第三章 输入输出系统

1、第三章第三章 输入输出系统输入输出系统第一讲第一讲 输入输出系统简单发展过程输入输出系统简单发展过程数据传递方式数据传递方式特点特点程序直接控程序直接控制选择制选择无条件无条件接口最简单，交换的数据不一定可靠接口最简单，交换的数据不一定可靠条件条件接口较简单，交换数据可靠，对接口较简单，交换数据可靠，对CPUCPU利利用率太低用率太低中断方式中断方式接口复杂，仅适合中低速外设接口复杂，仅适合中低速外设DMADMA方式方式接口最复杂，传送前后需接口最复杂，传送前后需CPUCPU两次干预两次干预且灵活性差且灵活性差全硬件执行全硬件执行通道方式通道方式比比DMADMA复杂，灵活性较好，传送前后复杂，

2、灵活性较好，传送前后也需也需CPUCPU两次干预两次干预用程序实现用程序实现外围处理机外围处理机彻底解放彻底解放CPUCPU，用于高速、巨、大型机，用于高速、巨、大型机中中I/O装置I/O系统可称为可称为I/OI/O系统的两个标准系统的两个标准 1 1）要有）要有硬件装置硬件装置与与软件程序软件程序 2 2）软件程序必须要由硬件装置本身来执行，而不是）软件程序必须要由硬件装置本身来执行，而不是由由CPUCPU执行执行第二讲第二讲 总线结构总线结构一、总线的主要类型一、总线的主要类型 1、从是否专用来分、从是否专用来分 1）专用总线）专用总线 信息专用信息专用每条信号线仅用来传递某种信息每条信号

3、线仅用来传递某种信息（地址总线、数据总线、控制总线）（地址总线、数据总线、控制总线） 单总线单总线CPUMEM高速I/O中低速I/O 双总线：要求存储器为多体结构双总线：要求存储器为多体结构 多总线：要求存储器更为多体结构，以存储器为中多总线：要求存储器更为多体结构，以存储器为中心组织部件心组织部件2) 非专用总线非专用总线公共总线公共总线 部件专用部件专用随部件数随部件数(P)增加增加,专用总线数专用总线数(N)也也急剧增加。急剧增加。 N=CP2=P*(P-1)/2二、总线控制方式二、总线控制方式 目的：采用何种办法来获取对总线的使用权目的：采用何种办法来获取对总线的使用权2、从规模划分、

4、从规模划分 1）芯片级总线（仅在芯片之间连接）芯片级总线（仅在芯片之间连接） 2）局部总线（仅在某两个部件之间交换信息）局部总线（仅在某两个部件之间交换信息） 3）系统总线（可在多个部件之间交换信息）系统总线（可在多个部件之间交换信息）8086/8088的总线：非信息专用的单总线结构的总线：非信息专用的单总线结构两大类两大类集中式集中式分布式分布式串行链接串行链接定时查询定时查询独立请求独立请求1、集中串行链接控制方式、集中串行链接控制方式 1）结构图（设有）结构图（设有n个部件）个部件）集中控制器V0V1Vn-1请求响应忙2）获取总线过程）获取总线过程当有部件提出当有部件提出请求请求时，其请

5、求信号送集中控制器时，其请求信号送集中控制器集中控制器便发出集中控制器便发出响应响应信号信号一条独立请求线一条独立响应线一条独立忙线 若若V0已提出请求已提出请求 ）由）由V0建立忙电平建立忙电平 ）响应信号停止前进）响应信号停止前进若若V0未提出请求，响应信号穿过未提出请求，响应信号穿过V0，继续查询继续查询V12、利用统一计数器的定时查询、利用统一计数器的定时查询 1）结构图）结构图V0V1Vn-1请求请求忙忙L条定时查询代码线条定时查询代码线集中控制器集中控制器一条独立请求线一条独立请求线一条独立忙线一条独立忙线L条定时查询代码线条定时查询代码线 L=log2nL位的计数器位的计数器2）

6、获取总线过程）获取总线过程 当有部件提出当有部件提出请求请求时，其请求信号送集中控制器时，其请求信号送集中控制器 集中控制器将当前的计数值送各部件集中控制器将当前的计数值送各部件 当与该计数值相同编号的部件当与该计数值相同编号的部件提出请求，由该部提出请求，由该部件建立忙电平，计数器也停止计数件建立忙电平，计数器也停止计数当与该计数值相同编号的部件当与该计数值相同编号的部件未未提出请求，某一个定提出请求，某一个定诗周期计数器将加诗周期计数器将加1 1计数，新计数值又同时送各部件。计数，新计数值又同时送各部件。3）特点：）特点： 结构较复杂结构较复杂 各部件使用总线的优先权随计数器的工作方式的改

