计算机组成原理-输入输出系统-电子工业出版社-罗克露课件

第五章输入输出系统主要知识点：1．主机与输入输出设备间传送数据的四种控制方式2．系统总线的结构，理解输入/输出接口的分类、功能及基本组成。3．中断处理的全过程，中断优先、中断屏蔽、中断嵌套、中断向量的概念。4．DMA方式的原理和工作过程重点与难点：程序中断的概念、中断系统的组成、中断处理的具体过程、DMA方式的基本原理。

5.1概述

输入输出系统包括：（1）硬件部分：外部设备、接口、系统总线系统总线是连接主机与外设的信息载体；接口是控制主机与外设间信息传送控制方式的电路（2）软件部分：设备控制程序、设备驱动程序、用户I/O程序。设备控制程序是指在一些设备控制器中由微处理器执行的程序；设备驱动程序是指“操作系统”中一组对外设的驱动程序。一、主机与外设的连接模式

1、总线型是微型计算机中最常用的系统结构形式，见下图。优点：结构简单、易于扩展、易于实现。缺点：信息吞吐量有限、速度较慢。2、辐射型结构的特点是：每个外设与主机间有各自独立的数据通路。

优点：各个设备具有独立的通路，相互干扰小，可靠性高。缺点：不能实现各个设备间的直接通信。3、通道控制方式与输入输出处理机（IOP）方式

通道本身是一个专门管理输入/输出的控制器。通道控制器的进一步发展，使之成为一个处理器，就是IOP方式。特点：信息传送的吞吐量大，大型计算机中采用。二、总线类型与总线标准总线是一组可以分时、共享的公共信息传输线路。1、按系统组成分类：（1）单总线（2）多总线（3）局部总线（4）系统总线2、按数据传送格式分

并行总线串行总线3、按时序控制方式分

同步总线异步总线4、总线标准

微机中有：PC总线

ISA总线

EISA总线

PCI总线等三、接口的功能与分类

1、接口功能主要有4点：寻址数据缓冲数据格式变换、电平转换控制逻辑2、接口分类并行接口与串行接口同步接口与异步接口中断接口、DMA接口等等3、接口的主要部件组成：数据缓冲器设备地址识别线路设备状态寄存器主机命令字寄存器数据格式转换控制逻辑4、I/O接口（I/O设备）的编址方式（1）统一编址方式（2）独立编址方式5.2系统总线一、总线信号组成

1、总线标准的制定应描述出总线的4个特性：物理特性（机械特性）电气特性逻辑特性（功能特性）时序特性

2、按逻辑特性分，系统总线分为4组：（1）电源线、地线（2）地址线（3）数据线（4）控制信号线

控制信号线通常包括：（1）复位信号（RESET）（2）同步定时信号例：CPU时钟（CLOCK）、总线状态信号（S0，S1）、刷新同步（REFESH）、机器周期同步（MCSYNC）等（3）异步应答信号主同步（MSYNC）、从同步（SSYNC）（4）总线控制权信号总线请求（BREQ）、总线批准（BACK）、总线忙（BUSY）（5）中断请求与批准信号中断请求（IREQ1—IREQ7）、中断响应（INTA）（6）数据传送控制信号存储器读（MEMR）、存储器写（MEMW）、输入输出设备读（IOR）、输入输出设备写（IOW）二、总线操作时序1、同步控制方式2、异步控制方式5.3直接程序传送方式及接口一、基本原理通过CPU执行一段程序，控制外部设备与主机之间的数据传送的整个过程。CPU在执行程序时需要不断查询外部设备的状态，如果设备的数据传送没有准备好，CPU就反复查询；只有当设备准备好（READY），CPU才能用I/O指令传送一个数据。特点：（1）CPU主动的不断查询外设状态；（2）数据的输入/输出都必须经过CPU；（3）CPU与设备间是串行工作，所以CPU的使用效率低。二、程序控制流程

直接程序传送方式的程序流程图见右边的图。

三、程序查询方式的接口电路5.4程序中断方式及接口一、基本概念

1、什么叫程序中断在程序执行过程中，由于某个随机事件的请求，暂停现程序的执行，转去执行一段处理此随机事件的程序，处理完后又回到原程序继续执行，这一过程叫“程序中断”。2、程序中断的特点：（1）当数据传送“准备好”时由设备主动向CPU提出中断请求；（2）CPU与设备是并行工作的；（3）一般用于低速设备的数据传送。3、中断分类

