第9章--计算机学科方法论.ppt

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1、1,蒋本珊 编著,中国计算机学会“21世纪大学本科计算机专业系列教材”计算机组成原理,2,第9章输入输出系统,3,计算机的输入输出系统是整个计算机系统中最具有多样性和复杂性的部分，本章首先讨论主机与外设之间的连接问题，重点介绍程序查询方式、程序中断方式、DMA方式、通道方式等4种输入输出控制方式。,4,本章学习内容,9.1 主机与外设的连接 9.2 程序查询方式及其接口 9.3 中断系统和程序中断方式 9.4 DMA方式及其接口 9.5 通道控制方式,5,本章学习要求,了解：接口的基本组成，接口和端口概念 了解：程序查询方式的特点和工作流程 理解：程序中断的基本概念，程序中断与调用子程序的区别

2、 掌握：CPU响应中断的条件和中断隐指令概念 理解：中断的各个过程 了解：DMA方式的特点和DMA接口的组成 理解：DMA传送方法和DMA传送过程。 了解：通道控制方式和通道控制的类型 了解：总线控制,6,9.1 主机与外设的连接,现代计算机系统中外部设备的种类繁多，各类外部设备不仅结构和工作原理不同，而且与主机的连接方式也是复杂多变的。,7,9.1.1 输入输出接口,主机和外设的连接方式有辐射型连接、总线型连接等。输入输出接口（I/O接口）是主机和外设之间的交接界面，通过接口可以实现主机和外设之间的信息交换。 主机和外设之间进行信息交换为什么一定要通过接口呢？这是因为主机和外设各自具有自己的

3、工作特点，它们在信息形式和工作速度上具有很大的差异，接口正是为了解决这些差异而设置的。,8,1.接口的功能 实现主机和外设的通信联络控制 接口中的同步控制电路用来解决主机与外设的时间配合问题。 进行地址译码和设备选择 任何一个计算机系统都配备有多种外设，同一种外设也可能配备多台，主机在不同时刻要与不同外设交换信息，当CPU送来选择外设的地址码后，接口必须对地址进行译码以产生设备选择信息，使主机能和指定外设交换信息。,9.1.2 接口的功能和基本组成,9,1.接口的功能（续）,实现数据缓冲 在接口电路中，一般设置有一个或几个数据缓冲寄存器，用于数据的暂存，以避免因速度不一致而丢失数据。在传送过程

4、中，先将数据送入数据缓冲寄存器中，然后再送到输出设备或主机中去。 数据格式的变换 在输入或输出操作过程中，为了满足主机或外设的各自要求，接口电路中必须具有实现各类数据相互转换的功能。例如：并串转换、串并转换、模数转换、数模转换以及二进制数和ASCII码的相互转换等。,10,1.接口的功能（续）,传递控制命令和状态信息 当CPU要启动某一外设时，通过接口中的命令寄存器向外设发出启动命令；当外设准备就绪时，则有“准备好”状态信息送回接口中的状态寄存器，为CPU提供反馈信息，告诉CPU，外设已经具备与主机交换数据的条件。当外设向CPU提出中断请求和DMA请求时，CPU也应有相应的响应信号反馈给外设。

5、,11,接口中要分别传送数据信息、控制信息和状态信息，数据信息、控制信息和状态信息都通过数据总线来传送。大多数计算机都把外部设备的状态信息视为输入数据，而把控制信息看成输出数据，并在接口中分设各自相应的寄存器，赋以不同的端口地址，各种信息分时地使用数据总线传送到各自的寄存器中去。,2.接口的基本组成,12,图9-1 接口与主机、外设间的连接示意图,接口与主机、外设间的连接示意图,13,接口与端口是两个不同的概念。端口是指接口电路中可以被CPU直接访问的寄存器，若干个端口加上相应的控制逻辑电路才组成接口。 通常，一个接口中包含有数据端口、命令端口和状态端口。存放数据信息的寄存器称为数据端口，存放

