计算机组成原理5.1-5.5概要

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1、本章讨论： 第5章 总线与输入/输出系统 接口的基本概念 中断方式及其接口组成和设计方法 DMA方式及其接口组成和设计方法 总线的基本概念 5.1 概述 I/O接口指主机和外 设的交接部分， 位于系统总线和外 设之间。 接口 外设 系统总线 5.2 总线 1、单总线方式 数据总线DB 地址总线AB 控制总线CB 双向 与机器字长、存储字长有关 单向 与存储地址、 I/O地址有关 有出 有入 存储器读、存储器写、中断响应、总线响应中断请求、总线请求 单总线（系统总线：DB、AB 、CB ） CPU M.M I/O接口 外部 设备1 外部 设备2 I/O接口 外部 设备n I/O接口 5.2 总线

2、 1、单总线方式 2、多总线连接结构 局域网 系统总线 CPUCache 局部总线 扩展总线接口 扩展总线 Modem串行接口SCSI 局部I/O控制器主存 5.2 总线 1、单总线方式 2、多总线连接结构 3、高性能多总线结构 主存 扩展总线接口 局域网SCSI多媒体 CPU 调制解调器串行接口FAX 系统总线局部总线 高速总线 扩展总线 图形 Cache/桥 5.2 总线 1、单总线方式 2、多总线连接结构 3、高性能多总线结构 4、通道方式和I/O处理机方式 具有特殊功能的处理器 由通道对I/O统一管理 通道 I/O接口 设备n I/O接口 设备0 CPU主存 主存总线 I/O总线 一、

3、总线的特性与分类 0、总线定义、特点、实体 (1)定义： 一组能为多个部件分时共享的信息传送线路。 (2)特点： 分时、共享。 通常作法：发送部件通过三态门分时发送信息 ，由打入脉冲将信息送入指定接收部件。 (3)实体： 一组传送线与相应控制逻辑 CPU内设置控制逻辑 设置总线控制器 5.2 总线 对总线信号组成、信号引脚含义、信号电平等作统一规 定。 1、 总线的特性（与 5.2.2总线标准） (1) 机械特性 (2) 电气特性 (3) 功能特性 (4) 时间特性 尺寸、 形状、引脚个数以及排列顺序 传输方向和有效的电平 范围 每根传输线的功能 信号的 时序 关系 ( 地址、数据、控制 )

4、ISA/AT EISA VESA/VL-BUS PCI AGP RS-232C SCSI USB 模块 系统 总 线 标 准 系统 模块 标 准 界 面 界面对其连接的两侧 的模块都是透明的 系统 总线 标准 设备 总线 标准 2、总线的分类 （1）按功能划分 1）数据总线 2）地址总线 3）控制总线 （2）按数据传送格式划分 1）并行总线：同时传送各位信息。 并行 2）串行总线： 串行 （3）按时序控制方式划分（5.2.3-2总线控制方式 ） 1）同步总线 由统一时序控制总线传送操作。 时钟周期、同步脉冲 T1 总线传输周期 T2T3T4 时钟 地址 读 命令 数据 例如：主存向CPU传送数

5、据 2）异步总线 无固定时钟周期划分，总线周期时间由传送实际需要决定 ；以异步应答方式控制总线传送操作。 （3）按时序控制方式划分 不互锁半互锁全互锁 主设备 从设备 请 求 回 答 总线请求 2）异步总线 例. (设备 CPU) 总线批准 (CPU 设备) 主同步 (主 从) 从同步 (从 主) 总线周期 总线传送 （时间可变） （时间可变） 总线权切换 （3）按时序控制方式划分 3）扩展同步总线 以时钟周期为时序基础，允许总线周期中的时钟数可变。 注意几个“周期”概念： 时钟周期： CPU一步操作(一次内部数据通路传送)时间。 总线周期： 经过总线的一次数据传送(访存)时间。 通常包含若干

