白中英计算机组成原理第8章_输入输出系统ppt课件

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1、第8章输入输出系统 24 04 2020 2 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 了解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 24 04 2020 3 考研大纲要求 一 I O系统基本概念 二 外部设备 三 I O接口 I O控制器 1 I O接口的功能和基本结构2 I O端口及其编址 四 I O方式1 程序查询方式2 程序中断方式3 DMA方式DMA控制器的组成 DMA传送过程 4 通道方式 第7章 中断的基本概念 中断响应过程 中断处理过程 多重中断和中断屏蔽的概念 24 04 2020 4 8 1

2、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 24 04 2020 5 8 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 24 04 2020 6 8 1 2

3、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 8 1 swf 24 04 2020 7 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

4、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 24 04 2020 8 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 特点一定程度上实现了CPU和外设的并行工作 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 24 04 2020 9 工作过程CPU分配总线使用权之后 在硬件DMA控制器 DMAC 的控制下完成存储器与高速外设之间的大量数据的传送

5、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 24 04 2020 10 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 24 04 2020 11 8 2程序查询方式 CPU INAL DX 数据总

6、线 地址总线 RD WR MIO IO 0 地址信息 0 OUTDX AL 0 0 地址信息 数据的输入输出完全由程序控制 24 04 2020 12 1 设备编址 统一编址方式 统一编址方式将I O系统与主存系统作为一个整体进行编址 优点 访问I O端口可使用访存指令 操作类型多样 使用灵活 I O端口有较大的编址空间 缺点 占用主存空间 使实际主存容量减小 I O访问的指令字长较长 执行速度慢 以20位主存地址 16位I O地址为例 主存储器 I O设备 EFFFFH F0000H 24 04 2020 13 1 设备编址 独立编址方式 独立编址方式将I O系统与主存系统分别编址 特点 I

7、 O端口地址不占用主存空间 使用专用的I O指令 指令字长短 执行速度快 与主存空间区分容易 主存储器 I O设备 以20位主存地址 16位I O地址为例 24 04 2020 14 2 输入 输出指令 IO指令输入指令 INAL AX DX PORT从指定端口读入一个字节 字数据到累加器 输出指令 OUTDX PORT AL AX将累加器中的一个字节 字数据送到指定端口输出 IO指令一般的功能 对I O接口的控制触发器置1或0 控制其进行某些操作 CPU向IO接口发命令字 测试设备的某些状态 CPU读取IO接口的状态字 输入或输出数据 CPU与IO接口之间的数据传送 以数据形式传送控制 状态

8、信息 24 04 2020 15 3 程序查询方式的接口 CPU通过地址信号选中某设备接口 CPU通过向该接口发送命令字的方式 启动外设 外设开始工作后 设置当前 忙 状态 CPU与外设通过接口内部的数据缓冲器传送数据 动画演示 8 2 swf 24 04 2020 16 4 程序查询输入 输出方式 程序执行动作如下 CPU请求数据传送 CPU从I O接口读入状态字 检查状态字中的标志 未就绪 则重复 步 直到设备就绪为止 CPU输入或输出数据 同时复位接口中的状态标志 特点可通过改变查询顺序修改设备的优先权 CPU工作效率低 动画演示 8 3 swf 24 04 2020 17 8 3程序中

9、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 6PC系列机中断机制 24 04 2020 18 8 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 8 4 swf 2

10、4 04 2020 19 主程序 中断服务程序 IP 中断请求 主程序 中断响应 中断服务程序 中断返回 IRET 断点 IP IP IP 中断过程示意 24 04 2020 20 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 24 04

11、2020 21 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 开中断 恢复CPU现场 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 24 04 2

12、020 22 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 24 04 2020 23 中断向量表 0000 00000000 00010000 00020000 0003 0000 00200000 00210000 00220000 0023 0000 03FC0000 03FD0000

13、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 24 04 2020 24 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n 4 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 24 04 2020 25 中断处理流程 动画演示 8 5 swf 由中断隐指令执行 24 04 2020 26 中断处理过程中的问题

14、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 24 04 2020 27 8 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

15、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 24 04 2020 28 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 数据 一条指令结束 数据 1 0 1 1 0 IF 0 0 0 1 动画演示 8 6 swf 24 04 2020 29 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

16、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 24 04 2020 30 8 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 8 7 swf 24 04 2020 31 2 单级中断源的识别 串行排队链法 动画演示 8 8 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 24 04 2020 32 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向量地址 向量地址 中断源的中断服务程序入口地址 要求 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CPU中某寄存器中的基地址 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 24 04 2020 33 8 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