第8章-输入输出系统教材课件

第8章输入输出系统23七月20232目录8.1外围设备的速度分级与信息交换方式

——了解8.2程序查询方式

——理解8.3程序中断方式

——掌握8.4DMA方式

——掌握8.5通道方式

——了解8.6通用I/O标准接口

——了解23七月20233计算机的输入/输出系统输入输出系统的基本组成适配器电路适配器电路及其相应的程序称为接口接口管理程序将用户编制的程序（或数据）输入主机内将运算结果返回给用户实现I/O系统与主机之间协调地工作输入/输出设备23七月20234外存设备接口显示/声音设备接口工业控制接口通信设备接口输入设备控制器输出设备控制器CPU和主存硬盘、磁盘、磁带、光盘显示器、音箱数/模、模/数转换器调制解调器、网卡键盘、鼠标、光笔激光打印机、针式打印机计算机I/O系统结构图23七月202358.1外围设备的速度分级与信息交换方式8.1.1外围设备的速度分级8.1.2信息交换方式23七月202368.1.1外围设备的速度分级根据外设的工作速度，CPU与外设的定时方式有以下3种：速度极慢或简单的外围设备CPU直接接收或发送数据。慢速或中速的外围设备采用异步定时方式，或称为应答式数据交换；CPU与外设之间通过两个相互的联络信号来决定开始数据传送的时间。高速的外围设备采用同步定时方式；CPU以等间隔的速率执行输入／输出指令。询问信号应答信号由时钟脉冲控制如何使CPU与外设同步工作如：机械开关、发光二极管如：键盘、显示器如：主存、辅存23七月202378.1.2外设信息交换方式程序查询方式早期计算机中使用的一种方式，效率低。程序中断方式适用于随机出现的服务。直接内存访问（DMA）方式适用于内存和高速外围设备之间大批数据交换的场合。通道方式增加一个具有特殊功能的处理器——通道，将CPU的输入输出权力下放。外围处理机方式(PPU)是通道方式的进一步发展。动画演示：