6、时钟周期。 工作周期： 指令周期中的一个操作阶段。 可包含多个总线周期。 （模型机的一个总线周期只包含一个时钟周期。） （3）按时序控制方式划分 2、总线分类 （4）按总线的结构层次划分（或按在系统中所处的地位 ）1）CPU内总线 CPU芯片内寄存器与算逻部件之间互连的总线。 （ALU总线） 单组数据线(单向、双向)或多组数据线，或多种总线。 2）部件内总线 插件板内各芯片之间互连的总线。 分为地址、数据、控制线。 3）系统总线 计算机系统内各功能部件（如CPU、存储器等）之间，或 各插件板之间互连的总线。（板级总线） 分为地址、数据、控制线。 4）外部总线 计算机系统之间或计算机系统与其他系

7、统之间互连的总 线。（通信总线）分为数据线(与地址复用)、控制线。 （局部总线、片级总线 ） 二.总线的总裁（总线的总裁（ 5.2.3-35.2.3-3总线的控制方式）总线的控制方式） 总线判优控制 分布式 集中式 主设备(模块)对总线有 控制权 从设备(模块) 响应 从主设备发来的总线命令 链式查询 计数器定时查询 独立请求方式 1） 链式查询方式 总 线 控 制 部 件 I/O接口0 BS BR I/O接口1I/O接口n BG 数据线 地址线 BS -总线忙 BR-总线请求 BG-总线同意 I/O接口1 0 BS -总线忙 BR-总线请求 总 线 控 制 部 件 数据线 地址线 I/O接口

8、0 BS BR I/O接口1I/O接口n 设备地址 2）计数器定时查询方式 I/O接口1 计数器 设备地址 1 排队器排队器 3）独立请求方式 总 线 控 制 部 件 数据线 地址线 I/O接口0I/O接口1I/O接口n BR0 BG0 BR1 BG1 BRn BGn BG-总线同意 BR-总线请求 4.总线通信控制 目的 总 线 传 输 周 期 主模块申请，总线仲裁决定 主模块向从模块 给出地址 和 命令 主模块和从模块 交换数据 主模块 撤销有关信息 申请分配阶段 寻址阶段 传数阶段 结束阶段 解决通信双方 协调配合 问题 由 统一时标 控制数据传送同步通信 异步通信 半同步通信 采用 应

9、答方式，没有公共时钟标准 同步、异步结合 总 线 通 信 方 式 1、 接口基本功能 三、接口的功能与分类(5.1.2) 接口 外设 系统总线 问题1：I/O设备如何与CPU相连？ 接收CPU送来的地址码， I/O接口（I/O适配器）：主机与外设进行信息交换的 逻辑控制部件。 接口：泛指两个设备（软，硬 ）之间的交接部分。 问题2：能否像存储器直接与CPU相连 ？ (1)寻址(识别地址码或地址译码) 选择接口中的寄存器供CPU访问。 (2)数据传送与缓冲 实现主机与外设的速度匹配。 缓冲深度与传送的数据量有关。 接口 外设 系统总线 串-并格式转换（串口） (3)数据类型、格式的转换 实现主机

10、与I/O设备间数据交换。 数据通路寬度转换（并口） 电平转换 (4)控制逻辑（主机与外设之间数据、控制命令和 状态信息的交换 ） 传送控制命令与状态信息，实现I/O传送控制方式。 (5)信息交换的控制（输入/输出控制方式5.1.3） 直接程序传送方式 程序中断方式（中断方式） DMA方式 IOP或PPU方式 外设（或I/O端口）单独编址 l优点： I/O端口的地址空间独立（不占用 存储空间） 控制和地址译码电路相对简单 专门的I/O指令使程序清晰易读 l缺点： I/O指令没有存储器指令丰富（专 用I/O指令，灵活性差） 内存 空间 I/O 空间 FFFFF 0 FFFF 80x86采用I/O端

11、口独立编址 2、I/O接口的编址(I/O设备的编址) 外设（或 I/O端口）与主存统一编址 l优点： 不需要专门的I/O指令 I/O数据存取与存储器数据 存取一样灵活（如MOV或进 行其它操作） l缺点： I/O端口要占去部分存储器 地址空间 程序不易阅读（不易分清访 存和访问外设） 内存 部分 I/O 部分 存储器空间 00000 FFFFF 2、I/O接口的编址(I/O设备的编址) 8088/8086的输入输出指令 l输入指令（IN：将外设数据传送给CPU内的AL/AX） IN AL,i8;字节输入 IN AL,DX;字节输入 IN AX,i8;字输入 IN AX,DX;字输入 l输出指令

