微机原理 第五章2.ppt

中断 CPU在执行程序中 因某种原因暂停正在运行的程序 转向执行一段预先安排好的中断服务程序 服务结束后 继续执行原来的程序 软中断指令 INTi8IRET 中断方式和子程序调用的区别 中断调用指令INT Interrupt 指令格式 INTi8 产生i8号中断 标志寄存器入栈 SP SP 2 SS SP FLAGS CS入栈 SP SP 2 SS SP CS IP入栈 SP SP 2 SS SP IP 实现转移 IP 0000 i8 4 CS 0000 i8 4 2 中断返回指令IRET Returnfrominterrupt 指令格式 IRET 实现中断返回 弹出IP IP SS SP SP SP 2 弹出CS CS SS SP SP SP 2 弹出FLAGS FLAGS SS SP SP SP 2中断返回指令实现中断返回 一般位于中断服务程序的末尾 该指令执行后 将根据堆栈中取出的值设置状态标志位和控制标志位 INTi8 IRET 中断的分类1 内部中断 1 类型0中断 除法错中断 2 类型1中断 单步中断 3 类型3中断 断点中断 4 类型4中断 溢出中断 5 INTi8 软指令中断2 外部中断 可屏蔽中断 IF 1 允许CPU响应 称开中断IF 0 禁止CPU响应 称关中断非屏蔽中断 该中断不能被CPU屏蔽 一经提出 CPU必须响应 用来处理紧急事件 电源掉电 奇偶校验出错 浮点运算出错等等 外设与主机的中断传送方式 对于中断传送方式 当外设需要与CPU进行数据交换时 由外设向CPU发出一个中断请求信号 一旦CPU响应这一中断请求 便可在中断服务程序中完成一个字节 一个字 或双字 或一批数据的信息交换 I O的主要方式 使用中断控制进行数据传送的特点是 1 完成数据传送功能的中断服务程序是预先设计好的 程序的入口地址事先设定 但何时调用则是由外部信号决定的 2 对CPU来说 它是随机发生的 使用中断控制传送数据 除了执行中断服务程序的短暂时间外 CPU和外设在大部分时间内各自独立 并行工作 所以该方式大大提高了CPU的工作效率和控制程序执行的实时性 使CPU有可能为多个外设提供更多的服务 存储器直接存取 DMA 1 周期挪用所谓周期挪用即在DMA传送方式中 当I O设备没有DMA请求时 CPU按程序要求访问内存 一旦I 0设备有DMA请求 CPU要暂停一个存取周期访存 把总线控制权让给DMA传送 2 数据抉传送若DMAC控制总线的时间超过一个总线周期 用来完成一组数据的传送 在该组数据传送期间 DMAC一直控制着总线 这种操作方式称为数据块传送 DMA控制器应具有如下功能 1 能接收外设的请求 向CPU发出DMA请求信号 2 当CPU发出DMA响应信号之后 接管对总线的控制 进入DMA方式 3 能输出地址信息和修改地址 4 能向存储器和外设发出相应的读 写控制信号 5 能控制传送的字节 或字 数 判断DMA传送是否结束 6 在DMA传送结束后 能结束DMA请求信号 释放总线 使CPU恢复正常工作 对于DMA传送 1 数据传送时内存地址的修改 计数等均由DMA控制器完成 不是使用指令由CPU执行 2 CPU响应DMA请求后 放弃对总线的控制 所以CPU无需保存和恢复现场 DMA传送也存在以下两个额外开销 第一个额外开销是总线访问时间 由于DMAC要同CPU和其它可能的总线主控设备争用对系统总线的控制权 因此 必须有一些规程来解决争用总线控制权的问题 这些规程一般是用硬件实现排队的 但是排队过程也要花费时间 第二个额外开销是对DMAC的初始化 一般情况下 CPU要对DMAC写入一些控制字 因此 DMAC的初始化建立 比程序控制数据传送的初始化 可能要花费较多时间 所以 对于数据块很小或要频繁地对DMAC重新编程初始化的情况下 可能就不宜采用DMA传送方式 硬盘和软盘的I O 