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1、第第章章 输入输出系统输入输出系统 5.6 DMA方式 5.5 程序中断方式 5.4 程序查询方式 5.3 I/O接口 5.2 外部设备 5.1 概述 5.1 5.1 概概 述述 一、输入输出系统的发展概况 1. 早期 分散连接 特点： 1）每个I/O设备通过独立逻辑电路与CPU相连，线路 散乱、庞杂。 2）串行工作方式，浪费资源。 3）紧密连接，增减I/O设备困难。 此阶段，计算机设备昂贵未普及。 CPUI/O设备主存 5.1 5.1 概概 述述 2. 接口模块和 DMA 阶段 总线连接 CPU 和 I/O设备 并行 工作 中断方式 DMA 方式 主 机 接口 I/O设备1 接口 I/O设备
2、2 接口 I/O设备n 5.1 5.1 概概 述述 3. 具有通道结构的阶段 通道，可以视为一个特殊的处理器，负责 主存与I/O设备之间的信息交换。有单独的 通道指令，可以执行通道指令编写的程序 。但是不是独立处理器，需要依据CPU的 I/O指令进行启动、停止和改变工作状态。 CPUI/O设备主存通道 5.1 5.1 概概 述述 4. 具有 I/O 处理机的阶段 独立于主机工作，可以完成通道的功能， 同时还可以实现码制变换、格式处理、数 据块检错、纠错等。 输入输出与CPU具有更高的并行性。 二、输入输出系统的组成 1. I/O 软件 (1) I/O 指令 (2) 通道指令 CPU 指令的一部
3、分 通道自身的指令 指出数组的首地址、传送字数、操作命令 如 IBM/370 通道指令为 64 位 操作码命令码设备码 5.15.1 任务： （1）数据程序输入主机； （2）结果输出； （3）实现输入输出系统与主机的协调； 二、输入输出系统的组成 2. I/O 硬件 设备I/O 接口 设备设备控制器通道 5.15.1 三、I/O 设备与主机的联系方式 1. I/O 设备编址方式 (1) 统一编址 (2) 不统一编址 用取数、存数指令 有专门的 I/O 指令 2. 设备选址 用设备选择电路识别是否被选中 3. 传送方式 (1) 串行 (2) 并行 5.15.1 数据字命令字命令字 0 1 1 0
4、 1 0 0 0 起始位 终止位 9.09 ms2 9.09 ms 4. 联络方式 (1) 立即响应 (2) 异步工作采用应答信号 “Ready” “Strobe” I/O 接 口 I/O 设 备 CPU (3) 同步工作采用同步时标 5.15.1 并行 串行 起始位 终止位 9.09 ms2 9.09 ms 5. I/O 设备与主机的连接方式 (1) 辐射式连接 (2) 总线连接 外设 外设 外设 主 机 不便于增删设备 每台设备都配有一套 控制线路和一组信号线 5.15.1 便于增删设备 四、I/O设备与主机信息传送的控制方式 1. 程序查询方式 CPU 和 I/O 串行工作 踏步等待 C
5、PU读I/O状态 检查状态 未准备就绪出错 从I/O接口中读 一个字到CPU 从CPU向主存 写入一个字 CPU向I/O发 读指令 CPU读I/O状态 检查状态 完成否 未准备就绪 现行程序 是 出错 已准备就绪 否 5.15.1 2. 程序中断方式 I/O 工作 CPU 不查询 CPU 暂停现行程序 自身准备 与主机交换信息 CPU 和 I/O 并行工作 启动 I/O设备 现行程序 中断服务程序 K K+1 没有踏步等待现象 中断现行程序 5.15.1 程序中断方式流程 CPU 向 I/O 发读指令 CPU 读 I/O 状态 检查状态 完成否？ CPU 做其他事情 I/O 设备工作 准备就绪
