计算机组成原理第十章

第十章输入/输出系统10.1I/O系统概述10.2程序查询输入/输出方式10.3程序中断输入/输出方式10.4DMA方式10.5通道方式10.1I/O系统概述一I/O系统的功能与组成1.基本功能

选择设备信息传输2.系统组成二、输入\输出设备的寻址方式基本原则：按地址访问编址方式:

独立编址、存储器统一编址1.独立编址对外围设备统一编码，从0开始。由于与存储器分别编址，因此必须由单独的I/O指令来访问。

指令的地址码字段指出输入输出设备的设备代码10.1I/O系统概述⒉存储器统一编址

在存储器总的地址空间中分出一个区域，作为I/O系统中的设备代码，当访问这些地址时，表示被访问的不是存储器，而是I/O设备的设备寄存器。在这种情况下，CPU不设专门的I/O指令，一般访问内存的指令都可以访问外围设备。各种寻址方式及数据处理指令也都可以被I/O端口使用。使得输入输出过程的处理更加灵活方便。10.1I/O系统概述三、输入输出数据传送控制方式两个问题：解决速度匹配提高整机性能1.程序查询方式外围设备的各种操作由CPU执行程序来实现控制2.中断方式

即当外围设备需要CPU为其服务时，才向CPU请求服务，CPU暂停当前的工作，转而为外围设备服务。当CPU为外围设备的服务结束后，继续原来的工作。

缺点：中断过于频繁，整机的性能会受到很大的影响。10.1I/O系统概述3.DMA方式原则：尽量不占用CPU方法：

在DMA方式中，CPU把部分输入输出的控制权交给了设备控制器，在外围设备与主存之间传送信息期间，CPU不必访问主存，因此，信息传送率较高。10.1I/O系统概述4.通道方式方法：输入、输出操作通过设备控制器执行自己的指令或程序来实现特点：只需中断两次CPU（启动、结束）外围设备、通道、CPU同时工作5.IO处理机方式把操作系统中有关外围设备管理部分的功能分散到输入输出通道中，就形成了I/O处理机10.1I/O系统概述传输控制方式种类：

程序查询方式、中断方式、DMA方式、通道方式、IO处理机方式10.1I/O系统概述一、程序查询方式的接口接口：计算机系统与外围设备之间的一个逻辑部件功能：选择外围设备信息传输组成：10.2程序查询输入输出方式二、程序查询输入输出方式程序查询方式一般采用状态驱动方式。传送时，CPU首先通过接口将命令字发给外围设备，启动外围设备工作。接着CPU等待外围设备完成接收或发送数据的准备工作。在等待时间内，CPU不断地用一条测试指令测试外围设备的状态。一旦CPU检测到外围设备处于“就绪”状态，就可以进行数据传送。程序查询方式的工作流程如右图所示。10.2程序查询输入输出方式服务子程序的功能：

①实现数据传送。②修改内存地址，为下一个数据传送作好准备。③修改传送字节数，以便确定数据块传送是否完成。优先级10.2程序查询输入输出方式一、中断的基本概念中断：

当外围设备或其它急需处理的事件产生请求时，CPU暂时中断正在执行的程序，转至该服务程序去处理这一事件，待事件处理完毕后返回原程序继续执行。10.3程序中断输入输出方式例：现有1号、2号、3号外围设备处于中断工作方式，它们分别在时刻t1、t2和t3向CPU请求服务，其示意图如下页图所示。10.3程序中断输入输出方式中断系统在计算机系统中的作用

