第七章输入输出系统

第七章输入输出系统第一页，共72页。第七章I/O系统7.1信息交换的控制方式7.2程序查询方式7.3程序中断方式7.4DMA方式7.5通道控制方式第二页，共72页。第七章I/O系统输入/输出(I/O)是指微处理器与外界交换信息，即通信。微处理器与外界的通信是通过输入/输出设备进行的。当微处理器进行实时控制或进行数据处理时，总要涉及与外界进行二进制数据的交换和执行具体任务时对I/O部分提出要求。第三页，共72页。第七章I/O系统数据在微处理器与输入/输出设备之间的往返情况，类似于其在微处理器与存储器之间的往返情况，也是分为送地址码、送数据(或等待数据)、等待完成回答(或读取数据)三步。

因此，从概念上可以将存储器看作是另一种形式的外围设备。但是，在接口设计与实际操作中，外围设备要考虑的问题却远比存储器来得广泛、复杂。第四页，共72页。第七章I/O系统这是由于外部设备一般具有以下特点：(1)品种繁多：有机械式、机电式和电子式等；(2)工作速度一般要比微处理器慢得多，而且速度的分布也相当宽；(3)信号类型与电平种类不只一种，既有数字电压信号，也有连续的电流信号或其它的模拟信号。而且信号电平的高低大小很不统一，范围广，离散性大；第五页，共72页。第七章I/O系统这是由于外部设备一般具有以下特点：(4)信息的结构格式复杂。常见的例子有电传打字机、盒式磁带机与软盘驱动器等。这些设备之间的信息格式也各不相同，这就增加了接口设计的复杂性。第六页，共72页。第七章I/O系统因此，在进行微型计算机系统的设计时，对输入/输出部分与微处理器的连接，不能采用类似于存储器那样的简单方法。对输入/输出部分，必须要考虑两个问题：一是某一外围设备如何与微处理器连接，以进行数据、状态和控制信号的转换；二是CPU如何寻址相应的I/O设备，以实现与该设备之间的通信。第七页，共72页。7.1信息交换方式

为了实现CPU与I/O设备之间的数据传送，通常采用以下五种I/O传送方式：程序传送方式中断传送方式直接存储器存取(DMA)方式通道方式外围处理机方式。第八页，共72页。7.1信息交换方式1、程序查询方式信息交换方式的控制完全由主机执行程序来实现，CPU与I/O串行2、程序中断控制方式中断概念开始是为使计算机具有实时处理能力而引入的。在实时控制系统中，产生过程中的信息变化是随机的，而且要求能快响应处理，这就导致了中断处理技术的产生。第九页，共72页。2、程序中断控制方式中断控制方式的特点是允许CPU和I/O设备并行工作准备(CPU不管)

就绪:告知CPU中断现行程序，转I/O服务（传送）

回原被中断的程序这就充分发挥了微型计算机的高速效能CPU(还没完全摆脱对I/O操作的具体管理)7.1信息交换方式第十页，共72页。3、DMA（直接存储存取）以中断为基础

CPU传送前的预置DMAC

（DMA控制器）准备DMA

中断（告诉CPU做完）传送收尾CPU4、通道（IOP）以DMA为基础有自己的指令系统通道程序（谁编，由CPU根据I/O请求编）7.1信息交换方式第十一页，共72页。5、外围处理机方式（PPU）外围处理机(PPU)方式是通道方式的进一步发展。由于PPU基本上独立于主机工作，它的结构更接近一般处理机，甚至就是微小计算机。在一些系统中，设置了多台PPU，分别承担I/O控制、通信、维护诊断等任务。从某种意义上来讲，这种系统已变成分布式的多机系统。总结：

7.1信息交换方式第十二页，共72页。7.1信息交换方式

第十三页，共72页。I/O端口的寻址方式

统一编址（存储器映射方式）外设的编址方式独立编址（I/O映射方式）第十四页，共72页。I/O端口的寻址方式1、设备编址1）统一定义：一个I/O端口等同于一个存储器单元结构—不同地址2）独立各有独立空间（重号问题）访I/O:IORQ

结构不同的控制信号访存：MERQ

专门的I/O指令第十五页，共72页。I/O端口的寻址方式

外设接口通过总线与CPU连接CPU访问外设的实质是访问外设接口中的寄存器(端口)。相比存储器的访问，CPU访问外设的过程是完全等同的，不同的是所发送的读写信号有区别第十六页，共72页。I/O指令