可以使用DMAC作为磁盘存储介质与半导体主存储器之间传送数据的接口 快速通信通道I O 例如 光导纤维通信链路 DMAC可以用来作为计算机系统和快速通信通道之间的接口 例如 作为同步通信数据的发送和接收 以便提高响应时间 支持较高的数据传输速率 并使CPU解脱出来做其它工作 多处理机和多程序数据块传送 扫描操作 在图象处理中 向CRT屏幕传送数据 也可以采用DMA方式 快速数据采集 在IBMPC XT机中还采用DMA方式进行对DRAM的刷新操作 DMA方式的实际应用 传送方式的比较 无条件传送 慢速外设需与CPU保持同步查询传送 简单实用 效率较低中断传送 外设主动 可与CPU并行工作 但每次传送需要大量额外时间开销DMA传送 DMAC控制 外设直接和存储器进行数据传送 适合大量 快速数据传送 总线 总线是功能部件之间实现互连的一组公共信号线 用作相互间信息交换的公共通道 总线在物理形态上就是一组公用导线 所有器件挂接在上面互相传输信息 传输的信息包括 数据 地址 控制信息 还有电源和地线 广泛应用的总线都实现了标准化 互连的各个部件遵循共同的规范 形成总线接口标准 总线接口也是一种通用的接口技术 接口的任一方只需根据总线接口标准的要求来实现和完成接口的功能 使微机系统具有组态灵活 易于扩展等优点 标准的内容 总线的根数 各个引脚的功能和电气特性 连接器的形状 尺寸和电气特性等 总线的带宽 位宽 工作频率 带宽 位宽 8 工作频率 MB s 总线 总线 总线主控设备 CPU DMAC 协处理器等 总线被控设备 存储器 I O设备等 总线的使用特点 1 在某一时刻 只能由一个总线主控设备控制系统总线 2 在接入总线的各个设备中 某时刻只能有一个发送者向总线发信号 可以有多个总线被控设备从总线上同时获得信号 3 信号的传播速度 在铜线上大约为光速的2 3 信号的传送方式 并行和串行传输 需要解决的问题之一 各种设备如何连接到总线上 之二 如何安排总线使用的优先权 总线仲裁电路 总线 L 装入门 假设高电平时数据装入 低电平时数据自锁其中 E 三态门使能端 负责控制寄存器数据的输出 控制字CON LAEALBEBLCECLDED 总线 微机总线层次结构示意图 总线 1 芯片总线 ChipBus VLSI的内部或一个较小系统中各种器件连接在一起的总线 用于芯片级互连 2 内总线 InternalBus 微机系统中摸板间连接的总线 用于摸板级互连 又称SystemBus 微机主板上各种扩展插槽都属于内总线 3 外总线 ExternalBus PC间或PC与外设之间通信的总线 用于设备级互连 随着微机的广泛应用 各种内 外总线标准层出不穷 总线 1 单总线体系结构 SingleBusArchitecture 所谓单总线体系结构是指微机中所有模块都连到单一总线上 如图所示 在整个系统中只有一个数据通路 故名单总线 目前一些简单的微机 如单片机和单板机 中仍采用这类总线 这对早期的慢速CPU是适合的 总线体系结构 总线 2 并发总线体系结构 ConcurrentBusArchitecture 随着CPU和存储器速度的提高 在单总线体系结构中 CPU和存储器之间数据的快速传输和CPU与I O之间数据的慢速传输矛盾越来越突出 慢速的I O设备成为整个系统的瓶颈 极大地妨碍了系统整体性能的提高 为解决这个问题而出现了并发总线体系结构 总线 3 带cache的并发总线体系结构 ConcurrentBusArchitectureWithCache 该体系结构类似于并发总线体系结构 只是在CPU和存储器的数据通路上多了一个高速缓冲存储器控制器及高速缓冲存储器 总线 Pentium微机总线体系结构 总线 微机系统总线的发展历程 1 IBMPC总线 XT总线 8根数据线 62根信号线 与外设接口通过双列插槽 I O插槽 相连 