离子管小室中的气体会产生辉光放电，产生紫外光(147nm)，激励平板显示屏上的红绿蓝三基色磷光体荧光粉发出可见光。每个等离子腔体等效一个像素。由像素的明暗和颜色变化，合成各种灰度和色彩的电视图像。等离子体显示技术(PDP，PlasmaDisplayPanel)等离子体(Plasma)：指正负电荷共存,处于电中性的放电气体的状态等离子显示屏工作机理：等离子显示屏工作机理：VRAM的地址由水平地址计数器(列地址)和垂直地址计数器(行地址)决定VRAM输出ASCII代码作为ROM的高位地址，ROM的低位地址来自光栅地址计数器ROM输出在L控制下并行装入移位寄存器，再在S控制下移位输出形成视频信号视频信号输出到显示器显示器在水平同步、垂直同步和视频信号控制下，连续刷新呈现稳定字符图像字符显示方式随机扫描图形显示器

类似用笔作画，将需要显示图形文件存放在缓存中，送矢量(线段)产生器，产生相应模拟电压，直接控制电子束在屏幕上的移动。分辨率高，曲线平滑，复杂图形会有闪烁感。光栅扫描图形显示器

把对应于屏幕上每个像素的信息都用存储器存起来，然后按需要显示图形的地址顺序逐个地刷新显示，屏幕上相邻像素串接而成曲线。通用性强，灰度层次多，色调丰富，显示复杂图形时无闪烁现象；产生图形有阴影效应、隐藏面消除、涂色等功能。成为目前流行的显示器。图形显示方式：显示由点、线、面组合的平面、立体图像图像显示方式：显示由摄像机摄取下来的数字化逐点存储客观图像图像输入板信号转换。它接收摄像机模拟视频信号，经A/D变为数字量存入刷存用于显示，并可传送到主机进行图像处理。处理结果送回刷存，经D/A变成模拟信号，监视器（或电视机）显示输出。采用光栅扫描方式，有显像、灰度变换、窗口技术、真彩色、伪彩色等功能

打印机将输出信息（文字、数字、图形）打印在某种载体（如纸）上。目前主要有针式打印机、喷墨打印机和激光打印机。[针式打印机]

针式打印机由控制信号驱动的打印针撞击色带打印在纸上产生打印效果。打印头有9、16和24针，打印针分一或两列整齐排列在打印头上，针点间距越小打印质量越高。

优点是价格、耗材便宜，比较耐用；缺点是打印质量不高，打印速度慢、打印噪声较大。[喷墨打印机]

喷墨打印机是非击打式数据输出设备，由墨盒与喷墨头组成。喷墨头上排列着两列细小的喷墨孔，打印时控制信号控制喷墨孔喷出小墨滴在纸上产生打印效果。分辨率高于针式打印机，打印质量较高，小巧，无噪声。有单色和彩色。[激光打印机]

激光打印机是激光扫描技术和电子照排技术结合的新型数据输出设备。由激光扫描系统、电子照相系统和文字发生器三部分组成。打印时，先将文字和图象的信息进行编码，然后用激光扫描到特殊的转鼓上，通过静电作用再将墨粉复印到纸上，类似于复印机原理。

优点是打印分辨率高、速度快、噪声小，适合高质量图文输出。但机器及耗材价格较高。针式打印机构造打印纸导轨打印针永磁铁

铁芯衔铁

线圈色带色带保护片滚筒喷墨式打印机墨水槽喷墨头过滤器收集槽高压电源振荡发生器字符发生器打印纸充电电极压电陶瓷偏转电极墨水泵回收器墨滴偏转方向喷墨头移动方向组成与打印原理字符打印过程充了电的墨滴偏转射向打印纸不带电的墨滴射入回收器被回收(以7*5点阵为例)激光打印机的组成激光部分印字机控制部分(微处理机汉字字形库)记录鼓(硒鼓)显象部分+…..定形部分

加热辊预热板输纸用辊转写清扫辊带电器印写部分清扫部分转写部分接纸

部分纸激光

绘图仪用于工程图纸专用输出设备。按输纸形式分平板绘图仪和滚筒绘图仪两种。绘图笔输出形式出图较慢；新型绘图仪采用喷墨方式绘图出图速度快、质量高。[平板绘图仪]