7、各部件使用总线的优先权随计数器的工作方式的改变而改变变而改变）若两次均以）若两次均以0开始计数时，低编号部件优先开始计数时，低编号部件优先）若采用循环计数时，各部件机会均等）若采用循环计数时，各部件机会均等。3、集中式独立请求、集中式独立请求 1）结构图）结构图集中控制器集中控制器V0V1Vn-1请求0响应0请求1响应1响应n-1请求n-1忙2）获取总线过程）获取总线过程 当有部件提出当有部件提出请求请求时，其请求信号送集中控制器时，其请求信号送集中控制器（多条请求线）（多条请求线）集中控制器从多个请求中，按事先安排的顺序，集中控制器从多个请求中，按事先安排的顺序，从某条级别优先的响应线上发出

8、响应信号从某条级别优先的响应线上发出响应信号收到响应信号的部件建立忙电平收到响应信号的部件建立忙电平3）特点）特点响应速度快响应速度快结构最复杂结构最复杂 灵活性也不太方便灵活性也不太方便4、集中式串行链接与独立请求相结合的方式、集中式串行链接与独立请求相结合的方式1）基本思想）基本思想 将将n个部件分为若干组个部件分为若干组 组内采用串行链接组内采用串行链接 组间采用独立请求组间采用独立请求2）结构图（设）结构图（设n=36,分为分为6组，每组组，每组6个部件个部件)V0V1V5请求1响应1忙集中控制器集中控制器V0V1V5请求2响应2 每组采用一条独立每组采用一条独立请求请求线线 每组采用

9、一条独立每组采用一条独立响应响应线线 公用一条公用一条忙忙线线3）特点：是对串行链接结构简单，独立请求响应速度）特点：是对串行链接结构简单，独立请求响应速度快的组合控制方式，因而吸收了两者的优点，特别是用快的组合控制方式，因而吸收了两者的优点，特别是用于部件数多的情况于部件数多的情况几种控制方式比较几种控制方式比较条件：部件提出请求到集中控制器发生响应的延时为条件：部件提出请求到集中控制器发生响应的延时为t 响应信号发出后，查询一个部件响应信号发出后，查询一个部件 若部件若部件已已提出请求而建立忙电平的延时也为提出请求而建立忙电平的延时也为t 若部件若部件未未提出请求响应信号穿过本部件的延时也

10、是提出请求响应信号穿过本部件的延时也是t设有设有36个部件且分为个部件且分为6组组控制方式控制方式独立线数独立线数 最长响应延时最长响应延时串行链接串行链接3t+36t=37 t独立请求独立请求36*2+1=73t +t =2t串行链接与独串行链接与独立请求相结合立请求相结合6*2+1=13t+6t =7t三、总线通信技术三、总线通信技术同步通信同步通信异步通信异步通信单向单向双向双向源控式源控式目控式目控式非互锁非互锁互锁互锁1 1、同步通信方式、同步通信方式 在同步通信方式里，通信传输周期是固定的。在同步通信方式里，通信传输周期是固定的。有精确的系统有精确的系统 时钟作为传输周期的标尺，通

11、信双方时钟作为传输周期的标尺，通信双方按标尺进行相应的操作按标尺进行相应的操作2 2、异步通信方式、异步通信方式 为了主、从模块之间不同速度的配合，增设了为了主、从模块之间不同速度的配合，增设了两条应答信号线，又成为我手交互信号线两条应答信号线，又成为我手交互信号线3 3、半同步通信方式、半同步通信方式 半同步通信方式是在同步通信方式里增加一条半同步通信方式是在同步通信方式里增加一条控制信号线。控制信号线。但半同步方式的频率不能太高，否则系统会不稳定。但半同步方式的频率不能太高，否则系统会不稳定。4 4、分离式通信方式、分离式通信方式 同步通信方式和异步通信方式都存在一个问题，同步通信方式和异

12、步通信方式都存在一个问题，当主模块送出地址等信息后，就处于等待状态，而当主模块送出地址等信息后，就处于等待状态，而从寻址到送数据时间又由从模块决定。从寻址到送数据时间又由从模块决定。分离式通信的想法是：分离式通信的想法是： 当主模块把要寻址的从模块地址信息送给总线当主模块把要寻址的从模块地址信息送给总线后，主模块就把总线使用权交还给总线仲裁器。后，主模块就把总线使用权交还给总线仲裁器。 当从模块在被启动后，就进行自己的内部操作。当从模块在被启动后，就进行自己的内部操作。这样，系统的总线可以让出来给其他模块使用这样，系统的总线可以让出来给其他模块使用 分离式通信节约了时间，但结构却复杂分离式通信