⑴实现CPU和外围设备并行工作⑵实现分时操作⑶监督现行程序，提高系统处理故障的能力，增强系统的可靠性。⑷实现实时处理⑸实现人机交换总之，中断系统在计算机中具有很重要的作用。中断系统和操作系统是密切相关的。在很多方面，操作系统是借助中断系统来控制和管理计算机系统的。10.3程序中断输入输出方式二、中断方式的接口中断方式接口的示意图如下图所示。10.3程序中断输入输出方式三、中断的响应和处理两个阶段：中断响应，中断处理响应阶段主要解决三个问题：①正确地找到对应的中断服务程序的入口地址；②为中断返回作好准备；③保证中断响应的完整性。10.3程序中断输入输出方式中断源识别：CPU必须知道对应中断的中断号或中断向量获取中断号或中断向量的方法是：在中断响应期间，CPU往接口发送中断响应信号INTA，接口接收到INTA信号后，将中断号或中断向量通过数据总线传送给CPU10.3程序中断输入输出方式正确返回的基础第一，当外围设备请求中断后，CPU待当前基本操作结束后，才响应中断；第二，CPU必须将当前程序计数器PC的值（断点地址）及CPU的状态（包括各种标志的程序状态字）压入堆栈保护起来，这些操作叫做现场保护解决方法：在中断响应期间，置CPU内的中断允许标志为无效状态10.3程序中断输入输出方式中断服务程序的结构模式10.3程序中断输入输出方式1.保护现场：将程序计数器、寄存器的内容及程序状态字保护方法：

压入堆栈保护2.中断期间中断允许标志清“0”，即CPU处于禁止中断状态3.恢复现场

压入堆栈的内容从堆栈中弹出，传送给原来的那些寄存器10.3程序中断输入输出方式四、多级中断多级中断的情况：

一是两个中断源同时请求中断；二是当CPU正在处理一个中断时，又有新的中断请求解决方案：

中断优先级控制10.3程序中断输入输出方式优先级原则：①当只有一个中断源请求中断时，CPU响应此中断。②当有两个中断源同时请求中断时，CPU先响应优先级别高的中断源。③当CPU正在处理一个中断时，有一新的中断请求，且新的中断源的优先级比正在处理的中断源的优先级高，则CPU暂停当前中断的处理，转而响应和处理优先级高的中断。待优先级别高的中断处理完毕后，才再继续原中断的处理。④当CPU正在处理一个中断时，有一新的中断请求，且新的中断源的优先级比正在处理的中断源的优先级低，则待CPU处理完当前中断后，才去响应和处理新的中断。10.3程序中断输入输出方式中断优先级的解决方法软件查询法、硬件电路法1.软件查询法CPU在接到中断请求信号后，用程序来查询中断源，以查询到中断源的先后次序来确定优先级，若改变查询次序就可以修改优先级。在确认了有请求的中断源后，转入到相应的中断服务程序：用软件查询法实现中断优先级的处理电路简单，但效率较低10.3程序中断输入输出方式⒉硬件电路法种类：菊花链电路和专用判优逻辑两种⑴菊花链电路：用于单线请求的计算机系统。菊花链电路实现中断优先级的处理速度快，但功能固定，不够灵活。10.3程序中断输入输出方式⑵专用判优逻辑：用于多线中断请求的计算机系统，它用可编程芯片实现，用户可灵活设置中断优先级、中断号、屏蔽和开放中断等内容10.3程序中断输入输出方式10.4DMA方式一、DMA方式的基本概念直接存储器存取（DMA）方式，是一种完全由硬件控制的输入输出工作方式，这种硬件就是DMA控制器。DMA方式一般用于高速地传送成组数据10.4DMA方式DMA操作的主要优点：

速度快

因此，DMA方式能满足高速外围设备的要求，也有利于提高计算机的整机效率二、DMA传送方式

CPU和DMA控制器都可以作为主控设备，它们可以分时控制总线，实现内存和外围设备之间的数据传送。DMA控制器和CPU分时使用总线的方式有以下三种：①停止CPU访问；②周期挪用；③DMA控制器和CPU交替访问内存。10.4DMA方式⒈停止CPU访问停止CPU访问方式，是指在DMA传送过程中，CPU释放总线的控制权，处于不工作状态（保持状态）。优点是控制简单，它适用于高速的外围设备与内存之间实现成组的数据传送。由于外围设备和内存传送两个数据之间的间隔一般总是大于内存存储周期，因此，在DMA期间，一部分内存的工作周期处于空闲状态，内存的效能未得到充分发挥。10.4DMA方式⒉周期挪用在周期挪用方式中，当外围设备没有DMA请求时，CPU按程序要求访问内存；当外围设备有DMA请求时，则由外围设备挪用一个或几个内存周期，实现外围设备和内存之间的数据传送两种情况：CPU不需要访问内存外围设备、CPU都需要访问内存外围设备访问内存的优先级比CPU要高10.4DMA方式周期挪用方式的特点：1.优点：外围设备与CPU可以同时工作，提高了效率2.缺点：过程:申请－>创建－>释放适用：