平板绘图仪将绘图纸放在绘图仪的平面上，输出头在平面上可进行二维移动，绘出图形。通常绘制的图纸受平面尺寸限制不能很大。[滚筒绘图仪]

滚筒绘图仪的输出将绘图纸放在绘图仪的滚筒上，滚筒滚动送纸，输出头在滚筒上进行一维移动，绘出图形。滚筒做得愈长，绘制的图纸愈大，如0号图纸。3、其它外设1、终端设备

2、A/D转换器D/A转换器原理图产品芯片3、汉字处理设备汉字输入：输入码数字码——GB2313拼音码——搜狗拼音字形码——王码五笔汉字存储：

内码存储——三字节内码字形码存储——字模点阵库汉字输出：

打印输出——打印机显示输出——显示器4、多媒体技术多媒体(Multimedia)：多种媒体相结合的交互式系统，可作为高度智能计算机系统的平台。媒体：信息传递和存储的技术和手段，如下图音乐、语言、图片、文件书籍、电视、广播、电话、舞蹈、报纸1、定义：2、关键技术：视频、音频的压缩与解压缩技术多媒体专用芯片大容量存储器适用于多媒体技术的软件3、多媒体系统层次结构：应用系统创作系统多媒体核心系统多媒体输入输出控制与接口多媒体实时压缩与解压缩计算机硬件厂家用户软件编辑播放软件多媒体操作系统接口卡压缩与解压缩卡PC、DV、REC音乐、语言、图片书籍、电视、广播电话、舞蹈、报纸一.接口的基本概念I/O设备适配器简称为接口。接口指CPU和外围设备之间通过总线进行连接的逻辑部件。

接口部件在它动态连接的两个部件之间起着“转换器”的作用，以便实现彼此之间的信息传送。5.3输入输出接口微机系统各类接口框图

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一、接口定义1、接口：两个系统或两个部件之间的交接部分部件1部件2接口软件1软件2接口硬件电路及其控制软件软件逻辑边界2、I/O接口：主机与设备之间的交接界面主机I/O设备I/O接口3、接口与总线连接方式I/O接口设备BI/O接口设备A数据线命令线状态线I/O总线（地址、数据、控制）设备选择线总线连接方式的I/O接口电路二、接口功能1.实现设备选址的功能（SELECT电路)3.实现数据传送功能（缓冲寄存器DBR)2.传送控制命令的功能（命令寄存器、命令译码器）5.反映设备的状态功能（系列触发器）4.实现数据转换功能（串\并格式转换、电平转换电路）D———完成触发器B———工作触发器MASK—屏蔽触发器INTR—中断请求触发器ERROR—出错触发器DB(I/O)STATE00PAUSE10READY01BUSY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地址线三、I/O接口的组成端口：接口电路中可以被CPU直接访问的寄存器，如数据端口、命令端口、状态端口接口：若干端口加上相应的控制逻辑电路组成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.按接口与外设数据传送方式分类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DMA接口IO通道Intel8255Intel8251Intel8255、Intel8251Intel8212Intel8255、Intel8251Intel8279、Intel8275查询接口中断接口四、接口类型程序查询方式、程序中断方式：适用于慢速外设与CPU交换数据，DMA方式、通道方式和PPU方式：适用于高速外设与CPU交换数据。目前，微型机中多采用：程序中断方式和DMA方式。大中型计算机中多采用：通道方式和PPU方式。程序中断方式I/O设备与CPU数据交换方式输入/输出设备与CPU交换数据的控制方式：方法1方法2方法3方法45.4程序查询方式1.程序查询流程检查状态标记交换数据准备就绪?是否（1）单个设备检查状态标记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（2）多个设备测试指令转移指令传送指令2.程序流程设置内存缓冲区首址No设置计数器启动外设传送一个数据修改内存地址修改计数值结束I/O传送准备好？传送完？YesYesNoYES的含义：输入缓冲器满，CPU可以读出数输出缓冲器空，CPU可再次送数传输一个数据的含义：CPU读出数，并将状态标志复位CPU送入数，并将状态标志复位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①③④⑤⑥DB①②③⑤1010④以输入为例⑥3、程序查询方式的接口电路——输入电路CPU用一段程序实现输入、输出，期间不能做其它事情，效率低下CPU执行主程序CPU查询等待并传输I/O数据CPU执行主程序启动I/OI/O准备及传送启动I/OI/O准备及传送该方式简单，但是存在以下缺点：（1）是CPU主动去查询，而不是外设有数据传送时，CPU才去查询。（2）查询过程中，CPU长期处于等待状态不能处理其他业务，效率低。（3）CPU在一段时间内只能和一台外部设备交换数据。（4）CPU不能发现和处理预先无法估计的错误和异常情况。因此，目前，除单片机外，很少使用程序查询方式。CPU与外设串行工作CPU工作外设工作（CPU查询等待，数据传输的时间很短）CPU工作程序查询方式：CPU和外设之间的传送数据，完全靠程序软件来控制。例5.1、在采用程序查询方式的输入输出系统中，假设不考虑处理时间，每一个查询操作需要100个时钟周期，CPU的时钟频率为50MHz。现有鼠标和硬盘两个设备，而且CPU必须每秒钟对鼠标进行30次查询，硬盘以32位字长为单位传输数据，即每传输32位被CPU查询一次，传输率为2MB/s。求CPU对这两个设备所花费的时间比率，由此可得出什么结论。解：1）CPU每秒对鼠标进行30次查询，每秒钟CPU查询所需的时钟周期为 100*30=3000