6、 CPU I/O 从 CPU 向主存写入一个字CPU 主存 从 I/O 接口中读一个字到CPUI/O CPU 中断请求 I/O CPU 出错 是 否 未错 5.15.1 3. DMA 方式 主存和 I/O 之间有一条直接数据通道 不中断现行程序 周期挪用（周期窃取） CPU 和 I/O 并行工作 存取周期结束 CPU 执行现行程序CPU 执行现行程序 DMA请求启动I/O I/O准备I/O准备 一个存取周期 实现I/O与主存之间的传送 5.15.1 三种方式的 CPU 工作效率比较 存取周期结束 CPU 执行现行程序CPU 执行现行程序 DMA请求启动I/O I/O准备I/O准备 一个存取周期
7、 实现I/O与主存 之间的传送 CPU 执行 现行程序 CPU查询等待并传输I/O数据 CPU 执行 现行程序 启动I/O I/O 准备及传送 指令执行周期结束 CPU 执行现行程序CPU 执行现行程序 启动I/O中断请求 I/O准备 I/O准备 CPU 处理中断服务程序 实现 I/O 与主机之间的传送 间 断 启动I/O 启动I/O I/O准备 中断请求 启动I/O I/O准备 一个存取周期 DMA请求 程序 查询 方式 程序 中断 方式 DMA 方式 5.15.1 I/O 准备及传送 间 断 I/O准备 I/O准备 5.2 5.2 I/OI/O设备设备 一、概述 主机 设备 控制器 机、电
8、 磁、光 部分 I/O 接 口 外部设备 外部设备大致分三类 键盘、鼠标、打印机、显示器 磁盘、光盘、磁带 1. 人机交互设备 2. 计算机信息存储设备 3. 机 机通信设备调制解调器等 二、输入设备 1. 键盘 2. 鼠标 3. 触摸屏 按键 判断哪个键按下 将此键翻译成 ASCII 码 （编码键盘法） 机械式 金属球 电位器 5.25.2 光电式 光电转换器 三、输出设备 1. 显示器 (1) 字符显示 (2) 图形显示 (3) 图像显示 字符发生器 主观图像 客观图像 2. 打印机 (1) 击打式 (2) 非击打式 点阵式（逐字、逐行） 喷墨（逐字）激光（逐页） 5.25.2 四、其他
9、1. A/D、D/A 2. 终端 3. 汉字处理 五、多媒体技术 完成显示控制与存储、键盘管理及通信控制 模拟/数字（数字/模拟）转换器 汉字输入、汉字存储、汉字输出 1. 什么是多媒体 2. 多媒体计算机的关键技术 5.25.2 由键盘和显示器组成 5.3 I/O 5.3 I/O 接接 口口 一、概述 为什么要设置接口？ 1. 实现设备的选择 2. 实现数据缓冲达到速度匹配 4. 实现电平转换 5. 传送控制命令 6. 反映设备的状态（“忙”、“就绪”、“中断请求”） 3. 实现数据串 并格式转换 二、接口的功能和组成 (1) 设备选择线 (2) 数据线 (3) 命令线 (4) 状态线 I/
10、O 接口 设备 I/O 接口 设备 数据线 命令线 状态线 I/O总线 设备选择线 1. 总线连接方式的 I/O 接口电路 5.35.3 2. 接口的功能和组成 功能组成 选址功能 传送命令的功能 传送数据的功能 反映设备状态的功能 设备选择电路 命令寄存器、命令译码器 数据缓冲寄存器 设备状态标记 完成触发器 D 工作触发器 B 中断请求触发器 INTR 屏蔽触发器 MASK 5.35.3 3. I/O 接口的基本组成 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
11、 地址线 5.35.3 三、接口类型 并行接口 串行接口 可编程接口 不可编程接口 通用接口 专用接口 1. 按数据 传送方式 分类 2. 按功能 选择的灵活性 分类 3. 按 通用性 分类 4. 按数据传送的 控制方式 分类 中断接口 DMA 接口 5.35.3 Intel 8255 Intel 8251 Intel 8255、 Intel 8251 Intel 8212 Intel 8255、 Intel 8251 Intel 8279、 Intel 8275 Intel 8259 Intel 8257 5.4 5.4 程序查询方式程序查询方式 一、程序查询流程 检查状态标记1 设备1 准