13、节约了时间，但结构却复杂1、单向源控式单向源控式异步通信异步通信 1)含义：以源发部件为主的一种通信方式含义：以源发部件为主的一种通信方式 2) 通信示意图通信示意图 源发数据源发数据(n条条) 源发数据准备源发数据准备(1条条) （也叫选通信号）（也叫选通信号） 目接收数据目接收数据3)特点：特点： 结构简单，控制方便结构简单，控制方便(n+1条条) 源不知目此时是否需要数据（发传单）源不知目此时是否需要数据（发传单） 源更不知目是否可靠接收数据源更不知目是否可靠接收数据t1t22、单向目控式单向目控式异步通信异步通信1）含义：以接收数据的目的部件为主进行通信）含义：以接收数据的目的部件为主

14、进行通信2) 通信示意图通信示意图 目发数据请求（目发数据请求（1条）条） 源发数据源发数据(n条条) 源发数据准备源发数据准备(1条条) 目接收数据目接收数据3)特点：特点：结构稍复杂（结构稍复杂（n+2） 解决了目此时需要数据解决了目此时需要数据 仍然存在不知目是否可靠接收数据仍然存在不知目是否可靠接收数据t2t3t13、双向非互锁异步通信、双向非互锁异步通信 1) 通信示意图通信示意图 源发数据源发数据(n条条) 源发数据准备源发数据准备(1条条) 目接收数据目接收数据(n条条)2）特点）特点结构简单结构简单 源已知目开始接收数据源已知目开始接收数据 在正常情况下，目可以可靠接收，但因受

15、在正常情况下，目可以可靠接收，但因受干扰，使目接收数据有较长延时，目可能会出现数据干扰，使目接收数据有较长延时，目可能会出现数据迭出。迭出。t1t2通知源结通知源结束数据传束数据传送送4 4、双向互锁异步通信、双向互锁异步通信1 1）示意图示意图 源发数据源发数据(n条条) 源发数据准备源发数据准备(1条条) 目接收数据目接收数据(n条条)2）特点）特点结构简单，但控制复杂结构简单，但控制复杂 解决了数据传送的可靠性问题解决了数据传送的可靠性问题t1t2t3通知源目结束接收的时刻四、总线线数与总线数据宽度四、总线线数与总线数据宽度1、线数、线数 主要有主要有 1）1条线（用于远距离的串行通信）

16、条线（用于远距离的串行通信） 2）字节线（）字节线（8条）条） 3）半字线（）半字线（16条）条） 4）单字线（）单字线（32条）条）2、数据宽度、数据宽度 1）含义：利用一次总线交换的数据量（或字节数）含义：利用一次总线交换的数据量（或字节数）用于近距离的并行通信用于近距离的并行通信2 2）主要类型）主要类型 字节（中断方式与外设交换）字节（中断方式与外设交换） 数据块数据块固定长（规整）固定长（规整）可变长（灵活）可变长（灵活）第三讲第三讲 中断系统中断系统 一、概述一、概述 1、中断处理的两种方式、中断处理的两种方式 1）简单中断）简单中断 CPU被中断后，不用执行程序，不用被中断后，不

17、用执行程序，不用保护现场，主要用于对保护现场，主要用于对DMA的数据传送期，让高速外的数据传送期，让高速外设与存储器交换一个字节设与存储器交换一个字节 。 2）程序中断）程序中断 CPU被中断后，要执行一段中断处理程被中断后，要执行一段中断处理程序，需要保护现场，它可对复杂的异常时间进行处理。序，需要保护现场，它可对复杂的异常时间进行处理。 2、完成一次中断先后涉及事件、完成一次中断先后涉及事件 1）中断源）中断源 2）中断请求）中断请求 3）优先级判断）优先级判断 4）中断响应）中断响应 5）中断处理）中断处理 6）中断返回）中断返回二、中断源的分类和分级二、中断源的分类和分级 1、分类、分

