计算机组成原理chapter3课件

1、计算机组成与结构Computer Organization and Architecture (第三章) 2004.19/15/20221目录3.1 外部设备3.2 输入/输出中的数据传送控制3.3 接口3.4 I/O设备管理9/15/20222第3章 输入/输出及其控制I/O系统:是计算机主机与外界交换信息时硬软件设备的总称.三大组成:1.外部设备:围绕主机而配置的各种信息媒体转换和传递的设备.2.设备控制器与接口:即设备适配器,是用以控制主机与外设间的信息格式转换、交换过程及外设运行状态的硬、软件。3.I/O总线:是主机与外设间的信息传送通路.主机I/O接口设备控制器机电磁光部分外设返回9

2、/15/202234. Amdahl定律Amdahl定律:加快某部件执行速度所获得的系统性能加速比,受限于该部件在系统中所占的重要性.系统加速比=系统性能改进后/ 系统性能改进前推论:若仅对计算机中的一部分作性能改进,则改进越多,系统获益越小.举例:若一台计算机的I/O处理占10%,当其CPU性能改进,而I/O性能保持不变时,系统总体性能会出现什么变化?若CPU的性能提高10倍 若CPU的性能提高100倍解:若原来的程序执行时间为1个时间单位.若CPU的性能提高10倍,则程序的计算(含I/O处理),时间为(1-10%)/ 10+10%=0.19,即整机性能只提高1/0.19=5.26,差不多有

3、50%的CPU性能浪费的I/O上.若CPU的性能提高100倍,则程序的计算(含I/O处理),时间为(1-10%)/ 100+10%=0.109,即整机性能只提高1/0.109=9.17，不到10倍。9/15/20224Amdahls lawAmdahls law主要的用途是指出了在计算机体系结构设计过程中，某个部件的优化对整个结构的优化帮助是有上限的。也从另外一个方面说明了在体系结构的优化设计过程中，应该挑选对整体有重大影响的部件来进行优化，以得到更好的结果。9/15/202253.1.1 外设分类及其发展2.人-机界面(interface)技术的进步计算机系统的三大要素:硬件,软件,人-机界

4、面.人-机界面技术:符号 图形 多媒体 虚拟现实(1)符号界面技术:基于机器端的全手工操作方式直接的符号式人-机界面技术(语言人机交互设备)(2)图形界面技术:图形设备蓬勃发展.(3)多媒体界面技术:大部分信息靠人的视觉(65%)和听觉(20%)接受.当人的几个不同器官(尤为视,听觉协同接收相关信息时),人与该信息的连接性比单独用1个器官要高得多.据上述原理,开发对文本,声音,图形和图象的综合处理即多媒体计算机技术.9/15/202273.1.1 外设分类及其发展多媒体技术的核心:A.开发具有视觉,听觉和说话能力的外部设备.B.高速,大容量的计算机系统.C.视频和音频数据压缩和解压缩技术.D.

5、人工智能和交互式技术.(4)虚拟现实(virtual reality):VR技术又叫灵境(或幻境)技术.是以某些直接感觉为引导,借助人脑的联想,激发其它非直接感觉神经活动,产生的一种幻觉.VR技术是想象力和电子技术的结合,它用一套全新的电子刺激代替真实世界的各种感觉,使人在计算机仿真中,有“身临其境”的感觉.3.绿色计算机:它是科技与环保的结合.要求包括:(1)节能 (2)低污染 (3)易回收 (4)符合人体工程学9/15/202283.1.2 字符设备1.键盘:是最主要的字符设备.(1)基本组成元件:按键开关.(2)分类: 触点式借助金属通/断两个触点来输入信号。 早期的键盘几乎都是机械式键

6、盘，准确的说是机械触点式键盘，这种键盘使用电触点接触作为连同标志，使用机械金属弹簧作为弹力机构。这种键盘的手感硬、按键行程长、按键阻力变化快捷清脆，手感很接近打字机键盘，所以在当时很受欢迎，直到今天仍然有相当一部分人十分怀念这种键盘的手感。 机械触点式键盘最大的两个缺点是机械弹簧很容易损坏，而且电触点会在长时间使用后氧化，导致按键失灵。9/15/202210非触点式借助霍尔效应开关和电容开关产生输入信号。霍尔效应Hall Effect是一种磁电效应，是德国物理学家霍尔1879年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的非触式键盘，是与此前的各种“接触式键盘”相对而言的，与“接触式键盘”不同的是，它