功能：1）测状态指令2）写控制字3）传送数据不同的机器，采用的I/O指令格式和操作也不相同第十七页，共72页。7.2.1程序查询I/O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：适同在CPU不太忙且传送速度要求不高时。第十八页，共72页。1、基本思想若ＣＰＵ要执行一段I/O程序，则用其中一条指令查询设备状态，如果设备的数据传送没有准备好，就重复执行询问指令，一直等到设备准备好为止。2、实现（利用程序控制）1）单个设备查询2）多个设备轮询轮询程序，各设备I/O服务程序ＣＰＵ:周期性运行轮询有某设备就续，转I/O服务程序7.2.1程序查询I/O方式第十九页，共72页。轮询程序，各设备I/O服务程序ＣＰＵ:周期性运行轮询有某设备就续，转I/O服务程序设备服务子程序的功能（比如传送多个数据：内存始地址，传送的长度，修改传送的长度，错误处理状态分析）3）优先级别4）硬件7.2.1程序查询I/O方式第二十页，共72页。7.2.2程序查询方式的接口１、状态忙busy就绪

Ready

出错error２、设备选择：判别地址总线上呼叫的设备是不是本设备３、数据缓冲器并串串并移位第二十一页，共72页。7.2.2程序查询方式的接口４、工作过程向cpu发送请求（设备的地址，I/O请求命令字）当busy

＝０时，接受请求，cpu置busy

＝１测Ready状态（０继续测，１转传送）传送置busy

＝０第二十二页，共72页。7.3程序中断方式7.3.1、中断的基本概念最初：目的CPU与I/O并行１、中断

事件（突发）－中断请求暂停现行程序响应中断事件处理返回被中断程序第二十三页，共72页。7.3.1、中断的基本概念2、用途1）CPU与I/O并行2）可靠性3）人机联系（程序调制器）4）实现多道程序5）实时控制：规定的时间内完成工作6）实现目态程序和操作系统的联系目态—管态之间的切换7）多处理机可把任务分解若干子任务，并行多处理机同步处理第二十四页，共72页。7.3.2CPU响应中断条件一、条件

1、有中断请求

2、CPU允许中断

3、指令执行结束二、概念1、中断源：引起中断的事件或发出中断请求的来源2、中断响应：CPU停止现行程序转去处理中断请求3、开/关中断：开CPU允许进入中断；关不可中断第二十五页，共72页。中断源的分类1、原因I/O：启动，数据传送，I/O错误处理运算器：溢出存储器：刷新，地址非法，页面失效控制器：非法指令（在目态下使用管态的指令）过程控制：监视采样时钟定时电源故障第二十六页，共72页。中断源的分类2、中断源一般可以分为硬中断和软中断两类。硬中断：由外部设备和其他CPU外部事件引起的中断，因此又叫外中断。

常见的外部中断有输入输出请求、实时时钟、计时器、电源故障、设备故障、校验线路等等。外中断一般通过CPU的中断请求引脚引入。

例如，在80X86系列CPU上，设有INTR、NMI两个中断请求引脚第二十七页，共72页。中断源的分类2、中断源一般可以分为硬中断和软中断两类。软中断：指CPU内部的指令或程序执行中的突发事件所引起的中断，又叫内中断。

常见的软中断主要包括指令中断（例如中断指令INTn）和程序异常（例如除数为零，运算溢出、指令的单步运行、程序运行至断点处等等）。第二十八页，共72页。中断源的分类自愿中断—指令中断内中断硬件故障

强迫中断软件故障外设请求外中断（强迫中断）人的干预第二十九页，共72页。中断源的建立1、中断源触发器有请求1：有请求

0：无请求2、中断寄存器（多位中断触发器）—中断字/码每一位对应一种中断请求源第三十页，共72页。中断源的建立3、中断的分级与中断优先权中断的优先级是指有多个中断同时发生时，CPU对中断源响应的次序。一维、多维确定中断优先级的原则是(数据的传输率和服务程序的要求)对—旦提出请求需要立刻响应处理，否则就会造成严重后果的中断源，规定最高的优先级,对可以延迟响应和处理的中断源，规定较低的优先级.第三十一页，共72页。中断源的建立3、中断的分级与中断优先权

