计算机组成_第7章输入输出系统剖析.

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1、第7章输入输出系统(书中第八章,234),功能 内部结构 数据处理 中央处理器(运算器) 数据存储 存储器组织 数据传送 输入/输出模块 控制 中央处理器(控制器),系统互连 （总线）,指令集（定义了计算机的外特性）,系统互连 （总线）,第1节 外围设备的速度分级与信息交换方式 第2节 程序查询方式 第3节 程序中断方式 第4 节DMA方式 第5节 通道方式 第6节 通用I/O接口,使用“桥”将高性能的处理器，存储器，显示与低速设备管理分离，使高性能的更快。,第1节 外围设备的速度分级与信息交换方式,一、外围设备的速度分级（控制） 二、信息交换方式（4种+1）,高速工作的主机同不同速度工作的外

2、围设备相连接，要保证主机与外围设备在时间上同步，将讨论不同外围设备的定时与分级。 输入/输出设备同CPU交换数据的过程： 输入过程： (1)CPU把一个地址值放在地址总线上，这一步将选择某一输入设备； (2)CPU等候输入设备的数据成为有效； (3)CPU从数据总线读入数据，并放在一个相应的寄存器中。,一、外围设备的速度分级,设备,地 址 锁 存 器,数 据 缓 冲 器,设 备 选 择,接口,CPU,输入过程,输出过程： (1)CPU把一个地址值放在地址总线上，选择输出设备； (2)CPU把数据放在数据总线上； (3)输出设备认为数据有效，从而把数据取走。,设备,地 址 锁 存 器,数 据 缓

3、 冲 器,设 备 选 择,接口,CPU,3,输出过程：,1、速度极慢或简单的外围设备 机械开关、LED（CPU认为其入/出稳定性） 2、慢速或中速的外围设备 异步定时（检测状态）,把这种在CPU和外设间用问答信号进行定时的方式叫做应答式数据交换 3、高速的外围设备（采用同步方式,如DMA）,由于输入/输出设备本身的速度差异很大，因此，对于不同速度的外围设备，需要有不同的定时方式，总的说来，CPU与外围设备之间的定时，有以下三种情况。,I/O对于性能的影响 例1 运行时间为100s的基准程序，其中90 s是CPU时间，剩下是I/O占用时间。若未来5年，CPU速度每年提高50%，但I/O时间保持不

4、变，那么5年后，程序运行所需时间。 CPU时间=90 s/（1.55）=11.85 s I/O=10 s,二、信息交换方式（5种）,1程序查询方式,2程序中断方式,3直接内存访问(DMA)方式,4通道方式,5外围处理机方式*（补充阅读,不要求,不考试，ppt19）,1程序查询方式 数据在CPU和外围设备之间的传送完全靠计算机程序控制，查询方式的优点是CPU的操作和外围设备的操作能够同步，而且硬件结构比较简单。CPU效率低。,由CPU主动通过I/O指令询问指定设备的当前状态。,一次数据传送过程的3个环节： CPU从状态口读取状态字；CPU检测状态字对应位是否满足条件，如果不满足，则回到前一步继续

5、读取状态字；如果设备就绪，则传送数据.,伪代码表示 void in_out(void) while(flag!=1 ); 向地址确定的接 口中寄存器输出或 输入； . ,如前所述，当 CPU 与外设交换信息时，如果用查询方式，CPU 就要浪费很多时间去等待外设。这是快速的 CPU 与慢速的外设之间的矛盾，也是计算机在发展过程中遇到的严重问题之一。,为解决这个问题，一方面要提高外设的工作速度；另一方面引入了中断的概念。中断的出现，给 CPU 与外设之间的通信带来好处.,2程序中断方式,为什么要用中断, 中断是外围设备用来“主动”通知CPU，准备送出输入数据或接收输出数据的一种方法。 通常，当一个