12、（OUT：将CPU内的AL/AX数据传送给外设） OUT i8,AL;字节输出 OUT DX,AL;字节输出 OUT i8,AX;字输出 OUT DX,AX;字输出 3、接口分类 （1）按数据传送格式划分 1）并行接口 接口 外设 系统总线 接口与系统总线、接口与外设均按并行方式传送数据。 并并 数据各位同时传送。 2）串行接口 适用于设备本身并行工作，距主机较近的场合。 并串 接口与系统总线并行传送，接口与外设串行传送。 数据逐位分时传送。 适用于设备本身串行工作，或距主机较远，或需减少传送 线的情况。 （2）按时序控制方式划分 1）同步接口 接口与系统总线的信息传送由统一时序信号控制。 （

13、4）按是否可编程控制 2）异步接口 接口 外设 系统总线 1）直接程序传送接口 （可采用查询方式） 2）不可编程接口 （3）按信息传送控制方式划分 2）中断接口 接口与系统总线的信息传送 采用异步应答方式。 3）DMA接口 （可插入中断作DMA善后处理） 1）可编程接口 （5）按所连接总线分类 1）ISA总线接口 2）EISA总线接口 3）MCA总线接口 4）STD总线接口 CPU通过I/O指令对I/O接口进行访问（I/O操作） 1、立即程序传送方式（或无条件传送或同步传送方式） 特点：程序简单，硬件省；主机与外设要同步（外设准 备好），否则出错。 2、程序查询方式（或条件传送或异步传送方式）

14、 5.3 直接程序传送方式与接口 主机对I/O接口的访问（读/写）不需要任何条件，随时可 以进行（要求主机与外设是同步的）。即在传送信息时， 外设已准备好 主机对I/O接口访问（或传送数据）前，需要查询外设 的状态，已准备好，传送数据，否则，CPU等待。 特点：传送可靠 ， CPU与I/O设备串行工作，CPU利用 率低（外设准备时好） 5.4 中断方式及接口 一、中断基本概念 1.定义 CPU暂时中止现行程序的执行，转去执行为某个随 机事态服务的中断处理程序。处理完毕后自动恢复 原程序的执行。 中断服务程序 入口 K K+1 中断服务程序 中断请求 中断判优 中断响应 中断处理 中断返回 第四

15、节 中断方式及接口 一、中断基本概念 1.定义 （1）实质 程序切换 方法：保存断点，保护现场； 恢复现场，返回断点。 时间：一条指令结束时切换。 保证程序的完整性。 （2）特点 随机性 随机发生的事态 注意中断与转子的区别。 （按键、故障） 有意调用,随机请求与处理的事态 （调用打印机 ）随机插入的事态 （软中断指令插入程序任何位置 ） 2.中断方式的典型应用 （1）管理中、低速I/O操作 （2）软中断 INT n （4）实时处理 （5）多机通信 （6）人机对话 （3）处理故障 中断服务程序、中断向量表 3.中断系统的组成（硬件和软件组织） （2）软件 ： （1）硬件 接口方面： 请求、传递

16、、判优逻辑 CPU方面： 响应逻辑 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 对不同的中断源 （如：I/O 设备）具有不同内容的服务 中断返回指令 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 由硬件请求信号引发中断 4.中断分类 （1）硬件中断与软中断 由软中断指令引发中断 （2）内中断与外中断 中断源来自主机内部 中断源来自主机外部 （3）可屏蔽中断与非屏蔽中断 可通过屏蔽字屏蔽该类 请求；关中断时不响应 该类请求。 该类请求与屏蔽字无关 ；请求的响应与开/关中 断无关。 由硬件提供服务程序入口地址 （4）向量中断与非向量中断 由软件提供服务程序 入口地址 32 PC PC 机中断系统的结构机中断系统的结构 1. 内部中断 l内部中断是由于8088内部执行程序出现异 常引起的程序中断 除法错中断 指令中断 溢出中断 单步中断 l利用内部中断，为用户提供了发现、调试 并解决程序执行时异常情况的有效途径 l例如，ROM-BIOS和D