一般，把硬件故障引起的中断优先级定为最高，其次是软件故障中断和I/O中断第三十二页，共72页。禁止中断和中断屏蔽1、禁止中断“中断允许”触发器1允许开置位

0不允许关复位2、中断屏蔽一般中断系统中，对应每一个中断源设置一个中断屏蔽触发器INTMi，以实现对单个中断源的屏蔽控制。INTMi=1，则中断源i被屏蔽。INTMi=0，则中断源i被开放。第三十三页，共72页。禁止中断和中断屏蔽1、禁止中断“中断允许”触发器1允许开置位

0不允许关复位2、中断屏蔽将中断系统中的所有中断源的屏蔽触发器放在一起，形成一个寄存器，用一个地址对其寻址，称为屏蔽寄存器IMR。第三十四页，共72页。禁止中断和中断屏蔽有一些中断请求不可屏蔽的(不管中断系统是否开,一旦提出,CPU必须立即响应）中断源可屏蔽中断不可屏蔽中断第三十五页，共72页。7.3.3中断处理1、程序中断（CPU参与）

CPU暂停现行程序保护现场和断点（PSW,AC,基址，变址，PC）服务程序入口地址PC

建立自己的现场转中断服务执行服务程序返回现场（恢复现场，恢复断点）2、简单中断CPU暂时让出系统总线控制权（DMA）或可以执行非访问内存的操作第三十六页，共72页。一、中断处理的步骤1、关中断进入不可在响应中断的状态，保护现场时，不允许更高级的中断源申请中断，即使有，也不响应。2、保护现场和断点断点：为了正确返回到中断点，必须保存PC的内容现场保护（硬件和软件）第三十七页，共72页。一、中断处理的步骤3、判中断源，转中断服务程序4、开中断（允许更高优先级的中断进入，实现中断嵌套）5、执行中断服务程序6、返回现场（关中断，恢复，开中断）第三十八页，共72页。中断处理的步骤第三十九页，共72页。二、判别中断条件中断的优先级是指有多个中断同时发生时，CPU对中断源响应的次序。★确定中断优先级的原则是：

对—旦提出请求需要立刻响应处理，否则就会造成严重后果的中断源，规定最高的优先级.

对可以延迟响应和处理的中断源，规定较低的优先级。

第四十页，共72页。二、判别中断条件

一般，把硬件故障引起的中断优先级定为最高，其次是软件故障中断和I/O中断

中断请求的排队判优，常用的方法有两种：软件查询和硬件排队电路第四十一页，共72页。三、中断条件判断1、查询法（适合于低速和中速设备）每一个中断源有一个标志1有中断请求

0无中断请求用程序来判断优先级，这是最简单的中断判优方法。软件查询法用于一根公共请求线的情况第四十二页，共72页。三、中断条件判断1、查询法（适合于低速和中速设备）优点：可以灵活地修改中断源的优先级别，硬件电路实现简单；缺点：查询、判优完全靠程序实现，需要占用CPU时间，同时中断响应较慢，优先级较低的设备被响应的等待时间也较长。第四十三页，共72页。四、中断条件判断—查询法查询中断执行过程流程图第四十四页，共72页。五、中断条件判断—硬件排队电路

优先级别高的中断请求将自动封锁优先级别低的中断请求的处理。硬件排队电路一旦设计连接好之后，将无法改变其优先级别。第四十五页，共72页。五、中断条件判断—硬件排队电路1、串联排队链和向量中断适用于向量中断方式，中断响应信号逐级传送，先到达的设备，其优先级高于中断响应信号后到达的设备，即电路中距离CPU最近的中断源优先级最高，这里距离远近是指电气上的信号传递顺序。

这种方法实现时电路较简单，但优先级固定，取决于固定的硬件连接，不够灵活，不易于改变或调整优先级。第四十六页，共72页。六、中断条件判断—硬件排队电路1、串联排队链和向量中断1)IRi发出中断请求信号1有

0无

IR1~IRi-1无效才可发出IRi

优先级IR1>IR2>…>IRi-1>IRi2)ISi为IRi对应的中断排队选中信号1选中

0没选中3)设备地址（中断向量）

设备码中断服务程序的入口地址

第四十七页，共72页。七、中断条件判断—硬件排队电路第四十八页，共72页。八、中断条件判断—硬件排队电路识别中断源，转入服务程序入口地址中断源识别的方法有两种：向量中断和软件查询向量中断中断服务程序入口地址被称为中断向量。通常将各中断源的中断向量存放在内存一片连续的单元中，形成一张中断向量表，表的内容是相应的中断服务程序入口地址，存放中断向量的单元地址称为中断向量地址，简称为向量地址。第四十九页，共72页。八、中断条件判断—硬件排队电路向量中断当CPU响应中断时，由硬件（外设接口或者中断控制器）自动产生一个指定的地址（向量地址）或者代码（中断类型号），它们与该中断源的中断向量有一一对应关系。由向量地址或中断类型号指出每个中断源设备的中断向量（中断服务程序入口地址），这种使用向量识别中断源的中断系统称为向量中断。第五十页，共72页。八、中断条件判断—硬件排队电路识别中断源，转入服务程序入口地址中断源识别的方法有两种：向量中断和软件查询软件查询

