计算机组成与体系结构 课件 05输入输出系统

输入/输出系统计算机组成与体系结构外围设备与输入输出系统系统互连存储器接口外围设备CPU输入/输出系统输入输出接口

命令寄存器和命令译码器

设备选择电路

设备状态标记

数据缓冲寄存器DBR

控制逻辑电路I/O接口外部设备数据线命令状态数据线命令线状态线CPU地址线为什么要使用接口各种外设使用不同的操作方法，控制逻辑差异很大外设的数据传送速度一般比存储器或处理器慢外设经常使用与处理器不同的数据格式和字长接口的主要功能控制和定时处理器通信设备通信数据缓冲检错接口的分类按数据传送方式分类并行/串行按主机访问I/O设备的控制方式分类程序查询、中断、DMA、通道按功能选择的灵活性分类可编程/不可编程按通用性分类通用/专用按输入输出的信号分类数字/模拟接口与端口接口(interface)：端口+控制逻辑电路端口(port)：接口中可被访问的寄存器控制逻辑数据端口状态端口命令端口端口接口外设的识别与端口编址统一编址方式独立编址方式0FFFFFHEFFFFHF0000H内存地址（共960KB）端口地址（共64KB）0FFFFFH内存地址（共1MB）端口地址（共64KB）0FFFFH输入输出方式程序查询方式程序中断方式直接存储器存取（DMA）方式I/O通道控制方式这些输入输出方式采用的是同步时序还是异步时序？程序查询方式程序直接控制数据传送的分类：无条件传送：I/O端口总是准备好接收主机的输出数据，或总是准备好向主机输入数据，只适用于一些简单设备；程序查询方式：可适用于大多数的低速外设程序查询的基本思想CPU在程序中查询外设的工作状态，来保证数据传送的正确进行程序查询方式的工作过程取外设状态传送一次数据传送完否？外设准备就绪？预置传送参数结束YNNY启动外设修改传送参数程序查询方式接口A7～A0三态缓冲器（1）EN输入设备STBIBF锁存器（8）CP。三态缓冲器（8）ENReadyQDRCP &地址译码+5VD7～D0RDM/IO&程序查询方式总结程序查询方式的优点对接口要求低，实现成本低。程序查询方式的缺点在查询过程中，CPU长期处于踏步等待状态，使系统效率大大降低CPU在一段时间内只能和一台外设交换信息，其他设备不能同时工作不能发现和处理预先无法估计的错误和异常情况适用性分析适用与少量、低速设备之间的信息交换，因此常用于结构简单、造价低的计算机中。程序中断方式程序中断方式的基本思想实现主动权的变化中断方式的基本工作过程中断方式的设计要素外设通过什么机制向CPU发出中断请求？中断请求的传送CPU什么时候可以去响应中断？中断响应时刻CPU如何处理多个设备同时发送的中断请求？中断判优

CPU如何定位发出中断请求的设备？中断源的寻找CPU如何找到并转向中断服务程序？中断处理CPU在为设备服务完成后，如何返回原来执行的程序？中断现场保护与中断返回简单中断方式简单中断处理流程相关术语中断系统如何构成？中断隐指令与指令相同吗？向量中断与中断服务程序入口有什么关系？中断现场包括什么？中断的类型外部中断：由计算机外设发出的中断请求内部中断：CPU内部异常引发的中断软件中断/自陷：不是真正的中断，只是可被调用执行的一般程序多重（级）中断中断嵌套中断系统需要做哪些改进？中断接口中断饱和与中断的局限性中断饱和：由于CPU每次处理中断都需要一定的时间执行中断服务程序，当中断过于频繁而超过了CPU的处理速度时，就会发生中断饱和现象，结果是导致外设的数据丢失中断方式的局限性：中断方式需要程序切换，会带来额外开销（保存现场、恢复现场），导致数据传输率不高；采用执行指令的方式与外设进行信息交换效率并不高，每次数据传输需要取指令、执行指令的过程；可能出现中断饱和现象，不适合与高速外设进行信息交换。中断方式是一种以软件为主的控制方式，信息传送需要占用CPU资源。DMA方式它使内存与CPU的固定联系脱钩。内存既可被CPU访问，又可被外设访问；在数据块传送时，内存地址的确定、传送数据的计数等都用硬件电路直接实现；内存中要开辟专用缓冲区，及时供给和接收外设的数据；DMA传送速度快，CPU和外设并行工作，提高了系统的效率；DMA在传送开始前要通过程序进行预处理，结束后要通过中断方式进行后处理。DMA方式与中断方式的区别中断方式是程序切换，需要保护和恢复现场；而DMA方式除了开始和结尾时，不占用CPU的任何资源。对中断请求的响应只能发生在每条指令执行完毕时；而对DMA请求的响应可以发生在每个机器周期结束时。中断传送过程需要CPU的干预；而DMA传送过程不需要CPU的干预，故数据传送速率非常高，适合于高速外设的成组数据传送。DMA请求的优先级高于中断请求。中断方式具有对异常事件的处理能力、而DMA方式仅局限于完成传送信息块的I/O操作。DMA接口/控制器的基本组成DMA的传输方法DMA传输过程通道方式通道方式出现的原因DMA方式只能进行简单的数据传输，这在某些场合下是不够的DMA传送方式在预处理和后处理阶段仍需要CPU的大量介入，因此不适合连接大量的外围设备通道控制方式与DMA方式的区别通过执行通道程序，通道具有更强的独立处理数据输入输出的功能一个通道可以同时控制许多台同类或不同类的设备通道的典型使用方式通道的类型选择通道(SelectorChannel)字节