组成原理第7章(输入输出系统)

1、重难点提示1、了解输入输出系统的基本概念；2、理解常用外设的基本工作原理；3、理解输入输出接口的功能和基本机构、输入输出端口及其编址；4、理解程序查询、中断、DMA三种输入输出方式的基本概念及其工作原理；5、了解通道方式工作原理。程序查询、中断、DMA三种输入输出方式的概念、工作原理、各自的应用范围，要能够根据情况选择适当的输入输出方式。输入输出系统输入输出系统接口输入设备输出设备接口例如：声卡、显示卡输入输出系统：计算机的重要组成部分，是沟通计算机与外界的桥梁。输入输出系统的组成（1）I/O 软件 I/O 指令（CPU 指令的一部分）； 通道指令（通道自身的指令）（2） I/O 硬件 I/O

2、 接口；设备控制器，通道。 I/O设备与接口输入设备：输入的数据计算机可以识别。输出设备：输出计算机存储的数据。输入输出设备种类繁多，很难用一种结构形式加以描述，一般结构为例如：显示器、打印机输入输出设备不能直接连CPU，必须要通过接口设备（I/O控制器）。为什么？ 答：输入输出设备与CPU工作速度不匹配！一个接口有两个口：一个连系统总线，CPU和接口之间并行传输数据；一个连输入输出设备，接口和输入输出设备可能并行也可能串行传输。 I/O设备与接口CPU快外围设备慢接口上有几个寄存器，一次就传几个数据。 I/O 接接 口口为什么要设置接口？1. 实现设备的选择2. 实现数据缓冲达到速度匹配4.

3、 实现电平转换5. 传送控制命令6. 反映设备的状态（“忙”、“就绪”、“中断请求”）3. 实现数据串 并格式转换I/O 接口设备BI/O 接口设备A数据线命令线状态线I/O总线（地址、数据、控制）设备选择线总线连接方式的 I/O 接口电路 I/O设备与接口设备与接口接口功能选址功能传送命令的功能传送数据的功能反映设备状态的功能接口组成设备选择电路命令寄存器、命令译码器数据缓冲寄存器设备状态标记I/O 接口的基本组成 命令寄存器和命令译码器 设备选择 电路 设备状态 标记 数据缓冲 寄存器DBR 控制逻辑电路I/O接口外 部 设 备数据线命令状态数据线命令线状态线CPU地址线2. 接口的功能和

4、组成功能组成选址功能传送命令的功能传送数据的功能反映设备状态的功能设备选择电路命令寄存器、命令译码器数据缓冲寄存器设备状态标记接口类型并行接口串行接口可编程接口不可编程接口通用接口专用接口1. 按数据 传送方式 分类2. 按功能 选择的灵活性 分类3. 按 通用性 分类4. 按数据传送的 控制方式 分类中断接口DMA 接口 独立编址 对外围设备统一编码，从0开始。由于与存储器分别编址，因此必须由单独的I/O指令来访问。 存储器统一编址 在存储器总的地址空间中分出一个区域，作为I/O系统中的设备代码，当访问这些地址时，表示被访问的不是存储器，而是I/O设备的设备寄存器。 输入输出设备的寻址方式

5、中断的概念 概念的提出程序查询方式中： CPU与单个外设的传输工作1）CPU启动某一I/O设备后， 中断当前主程序，进入到该设备的输入/输出程序 （该程序由I/O指令、测试指令、转移指令组成）；2）CPU进入输入输出程序后， 持续查询该I/O设备的准备状态， 设备未准备好就踏步等待， 若准备好了就实现数据传输；3）等输入输出程序全部结束后， CPU返回主程序，继续执行。在执行输入输出程序的整个过程中，CPU停止自己的主程序。检查状态标记交换数据准备就绪?是否单个设备 程序查询方式程序查询方式检查状态标记1 设备1 准备就绪？检查状态标记N 设备N准备就绪？处理设备1是否否处理设备N是多个设备

6、程序流程设置主存缓冲区首址设置计数值启动外设传送一个数据修改主存地址修改计数值结束I/O传送准备好？传送完？未完是完否 保存 寄存器内容 程序中断方式程序中断方式一、中断的概念KK+1QQ+1中断服务程序1中断服务程序2入口1入口2I/O 中断的产生以打印机为例发中断请求 空闲接收数据接收数据准备发中断请求打印打印打印机执行主程序继续执行主程序继续执行主程序响应中断中断返回响应中断中断返回 启动打印机传送数据传送数据CPUCPU 与打印机并行工作3. 中断向量地址形成部件入口地址向量地址由软件产生硬件向量法 显示器服务程序 打印机服务程序JMP 400JMP 300JMP 200主存12H13