由CPU执行一个公共的中断处理程序，逐个询问外设接口有否发出中断请求（测试中断请求触发器），若有中断请求，则转入其中断服务程序的入口开始执行第五十一页，共72页。2、独立请求每一个都有独立请求线请求受控于中断屏蔽（改变优先级）中断判优排队IR1>IR2>…>IRi-1>IRi

高优先级的中断请求自动封锁比它优先级低的中断处理请求中断源输出信号IRi产生一个预定的地址码，转中断服务程序入口地址八、中断条件判断—硬件排队电路第五十二页，共72页。中断条件判断—硬件排队电路第五十三页，共72页。7.3.4单级中断和多级中断

多个设备同时要求中断时,CPU处理是优先级高的优选处理，但当CPU处理低优先级时，高优先级怎么处理？1、单级中断特点：所有的中断源属于同一级在同级中CPU响应某一中断请求时，执行该中断源的中断服务而不允许其他中断源打断中断服务程序，即使优先权比它高的中断源也不允许去打断它优先级：先近后高第五十四页，共72页。7.3.4单级中断和多级中断2、多级中断特点：优先级高中断级可以打断低程序以嵌套方式进行工作结构一维多级二维多级例子：第五十五页，共72页。单级中断和多级中断第五十六页，共72页。程序中断方式的接口第五十七页，共72页。7.4DMA方式7.4.1DMA方式的基本概念与传送方式高速外设与内存之间进行直接通信一.DMA方式的基本概念1、基本概念DMA（直接存储访问）方式是一种完全由硬件执行I/O传送方式2、特点

DMAC从CPU中接管对总线的控制,数据传送不经CPU，而直接在内存和I/O设备之间进行第五十八页，共72页。7.4DMA方式7.4.1DMA方式的基本概念与传送方式一.DMA方式的基本概念3、适用性高速传数成组数据第五十九页，共72页。一.DMA方式的基本概念4、DMAC的功能①从外围设备接收DMA请求并传送到CPU②CPU响应DMA请求，DMAC接管总线的控制权③DMAC对内存寻址，数据传送个数计数，并执行数据传送④向CPU报告DMA操作的结束，CPU以中断方式响应，由CPU在中断程序中进行结束后的处理工作（如数据缓冲区的处理、数据的校验等简单操作）第六十页，共72页。一.DMA方式的基本概念★中断和DMA相比较①中断传送需要保存CPU现场并执行中断服程序，时间开销较大，而DMA由硬件实现，不需要保存CPU现场，时间开销较小②中断传送只能在一个指令周期结束后进行，而DMA传送则可以在两个机器周期之间进行第六十一页，共72页。二、DMA的传送方式

根据DMA控制器与CPU分时访问主存的方式不同，DMA传送方式有以下3种1、停止CPU访问内存①做法

DMAC—发DMA请求

CPU收到请求，放弃总线控制权（无条件）

DMAC获得总线的控制权后，开始传送数据传送完毕后向CPU报告DMA操作的结束总线控制权还给CPU②适用于I/O周期<存储周期

第六十二页，共72页。2、周期挪用方式①做法

I/O无DMA请求CPU正常访问当I/O有DMA请求，则CPU给出一个或几个存储周期②冲突：DMA优先③缺点操作频繁，每传送一个数据，DMA都要产生访问④优点充分发挥CPU和I/O设备的利用率3、CPU与DMA交替访问主存二、DMA的传送方式第六十三页，共72页。7.4.2DMAC的基本组成1、组成内存地址计数器字计数器中断机构控制/状态逻辑数据缓冲寄存器

DMA请求标志2、DMA数据的传送初始化DMA控制器CPU

正式传送DMA

传送后的处理收尾CPU

第六十四页，共72页。7.4.3选择型和多路型D