CPU的时钟频率为50MHz，一个时钟周期为1/50M秒，即每秒钟50*106个时钟周期。

CPU对鼠标查询占用CPU时间比率为：3000/50*106=0.006%

2）对硬盘每传输32位被CPU查询一次，每秒钟查询次数为 2MB/4B=512K 每秒钟CPU查询所需的时钟周期为

100*512K=52.4*106

CPU对键盘查询占用CPU时间比率为：52.4*106/50*106=104.8%

可见，即使CPU将全部时间都用于对硬盘的查询也不能满足磁盘传输的要求，因此CPU一般不采用程序查询方式与磁盘交换数据。中断服务程序中断服务程序入口1入口212一、中断的概念…KK+1QQ+1……中断服务程序1中断服务程序25.5程序中断方式

CPU在执行现行程序过程中出现某些突发事件急需处理，CPU暂停当前程序转而处理突发事件，处理结束后返回原程序被中断的位置继续执行中断示意图中断断点IRET中断服务子程序主程序以打印机为例：CPU与打印机并行工作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CPU程序中断处理示意图主程序A请求中断B请求中断C请求中断A中断服务子程序B中断服务子程序C中断服务子程序三、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完成触发器中断请求D=1设备准备好111102.排队器排队在CPU内或在接口电路中（链式排队器）硬件软件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=0解决多个中断源同时向CPU请求时的响应优先权问题1INTP11INTP21INTP31INTP4&&&&INTR1INTR2INTR3INTR4INTR1INTR2INTR3INTR41&1&1&1&INTP1´INTP2´INTP3´INTP4´INTR2INTR1INTR1INTR21&INTP2如果2#、3#同时有请求：经过上排电路竞争后，仅2#胜出，INTP2=1,向CPU请求2#中断软件判优软件查询接口示意CPU响应中断后，转入执行一特定地址的中断服务程序，该中断服务程序查询状态口，确定发出中断请求的外设，然后进行相应的处理。软件查询流程图保护现场恢复现场A申请服务？B申请服务？C申请服务？外设A中断服务程序NNN外设B中断服务程序外设C中断服务程序YYY3.配置中断向量地址形成部件CPU响应中断请求转入中断服务程序，从该程序入口地址开始执行…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第8章由硬件产生向量地址再由其找到入口地址设备选择电路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①②③④⑤⑥⑦⑧①10&DBR④⑤⑦⑧设备选择电路01以输入为例②5.5③⑥4.程序中断方式接口电路的基本组成例5.2现有3个设备A、B、C，它们的优先级按降序排列。此3个设备的向量地址分别是001010、001011、001100。设计一个链式排队电路和产生3个向量地址的设备编码器。解：设3个设备的中断请求信号分别是INTi（i=A，B，C），有请求时INTi=1；排队电路的输出为INTPi（i=A，B，C），INTA为中断响应信号；当INTA有效时设备编码器将被被选中的排队信号INTPi进行编码形成向量地址由数据总线送给CPU。电路如下：INTRA11&&来自高一级的排队器INTRB&INTRC&1&&至低一级的排队器设备编码器INTPAINTPBINTPC数据总线001010001011001100INTAINTRAINTRBINTRC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”）中断过程五个步骤：中断请求中断判优/排队(有时还要进行中断源识别)中断响应中断服务/处理中断返回请求排队响应服务/处理返回IRET