7、们并不是依靠导电触点的机械式连通来获得按键信号的，而是依靠按键本身的电参数变化来获得按键信号。由于不需要触点的机械接触，所以它的使用寿命就能强很多。 主要的非接触式键盘有电阻式键盘和电容式键盘。其中电容式键盘由于工艺更加简单成本更低所以更受到普遍应用。与机械式键盘相比，它最大的两个特点是使用弹性橡胶制作的弹簧取代了机械金属弹簧，同时由机械键盘的电连通转为通过按键底部和键盘底部的两个电容极板距离的变化带来的电容量变化来获得按键的信号。 9/15/202211总结：按键按照结构原理可分为两类，一类是触点式开关按键，如机械式开关、导电橡胶式开关等；另一类是无触点开关按键，如电气式按键，磁感应按键等。

8、前者造价低，后者寿命长。目前，微机系统中最常见的是触点式开关按键。 9/15/2022123.打印设备是一种硬拷贝设备,作用是将输出信息打印在纸上.产生永久性记录.(1)按印字原理分类:击打:活字式和点阵式。 非击打:采用电、磁、光、喷墨等方式。(1)按工作方式分类:串行逐字打印. 并行逐行打印.9/15/202214 打印机 打印机原理和指标 打印机是计算机需要配备的基本输出设备，它的作用是将计算机的文本、图形等转印到普通纸、蜡纸、复写纸和投影胶片等介质上，形成“硬拷贝”，便于使用和长期保存。 按照转印原理的不同，常用打印机可分为针式打印机、激光打印机和喷墨打印机三大类。还有热转印打印机等。

9、针式打印机属于有触点打印，其余均属于无触点打印。 9/15/202215 针式打印机是用字符图形的点阵信号控制打印头的各个打印针顺序撞击色带，在纸上打印出字符的一列黑点，打印头由左向右移动在纸上打印出一行字符，输纸轮将纸向前移动在纸上打印出各行字符。打印头分为9针和24针两种。 打印耗材是色带，见图5-3的500张连续的打印纸和普通的单页纸。 针式打印机的打印速度慢、分辨率低、噪音大、价格高、故障多，使用范围已越来越少。但是只有它可以打印蜡纸和多层复写纸，因此在商业金融领域打印票据和在学校中用蜡纸印考卷等领域还是它的一统天下。9/15/202217图5-1 针式打印机9/15/202218图5

10、-2 针式打印机的结构原理9/15/202219图5-3 针式打印机色带盒9/15/2022202喷墨打印机的打印原理图5-4是一台喷墨打印机的照片。与针式打印机的主要区别在于，它的打印头以喷射出超细、快干的墨水在纸上形成图形点阵。打印耗材是打印头墨盒，需要定期更换，一个墨盒可以打印几百张文字页，耗材成本较高。由于墨滴在纸上会洇，因此要求使用高质量的复印纸。它还可以打印投影胶片等多种介质。喷墨打印机的打印速度快、分辨率高、噪音小、价格低，特别是可以打印彩色照片，目前已成为个人计算机用户的首选打印设备。喷墨打印机的最大缺点就是页面能遇水受潮，再漂亮的页面图形、照片遇水就会面目全非。9/15/20

11、2221图5-4 喷墨打印机9/15/202222图5-5 激光打印机9/15/202224 打印机的主要技术指标 打印机的技术指标很多，最主要的是打印精度（也叫分辨率）和速度，还有单色/彩色，纸的幅面大小，耗材的寿命、控制命令集和打印机功耗等。 打印精度是指打印机在每英寸范围上可以打印的最高点数，单位是点/英寸，即dpi（dot per inch）。它是判断打印机打印分辨率高低的指标。针式打印机的精度从早期的180dpi提高到360dpi以上。喷墨和激光打印机的精度从360dpi提高到1440dpi以上。 打印速度是指每分钟打印机可以打印的页数，单位是页/分钟，即ppm（page per m