18、类 按中断源的性质按中断源的性质 1）故障中断（线路或部件故障）故障中断（线路或部件故障） 2）访管中断（在目标程序中执行了一条访管指令）访管中断（在目标程序中执行了一条访管指令） 3）程序中断（在程序中出现了某种非法事件，如再）程序中断（在程序中出现了某种非法事件，如再多用户中，某用户地址越界）多用户中，某用户地址越界） 4）I/O中断（外设引起）中断（外设引起） 5）外中断（来自本计算机之外，如其它计算机）外中断（来自本计算机之外，如其它计算机）2、分级、分级 按中断源的优先级别按中断源的优先级别 1）在具有五级中断的计算机中，可将上述中断源按如）在具有五级中断的计算机中，可将上述中断源按

19、如下顺序排列下顺序排列 第一级：故障中断（优先级最高）第一级：故障中断（优先级最高） 第二级：程序性中断（优先级较高）第二级：程序性中断（优先级较高） 第三级：访管中断（优先级一般）第三级：访管中断（优先级一般） 第四级：外中断（优先级较低）第四级：外中断（优先级较低） 第五级：第五级：I/O中断（优先级最低）中断（优先级最低） 2）在具有四级中断时，可将程序性中断与访管中断）在具有四级中断时，可将程序性中断与访管中断合并为第二级。合并为第二级。三、中断响应三、中断响应 1、任务、任务 1）关中断（使在中断响应过程中，不再响应可屏蔽）关中断（使在中断响应过程中，不再响应可屏蔽中断请求）中断请求

20、） 2）保护返回地址在堆栈中（以使在中断结束时，能）保护返回地址在堆栈中（以使在中断结束时，能回到源断点处）回到源断点处） 3）针对中断源，引向中断程序入口处（为执行中断）针对中断源，引向中断程序入口处（为执行中断处理过程作最后准备）处理过程作最后准备） 2、基本要求与执行方式和中断隐指令、基本要求与执行方式和中断隐指令 1）要求：响应速度快）要求：响应速度快 2）执行方式：采用全硬件方式）执行方式：采用全硬件方式 3）中断隐指令：因中断响应的三个任务全由硬件完）中断隐指令：因中断响应的三个任务全由硬件完成，可视为由隐含在硬件中的一条指令完成一样。成，可视为由隐含在硬件中的一条指令完成一样。3

21、、入口地址设置办法、入口地址设置办法 1）固定入口地址法（）固定入口地址法（Z80的模式的模式1） 2）矢量法（存放向量处理程序入口地址）矢量法（存放向量处理程序入口地址/入口地址参入口地址参数的量）数的量） 在接口中由硬件提供矢量（在接口中由硬件提供矢量（Z80的模式的模式0） 由用户自己在接口电路中设矢量（由用户自己在接口电路中设矢量（Z80的模式的模式2） 有类型导引矢量法（有类型导引矢量法（8086/8088）四、中断处理和返回四、中断处理和返回 1、中断处理的任务、中断处理的任务 1）可能保护在中断响应时未能保护的现场（如通用）可能保护在中断响应时未能保护的现场（如通用寄存器、标志寄

22、存器等）寄存器、标志寄存器等） 2）执行与中断源有关的处理程序）执行与中断源有关的处理程序 3）可能恢复现场）可能恢复现场 2、中断处理的基本要求和执行方式、中断处理的基本要求和执行方式 1）基本要求：灵活性。能针对不同中断源进行不同）基本要求：灵活性。能针对不同中断源进行不同处理处理 2）执行方式：采用全软件执行方式）执行方式：采用全软件执行方式 3、适当改变中断处理顺序、适当改变中断处理顺序 1）关于级屏蔽位）关于级屏蔽位 级屏蔽位的含义级屏蔽位的含义 ）级屏蔽位）级屏蔽位=0时，为屏蔽时，为屏蔽 ）级屏蔽位）级屏蔽位=1时，开放（未屏蔽）时，开放（未屏蔽） 如何设置级屏蔽位如何设置级屏蔽

23、位 ）对同级中断源要屏蔽（谁先来，响应谁）对同级中断源要屏蔽（谁先来，响应谁） ）对低级中断源也要屏蔽）对低级中断源也要屏蔽 ）对高级中断源要开放）对高级中断源要开放 级屏蔽位设置事例级屏蔽位设置事例 某中断源，具有某中断源，具有4级中断，有硬件安排响应顺序为级中断，有硬件安排响应顺序为12 3 4，而中断响应顺序也为，而中断响应顺序也为1 2 3 4，填写，填写级屏蔽位表级屏蔽位表中断处理程序级别 级屏蔽位1234一0000二1000三1100四11102)中断响应处理时空图的绘制中断响应处理时空图的绘制 条件：在某时刻，同时有条件：在某时刻，同时有1，2，3，4级中断请求，级中断请求，在处