硬/软INTn

主程序中断服务程序五、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3.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程序中断接口芯片8259A的内部结构

内部总线缓冲器读/写逻辑级联缓冲器/比较器优先权判别器(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CPU5.6DMA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DMA传送过程示意图总线响应总线请求CPUDMAC内存外设DMA请求DREQDMA响应DACK总线停止CPU访问主存（独占总线方式）内存工作时间CPU控制并使用内存DMA控制并使用内存CPU不执行程序DMA不工作DMA不工作当DMA传送数据时，CPU停止工作，把主存使用权交给DMA控制逻辑。在DMA传送数据过程中，CPU处于等待状态在这批数据传送结束后，DMA再交还主存使用权2.DMA与主存交换数据的三种方式周期挪用内存工作时间CPU控制并使用内存DMA控制并使用内存DMA要求访问主存时，CPU暂停一个或多个存储周期。一个数据传送结束后，CPU继续运行。CPU现场并没有变动，只是延缓了对指令的执行，这种技术称为周期挪用，或称周期窃取。如发生访存冲突，则DMA优先访问。DMA与CPU交替访内内存工作时间CPU控制并使用内存DMA控制并使用内存C1C2C2C1C2C1C2C1C2C1每个CPU工作周期分成两个时间段，一段用于DMA访问主存，一段用于CPU访问主存。CPU和DMA都能访问主存，没有主存使用权移交过程，所以这种方式的效率较高，但是硬件投资较大，而且要求CPU工作周期比存储周期长很多。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地址总线HRQDREQDMACHLDADACK总线请求总线响应

HOLDHLDACPUDMA请求DMA响应I/O设备控制总线数据总线DMA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DREQDACKBR②①主存地址寄存器AR。它用来存放所需读写的数据的起始地址D。②字计数器WC。用来对要传送的字节数目计数。③中断机构。当一个数据块传送完毕后触发中断机构,向CPU提出中断请求,CPU将进行DMA传送的结尾处理。④数据缓冲寄存器BR。用来暂存每次传送的数据。⑤DMA控制逻辑。负责管理DMA的传送过程，由控制电路、时序电路及命令状态寄存器等组成。⑥设备地址寄存器DAR。存放I/O设备的设备码或表示设备信息存储区的寻址信息。传送前预处理（CPU）正式传送（DMA控制器）传送后处理（CPU）DMA数据传送是以数据块为单位进行的，因此，每次DMA控制器占用总线后，无论是输入还是输出操作，都是通过循环来实现的。硬件DMA请求DMA响应发送内存地址传送一个数据字中断请求修改主存地址数据个数计数传送结束?否是软件软件三、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WC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2、数据传送设备准备好一个数据的传送后，接口向主机发出DMA请求。CPU中DMA控制逻辑响应DMA请求，将主存使用权让给DMA。DMA送来主存单元地址、读或写命令。若是写命令，DMA还送来数据。DMA挪用一个周期对主存进行读写操作。周期挪用结束后给DMA接口应答信号。DMA接口接到应答信号，撤除DMA请求，将主存数据缓冲区地址指示器加1，指向下一个数据要传送的单元地址，字数计数器减1。DMA接口控制逻辑判断数据是否全部传送完。若传送完毕，则进入结束阶段；若没传完则又开始下一个循环操作。数据传送过程（输入）BR设备DMA控制逻辑中断逻辑ARWCDARDMA接口主存CPU+1+1DREQ②HRQ③HLDA④地址线⑤DACK⑥①数据线⑦溢出信号中断请求ARWC+1+1BRBRBRBRBRBRBR设备DMA控制逻辑中断逻辑ARWCDARDMA接口主存CPU+1+1DRE