12、备就绪？ 检查状态标记N 设备N 准备就绪？ 处理设备1 是 否 否 处理设备N 是 1. 查询流程 检查状态标记 交换数据 准备就绪? 是 否 单个设备 多个设备 测 试 指 令 转 移 指 令 传 送 指 令 2. 程序流程 设置主存缓冲区首址 设置计数值 启动外设 传送一个数据 修改主存地址 修改计数值 结束I/O传送 准备好？ 传送完？ 未完 是 完 否 5.45.4 保存 寄存器内容 设备选择电路 DBR QQ & 数据线 准备就绪 启动命令 地址线 SEL 输入数据 启动设备 设备工作 结束 DB 二、程序查询方式的接口电路 10 10 5.45.4 以输入为例 5.5 5.5 程
13、序中断方式程序中断方式 一、中断的概念 K K+1 Q Q+1 中断服务程序 1 中断服务程序 2 入口1 入口2 二、I/O 中断的产生 以打印机为例 发中断请求 空闲接收 数据 接收 数据 准备 发中断请求 打印打印 打印机 执行主程序继续执行主程序继续执行主程序 响应中断 中断返回 响应中断 中断返回 启动 打印机 传送 数据 传送 数据 CPU CPU 与打印机并行工作 5.55.5 三、程序中断方式的接口电路 1. 配置中断请求触发器和中断屏蔽触发器 D Q & 1 INTR 中断请求触发器 INTR = 1 有请求 MASK 中断屏蔽触发器 MASK = 1 被屏蔽 来自 CPU
14、的 中断查询信号 受设备本身控制 INTR D MASK Q D 完成触发器 5.55.5 中断请求 2. 排队器 排队 在 CPU 内或在接口电路中（链式排队器）硬件 软件 5.55.5 详见第八章 INTP1INTP2INTP3INTP4 INTR1INTR2INTR3INTR4 1& 1& 1& 1& INTR1 设备 1#、2#、3#、4# 优先级按 降序排列 INTRi = 1 有请求 即 INTRi = 0 1 INTP1 1 INTP2 1 INTP3 1 INTP4 & INTR1INTR2INTR3INTR4 INTR1INTR2INTR3INTR4 1& 1& 1& 1&
15、INTP1INTP2INTP3INTP4 INTR2INTR1 INTR1INTR2 5.55.5 1 & INTP2 2. 排队器 排队 在 CPU 内或在接口电路中（链式排队器）硬件 软件 详见第八章 3. 中断向量地址形成部件 入口地址 向量地址 排队器输出 由软件产生 硬件向量法 显示器服务程序 打印机服务程序 JMP 400 JMP 300 JMP 200 主存 12H 13H 14H 200 300 向量地址 入口地址 入口地址 中断向量地址 形成部件 设备 编码器 1 0 0 0 00010010 0 1 0 0 00010011 详见第八章 由 硬件 产生 向量地址 再由 向量
16、地址 找到 入口地址 5.55.5 设备选择电路 DBR D Q & 数据线 启动命令 地址线 SEL 输入数据 启动设备 设备工作 结束 & 1 Q Q D INTR B Q Q MASK 设备编码器 排队器 中断查询 来自高一级 的排队器 至低一级 的排队器 向量地址 中断响应 INTA 中断请求 命令译码 4. 程序中断方式接口电路的基本组成 5.55.5 四、I/O 中断处理过程 1. CPU 响应中断的条件和时间 (1) 条件 (2) 时间 允许中断触发器 EINT = 1 用 开中断 指令将 EINT 置 “1” 用 关中断 指令将 EINT 置“ 0” 或硬件 自动复位 当 D = 1（随机）且 MASK = 0 时 在每条指令执行阶段的结束前 CPU 发 中断查询信号（将 INTR 置“1”） 5.55.5 设
