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1、1,第10章 输入、输出(I/O)系统,2,10.1 输入输出（IO）系统概述 输入输出系统包括外部设备及其与主机（CPU和存储器）之间的控制部件。后者称之为设备控制器，有时也称为设备适配器或接口，其作用是控制并实现主机与外部设备之间的数据传送。本章主要介绍设备控制器的工作原理及其与主机之间传送数据的协议，即系统总线。,3,10.1.1 功能 接口是计算机与I/O设备或其他系统之间所设置的逻辑控制部件，也称I/O控制器。 接口的引入：,外设类型不同： 机械、电子、机电、电磁 传送信息类型： 数字量、模拟量 传送速度 传送方式： 串行、并行 编码方式：,能实现数据缓冲和数据锁存 能完成信息格式和
2、电平的转换 能进行地址译码和设备选择 能保证数据传送的定时与协调,功能：,4,外围设备接口的结构,接口地址,地址,译码,器,数据寄存器,命令寄存器,RD,WE,地址,有效,总线,数据线,地址线,外设接口,外设控制信号,外设数据,外设状态,状态寄存器,I/O接口 功能演示,5,1.输入输出接口的基本结构,CPU和外设之间通常传递的信息：数据、状态、控制,组成:寄存器组、控制逻辑电路、主机与接口和接口与I/O设备之间的信号联接线、数据地址线、控制状态信号线,CPU,控制电路,DR,SR,CR,I/O 设备,地址,数据,IO/M,RD,WR,数据,状态,控制,6,2. I/O接口分类,结构方式 并行
3、和串行 收发配合方式 同步和异步 数据传送配合方式 程序传送、中断传送、DMA、通道、IO处理器 电路规模 简单接口、可编程接口、外设接口适配器,7,3. 输入输出接口的编址方式,在接口电路中通常都具有多个可由CPU进行读写操作的寄存器，每个寄存器也叫做“端口”。为了CPU便于对IO设备进行寻址和选择，必须给众多的IO设备的端口进行编址，也就是给每一台设备规定一些地址码称为设备号或设备代码。 (1) 存储器、I/O接口统一编址 优：访存指令可访问端口，这样寻址类型多，编程较方便。 缺：占用存储器空间；速度慢。 (2) I/O端口独立编址 优：专门的I/O指令，与访存分开；指令执行快；不占内存地
4、址空间。缺：需专用指令、寻址方式少。,8,IBM PC等系列机设置有专门的IO指令（IN和OUT），设备的编址可达512个，部分设备的地址码如表 10.1所示。 从表中可见，每一台设备占用了若干个地址码分别表示相应的设备控制器中的寄存器地址。,9,10.1.2 主机与外设间 数据传送控制方式,(1) 程序直接控制（program direct control ） 传递方式 (2) 程序中断传送（program interrupt transfer）方式 (3) 直接存储器存取（direct memory access） 方式DMA (4) I/O通道控制（I/O channel control
5、）方式 (5) 外围处理机（peripheral processor unit）方式,10,信号传输过程,状态寄存器,数据寄存器,2,控制,器,ALU,数据寄存器,1,地址寄存器,设备驱动电路,数据寄存器,地址译码器,设备接口,CPU,11,1、 程序直接控制传送方式,该方法是主机与外设之间进行数 据交换的最简单、最基本的控制方法。 无条件传送 只有在外设总处于准备好状态 程序查询方式 优点： 较好协调主机与外设之间的时 间差异 所用硬件少。 缺点： 主机与外设只能串行工作 主机一个时间段只能与一个外 设进行通讯 CPU效率低。,从I/O接口中读 一个字到CPU,从CPU向主存 写入一个字,C