IO传送控制方式.swf23七月20238图8.1外围设备的输入/输出控制方式23七月20239程序查询方式工作过程CPU传送数据之前先检查外设的状态，若没有准备好，则继续查询等待，直至外设就绪即进行数据传送。硬件要求只需接口电路的状态、数据口，不需增加其他控制电路。特点CPU主动查询，程序控制数据传送过程，简单易行；每次查询之后只能传送一个字或一个字节的数据，数据传输率不高，CPU时间浪费较多。适用场合CPU不太忙且对传送速度要求不高的系统。23七月202310设备编码的方法统一编址用主存的低地址中256个字节作为设备访问的地址，采用一般的访存指令LDA，STA就可以实现对设备的访问特点占用一部分存储空间，减少了用户使用主存的范围不需要专用的I/O指令I/O独立编址主存的地址和I/O的地址是分开的，需要专门的指令进行访问，如IN，OUT特点不占用主存空间但需要专用的I/O指令23七月202311工作过程CPU有传送要求时，启动外设后可处理其他事件，当外设准就绪后，通过中断的方式和CPU完成数据传送工作。硬件要求需要附加的中断控制电路。特点外界中断请求是随机的。一定程度上实现了CPU和外设的并行工作；而程序查询方式是串行工作。中断操作过程增加了软硬件的开销，且每次数据传送只能传送一个字或一个字节的数据，数据传送效率低。适用场合CPU与慢速外设之间的数据传送。程序中断方式23七月202312工作过程CPU分配总线使用权之后，在硬件DMA控制器（DMAC）的控制下直接完成存储器与高速外设之间的大量数据的传送。硬件要求需要相应的DMA控制器及数据通路，电路结构复杂，硬件开销大。特点数据传送不需要经过CPU，直接由硬件控制；外设与存储器之间的数据传送量大。适用场合包含有高速外设的系统中。存储器与外设之间数据交换时使用直接内存访问（DMA）方式23七月202313通道方式工作过程CPU将IO控制的权利下放给通道，由通道统一管理所有的输入输出操作。硬件要求需要IO通道（也称IO处理器，IOP）；通道是一个具有特殊功能的处理器。特点硬件代价较高；IO传送的效率高，并且减轻了CPU的工作负担。适用场合高性能要求的系统中。23七月2023148.2程序查询方式CPUINAL,DX数据总线地址总线/RD/WR/MIOIO0地址信息0数据OUTDX,AL00地址信息数据数据的输入输出完全由程序控制！23七月202315CPU写命令字启动外设程序查询方式的流程CPU读外设的状态字N外设就绪？YCPU与外设进行数据传送INAL,DXTESTAL,01HJZAGAINAGAIN:OUTDX,AL程序查询方式是CPU主动工作的一种IO传送方式；外设控制、状态查询、数据传送等操作都由CPU执行IO指令进行；单个外设的查询基本流程通过接口启动外设；读接口中的状态字；测试状态；就绪则传送数据。23七月202316程序查询方式的接口CPU向接口写入控制字；接口启动外设；外设开始准备数据，并提供到外部数据总线；外设工作完成后，发回响应信号给接口；接口接收数据到内部，并设置就绪状态；CPU读到就绪状态，执行输入指令，读入数据；①②③④⑤⑥23七月202317多设备的程序查询流程CPU需要传送数据时逐次查询各设备的状态字；若就绪，则执行相应的传送程序；若未就绪，则查询下一设备；不循环等待某一设备；重复检查完所有设备，返回。特点优先权控制灵活；改变查询顺序修改设备的优先权；CPU工作效率低；23七月2023188.3程序中断方式8.3.1中断的基本概念8.3.2程序中断方式的基本IO接口8.3.3单级中断8.3.4多级中断8.3.5中断控制器8.3.6Pentium中断机制23七月2023198.3.1中断的基本概念定义：中断是指CPU正常运行程序时，由系统内/外部非预期事件或程序中预先安排好的指令性事件引起的，CPU暂停当前程序的执行，转去为该事件服务的程序中执行，服务完毕后，再返回原程序继续执行的过程。注意：中断是一个CPU执行程序的变化过程；所有能引起中断的事件均称为中断源；处理中断事件的中断服务程序是预先设置好的；结束中断返回原程序时，要以原状态返回暂停处继续执行。动画演示：

中断示意.swf23七月2023208.3.1中断的基本概念

中断服务程序与中断时CPU正在运行的程序是相互独立的，相互不传递数据。23七月202321有关中断中断处理过程是由硬件和软件结合来完成的。为什么要使用中断？解决速度问题，使CPU和I/O并行工作；对意外情况(如磁盘损坏、运算溢出等)能够及时处理。在实时控制领域中，及时响应外来信号的请求。中断系统需要解决的问题各中断源如何向CPU发出中断请求；有多个中断源时，如何确定优先级；CPU在什么条件、什么时候、以什么方式响应中断；如何保护/恢复现场、如何转入中断服务程序的入口地址；如何处理多重中断。23七月202322必须用硬件实现的有：保存中断点和进入中断服务程序入口。这两个功能相当于执行一条转子程序指令，因为中断发生在现行程序的什么地方是不确定的，不能由程序员来安排。必须用软件实现的有：中断服务和返回到中断点。返回到中断点，通过执行一条中断返回指令来实现， 中断服务必须用软件实现，因为是“程序中断方式”。23七月202323

中断请求CPU在结束一个指令周期后，检测中断请求信号；中断响应关中断；保护断点现场；判断中断源，获取中断向量；根据中断向量转入中断服务程序执行；中断服务保护CPU现场；执行中断服务程序；恢复CPU现场；开中断；中断返回恢复断点现场，返回主程序继续执行；由硬件自动完成CPU的中断处理流程由软件完成第一个问题：CPU公操作时检测保存中断请求信号的寄存器对CPU内部寄存器的保护与恢复第三个问题：避免再次中断影响当前中断响应，屏蔽中断源；可实现中断优先权管理第四个问题：中断处理过程由软硬件结合完成由软硬件共同完成第二个问题：为保证CPU能够正常返回主程序23七月202324中断向量中断向量：中断服务程序的入口地址，包括段地址和段内偏移地址，共4个字节的内容；CPU响应中断时，将中断源对应的中断向量送入CS、IP寄存器中，以跟踪中断服务程序的执行。中断向量表：集中存放系统中所有中断向量的存储区。8086PC机中，将存储器物理地址为0~3FFH的1024个单元作为中断向量表，每个向量占用4个字节，可容纳256个中断向量。23七月202325