12、inute）。这个指标所说的打印页数通常是指标准文字（或图形）页的最高页数，实际使用时，往往会低于标称值。9/15/2022254.字符显示设备显示设备是将各种电信号变为视觉信号的设备.1)显示方法:点阵法:由若干像素(pixel)组成字符.向量法:用若干依次产生的向量形成字符.特殊法2)显示设备:按显示器件分类(1) CRT:即阴极射线管原理:用一电子束密集地对荧光屏高速逐行扫描,通过控制电子束上各点的隐和现,在荧光屏上显示字符或图形.再重复行扫描,维持屏幕原图形连续显示或反映字符图形的变化.（三个电子枪）优缺点:清晰度高,实时性好,可动态显示.但体积大,耗电多,需高压供电.9/15/202

13、227CRT显示器CRT结构阴极: 发出电子；栅极: 控制电子束的强度；阳极: 对电子束进行加速；聚焦极: 电子束的聚焦；偏转线圈: 改变电子束的运动方向。9/15/202228CRT(阴极射线显像管)显示器的显像原理主要是由灯丝加热阴极，阴极发射电子，然后在加速极电场的作用下，经聚焦极聚成很细的电子束，在阳极高压作用下，获得巨大的能量，以极高的速度去轰击荧光粉层。这些电子束轰击的目标就是荧光屏上的三原色。为此，电子枪发射的电子束不是一束，而是三束，它们分别受电脑显卡R、 G、 B三个基色视频信号电压的控制，去轰击各自的荧光粉单元，从而在显示屏上显示出完整的图像。 在图形界面的操作系统下，显示

14、屏上显示的色彩多种多样，当用户停止对电脑进行操作时，屏幕显示就会始终固定在同一个画面上，即电子束长期轰击荧光层的相同区域，长时间下去，会因为显示屏荧光层的疲劳效应导致屏幕老化，甚至是显像管被击穿。因此从Windows 3.X时代至今，屏幕保护程序一直作为保护CRT显示屏的最佳帮手，通过不断变化的图形显示使荧光层上的固定点不会被长时间轰击，从而避免了屏幕的损坏。 9/15/202229CRT显示器的刷新刷新 CRT器件的发光是由电子束射在荧光粉上引起的，其发光亮度只能维持大约几十毫秒。为了使人眼能看到稳定的图像，就必须在图像消失之前使电子束不断地重复扫描整个屏幕。 这个过程叫做刷新(refres

15、h)，每秒刷新的次数叫刷新频率。9/15/202230(2)液晶显示器LCD(Liquid Crystal Display )原理:利用特殊的液晶材料的分子,受电场,磁场等外部条件作用,会重新排列,具有各向异性的光学特性.在电场作用下,液晶分子发生扭曲和排列结构的改变,产生光散射,旋光,双折射效应.当有环境光或背景光时,经光的透射而显示文字或图形.分类:扭曲阵列类:有TN,STN,已趋于淘汰.薄膜场效应晶体管TFT:是目前LCD的主流.3)显示器的分辩率:见3.1.3节.P969/15/202231一、机身薄，节省空间：与比较笨重的CRT显示器相比，液晶显示器只要前者三分之一的空间。 二、省电

16、，不产生高温：它属于低耗电产品，可以做到完全不发烫，而CRT显示器，因显像技术不可避免产生高温。 三、无辐射，益健康：液晶显示器完全无辐射，这对于整天在电脑前工作的人来说是一个福音。 四、画面柔和不伤眼：不同于CRT技术，液晶显示器画面不会闪烁，可以减少显示器对眼睛的伤害，眼睛不容易疲劳。 9/15/202232液晶的物理特性是：当通电时导通，排列变的有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透。从技术上简单地说，液晶面板包含了两片相当精致的无钠玻璃素材，称为Substrates，中间夹著一层液晶。当光束通过这层液晶时，液晶本身会排排站立或扭转呈不规

17、则状，因而阻隔或使光束顺利通过。大多数液晶都属于有机复合物，由长棒状的分子构成。在自然状态下，这些棒状分子的长轴大致平行。 9/15/202233CRT通常有三个电子枪，射出的电子流必须精确聚集，否则就得不到清晰的图像显示。但LCD不存在聚焦问题，因为每个液晶单元都是单独开关的。这正是同样一幅图在LCD屏幕上为什么如此清晰的原因。LCD也不必关心刷新频率和闪烁，液晶单元要么开，要么关，所以在4060Hz这样的低刷新频率下显示的图像不会比75Hz下显示的图像更闪烁。不过，LCD屏的液晶单元会很容易出现瑕疵。 9/15/202234LEDLED Light Emitting Diode即发光二极管