是对8088最大工作方式下的总线信号的扩充和重新驱动 2 IBMAT总线 ISA总线 IndustryStandardArchitecture 16根数据线 24根地址线 I O插槽设计成62引脚和36引脚两个插座 带宽为16MB s 总线 3 EISA总线80386推出以后 32位的总线开始由MCA 微通道 IBM公司的32位系统总线 总线主导了一段时期 为了与IBM抗衡 以Compaq为首的9家大计算机公司在1988年9月联合推出了一种增强的工业标准体系结构 EISA ExtendedISA 这是继MCA之后的又一个32位总线结构 它保持了与ISA的兼容性 在ISA总线上工作的各种I O接口卡 不需要采取任何措施就可以在EISA总线上工作 EISA其数据总线和地址总线的宽度都是32位 4 VESA局部总线1991年 视频电子标准协会 VideoElectronicsStandardsAssociation 开发出一种32位局部总线VESA 是专为80486系统设计的 80486的时钟频率为33MHz 而VESA总线的最大速度也是33MHz 因此可以与486CPU同步执行 总线 5 PCI局部总线PCI PeripheralComponentInterconnect 外部设备互连 局部运行在33MHz下的32位PCI总线 其带宽可达132MB s 而运行在66MHz的总线时钟频率下可达264MB s 对于64位的PCI其传输速率可达528MB s 这些都足够支持高清晰度电视信号和实时的三维虚拟现实 PCI总线的设计与VESA总线有较大的差异 PCI未与CPU直接相连 而是采用一个桥接器使CPU与PCI总线相连 它是位于CPU局部总线与标准的I O扩展总线之间的一种总线结构 采用PCI总线的主板 一般已将软盘 硬盘控制器 如 IDE接口 以及多功能I O接口集成到了主板上 实际上在大多数Pentium级的PCI主板上 一般都只安排了四个左右的PCI扩展槽 总线 6 AGP和AGPPro接口AGP AcceleratedGraphicsPort加速图形端口 是由Intel开发的新一代局部图形总线技术 它为任务繁重的图形加速卡提供了一条专用的 快车道 从而摆脱了PCI总线交通拥挤的情况 AGP虽然是PCI标准的扩充 但理论上讲不是一种总线 而是专为连接3D显示卡的点对点接口 基本的AGP接口具有266MB s的数据传输率 两倍速AGP 2X接口则是532MB s AGP 4X达到了1064MB s数据传输率 7 USB通用串行总线USB通用串行总线 UniversalSerialBus 是一种支持即插即用的新型串行接口 它有在一条电缆上连接127个设备的能力 USB要比标准的串行口快得多 其数据传输率可达每秒4MB 12MB 而老式的串行口最多每秒115KB USB还能为外围设备提供支持 不过需要注意的是 USB通用总线标准不是一种新的总线标准 但它正在取代当代PC上的串行口和并行口 总线 8 SCSI接口SCSI SmallComputerSystemInterface 即小型计算机系统接口 SCSI接口可与各种采用SCSI接口标准的外部设备相连 SCSI接口标准的主要特性如下 SCSI是系统级接口 可与各种采用SCSI接口标准的外部设备相连 总线上的主机适配器和SCSI外设控制器的总数最大为8个 SCSI是一个多任务接口 具有总线仲裁功能 因此 SCSI总线上的适配器和控制器可以并行工作 在同一个SCSI控制器控制下的多台外设也可以并行工作 SCSI可以按同步方式和异步方式传输数据 SCSI可分为单端传送方式和差分传送方式 单端SCSI的电缆不能超过6米 如果数据传送距离超过6米 应采用差分SCSI传送方式 SCSI总线上的设备没有主从之分 双方平等 SCSI对PC机来说应是一种很好的选择 它不仅是一个接口 也是一条总线 总线 E