7、H14H200300向量地址入口地址入口地址中断向量地址 形成部件 设备编码器1 0 0 0000100100001001由 硬件 产生 向量地址再由 向量地址 找到 入口地址四、I/O 中断处理过程1. CPU 响应中断的条件和时间(1) 条件(2) 时间允许中断触发器 EINT = 1用 开中断 指令将 EINT 置 “1”用 关中断 指令将 EINT 置“ 0” 或硬件 自动复位当 D = 1（随机）且 MASK = 0 时在每条指令执行阶段的结束前CPU 发 中断查询信号（将 INTR 置“1”）五、中断服务程序流程1. 中断服务程序的流程(1) 保护现场(2) 中断服务(3) 恢复现

8、场(4) 中断返回对不同的 I/O 设备具有不同内容的设备服务中断返回指令2. 单重中断和多重中断不允许中断 现行的 中断服务程序单重 中断多重 中断允许级别更高 的中断源中断 现行的 中断服务程序中断隐指令完成进栈指令出栈指令程序断点的保护寄存器内容的保护3. 单重中断和多重中断的服务程序流程中断否？保护现场设备服务恢复现场 开中断中断返回取指令执行指令中断服务程序 中断响应 程序断点进栈 关中断 向量地址 PC是中断返回保护现场设备服务恢复现场开中断开中断中断隐指令中断隐指令否取指令执行指令中断否？否 中断响应 程序断点进栈 关中断向量地址 PC是中断服务程序单重 多重 主程序和服务程序抢

9、占 CPU 示意图准备工作准备工作准备工作传送数据传送数据发中断请求发中断请求I/O宏观 上 CPU 和 I/O 并行 工作微观 上 CPU 中断现行程序 为 I/O 服务主程序继续执行主程序启动外设 服务程序（传送数据） 服务程序（传送数据）继续执行主程序CPU DMA 方式方式一、DMA 方式的特点1. DMA 和程序中断两种方式的数据通路CPU主存ACC 中断接口DMA 接口I/O 设 备中断方式数据传送通路输入指令输出指令DMA方式数据传送通路2. DMA 与主存交换数据的三种方式(1) 停止 CPU 访问主存控制简单CPU 处于不工作状态或保持状态未充分发挥 CPU 对主存的利用率主

10、存工作时间CPU不执行程序DMA不工作DMA不工作DMA工作 CPU控制并使用主存 DMA控制并使用主存t(2) 周期挪用（或周期窃取）DMA 访问主存有三种可能 CPU 此时不访存 CPU 正在访存 CPU 与 DMA 同时请求访存此时 CPU 将总线控制权让给 DMA主存工作时间 CPU控制并使用主存 DMA控制并使用主存t(3) DMA 与 CPU 交替访问主存工作时间DMA控制并使用主存CPU控制并使用主存tCPU 工作周期C1 专供 DMA 访存C2 专供 CPU 访存所有指令执行过程中的一个基准时间不需要 申请建立和归还 总线的使用权二、DMA 接口的功能和组成1. DMA 接口功

11、能(1) 向 CPU 申请 DMA 传送(2) 处理总线 控制权的转交(3) 管理 系统总线、控制 数据传送(4) 确定 数据传送的 首地址和长度(5) DMA 传送结束时，给出操作完成信号修正 传送过程中的数据 地址 和 长度DMA接口主存CPU2. DMA 接口组成DMA 控 制 逻 辑 中 断 机 构设备HLDAARWCDARHRQ中断请求数据线地址线+1+1溢出信号DREQDACKBR三、DMA 的工作过程1. DMA 传送过程预处理、数据传送、后处理(1) 预处理通过几条输入输出指令预置如下信息 通知 DMA 控制逻辑传送方向（入/出） 设备地址 DMA 的 DAR 主存地址 DMA

12、 的 AR 传送字数 DMA 的 WC预处理：主存起始地址设备地址 传送数据个数启动设备DMADMADMA数据传送：继续执行主程序同时完成一批数据传送后处理：中断服务程序做 DMA 结束处理继续执行主程序CPU(2) DMA 传送过程示意允许传送？主存地址送总线数据送I/O设备（或主存 ）修改 主存地址修改 字计数器 数据块传送结束？向CPU申请 程序中断DMA请求否否是是数据传送(5) 后处理校验送入主存的数是否正确是否继续用 DMA测试传送过程是否正确，错则转诊断程序由中断服务程序完成3. DMA 方式与程序中断方式的比较(1) 数据传送(2) 响应时间(3) 处理异常情况(4) 中断请求