18、，是一种半导体固体发光器件，它是利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合引起光子发射而产生光。 9/15/202235传统LCD屏幕的特点液晶面板本身只负责图象的生成，而亮度则是依靠背光灯管投射在液晶屏幕上。可以说LCD显示屏是笔记本最核心、成本最高，同时也是功耗最大的部件之一。 它存在一些先天不足，例如色域狭窄、能源利用率低、功耗较高及寿命短等。其实这些都与它采用CCFL（Cold Cathode Fluorescent Lamps，冷阴极荧光灯）背光技术有很大的关系。而为了解决这些问题，人们一直在寻找着其替代技术及产品. 9/15/202236LED背光

19、屏幕LED背光屏实际上是LCD屏加了个发光二级管,我们现在用的手机大部分是加了发光二级管才在夜间可见 键盘和屏幕 所谓背光是因为液晶是被动显示，必须有个光源在背后照着才能看见，就像广告灯箱。通常背光的光源是CCFL，也就是类似家用的日光灯管，其色域不高，体积较大。相称于色彩表现不是非常好，做成的液晶屏也比较厚。led背光屏幕就是用led，即发光二极管排成矩阵，来做背光源。其色彩表现较好，做成液晶屏很薄。为了达到和CCFL等亮的要求，一块12寸笔记本屏幕至少要分布45个LED灯管，即使这样其能耗也比CCFL低了不少。9/15/2022373.1.3图形与图象(image)设备图形:是用计算机表示

20、和生成的图(称为主观图象)是基于绘图命令和坐标点的存储和处理.图象:处理的对象多半来自于客观世界,是基于象素点的存储和处理.计算机图形学是真实物体或虚构物体的图形综合技术.图象技术是景物或图象的分析技术,是计算机图形学的逆过程.两者的结合日益紧密,相互渗透.1.绘图仪(plotter):与图形显示器的不同点:输出永久性图形.图形显示器:输出一过程图形的设备2.摄像机和扫描仪(scanner):输入设备.形成图形的原理相同9/15/202238 扫描原稿 镜头 光信号 光源 CCD 电信号 电路系统 R.G.B TWAINA/DCCD:电荷耦合器件光电转换软件标准9/15/2022393 图形与

21、图象显示器是以可见光形式传递和处理信息的设备,是目前计算机系统中应用最广泛的人-机界面设备.1)图形显示器:指用计算机通过一定算法产生点,线,面,阴影,色彩等.即图形是由图形程序产生的.DDA(Digital Differential Analyzer):作用是进行数据插补,把显示文件变成象素文件.2)图象显示器:如图3.9所示,原理:CPUI/F VRAM (显存) D/A CRT显示标准:支持不同最大分辨率和颜色数目.MDA/CGA EGA VGA(第三代,里程碑) SVGA(VGA的扩展集,1280*1024)刷新存储器(VRAM):存放显示图案的点阵数据,其存储容量取决于设定的工作方式

22、.9/15/2022403.图形与图象显示器VRAM(显存容量的计算)A.颜色位数(颜色深度):是每个象素用于表示颜色的位数. 颜色位数=log2 颜色数 256 8位 65536 16位 16777216 24位(真彩色)VRAM容量(b)=分辨率(行数*列数)* log2 颜色数例表3.1中,C=640*480* log2 256= 2457600/8/1024=300KBC=1024*768* log2 65636=12582912/8/1024=1536KB=1.5M9/15/202241触摸屏触摸屏触摸屏是透明的，可安装在任何一种显示器的表面。工作原理：一种定位设备，通过一定的物理手

23、段，使用户触摸触摸屏时，所摸的位置（以坐标形式）被控制器检测到，并通过I/O接口送到CPU，从而确定用户所输入的信息。触摸屏根据其所采用的技术可分成5类: 电阻式，电容式，红外线式，表面超声波式和压感式。用户看着显示内容，想选什么就简单地用手触摸一下。 9/15/202242电阻式触摸屏两层薄膜之间绝缘隔开，间隙为0.0001英寸。根据接触点电阻的大小求得触摸点所在的X和Y坐标位置。9/15/202243三、条形码与POS系统 1.什么是条形码技术?条形码技术，也叫BC (Bar Code条码)技术, 是应用计算机技术发展起来的一种自动识别技术。物流业利用条码技术可对物品进行识别和描述，解决数