适用于外围设备读写周期大于内存存取周期的情况10.4DMA方式⒊DMA控制器和CPU交替访问内存实现原理：

总线控制权分两个周期分时由DMA控制器和CPU控制，DMA控制器和CPU有各自的访问内存地址寄存器、数据寄存器和读写控制逻辑透明的DMA：

DMA传送对CPU来说是透明的，没有任何感觉和影响该方式访问效率高，应用广泛，硬件控制复杂10.4DMA方式三、基本的DMA控制器

DMA控制器可以作为主控部件控制总线实现内存与外围设备之间的数据传送，因此，它具有总线请求和响应、总线控制、传送地址，对传送的字数据计数等功能。DMA控制器的逻辑结构如下图所示。10.4DMA方式四、

DMA工作过程

DMA的数据传送过程可分为两个阶段：DMA传送前的预处理及数据传送。⒈DMA传送预处理

DMA传送预处理是对DMA控制器的初始化操作。初始化命令字主要包括6个方面10.4DMA方式⑴设置DMA传送方式的数据传送方向。DMA数据传送方向由三种选择：

①外围设备到内存的数据传送②内存到外围设备的数据传送③内存到内存的数据传送⑵设置DMA的数据传送方式⑶设置DMA各通道的优先级⑷开放或屏蔽DMA通道⑸设置DMA传送的字数据数⑹设置DMA传送的内存初始地址10.4DMA方式⒉数据传送过程。

在DMA传送过程中，DMA控制器作为主控部件，控制总线实现数据传送。下面以外围设备向内存传送数据为例说明DMA的数据传送过程：

⑴外围设备向DMA控制器请求DMA传送⑵若该通道未被屏蔽，则DMA控制器进行优先级裁决。⑶CPU结束当前正在进行的基本操作后，释放总线的控制权，并向DMA控制器发一个总线响应信号10.4DMA方式⑷DMA控制器接收总线响应信号后，获得总线的控制权，并将DMA响应信号传递给外围设备⑸DMA控制器将地址寄存器的内容发往地址总线，同时发I/O读和存储器写等控制信号，以传送一个字数据。⑹地址寄存器的内容加1，字计数器的内容加1。⑺若为单字传送，则DMA过程结束。若为数据块传送，则判断字计数器是否溢出，如果未溢出，则继续第⑸步；若溢出，则DMA传送结束。⑻若DMA结束，则DMA控制器将总线控制权交还给CPU，CPU继续原来的处理10.5通道方式一、通道的作用和功能存在问题：CPU的负担较重，整个计算机的性能势必降低如何让DMA控制器能被多台外围设备共享通道的引入通道处理机能够负担外围设备的大部分输入输出工作，包括所有按字节传送方式工作的低速和中速外围设备，按数据块传送方式工作的高速外围设备10.5通道方式四级层次结构计算机系统通道1通道n······设备控制器1设备控制器m······外围设备1外围设备k······第一层第二层第三层第四层10.5通道方式通道的基本功能：执行通道指令、组织外围设备和内存之间的数据传送，按I/O指令要求启动外围设备，向CPU报告中断

⑴接收CPU的I/O指令，按指令要求与指定的外围设备进行通讯。⑵从内存取出属于该通道程序的通道指令，经译码后向设备控制器或外围设备发出各种命令。⑶组织外围设备与内存之间进行数据传送，并根据需要提供数据传送的缓存空间，提供数据存入内存的地址和传送的数据量。

10.5通道方式⑷从外围设备得到状态信息，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。⑸将外围设备的中