…………

…………中断向量表0000:00000000:00010000:00020000:0003…………0000:00200000:00210000:00220000:0023…………0000:03FC0000:03FD0000:03FE0000:03FF类型号0类型号8类型号255偏移地址段地址偏移地址段地址偏移地址段地址每个中断向量在中断向量表中的序号，值为0－255。中断类型号23七月202326用中断向量赋值CS、IP中断类型号与中断向量

中断类型号（n）4＝中断向量在表中的偏移地址

如：n＝8，则应从向量表20H~23H中取出中断向量中断源提供中断类型号n4中断向量地址查表中断向量CPU转向中断服务程序执行CPU使用向量中断的过程：23七月202327…服务程序入口1服务程序入口2服务程序入口3…打印机服务程序声卡服务程序…键盘服务程序…向量地址1向量地址2向量地址3服务程序入口1服务程序入口2服务程序入口3通过向量地址寻找入口地址23七月202328中断处理流程动画演示：

中断处理流程.swf由中断隐指令执行在进入中断处理之前，需插入一条没有操作码，不能供编程使用的指令（中断隐指令）的执行过程，将PC及程序状态字入栈保存。23七月202329中断处理过程中的问题第一个问题CPU只有在一条指令执行完毕转入公操作时时，才能处理外设的中断请求。第二个问题为了保证中断服务程序执行完毕后，能够正确地返回到原断点位置，则必须保存PC和当前CPU的状态到堆栈中。第三个问题CPU在中断响应期间，还可能有新的中断请求。为了不致于造成混乱，中断管理部件中必须有中断屏蔽触发器，在中断响应期间屏蔽其他中断源。第四个问题中断处理过程是由硬件和软件结合来完成的；中断周期由硬件实现，中断处理程序由机器指令序列实现。中断返回时再恢复断点状态对中断源的优先权管理23七月202330必须用硬件实现的有：保存中断点和进入中断服务程序入口。 这两个功能相当于执行一条转子程序指令，因为中断发生在现行程序的什么地方是不确定的，不能由程序员来安排。必须用软件实现的有：中断服务和返回到中断点。 返回到中断点，通过执行一条中断返回指令来实现， 中断服务必须用软件实现，因为是“程序中断方式”。23七月2023318.3.2程序中断方式的基本I/O接口接口内部组成数据缓冲寄存器；就绪触发器RD、忙状态触发器BS、允许中断触发器EI；中断向量产生逻辑；CPU的相应部件中断请求触发器IR、中断屏蔽触发器IM；程序中断的数据传送过程：

CPU启动外设

外设准备就绪后，向CPU请求中断 CPU接受请求，完成数据传送23七月202332程序中断由外设接口的状态和CPU两方面来控制：

在接口方面，有决定是否向CPU发出中断请求的机构，主要是接口中的“准备就绪”标志(RD),和“允许中断”标志(EI)两个触发器；RD简称中断触发器，EI运行中断触发器，RD、EI为1有效

在CPU方面，有决定是否受理中断请求的机构，主要是“中断请求”标志(IR)和“中断屏蔽”标志(IM)两个触发器。IR为1表示设备发出了中断请求，IM为0表示CPU可以受理外界的中断请求。23七月202333程序中断方式数据传送示意就绪触发器允许触发器忙状态触发器中断请求触发器中断屏蔽触发器①⑩②③

数据④⑤⑥一条指令结束⑦⑦⑧⑨

数据10110IF=0001动画演示：

程序中断传送方式.swf23七月202334中断处理的策略根据计算机系统对中断处理的策略的不同，可分为：单级中断系统

所有的中断源都属于同一个级别，不允许有中断嵌套；多级中断系统

中断源分为不同的级别，可以发生中断嵌套，高优先权的中断源请求可以打断低优先权的中断服务；实现方法进入中断服务时的中断屏蔽设置；23七月2023358.3.3单级中断单级中断中，所有中断源属于同一个级别，不允许中断嵌套。中断请求信号优先权高优先权低中断响应信号动画演示：