6、控制命令的寄存器称为命令端口，存放状态信息的寄存器称为状态端口。CPU通过输入指令可以从有关端口中读取信息，通过输出指令可以把信息写入有关端口。,2.接口的基本组成（续）,14,CPU对不同端口的操作有所不同，有的端口只能写或只能读，有的端口既可以读又可以写。例如：对状态端口只能读，可将外设的状态标志送到CPU中去；对命令端口只能写，可将CPU的各种控制命令发送给外设。为了节省硬件，在有的接口电路中，状态信息和控制信息可以共用一个寄存器（端口），称之为设备的控制/状态寄存器。,2.接口的基本组成（续）,15,输入输出接口的分类可以从不同的角度来考虑。 按数据传送方式分类 按主机访问I/O设备的

7、控制方式分类 按功能选择的灵活性分类 按通用性分类 按输入输出的信号分类 按应用来分类,3.接口的类型,16,为了能在众多的外设中寻找或挑选出要与主机进行信息交换的外设，就必须对外设进行编址。外设识别是通过地址总线和接口电路中的外设识别电路来实现的，I/O端口地址就是主机与外设直接通信的地址，CPU可以通过端口发送命令、读取状态和传送数据。,9.1.3 外设的识别与端口寻址,17,I/O端口编址方式有两种：一种是I/O映射方式，即把I/O端口地址与存储器地址分别进行独立的编址；另一种是存储器映射方式，即把端口地址与存储器地址统一编址。 独立编址 在这种编址方式中，主存地址空间和I/O端口地址空

8、间是相对独立的，分别单独编址。CPU访问主存时，由主存读写控制线控制；访问外设时，由I/O读写控制线控制。,1.端口地址编址方式,18,统一编址 在这种编址方式中，I/O端口地址和主存单元的地址是统一编址的，把I/O接口中的端口作为主存单元一样进行访问，不设置专门的I/O指令。,1.端口地址编址方式（续）,19,独立编址方式在Intel系列、Z80系列微机及大型计算机中得到广泛应用，Intel 80 x86的I/O地址空间由216（64K）个独立编址的8位端口组成。两个连续的8位端口可作为16位端口处理；四个连续的8位端口可作为32位端口处理。因此，I/O地址空间最多能提供64K个8位端口、3

9、2K个16位端口、16K个32位端口或总容量不超过64KB的不同端口的组合。,2.独立编址方式的端口访问,20,80 x86的专用I/O指令IN和OUT有直接寻址和间接寻址两种类型。直接寻址I/O端口的寻址范围为000000FFH，至多为256个端口地址。 间接寻址由DX寄存器间接给出I/O端口地址。DX寄存器长16位，所以最多可寻址216=64K个端口地址。 CPU一次可实现字节（8位）、字（16位）或双字（32位）的数据传送。32位端口应对准可被4整除的偶地址；16位端口应对准偶地址；8位端口可定位在偶地址，也可定位在奇地址。,2.独立编址方式的端口访问（续）,21,9.1.4 输入输出信

10、息传送控制方式,主机和外设之间的信息传送控制方式，经历了由低级到高级、由简单到复杂、由集中管理到各部件分散管理的发展过程，按其发展的先后次序和主机与外设并行工作的程度，可以分为4种。,22,1.程序查询方式,程序查询方式是一种程序直接控制方式，这是主机与外设间进行信息交换的最简单方式，输入和输出完全是通过CPU执行程序来完成的。一旦某一外设被选中并启动之后，主机将查询这个外设的某些状态位，看其是否准备就绪？若外设未准备就绪，主机将再次查询；若外设已准备就绪，则执行一次I/O操作。 这种方式控制简单，但外设和主机不能同时工作，各外设之间也不能同时工作，系统效率很低，因此，仅适用于外设的数目不多，

11、对I/O处理的实时要求不那么高，CPU的操作任务比较单一，并不很忙的情况。,23,在主机启动外设后，无须等待查询，而是继续执行原来的程序，外设在做好输入输出准备时，向主机发中断请求，主机接到请求后就暂时中止原来执行的程序，转去执行中断服务程序对外部请求进行处理，在中断处理完毕后返回原来的程序继续执行。显然，程序中断不仅适用于外部设备的输入输出操作，也适用于对外界发生的随机事件的处理。 完成一次程序中断还需要许多辅助操作，主要适用于中、低速外设。,2.程序中断方式,24,DMA方式是在主存和外设之间开辟直接的数据通路，可以进行基本上不需要CPU介入的主存和外设之间的信息传送，这样不仅能保证CPU