24、据录入和数据采集的瓶颈问题，为供应链管理提供了有力支持。229/15/202244 2.条形码技术意义条形码技术可大量快速采集信息，适应物流大量化和高速化要求，大幅度提高物流效率。条形码技术是实现POS(Point of Sales，销售点)系统、EDI、供应链管理的技术基础，是使物流管理现代化、提高竞争力的重要技术手段。9/15/202245 3.条形码结构条形码是由一组黑白相间、粗细不同的条状符号组成。条形码隐含着数字信息、字母信息、标志信息、符号信息，主要用以表示商品的名称、产地、价格、种类等。是全世界通用的商品代码的表示方法。9/15/202246 4.条形码原理在技术上，条形码的黑白

25、相间条纹，由若干个黑色的“条”和白色的“空”的单元所组成（条与空的宽度不同）。279/15/202247 黑色条对光的反射率低，白色的空对光的反射率高，使扫描光线产生不同的反射接收效果，在光电转换设备上转换成不同的电脉冲，形成了可以传输的电子信息。289/15/202248由于光的运动速度极快，所以，可以准确无误地对运动中的条码予以识别。9/15/202249 五、条码的识别装置 主要采用以下几种光电扫描设备： (1)光笔扫描器似笔形的手持小型扫描仪。 319/15/202250 (2)台式扫描器固定的扫描装置，手持带有条码的卡片或证件在扫描器上移动，完成扫描。9/15/202251 (3)手

26、持式扫描器 能手持作用和移动使用的较大的扫描器，用于静态物品扫描。339/15/202252 (4)固定式光电及激光快速扫描器由光学扫描器和光电转换器组成，是现在物流领域应用较多的固定式扫描设备，安装在物品运动的通道边，对物品进行逐个扫描。9/15/202253物体运动通道旁的扫描仪9/15/202254扫描仪和后续的光电转换、信号放大及与计算机联机形成完整扫描阅读系统，完成电子信息采集。棱镜369/15/202255六、条形码在物流系统中的应用(1)销售点实时管理系统POS（Point of Sale）其过程为：通过光电扫描，读取商品上贴上的条码，将信息输入计算机，然后输进收款机，收款后开出

27、收据。同时，通过计算机处理，对销售商品进行结算，掌握进、销、存的数据。见下图：9/15/202256条形码在物流系统中的应用389/15/202257(2)库存系统库存物资的规格 包装、集装、托 盘货物上贴上条 形码，入库时自 动扫描并输入计 算机处理，形成 库存信息。并输出入库区 位、货架、货 位的指令。 条形码在物流系统中的应用399/15/202258出库程序则和POS（销售点实时管理系统）条码应用一样条形码在物流系统中的应用409/15/202259 (3)分货拣选系统配送出货时，利用条码分货拣选，快速处理大量货物过程：见下图41条形码在物流系统中的应用9/15/202260条形码在物

28、流系统中的应用9/15/202261输入输出系统的发展四种类型以CPU为中心的阶段(早期阶段)接口模块和DMA阶段具有通道结构的阶段具有I/O处理机的阶段9/15/202262早期阶段I/O设备较少，I/O设备与主机交换信息都通过CPU这种交换方式延续了很长时间。当时的I/O设备具有如下几个特点：每个I/O设备都必须配有一套独立的逻辑电路与CPU相连，线路复杂。输入输出过程穿插在CPU执行程序之中进行，当I/O与主机交换信息时，CPU不得不停止各种运算。每个I/O设备的逻辑控制电路与CPU的控制器紧密构成一个不可分割的整体，增减或更换I/O设备十分困难。主存储器 CPU I/O 9/15/20

29、2263接口模块和DMA阶段接口模块：控制、缓冲。I/O设备与CPU可按并行方式工作在主机与I/O交换信息时，CPU要中断现行程序。DMAI/O和主存之间增加一条数据通路。I/O 接口设备1I/O 接口设备nI/O总线CPUI/O 接口高速外设内存主存总线DMA总线9/15/202264具有通道结构的阶段对大型系统，设备多，数据传输频繁，DMA造成的总线冲突仍然影响CPU的效率。解决办法：采用I/O通道方式进行数据交换。执行专用指令，完成数据交换专用处理器，受主CPU控制（启停等）processormemoryI/O channelDeviceI/O channelDevice9/15/202