二、中断请求信号的提出与传送

1、中断请求信号的提出2、中断请求信号的传送（1）多线请求（2）单线请求（3）二维结构方式（4）混合方式三、优先权逻辑与屏蔽技术

优先权有两种类型：（1）CPU与中断源间的优先关系（2）各个中断源之间的优先关系1、CPU与中断源间的优先关系

对于中断源的中断请求，CPU是否“有求必应”？不是的。当CPU当前的优先权高于中断源的优先权时，CPU可以不响应中断请求。反之，则必须响应。

CPU内部设有一个“中断允许触发器”TIEN，TIEN=1时，允许CPU响应中断，TIEN=0时，不允许CPU响应中断。可以用指令使TIEN=1，称“开中断”，例8086中的开中断指令STI；可以用指令使TIEN=0，称“关中断”，例8086中的关中断指令CLI。2、中断源之间的优先关系分两种情况：（1）同时有多个中断源请求，优先响应谁？（2）当A中断源的请求正在处理时，B中断源又提出请求，CPU是否响应？（也即中断嵌套的问题）优先关系的确定原则：

故障中断>DMA请求>外设中断请求快速外设>慢速外设

输入设备>输出设备

优先权处理方法：

1）对于同时请求的多个中断源，采用“优先排队”技术。（1）软件查询方法

CPU响应中断后，进入一个公共的中断处理程序，在该程序中，CPU用“查询I/O指令”，依次测试个各个中断源是否有中断请求，若有请求，CPU就转入相应的中断服务程序，；没有，就继续往下查询。可见，先查询到的中断源优先权高。软件查询方法的程序流程图见右边：（2）并行优先排队逻辑如下图。每个中断源提供独立的中断请求信号给CPU。

特点：响应的速度快；但硬件成本高。适用于具有多请求线的计算机系统。（3）链式优先排队逻辑下图中是常用的两种形式。中断控制器8259A结构示意图（4）中断控制器集成芯片的优先排队（见下图）二维结构的优先排队2）屏蔽技术的应用，

·解决中断嵌套的问题。在多重中断方式下，CPU响应某个中断源的请求后，应禁止响应优先权小于或等于它的中断请求。而可以响应优先权大于它的中断源的请求。通常采用设置屏蔽码的办法。屏蔽掉优先权低的中断请求，开放优先权高的请求。

·利用屏蔽技术，动态修改优先权。

中断响应优先权：指由硬件优先排队电路分配的各个中断源在中断响应时的优先关系，一经确定，不易改变。

中断处理优先权：指利用屏蔽字，分配各中断源被处理时的优先关系。可以通过修改屏蔽字的值，改变中断源的优先关系。举例：四、中断服务程序入口的获取方式1、非向量中断

CPU响应中断后，产生一个固定的地址，由此地址单元中读取中断查询程序的入口地址，通过软件查询确定中断源，并转入相应的中断服务程序。

如图：以1号单元作为固定地址，该单元中安排一条转移指令，转到地址为nn的查询程序去。

非向量中断法的优点是：简单、易实现，成本低。缺点是响应的速度慢。向量中断

（1）有关的概念

.中断向量

所有中断服务程序的入口地址和状态字在一起，称做中断向量。

.中断向量表所有中断服务程序的入口地址（或包括服务程序的状态字）组织成一维表，存放在一段连续的存储区。该存储区叫“中断向量表。

.向量地址存放某中断源的中断服务程序入口地址的单元地址叫向量地址。（2）向量中断

响应中断时，由硬件直接产生对应于中断源的向量地址，据此访问中断向量表，从中读取服务程序入口地址，由此转向服务程序。五、中断响应

1、CPU响应中断的条件（1）有中断请求信号产生而且没有被屏蔽；（2）CPU处于开中断状态；（3）在一条指令执行结束时响应中断。

2、CPU的中断响应过程

CPU响应中断后就进入“中断周期”IT

。在中断周期，CPU完成三件事：（中断隐指令）（1）关中断、（2）保护断点、（3）转向中断服务程序六、中断处理中断处理过程分：单级中断方式、多重中断方式。右图是多重中断方式处理过程的流程图。处理过程中，有两次关中断、两次开中断。其中在执行中断服务程序的前的开中断、执行后的关中断是为了能在执行中断服务程序时实现中断嵌套。七、中断接口组成模型

图中的中断控制器是多个设备公用的，它包含有中断优先排队、中断屏蔽等功能电路。

5.5DMA方式及接口一、基本概念

1、程序中断方式的不足之处对于高速的外部设备，采用程序中断方式，会造成数据的丢失。2、直接内存访问(DMA)方式

的定义

DMA方式是一种完全由硬件执行I/O交换的工作方式。在这种方式中，DMA控制器从CPU完全接管对总线的控制，数据交换不经过CPU，而直接在内存和I/O设备之间进行。在数据传送期间不需要CPU的程序干预，而是由DMA控制器向内存发出地址和控制信号，修改地址，对传送的字的个数计数，并且以中断方式向CPU报告传送操作的结束。3、DMA方式的特点

