计算机组成原理(第二版)-第5章 输入输出系统-5.4-5.6

5.4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⑥5.5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CPU5.55.6DMA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5.62.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