单级中断结构.swf23七月2023362、单级中断源的识别——串行排队链法动画演示：

串行排队链的原理.swf排队链中断响应信号中断排队输入信号；由高优先权中断得到中断排队输出信号选中信号中断源的中断请求信号23七月202337中断向量的产生向量中断由硬件直接产生一个与该中断源对应的中断向量；特点：速度快，但灵活性不好；在硬件设计时考虑所有中断源的向量地址。位移量中断由硬件直接产生一个位移量；该位移量加上某个基地址，得到中断处理程序的入口地址。向量地址转移由硬件直接产生一个该中断源对应的固定地址码，该地址码中存放可转入中断服务程序的入口地址。23七月2023388.3.4多级中断当CPU正在执行某个中断服务程序时，另一个中断源又提出了新的中断请求，而CPU再次响应这一新的请求；暂停当前的中断服务程序，转去执行新的中断服务程序。多级中断中需要进行优先权的控制和判断。23七月202339一维多级中断结构每级仅有一个中断源；中断屏蔽触发器IM其状态决定对应级别的中断源是否能够被响应；中断优先权控制当某中断源的请求被响应时，将同时设置低级中断源的IM=1，高级中断源的IM=0，可以发生中断嵌套。一维多级中断结构23七月202340二维多级中断结构二维多级中断结构每级包含多个中断源;同级中断源不能嵌套；若设备E、F、H同时请求；则先响应设备E；此时，若设备D请求中断；则不响应；若设备B请求中断；则暂停设备E的中断服务，嵌套响应设备B；动画演示:8-9.swf23七月202341中断请求/屏蔽寄存器对于每一个中断源，都会有一个中断请求触发器和一个中断屏蔽触发器，用于管理当前该中断源的状态；中断请求触发器：1——有请求；0——无请求；中断屏蔽触发器：1——被屏蔽；0——未被屏蔽；若系统中共有n级中断，则分别有n个中断请求寄存器和n个中断屏蔽寄存器；CPU响应中断时，系统需要进行优先权控制，实现正常的中断嵌套；置“1”（关闭）本级和低级的中断屏蔽触发器；清“0”（开放）更高级的中断屏蔽触发器；23七月202342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23七月2023432、多级中断源的识别独立请求方式的中断优先级排队与中断向量产生逻辑；23七月202344课本P249【例1】

如图8.9的二维中断系统中。问：在中断情况下，CPU和设备的优先级如何考虑？请按降序排列各设备的中断优先级。在中断情况下，CPU的优先级最低；各设备的优先次序为

(ABC)(DEF)(GHI)CPU **括号中的为同级中断源，不可进行中断嵌套，但同时请求时，由连接顺序决定响应优先权；23七月202345课本P249【例1】

如图8.9的二维中断系统中。问：若CPU现执行设备B的中断服务程序，则IM2、IM1、IM0的状态是什么？如果CPU执行设备D的中断服务程序，则IM2、IM1、IM0的状态又是什么？由于设备B的优先权最高，则在执行设备B的中断服务时要禁止同级和低级所有中断源的请求，因此IM2IM1IM0=111；若执行设备D的中断服务，则设备A、B、C均可发生中断嵌套，因此IM2IM1IM0=011；23七月202346课本P249【例1】

如图8.9的二维中断系统中。问：每一级的IM能否对某个优先级的个别设备单独进行屏蔽？如果不能，采取什么措施可以实现？每一级的IM只能对同级所有设备进行屏蔽，无法实现对个别设备的单独屏蔽；若要单独屏蔽个别设备，则可在该设备的接口中实现，将接口内的EI（中断允许标志）清0；若要使设备C一提出中断请求，CPU立即响应，则应如何调整?使设备C的优先权最高，即可满足题目要求；可将设备C单独设置为第3级中断，并令IM3=0即可。23七月202347多级中断的中断屏蔽技术关中断即使存在中断请求，但CPU因某种条件存在而不会响应任何中断；CPU关中断：置IF=0（STI）仅对可屏蔽中断源而言；中断屏蔽用程序方式有选择地封锁某些中断源，而允许另一些中断响应。实现多级中断的条件提前设置“开中断”指令。优先级高的中断请求有权中断优先级低的中断服务。由屏蔽字决定是否有权中断23七月202348多级中断的中断屏蔽技术中断屏蔽的实现方法：设优先级从高到低依次为：7、6、5、4、3、2、1、0；则当响应第3级中断时 中断屏蔽字设为：00001111改变优先级的方法：修改屏蔽字欲使第2级中断的优先权高于第3级；则可设置第3级中的屏蔽字设为：00001011