DMA方式的主要特点是速度快。

由于CPU根本不参加传送操作，因此就省去了CPU取指令、取数、送数等操作。在数据传送过程中，没有保存现场、恢复现场之类的工作。内存地址修改、传送字个数的计数等等，也不是由软件实现，而是用硬件线路直接实现的。所以DMA方式能满足高速I/O设备的要求，也有利于CPU效率的发挥。

4、DMA的三种传送方式（1）停止CPU访问内存（成组连续传送方式）当外围设备要求传送一批数据时，由DMA控制器发一个停止信号给CPU，要求CPU放弃对系统总线的使用权。DMA控制器获得总线控制权以后，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，并把总线控制权交还给CPU。这种传送方式的时间图如下：

优点:

控制简单，它适用于数据传输率很高的设备进行成组传送。缺点:

在DMA控制器访内阶段，内存的效能没有充分发挥，相当一部分内存工作周期是空闲的。这是因为，外围设备传送两个数据之间的间隔一般总是大于内存存储周期，即使高速I/O设备也是如此。

（2）周期挪用法（单字传送方式）

当I/O设备没有DMA请求时，CPU按程序要求访问内存；一旦I/O设备有DMA请求，则由I/O设备挪用一个或几个内存周期，传送一个字的数据。

I/O设备要求DMA传送时可能遇到两种情况：

1)此时CPU不需要访内，如CPU正在执行乘法指令。由于乘法指令执行时间较长，此时I/O访内与CPU访内没有冲突，即I/O设备挪用一二个内存周期对CPU执行程序没有任何影响。2）I/O设备要求访内时CPU也要求访内，这就产生了访内冲突。在这种情况下I/O设备访内优先，因为I/O访内有时间要求，前一个I/O数据必须在下一个访内请求到来之前存取完毕。显然，在这种情况下I/O设备挪用一二个内存周期，意味着CPU延缓了对指令的执行，或者更明确地说，在CPU执行访内指令的过程中插入DMA请求，挪用了一二个内存周期。

这种传送方式的时间图如下：特点：周期挪用的方法既实现了I/O传送，又较好地发挥了内存和CPU的效率。但是I/O设备每一次周期挪用都有申请总线控制权、建立线控制权和归还总线控制权的过程，所以传送一个字对内存来说要占用一个周期，但对DMA控制器来说一般要2—5个内存周期(视逻辑线路的延迟而定)。因此，周期挪用的方法适用于I/O设备读写周期大于内存存储周期的情况。

（3）DMA与CPU交替访内

如果CPU的工作周期比内存存取周期长很多，此时采用交替访内的方法可以使DMA传送和CPU同时发挥最高的效率。假设CPU工作周期为1.2μs，内存存取周期小于0.6μs，那么一个CPU周期可分为C1和C2两个分周期，其中C1供DMA控制器访内，C2专供CPU访内。这种传送方式的时间图如下：

特点：这种方式不需要总线使用权的申请、建立和归还过程，总线使用权是通过C1和C2分时进行的。

CPU和DMA控制器各自有自己的访内地址寄存器、数据寄存器和读/写信号等控制寄存器。对于总线，这是用C1，C2控制的一个多路转换器，这种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。5、DMA方式的硬件组成一个最简单的DMA控制器由以下逻辑部件组成：(1)内存地址计数器

用于存放内存中要交换的数据的地址。在DMA传送前，须通过程序将数据在内存中的起始位置(首地址)送到内存地址计数器。而当DMA传送时，每交换一次数据，将地址计数器加“1”，从而以增量方式给出内存中要交换的一批数据的地址。(3)数据缓冲寄存器

用于暂存每次传送的数据(一个字)。当输入时，由设备(如磁盘)送往数据缓冲寄存器，再由缓冲寄存器通过数据总线送到内存。反之，输出时，由内存通过数据总线送到数据缓冲寄存器，然后再送到设备。

(2)字计数器

用于记录传送数据块的长度(多少字数)。其内容也是在数据传送之前由程序预置，交换的字数通常以补码形式表示。在DMA传送时，每传送一个字，字计数器就加“1”，当计数器溢出即最高位产生进位时，表示这批数据传送完毕，于是引起DMA控制器向CPU发中断信号。(4)“DMA请求”标志

每当设备准备好一个数据字后给出一个控制信号，使“DMA请求”标志置“1”。该标志置位后向“控制/状态”逻辑发出DMA请求，后者又向CPU发出总线使用权的请求(HOLD)，CPU响应此请求后发回响应信号HLDA，“控制/状态”逻辑接收此信号后发出DMA响应信号，使“DMA请求”标志复位，为交换下一个字做好准备。(5)“控制/状态”逻辑