13、(5) 优先级中断方式DMA 方式程序 硬件指令执行结束 存取周期结束能 不能低 高传送数据 后处理 三种方式的 CPU 工作效率比较存取周期结束CPU 执行现行程序CPU 执行现行程序DMA请求启动I/OI/O准备I/O准备一个存取周期实现I/O与主存之间的传送CPU 执行现行程序CPU查询等待并传输I/O数据CPU 执行现行程序启动I/OI/O 准备及传送指令执行周期结束CPU 执行现行程序CPU 执行现行程序启动I/O中断请求I/O准备I/O准备CPU 处理中断服务程序实现 I/O 与主机之间的传送间断启动I/O启动I/OI/O准备中断请求启动I/OI/O准备一个存取周期DMA请求程序查

14、询方式程序中断方式DMA 方式I/O 准备及传送间断I/O准备I/O准备程序查询方式、程序中断方式：适用于慢速外设，DMA方式、通道方式 和PPU方式：适用于高速外设。目前，微型机中多采用：程序中断方式和DMA方式。大中型计算机中多采用：通道方式。通道方式在小型和微型计算机中，采用在小型和微型计算机中，采用DMA方式可实方式可实现高速外设与主机成组数据的交换，但现高速外设与主机成组数据的交换，但在大、中型在大、中型计算机中，外设配置繁多，数据传送频繁，若仍采计算机中，外设配置繁多，数据传送频繁，若仍采用用DMA方式会出现一系列问题。方式会出现一系列问题。如果每台外设都配如果每台外设都配置专用的

15、置专用的DMA接口，不仅增加了硬件成本，而且为接口，不仅增加了硬件成本，而且为了解决众多了解决众多DMA同时访问主存的冲突问题同时访问主存的冲突问题，使控制，使控制变得十分复杂。变得十分复杂。CPU需要对众多的需要对众多的DMA进行管理，进行管理，同样会占用同样会占用CPU的工作时间，而且因频繁地进入周的工作时间，而且因频繁地进入周期挪用阶段，也会直接影响期挪用阶段，也会直接影响CPU的整体工作效率的整体工作效率。因此在大、中型计算机系统中，采用了I/O通道的方式来进行数据交换。下图表示了具有通道结构的计算机系统。CPU内存内存I/O通通道道 I/O通过通道与主机交换信息通过通道与主机交换信息

16、通道是用来负责管理I/O设备以及实现主存与I/O设备之间交换信息的部件，可视为一种具有特殊功能的处理器。通道有专用的通道指令，它能独立地执行用通道指令所编写的输入输出程序，但它不是一个完全独立的处理器，它受CPU的I/O指令启动、停止或改变其工作状态，是从属于CPU的一个专用处理器。依赖通道管理的I/O设备在与主机交换信息时，CPU不直接参与管理，故CPU的资源利用率更高。1、主机与设备传输数据时，采用（），主机与设备是串行工作的。 A 程序查询方式 B 程序中断方式 C 通道方式 D DMA方式A B2、I/O的编址方式采用统一编址时，进入输入输出操作的指令是（）。 A 控制指令 B 访存指

17、令 C 输入输出指令 D 通道指令解析：当I/O设备的编址方式采用统一编制时，CPU通过访存指令进入 输入输出操作； 当I/O设备的编址方式采用独立编制时，CPU通过专门的I/O指令 进行输入输出操作。例、在采用程序查询方式的输入输出系统中，假设不考虑处理时间，每一个 查询操作需要100个时钟周期，CPU的时钟频率为50MHz。现有鼠标和 硬盘两个设备，而且CPU必须每秒钟对鼠标进行30次查询，硬盘以32位 字长为单位传输数据，即每传输32位被CPU查询一次，传输率为2MB/s。 求CPU对这两个设备所花费的时间比率，由此可得出什么结论。解：1）CPU每秒对鼠标进行30次查询，每秒钟所需的时钟周期为 100 * 30 = 3000CPU的时钟频率为50MHz，一个时钟周期为1/50M 秒， 即每秒钟50*106个时钟周期。 CPU对鼠标查询占用CPU时间比率为：3000 / 50*106 = 0.006 % 2）对硬盘每传输32位被CPU查询一次，每秒钟查询次数为 2MB / 4B = 512 K 每秒钟所需的时钟周期为 100 * 512K = 52.4 *