第2级中的屏蔽字设为：0000111123七月202349中断屏蔽技术举例例：某机有5个中断源L0～L4，按中断响应优先级从高到低为L0→L1→L2→L3→L4，现要求将中断处理次序改为L1→L3→L4→L0→L2，请写出各中断源的屏蔽字。中断源屏蔽字（L0L1L2L3L4）L0L1L2L3L4101001111100100101111010123七月2023508.3.5中断控制器23七月2023518.3.6

Pentium中断机制中断类型中断异常不可屏蔽中断NMI可屏蔽中断INTR执行异常中断指令除法错单步断点溢出由执行指令引起的中断。由随机的硬件信号引起的中断；动画演示：

向量中断方式.swf23七月2023528.4DMA方式8.4.1 DMA的基本概念8.4.2 DMA传送方式8.4.3 DMA控制器8.4.4 DMAC的类型23七月2023538.4.1DMA的基本概念1、DMA传送方式的特点2、DMA传送的实质3、DMA控制器的两种状态4、DMA传送过程23七月2023541、DMA传送方式的特点DMA（直接内存访问）方式完全由硬件控制的直接数据传送方式；DMAC（DMA控制器）取代CPU，接管系统总线的控制权，负责DMA传送的全过程；主存和外设之间直接利用系统总线传送数据，所交换的数据不经过CPU(CPU不再取指、取数等操作)。DMA特点以增加硬件的复杂性和成本为代价来提高数据传送效率的；速度快，但硬件复杂度高。适用场合：适用于需要高速大批量数据传送的系统中；磁盘与主存之间的数据传送23七月2023552、DMA传送的实质DMAC（只负责）对数据传送的控制是建立在掌握系统总线的使用权基础上的。正常工作下，系统总线的使用权归CPU所有；DMAC要控制DMA传送，首先要从CPU得到总线使用权。CPUDMAC存储器外设系统总线23七月2023563、DMAC的两种工作状态被动态当DMAC没有获取总线控制权时，DMAC和系统中其他设备一样，也要接受CPU对它的控制，是系统的受控者。被动态下，CPU对DMAC的操作：在DMA传送之前，CPU要对DMAC进行初始化编程；在DMA传送之后，CPU要读取DMAC的状态。主动态在DMA传送期间，DMAC取代CPU，获得系统总线的使用权，成为系统的主控者，使用系统总线控制存储器、外设之间的数据传送。DMA只负责对数据的传送，前期的准备工作和结束后的工作都有专门的管理程序来完成。23七月2023574、DMA传送的过程总线申请阶段DMA传送之前，DMAC向CPU申请总线使用权；总线响应阶段总线建立阶段——CPU将总线使用权转让给DAMC；数据传送阶段DMAC利用系统总线控制数据传送；传送结束阶段DMA传送结束，DMAC归还系统总线使用权；23七月202358①总线申请阶段申请第一步外设向DMAC申请DMA服务；需要DMA传送的外部设备向DMAC发出DMA请求信号DREQ；申请第二步DMAC向CPU申请总线使用权；若DMAC允许该请求，则向CPU发出总线请求信号HRQ，申请总线的使用权。23七月202359②响应阶段总线申请的响应时间CPU在每个总线周期结束时检测HRQ（总线请求信号）；总线申请的响应条件总线锁定信号LOCK#无效；中断响应周期内，LOCK#信号有效，不允许转让总线；当CPU检测到有总线请求信号HRQ，且允许响应时，CPU进入总线保持状态；CPU一侧的总线浮空；向DMAC发回总线保持响应信号HLDA；DMAC收到HLDA信号，占用总线，准备DMA传送。23七月202360③数据传送阶段DMAC寻址DMA传送的设备通知外设