6、PU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,12,2、程序中断传送方式,由于CPU与外设之间的速度至今仍是微秒和毫秒的数量级，速度差异悬殊，会使CPU的工作效率下降。 优点：避免频繁查询，适合随机出现的服务和中低速外设使用。 缺点：成批数据交换时，中断影响传送效率，一次传送一个字符，中断处理时间大于传送数据时间。需要一定的硬件电路。,中断方式的引入,程序中断方式的输入接口工作过程演示,13,3、直接存储器访问方式,1. DMA方式的引入 前两种方式以CPU为中心，占用CPU时间。DMA方式以内存为中心。 2. 基本工作原理 在外
7、设通过专门的接口电路和存储器进行数据交换，而不用通过CPU的寄存器。控制过程由DMA控制器这样的硬件来完成，不需要保存断点。 特点：适用于高速设备和大数据量的数据传输，需用更多的硬件电路支持。,直接存储器存取方式软盘控制接口工作演示,14,三种方式的 CPU 工作效率比较,程序 查询 方式,程序 中断 方式,DMA 方式,15,4、I/O通道控制方式 IO通道具有少数专用的指令系统，能实现指令所控制的操作，管辖其相应的设备控制器，所以IO通道已具备简单处理机的功能。但它仅仅是面向外围设备的控制和数据的传送，其指令系统也仅仅是几条简单的与IO操作有关的命令。它要在CPU的IO指令指挥下启动、停止
8、或改变工作状态。因此，lO通道不是一个完全独立的处理机，它只是从属于CPU的一个专用IO处理器。它的进一步发展是引入专用的输入输出处理机。 通道方式的出现进一步提高了CPU的效率。但需更多的硬件电路。,16,5、 输入输出处理机(IOP)方式,有单独的存储器和独立的运算部件，可访问系统的内部存储器 除数据传输外，还应有以下功能：能处理传送过程中出错及异常情况，数据格式翻译，数据块校验。 IOP方式是通道方式的进一步的发展。它们大多应用在中、大型计算机中。,17,10.2 程序中断控制技术 中断：计算机暂时中止当前程序运行，转而处理意外出现的情况或有意安排的任务，在处理结束后能自动恢复原程序的执
9、行，这个过程叫作“中断”。 中断系统是计算机实现中断功能的软、硬件总称。在CPU一侧配置了中断机构，在设备一侧配置了中断控制接口，在软件上设计了相应的中断服务程序。 中断过程由中断请求、中断响应、状态保护、中断屏蔽、中断处理、恢复和返回组成。,18,I/O 中断的产生,以打印机为例,CPU 与打印机并行工作,19,10.2.1 中断的概念,在机器中引起中断产生的事件或发生中断请求的来源统称为中断源。 硬件中断: 是指由某个硬件中断请求信号引起的中断 ，硬件中断通过是中断请求信号形成向量地址。向量地址是中断服务程序入口地址的地址。 软中断: 是指由软中断指令所引起的中断，软中断由指令提供中断号n
10、，再转换为向量地址。 强迫中断: 是指由于故障、外部请求等所引起的强迫性中断，非程序本身安排的，这种请求的提出和相应的服务处理都是随机的。 自愿中断即软中断 这是程序有意安排的，即以事先在程序某处设置断点，以中断方式引出服务程序，实现某种功能。如单步调试程序。,1. 中断源,20,内部中断：指来自主机内部的中断请求，如CPU内部硬件故障、软中断、程序出错、运算产生故障引起的中断、控制器产生的中断。即溢出、除数为零、校验错、非法格式、虚拟存储器页面失效、 非法指令、调用失败、故障中断等。 外部中断：由CPU外部产生的中断 键盘中断、打印机中断、磁盘存储器申请中断、电源故障、主机设备故障、定时时钟
11、中断、显示器中断、打印机中断等。 可屏蔽中断INTR 一般将外围设备中断作为可屏蔽中断，CPU通过屏蔽技术施加以控制。 不可屏蔽中断NMI 这是一种必须响应处理的中断请求，作为非屏蔽中断，不受CPU屏蔽。软中断发生于CPU内部，不属于外中断范畴，从概念上将它也是不可屏蔽的。,21,向量中断 CPU响应中断后，由中断机构自动将向量地址通知处理机，由向量地址指明中断向量位置并实现向量切换，不必经过处理程序来查询中断源的中断功能，称为向量中断。即直接依靠硬件来实现根据中断源获得服务程序入口地址，以实现程序切换。向量中断的特点是根据中断请求信号能快速地、直接转向对应的服务程序。因此，现代计算机基本上多