12、的高效率，而且能满足高速外设的需要。 DMA方式只能进行简单的数据传送操作，在数据块传送的起始和结束时还需CPU及中断系统进行预处理和后处理。,3.直接存储器存取（DMA）方式,25,I/O通道控制方式是DMA方式的进一步发展，在系统中设有通道控制部件，每个通道挂若干外设，主机在执行I/O操作时，只需启动有关通道，通道将执行通道程序，从而完成I/O操作。 通道是一个具有特殊功能的处理器，它能独立地执行通道程序，产生相应的控制信号，实现对外设的统一管理和外设与主存之间的数据传送。但它不是一个完全独立的处理器。它要在CPU的I/O指令指挥下才能启动、停止或改变工作状态，是从属于CPU的一个专用处理

13、器。,4.I/O通道控制方式,26,一个通道执行输入输出过程全部由通道按照通道程序自行处理，不论交换信息多少，只打扰CPU两次（启动和停止时）。因此，主机、外设和通道可以并行同时工作，而且一个通道可以控制多台不同类型的设备。 目前，小型、微型机大多采用程序查询方式、程序中断方式和DMA方式；大、中型机多采用通道方式。,4.I/O通道控制方式（续）,27,程序查询方式是主机与外设间进行信息交换的最简单方式，程序查询方式的核心问题在于需要不断地查询I/O设备是否准备就绪。,9.2 程序查询方式及其接口,28,1.程序查询的基本思想 由CPU执行一段输入输出程序来实现主机与外设之间数据传送的方式叫做

14、程序直接控制方式。根据外设的不同性质，这种传送方式又可分为无条件传送和程序查询方式两种。 为了保证数据传送的正确进行，就要求CPU在程序中查询外设的工作状态。如果外设尚未准备就绪，CPU就循环等待，只有当外设已作好准备，CPU才能执行I/O指令进行数据传送，这就是程序查询方式。,9.2.1 程序查询方式,29,2.程序查询方式的工作流程,预置传送参数。在传送数据之前，由CPU执行一段初始化程序，预置传送参数。传送参数包括存取数据的主存缓冲区首地址和传送数据的个数。 向外设接口发出命令字。当CPU选中某台外设时，执行输出指令向外设接口发出命令字启动外设，为接收数据或发送数据做应有的操作准备。 从

15、外设接口取回状态字。CPU执行输入指令，从外设接口中取回状态字并进行测试，判断数据传送是否可以进行。,30,2.程序查询方式的工作流程（续）,查询外设标志。CPU不断查询状态标志。如果外设没有准备就绪，CPU就踏步进行等待，一直到这个外设准备就绪，并发出“外设准备就绪”信号为止。 传送数据。只有外设准备好，才能实现主机与外设间的一次数据传送。输入时，CPU执行输入指令，从外设接口的数据缓冲寄存器中接收数据；输出时，CPU执行输出指令，将数据写入外设接口的数据缓冲寄存器中。,31,2.程序查询方式的工作流程（续）,修改传送参数。每进行一次数据传送之后必须要修改传送参数，其中包括主存缓冲区地址加1

16、，传送个数计数器减1。 判断传送是否结束。如果传送个数计数器不为0，则转第步，继续传送，直到传送个数计数器为0，表示传送结束。,32,程序查询方式流程,图9-2 程序查询方式流程,33,程序查询方式是最简单、经济的I/O方式，只需很少的硬件。通常接口中至少有两个寄存器，一个是数据缓冲寄存器，即数据端口，用来存放与CPU进行传送的数据信息；另一个是供CPU查询的设备状态寄存器，即状态端口，这个寄存器由多个标志位组成，其中最重要的是“外设准备就绪”标志。当CPU得到这位标志后就进行判断，以决定下一步是继续循环等待还是进行I/O传送。也有些计算机仅设置状态标志触发器，其作用与设备状态寄存器相同。,9.2.2 程序查询方式接口,34,图9-3为查询式输入接口电路，图中Ready为准备好触发器，它对应于设备状态寄存器的D0位。 在输入设备准备好数据时，发出一个选通信号（STB），一方面将数据送入锁存器，同时将Ready触发器置“1”，以