6、中断发生时，CPU暂停它的现行程序，而转向中断处理程序，从而可以输入或输出一个数据。当中断处理完毕后，CPU又返回到它原来的任务，并从它停止的地方开始执行程序。 CPU效率高，一般适用于随机出现的服务，并且一旦提出要求，应立即进行。 同程序查询方式相比，硬件结构相对复杂一些，服务开销时间较大。,计算机采用中断控制技术主要用在以下三个方面：,（1）同步操作 （2）实时处理 （3）故障处理,（1）同步操作 有了中断功能，就可以使 CPU 和外设同时工作。CPU 在启动外设工作后，继续执行主程序，同时外设也在工作。 当外设把数据准备好后，发出中断申请，请求 CPU 暂时终止主程序，执行输入输出（中断

7、处理）操作，输入输出操作完成以后，CPU 恢复执行主程序，外设也可以继续自己的工作。此外，有了中断功能，CPU 可允许多个外设同时工作。这样就大大提高了 CPU 的利用率，也提高了输入输出的速度。,（2）实时处理 当计算机用于实时控制时，中断是一个十分重要的功能。现场的各个参数、信息，根据需要，可在任何时间发出中断请求，要求 CPU 处理。CPU 接到中断请求，就可以作出响应（如果中断是打开的话），并调用相应的中断服务程序对该请求加以处理。这样的及时处理在查询工作方式下是做不到的。,（3）故障处理 计算机在运行过程中，往往会出现事先预料不到的情况或出现一些故障，如电源掉电、存储出错、运算溢出等

8、等，计算机可以利用中断系统自行处理，而不必停机或报告工作人员。,3直接内存访问(DMA)方式 直接内存访问(DMA)方式是一种完全由硬件执行I/O交换的工作方式。与中断方式相比，需要更多的硬件。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。 4通道方式 通道是一个具有特殊功能的处理器，某些应用中称为输入输出处理器(IOP)，它可以实现对外围设备的统一管理和外围设备与内存之间的数据传送。,5外围处理机方式*（补充阅读,不要求,不考试，ppt19） 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，甚至就是微小型计算机。在一些系统

9、中，设置了多台PPU，分别承担I/O控制、通信、维护诊断等任务。从某种意义上说，这种系统已变成分布式的多机系统。,第2节 程序查询方式,在程序控制下进行I/O信息传送.,1 设备编址 统一编址; 独立编址 直接使用独立的I/O指令,2 I/O指令 指出设备传送方向，设备地址，发出数据/接收数据，读设备状态，发控制命令。 MOV AL,00; MOV DX,278H; OUT DX,AL;,3 程序查询接口（组成）,程序查询方式的接口，包括: （1）设备选择电路. 根据CPU执行I/O指令的地址, 判别地址总线上呼叫的设备是不是本设备。 （2）数据缓冲寄存器.当输入操作时，用数据缓冲寄存器来存放

10、从外部设备读出的数据，然后送往CPU；当输出操作时，用数据缓冲寄存器来存放CPU送来的数据，以便送给外部设备输出。 （3）设备状态标志是接口中的标志触发器，如“忙”、“准备就绪”、“错误”等，用来标志设备的工作状态，以便接口对外设动作进行监视。一旦CPU用程序询问外部设备时，将状态标志信息取至CPU进行分析。,4.程序查询输入/输出方式,SKP DZ 1; JMP DEVICE1;,SKP DZ 2; JMP DEVICE2;,SKP DZ 3; JMP DEVICE3;,SKP DZ 4; JMP DEVICE4; JMP M,从端口 STAT1 取设备1状态? =1,CALL PROC1,

11、从端口 STAT2 取设备2状态? =1,CALL PROC2,从端口 STAT3 取设备3状态? =1,CALL PROC3,FLAG?=07,设置标志 FLAG,NO,NO,NO,NO,YES,YES,YES,YES,第3节 程序中断方式,一、中断的基本概念 二、程序中断方式的基本接口 三、单级中断 四、多级中断 五、中断控制器 六、例子,一、中断的基本概念,1、中断源（产生中断的事件） 2、断点 3、中断的处理的过程：（响应、处理、返回）,引起中断的原因或能发出中断请求的来源，（硬件设备或软中断）称为中断源。,1、中断源（产生中断的事件）,通常中断源有以下几种： （1）一般的输入输出设备