由控制和时序电路以及状态标志等组成，用于修改内存地址计数器和字计数器，指定传送类型(输入或输出)，并对“DMA请求”信号和CPU响应信号进行协调和同步。

(6)中断机构

当字计数器溢出时(全0)，意味着一组数据交换完毕，由溢出信号触发中断机构，向CPU提出中断报告。这里的中断与上一节介绍的I/O中断所采用的技术相同，但中断的目的不同，前面是为了数据的输入或输出，而这里是为了报告一组数据传送结束。因此它们是I/O系统中不同的中断事件。6、DMA数据传送过程

可分为三个阶段：传送前预处理正式传送传送后处理。

预处理

由CPU执行几条输入输出指令，测试设备状态，向DMA控制器的设备地址寄存器中送入设备号并启动设备，向内存地址计数器中送入起始地址，向字计数器中送入交换的数据字个数。在这些工作完成后，CPU继续执行原来的主程序。正式传送

当外设准备好发送数据(输入)或接受数据(输出)时，它发出DMA请求，由DMA控制器向CPU发出总线使用权的请求(HOLD)。下图示出了停止CPU访内方式的DMA传送数据的流程图。

后处理

一旦DMA的中断请求得到响应，CPU停止主程序的执行，转去执行中断服务程序做一些DMA的结束处理工作。这些工作包括校验送入内存的数据是否正确；决定继续用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等。二、DMA控制器与接口的连接方式DMA控制器定义为以下功能：

申请总线、控制总线、控制DMA传送•狭义DMA接口定义为以下功能：与具体设备相适配

进行数据传送的接口逻辑

以上的控制器与接口组成广义的接口。1、单通道DMA控制器2、选择型DMA控制器3、多路型DMA控制器

现有磁盘、磁带、打印机三个设备同时工作。磁盘、磁带、打印机分别以30μs、45μs、150μs的间隔向控制器发DMA请求。根据传输速率，磁盘优先权最高，磁带次之，打印机最低。假设DMA控制器每完成一次DMA传送所需的时间是5μs。画出多路型DMA控制器服务三个设备的工作时间图。多路型DMA控制器工作过程举例：T1间隔中控制器首先为打印机服务。T2间隔前沿首先为优先权高的磁盘服务，然后为磁带服务，每次服务传送一个字节。在120μs时间阶段中，为打印机服务只有一次(T1)，为磁盘服务四次(T2，T4，T6，T7)，为磁带服务三次(T3，T5，T8)。4、DMA控制器的连接（1）级连方式（2）公共请求方式（2）独立请求方式三、DMA控制器的组成5.6通道控制方式及IOP方式一、概述通道的出现进一步提高了CPU的效率。因为通道是一个特殊功能的处理器，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，而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设备的平行工作。

通道的基本功能

是执行通道指令，组织外围设备和内存进行数据传输，按I/O指令要求启动外围设备，向CPU报告中断等，具体有以下五项任务：(1)接受CPU的I/O指令，按指令要求与指定的外围设备进行通信。(2)从内存选取属于该通道程序的通道指令，经译码后向设备控制器和设备发送各种命令。

(3)组织外围设备和内存之间进行数据传送，并根据需要提供数据缓存的空间，以及提供数据存入内存的地址和传送的数据量。(4)从外围设备得到设备的状态信息，形成并保存通道本身的状态信息，根据要求将这些状态信息送到内存的指定单元，供CPU使用。(5)将外围设备的中断请求和通道本身的中断请求，按次序及时报告CPU。

二、通道

1、通道的类型（1）字节多路通道字节多路通道可以连接多台低速设备，如键盘、打印机等，以字节交叉方式传送数据。字节多路通道的传送方式示意图（2）选择通道选择通道又称高速通道，在物理上它可以连接多台高速设备，但是这些设备不能同时工作，在某一段时间内通道只能选择一个设备进行工作。当成组传送完毕后，才能选择另一台设备。选择通道的传送方式示意图（3）数组多路通道基本思想：当某设备进行数据传送时，通道只为该设备服务；当设备在执行寻址等控制性动作时，通道暂时断开与这个设备的连接，挂起该设备的通道程序，去为其他设备服务，即执行其他设备的通道程序。所以数组多路通道很像一个多道程序的处理器。

数组多路通道可以连接多台快速设备，允许并行工作，以成组交叉方式传送数据。

数组多路通道既保留了选择通道高速传送数据的优点，又充分利用了控制性操作的时间间隔为其他设备服务，使通道效率充分得到发挥，因此数组多路通道在实际系统中得到较多应用。字节多路通道和数组多路通道的共同之处：都是多路通道，在一段时间内能交替执行多个设备的通道程序，使这些设备同时工作。