30、265具有通道结构的阶段通道与DMA的区别对CPU而言，通道比DMA具有更强的独立处理I/O的能力。 DMA方式是通过DMA控制器控制总线，在外设和主存之间直接实现I/O传送；而通道通过执行通道程序进行I/O操作的管理。DMA控制器通常只控制一台或多台同类的高速设备，而通道可控制多台同类或不同类的设备。通道的位置主存CPU通道设备控制器外设9/15/202266具有通道结构的阶段CPU对通道的控制通过如下两个方式进行。 CPU执行I/O指令。当需要进行I/O操作时，CPU按约定的格式准备好命令和数据，编制好通道程序，然后通过执行I/O指令(例如：START I/O，TEST I/O ，HALT

31、 I/O等)来启动通道。I/O指令应给出通道开始工作所需的全部参数，如：通道执行何种操作，在哪个通道和设备上进行操作等。 CPU启动道后，通道和外部设备将独立进行工作。处理来自通道的中断请求。当通道和外设发生异常或结束处理时，通道采用“中断”方式向处理器报告。9/15/202267具有I/O处理机的阶段I/O处理机（IOP）又叫外围处理机（Peripheral Processor Unit或PPU）。独立于主机工作，不仅可完成I/O通道要完成的I/O控制，还可完成码制转换、格式处理、数据块检错纠错等操作。对于早期阶段，接口模块和DMA阶段，具有通道结构的阶段，具有I/O处理机的阶段这四个阶段：

32、这些方法逐步把处理I/O操作的负担从CPU移到更智能化的I/O控制器或I/O处理器，使处理器周期从I/O操作中释放出来。但也逐步增加了I/O系统的复杂性和价格。因此，一个给定的计算机系统应该根据它所连接的设备选择合适的I/O控制方式。9/15/2022683.2 输入/出中的数据传送控制本节重点:介绍CPU对输入/出过程的控制,有程序查询,中断控制,DMA,通道控制等方式.3.2.1 直接程序传送控制特点:外设的操作(启,停,开始传送等)都由CPU指令指定.I/O过程全在CPU指令控制下进行.外设与CPU的数据传送有两种方式:1.无条件传送方式(亦称程序定时或同步传送方式):(1)工作原理:最

33、简单的一种传送方式.象CPU控制内存读写一样 ( CPU主动控制),用于对采样点的定时采样或对控制点的定时控制等场合.输出(写):CPU发地址选外设送数到DB 外设的数据缓存CPU外设输入(读): CPU发地址选外设外设的数据缓存 读数到DB CPU 外设CPU 寄存器写令读令9/15/2022692.程序查询传送方式(polling)(1)特点:利用程序控制实现CPU与I/O设备间的数据传送.(2)控制过程(以输入为例): CPU 送设备地址 选中设备控制器测busy位 = 0 是0 发命令字启动外设置busy =1 置ready=0 测ready = 1接口 接收CPU命令 启动外设 输入

34、数据 数据缓冲寄存器外设:完成输入 置ready = 1 告CPU CPU:数据缓冲寄存器DB CPU寄存器(3)缺点: CPU与外设串行工作,CPU大量时间处于等待,效率低.CPU只能一段时间与一台外设交换,无法使其它外设同时工作,即单机串行工作. 检错难.(4)适用场合:除单片机外,很少用.AB?9/15/202270控制公用寄存器0忙10就绪1动作开始动作结束交换数据数据缓冲寄存器设备选择数据总线地址总线CPU接口设备置”1”置”0”“准备好”（1）（6）（5）（2）（3）（5）（4）图3.21 程序查询方式的I/O控制器示意图返回9/15/2022713.2.2 程序中断控制1.中断(