12、具有向量中断能力。 非向量中断 CPU不能直接提供中断服务程序入口地址，而是CPU在响应中断时只产生一个固定的地址，由此读取中断查询程序的入口地址，从而转向查询程序；通过执行查询程序，确定被优先批准的中断源，然后分支进入相应的中断服务程序。非向量中断也称为单向量中断。,22,2. CPU响应中断必须满足的条件,中断源有中断请求 中断寄存器 CPU允许接受中断请求 开中断 中断屏蔽寄存器（判优） 禁止中断 一般一条指令执行完毕后CPU才能响应中断，并且当前执行的不是停机指令，又没有优先权更高的请求，则CPU进入中断周期状态，进入中断响应。,取指令,执行指令,中断,响应中断,执行中断 服务程序,返
13、回断点,关中断、保存断点、 现场、开中断,关中断、恢复现场、 断点、开中断,NO,Y,23,相关知识说明 1）中断响应 一旦CPU中断响应条件得到满足，则CPU进入中断周期状态，并开始响应中断。CPU响应中断意味着处理机从一个程序切换到另一个程序。 2）中断服务程序 为处理意外 情况或有意安排的任务而编写的程序称为“中断服务程序” 3）中断请求的检测与屏蔽 在一个指令周期的最后一个机器周期检测 当外部中断源申请中断时，CPU是否响应还要取决于其内部的中断允许寄存器IR。 IR=1 是允许中断申请(开中断）；IR=0 时禁止中断申请(关中断)。由指令STI和CLI软件设置。,24,4）中断请求触
14、发器: 当中断源发生引起中断的事件时先将它保存在设备控制器的中断请求触发器中，即将“中断触发器置1”。 5）禁止中断: 产生中断源后，由于某种条件的存在，CPU不能中止现行程序的执行，称为禁止中断。一般在CPU内部设有一个“中断允许触发器。只有该触发器为1状态时。才允许处理机响应中断；如果该触发器被清除，则不响应外部中断源申请的中断、前者叫做允许中断，后者叫做禁止中断。 6）堆栈与断点的保护 程序被中断的地址称为断点,需保存,以备恢复执行时使用，保存断点的地方称为栈区。 栈区：内存中开辟的专用数据存取区,25,7）“中断允许触发器通过开中断ST I或关中断CLI指令来置位、复位。进入中断服务程
15、序后自动“关中断。 8）中断屏蔽: 当产生中断请求后，用程序方式有选择地封锁部分中断而允许其余部分中断仍得到响应，称为中断屏蔽。 实现方法是为每个中断源设置一个中断屏蔽触发器来屏蔽该设备的中断请求。具体说，用程序方法将该触发器置“l则对应的设备中断被封锁，若将其置“0”，才允许该设备的中断请求得到响应，由各设备的中断屏蔽触发器组成中断屏蔽寄存器。,26,9）向量（矢量）中断和中断向量（矢量） 矢量中断：是根据发生中断时,CPU能够直接获得到一个中断服务程序的起始地址的方式而得名。 中断矢量：实际上就是一个指针，其内容是中断服务程序起始地址。即中断服务程序起始地址的地址。 10）中断矢量表：微机
16、中把全部中断矢量存放在内存的某一区域中，形成一个中断矢量表。当发生中断时，根据中断源不同，从中断矢量表中取出对应的中断矢量送给CPU的IP寄存器，CPU开始执行中断处理子程序。 11）多重中断和中断优先：多重中断就是CPU在执行某一中断服务程序后，如果令IR=1,那么 CPU还可以接受更高级的中断申请执行其中断服务程序.形成多重中断（也称为中断嵌套）。 响应多重中断的原则是按实现设定好的各中断源的中断优先级别进行先后处理。级别高的优先处理，级别低的后处理。具体判断方法可用硬件判断或软件判断。,27,3.中断屏蔽技术的应用 通过输出指令送出一个屏蔽字，有选择地允许某些中断请求、屏蔽某些中断请求。常用于如下两种场合。 1）在多重中断方式中（即允许中断嵌套），当CPU响应某个中断请求后，送出一个新的屏蔽字，以