12、：如键盘、行打印机等。 （2）数据通道中断源：如磁盘、磁带等。 （3）实时时钟:多任务切换（时间片）,（4）故障源：例如电源掉电，就要求对正在执行的程序保护断点 即将 PC（IP）、各个寄存器的内容、标志寄存器各个标志位的状态保留下来，以便重新供电后能从断点处继续运行。另外，目前绝大部分微型机的 RAM 使用半导体存储器，所以电源掉电后，必须接入备用的电池供电电路，以保护存储器中的信息。 因此，在直流电源上，并联大容量电容器，使直流电源因掉电，电压下降到一定值时之前，能够有时间发出中断请求，由计算机的中断系统调用相应的服务程序来执行上述保护断点的各项操作。,（5）为调试程序而设置的中断源 一个

13、新程序编制好以后，必须经过反复调试才能正确可靠地工作。在程序调试时，为了检查中间结果，或为了寻找毛病所在，往往要求在程序中设置断点，或进行单步工作（一次只执行一条指令），这些就要由中断系统来实现。,2、断点,中断处理示意图,断点,断点,程序被中断处的PC值，称作断点,伪代码 main() . ; a=0; b=1; c=2; ,中断,中断服务程序,void ISR(void), 保护现场; ; a=0; b=1; c=2; 中断返回; ,PC-自动保存,1,2,3,4,尽管外界中断请求是随机的，但CPU只有在当前一条指令执行完毕后，即转入公操作时才受理设备的中断请求，这样才不致于使当前指令的执

14、行受到干扰。 公操作是指一条指令执行结束后CPU所进行的操作，如中断处理、直接内存传送、取下条指令等 。,(2) 为了在中断服务程序执行完毕以后正确地返回到原来主程序被中断的断点(PC内容)而继续执行主程序，必须把程序计数器PC的内容保存; 当前指令执行结束后CPU的状态(包括寄存器的内容和一些状态标志位)都保存到堆栈中去。这些操作叫做保存现场。,(3) 当CPU响应中断后，正要去执行中断服务程序时，可能有另一个新的中断源向它发出中断请求。为了不致造成混乱，在CPU的中断管理部件中必须有一个中断屏蔽触发器，它可以在程序的控制下置“1”(设置屏蔽)，或置“0”(取掉屏蔽)。,(4) 中断处理过程

15、是由硬件和软件结合来完成的。 中断周期由硬件实现; 中断服务程序由机器指令序列实现。后者除执行保存现场、恢复现场、开放中断并返回主程序任务外，对要求中断的设备进行服务，使其同CPU交换一个字的数据，或作其他服务。,3、中断的处理的过程：（响应、处理、返回）,指令周期,公操作,二、程序中断方式的基本接口,1、带有中断申请功能的基本接口组成CPU的中断请求机构,CPU与外设接口最基本的组成( 也存在于查询方式) 数据缓冲寄存器 地址译码（设备选择），状态,申请部件和信号： RD（READY标志） 就绪状态标志触发器 EI（ENABLE INTEPTE） 中断允许触发器 CPU的中断请求机构 -中断

16、请求触发器(IR),中断屏蔽触发器(IM),2、中断基本接口的工作过程（CAI）,-,图中所示 1）程序设BS=1，“就绪信号”RD=0(清零) 2）发启动信号 3）外设的数据 接口的缓冲器 4）缓冲器满或设备传输结束则置RD=1 5）当接口中断触发器的“EI”=1，则本接口向CPU发出中断 6）CPU或中断控制器将设置IR（中断请求R） 7）当“IM”=0，响应中断 8）-9)进入中断服务程序，通过输入/输出指令将接口缓冲器中的数据,10)CPU使BSRD复位,三、单级中断,根据计算机系统对中断处理的策略不同，可分为单级中断系统和多级中断系统。 1、单级中断的概念 所有的中断源都属于同一级 2、单级中断源的识别 采用链式排队方式 3 中断向量的产生,单级中断系统