35、interrupt)的概念中断的概念是50年代中期提出的.它的出现是计算机系统结构中的重大变革(里程碑).它特别适合处理随机出现的事件.中断:一种对紧急,突发事件的处理模式.当遇到此类紧急事件,CPU暂停执行当前程序转而执行更紧急的程序,并能在执行结束后自动恢复原先程序的过程.中断源:即引起中断的事件(event).中断子程序:专门处理紧要事件的服务程序.2.中断过程(以启动打印机为例):(1)CPU:启动打印机响应打印机中断请求1 进中,送数返回.响应中断请求2.(2)打印机:准备向CPU发中断请求进中,交换数打印(3)结论:CPU与外设在大部分时间并行工作(宏观上),中断服务时间在微秒级,

36、打印一行字要nms几十ms.大大提高了计算机系统的效率.实际的中断过程复杂一些,要经中断请求响应处理返回的过程.CPU工作CPU工作CPU不工作9/15/202272主程序执行CPU的其他工作启动打印机中断服务子程序(数据传送)响应中断中断返回响应中断中断返回CPU工作状况交换数据交换数据中断请求中断请求空闲准备打印打印(b) 打印机工作状况 图 3.22 CPU对打印机的中断服务返回中断服务子程序(数据传送)9/15/2022731.中断请求1)中断源:是中断的发生源.中断种类: I/O设备中断:键盘,打印机等.数据通道中断:如磁盘,磁带等.实时时钟中断:用于定时.故障中断:断电,设备故障等

37、.系统中断:如溢出,数据格式错,校验错,非法指令等.调试程序用中断:单步.内部中断:如系统中断. 外部中断:由CPU外部引起.强迫中断:由故障引起. 自愿中断:程序预先的,如软中断.2)中断请求的提出:中断请求触发器(INTR):为每个中断源设置1个外部事件发生置INTR=1 置INTR=0提出中断请求的方法:A.单线中断:INT=INTR1VINTR2V.VINTRn,CPU再按序查询.B.多线中断:一个中断源1位.CPU响应后9/15/202274中断源人为设置的中断（称作“自愿中断”）：是在程序中人为设置的。程序性事故：如定点溢出、浮点溢出等。硬件故障：插件接触不良、磁表面损坏、电源掉电

38、等。I/O设备：I/O设备通过中断与主机通信。外部事件：如用户通过键盘来中断现行程序。9/15/2022751.中断请求(3)中断排队:多个中断源同时发中断请求,CPU要排出处理顺序,让最紧急最重要的,处理速度要求较高的事件优先处理,即优先权(priority).判优原则:A.不同级的,按级别高低依次处理.B.高级中断可中断低级,即中断嵌套(nest).较低级的中断不可中断高级,同级中断不能被同级再次中断.C.同级中断源同时申请中断时,按事先约定次序处理.实现方法:A.硬件判优:优先级高的设备提出中断请求后,自动封锁优先权低的设备.B.软件判优:需编写查询程序.(4)中断屏蔽:即CPU暂不理睬

39、某些中断,但仍保留信号,以便条件允许再响应.方法是在I/O的各中断线路中设1个屏蔽触发器IM.9/15/202276I / O1I / O2I / OnI NTR1I NTR2I NTRnI NTCPUI / O1I / O2I / OnI NTR1I NTR2I NTRnI NTCPUI NTA1(a) 多线中断(b) 单线中断图 3.23 中断请求返回9/15/202277INTR0INTR0INTR1INTR21&INTR21&INTR1&INTA&1INTR1&1INTR2&1INTR3&1INTR41INT至下一级允许中断1允许中断2允许中断3允许中断4图3.24中断排队线路返回(a

40、)独立请求线的中断排队线路(b)串行优先链中断排队线路9/15/202278&IM01IR10IR图 3.25 中断屏蔽返回9/15/202279(5)中断的屏蔽(MASK)和开放禁止中断:CPU拒绝任何中断.何时禁止中断:A.系统处于2个程序的转换阶段:即在中断过程或刚响应时.B.正在执行某些不允许中断的程序:如过程定时控制程序.中断允许触发器IFF:IFF=1,允许中断开中命令(STI) IFF=0,禁止中断关中命令(CLI)CPU响应中断条件C=INT.IFF,可用与门实现. 指令顺序KLDIEI响应中断不响应中断响应中断9/15/2022802.中断响应 有中断请求CPU响应中断的条件