DMAC通过发回响应信号通知外设；启动存储器

DMAC使用系统总线，向存储器发出地址及控制信号；开始数据传送

DMAC按照初始化所确定的工作方式，利用系统总线，控制外设与存储器之间直接的数据传送。23七月202361④传送结束阶段传送结束控制由DMAC完成；DMAC只传送初始化设定的字节数；数据块传送完毕后DMAC产生过程结束的EOP#信号，发送至外设；外设收到此信号，撤销DREQ信号；DMAC撤销发给CPU的请求信号HRQ；CPU发回DMAC的响应信号HLDA相继无效；DMAC释放总线，CPU重新恢复对总线的控制权。23七月202362DMA传送过程演示CPUDMAC存储器外设DREQHRQHLDADMACKEOPLOCK#1存储单元地址信息数据传送HLDAHOLD

23七月202363DMA方式和中断控制方式的区别数据传送的实现方式中断——程序传送；DMA——硬件实现；CPU响应请求的时间中断——一个指令周期结束；DMA——一个总线周期结束；请求的目的中断——CPU的服务；DMA——总线的使用权；是否需要保护现场中断——需要；DMA——不需要（CPU不参与数据传送）；对于不需要访存的现行程序的影响中断——延迟现行程序的执行；DMA——无影响；DMA的优先权高于中断的优先权。23七月2023648.4.2DMA传送方式DMA传送时，CPU不能使用总线，会影响CPU的工作效率；当CPU需要访存，或者访问外设时，程序会阻塞；可使DMAC与CPU分时复用总线；常用的DMA传送方式停止CPU访问方式（连续方式）早期使用的一种方式；周期挪用方式（单字节方式）适用于外设读写周期大于主存的存取周期的系统中；DMA与CPU交替访问方式（透明DMA方式）适用于CPU周期大于主存存取周期的系统中；每次挪用的一个总线周期，对于DMAC来说需要2-5个周期，用于总线控制权的申请、建立和归还。23七月202365停止CPU访问方式

工作过程DMA传送期间，由DMAC长期占用总线，CPU不能访存，只有DMA传送结束时才将总线归还给CPU使用；特点控制简单，适于高速外设的数据成组传送；DMA期间，CPU不能访存，影响其工作效率。23七月202366周期挪用方式工作过程每次DMA传送，都是通过外设挪用一个或几个主存周期，分别完成数据的成块传送。特点：主存使用效率较高，常用；CPU和外设访存冲突时，外设优先访问。每次DMA传送需要重新申请、建立、归还总线；23七月202367DMA与CPU交替访存方式工作过程将CPU的工作周期一分为二，分别用于DMA和CPU访存；特点：对主存的访问时间不会发生冲突，也不需要总线控制权的申请建立和归还过程；透明DMA方式DMA传送不影响CPU的工作；23七月2023688.4.3DMA控制器DMAC的工作：接受外设的DMA请求，并提交给CPU；接管总线的控制权，控制主存和外设之间的数据传送；完成数据传送后，交还总线使用权。23七月202369DMAC的组成部件地址寄存器和字节计数器初始化时，写入初值，用于DMA传送时，发出访存地址，控制DMA传送的长度；数据暂存器外设与主存交换数据时，直接通过数据总线传送；主存与主存交换数据时，需要将数据在DMAC内部中转；DMA请求标志记录DMA传送外设的请求信号；中断机制控制DMA传送结束时的EOP信号的产生。23七月2023708.4.4DMAC的类型

选择型DMAC特点物理上，可以连接

多个设备；逻辑上，只允许连

接一个设备；选择型DMAC相当于一个

逻辑开关；只增加少量硬件，

可实现为多个设备服务的目的；适用于数据传输率很高的设备；23七月2023712.多路型DMAC特点物理上，可以连接多个设备；逻辑上，也允许多个设备同时工作；各设备以字节交叉方式进行数据传送；DMAC内部需要多组寄存器；设备对DMAC的请求可采用链式，或独立请求方式；23七月2023