24、理三级中又有在处理三级中又有1，2级中断请求，设对每级的响应和级中断请求，设对每级的响应和处理用时处理用时3t 按上述处理顺序，画出中断响应处理时空图按上述处理顺序，画出中断响应处理时空图 用户程序用户程序 中中 断断 处处 理理 程程 序序（主程序）（主程序） 一一 二二 三三 四四 某时响响响嵌套1嵌套2响3t3t3t3t3t3t3）若将中断处理顺序改为）若将中断处理顺序改为1 4 2 3时时 先填级屏蔽位安排表先填级屏蔽位安排表中断处理程序级别 级屏蔽位1234一0000二1001三1101四1000中断源的申请序列如上例，画出相应处理时空图中断源的申请序列如上例，画出相应处理时空图 （

25、图略）（图略）第四讲第四讲 通道（通道（CHCH）一、概述一、概述1 1、含义：、含义：CHCH是是I/OI/O处理系统，它不仅为外设处理数据处理系统，它不仅为外设处理数据提供一个数据通路，更主要的是在提供一个数据通路，更主要的是在执行执行CHCH程序中完成程序中完成与外设的数据交换与外设的数据交换。2 2、CHCH执行过程示意图执行过程示意图 1 1）在目态下，执行了一条带某种参数的访管指令而）在目态下，执行了一条带某种参数的访管指令而进入管理程序（参数包括设备地址，存储器首地址，交进入管理程序（参数包括设备地址，存储器首地址，交换字节数，传送方向等）换字节数，传送方向等） 2 2）CPUC

26、PU在执行管理程序中，根据所带参数组织在执行管理程序中，根据所带参数组织CHCH程序程序并启动并启动CHCH后返回目态后返回目态3）CPU继续原来的目标程序执行，继续原来的目标程序执行，CH执行执行CH程序，程序，此时，此时，CPU与与CH并行执行。并行执行。4）当）当CH执行完执行完CH程序后，在由程序后，在由CPU做结束处理。做结束处理。(目态) CPU (管态) 用户程序（目态程序）管理程序访管指令进入1）2)启动CH3）CH执行CH管理程序，完成与外设交换数据CPU继续原来的目态程序运行CPU、CH并行4）结束示意图示意图3、CH分类分类 1）从是否独立来看）从是否独立来看CH类型是否

27、有独立CH逻辑是否有CH物理装置结合CH有完全装置与主机共用独立CH有独立装置2）从特征性能来看）从特征性能来看CH类型接通一次CH交换字节数适合连接的外设字节多路1中低速外设选择CH一个数据块高速外设数组多路1或一个数据块从低速到高速外设4、CH的基本组成的基本组成 1）CARCH地址寄存器。用来提供设备地址。地址寄存器。用来提供设备地址。 （在（在IBM370中中,该地址有该地址有11位）位） CH号三位（号三位（8个个CH) 子子CH号四位（每个号四位（每个CH有有16个子个子CH) 设备号四位（每个子设备号四位（每个子CH可接可接16个外设）个外设）2）转接装置。根据）转接装置。根据C

28、AR与指定外设接通。与指定外设接通。3）匹配结构。实现）匹配结构。实现I/O设备与存储器字长宽度匹配。设备与存储器字长宽度匹配。4）入出数据缓冲区。当为）入出数据缓冲区。当为结合结合CH时，继续与存储器共时，继续与存储器共用用5）CIAR CH指令地址寄存器，用来存放一条指令地址寄存器，用来存放一条CH指令地址指令地址6）CIR CH指令寄存器，用来存放一条指令寄存器，用来存放一条CH指令指令7）CSWR CH状态寄存器，提供状态寄存器，提供CH工作状态工作状态8）CH控制线路控制线路 对对CH指令进行译码。指令进行译码。 控制控制CH各部分协调工作各部分协调工作 其结构图如下其结构图如下CSWRCIARCIR存储器存储器CH控制线路控制线路入出数据缓冲区入出数据缓冲区匹配结构匹配结构转接装置转接装置CARI/OI/OI/OI/O总线总线二、通道流量分析二、通道流量分析1、流量：单位时间通道交换字节数。其量纲为、流量：单位时间通道交换字节数。其量纲为字节字节/秒，秒，可用可用f表示。其中表示。其中fB为字节多路为字节多路CH流量，流量，fS为选择为选择CH流流量，量，fBl位数组多路位数组多路CH流量流量2、具有一个、具有一个CH的流量计算的流量计算 1）字节多路。其通道流量为各子）字节多路。其通道流量为各子CH流量之