41、 CPU允许中断(处于开中状态) 一条指令执行过程中,不能响应中断中断响应实质上是在计算机中执行1条隐(implicit)指令.它是机器指令系统中没有的指令,由硬件自动完成. 保存原程序的断点和状态 转向中断服务程序(1)断点和现场的保存与恢复断点:是CPU响应中断前,即将要执行的下条指令的地址.保存断点:用中断隐指令完成.保存通用寄存器和FL(或PSW):用中断服务程序.中断隐指令功能:9/15/202281(2)转中断服务程序入口中断处理的关键是寻找中断服务程序的入口(entry),即第一条程序的地址.常用向量(vector)法和查询法(polling).向量中断:是硬件实现方法,是中断源

42、自己引导CPU获取中断服务程序入口地址的中断过程.向量地址由硬件产生.注意:A.向量地址是永久分配好的.B.向量地址与中断服务程序的入口地址是不同的概念.中断向量地址 中断服务程序入口中断引导程序查询:通过预先编好的查询程序,按顺序查询哪个I/O设备有中断请求,处理速度较慢.3.中断流程:见P118的图3.28.间接寻址9/15/2022824.中断系统的组成中断系统的功能,由硬软件紧密配合,共同实现.具体实现,各机不同.(1)程序中断控制器:增加了4个触发器和1个寄存器.准备就绪触发器(RD):程序查询方式:是ready标志.中断方式:用作中断源触发器,即中断触发器.允许中断触发器(EI):

43、EI=1,对应设备可向CPU发中断请求中断请求触发器(IR):暂存中断请求线上由设备发出的中断请求信号.中断屏蔽触发器(IM):IM=0,CPU可受理中断. IM=1,CPU不受理中断. 中断向量寄存器(IVR):存放对应于中断请求的中断服务程序入口地址.9/15/202283返回9/15/202284(2)控制过程(以输入为例) 启动外设 外设接口“忙”标志BS=1 RD=0. BS=1 RS(外设启动信号). 设备的数据 接口中的数据缓冲寄存器. 设备动作结束 RD=1 BS=0. 当EI=1,接口向CPU发中断请求. 指令执行结束后,查中断请求线,把请求信号 IR. 当IM=0,CPU在

44、1条指令执行结束时,受理外设中断请求 发中断响应信号INTA.关中断. 转向该设备的中断服务程序入口. CPU读数据,把数据缓冲寄存器内容 CPU寄存器组. CPU发控制信号C BS=0,RD=0.输入指令9/15/202285(3)中断服务程序分起始,主体和结尾三部分. 保护断点:由中断隐指令完成. 起始部分功能: 保存通用寄存器和FL:中断服务程序 主体部分功能:完成相应的中断处理操作,即中断服务(设备服务). 结尾部分功能:恢复现场,最后一条必须是中断返回指令IRET.5.多重中断:(1)即中断嵌套:在某个中断过程中又发生了新的中断.(2)举例:如图3.31,中断顺序:1234 主 主

45、停 主结论:可改变屏蔽位的信息来改变多重中断 处理次序.保护现场主程序一级二级三级9/15/202286返回高9/15/2022876.中断处理的缺点(1)从宏观上看:程序中断方式克服了程序查询方式中CPU的“踏步”现象,实现了CPU与 I/O的并行工作,提高CPU的资源利用率.(2)从微观上看:CPU在处理中断服务程序时,仍需暂停原程序的正常运行,尤其当高速I/O设备或辅存要成批与主存交换信息时,不断地打断CPU执行主程序而执行中断服务程序.实际造成主程序与中断服务程序抢占CPU的现象. 主程序 继续执行主程序启动外设继续执行主程序服务程序(传数)服务程序(传数)传数传数准备工作准备工作准备

46、工作发中断请求结论;人们要探索使CPU发挥更高效率的DMA控制方式.9/15/2022883.2.3 DMA(Direct Memory Access)控制主存ACCDMA接口I/O设备中断接口中断方式数据传送 通路输入指令输出指令DMA方式数据传送通路从上图可见,DMA控制是在内存与设备间开辟一条直接数据传送通路,并把传送控制过程交给DMA控制器管理,形成了以存储器为中心的体系结构. DMA控制器可看成是与CPU共享存储器的处理器,主存与设备交换信息,不必通过CPU,也不必让CPU暂停现行程序为设备服务,省去了保护与恢复现场,因此,工作速度比中断高.这一特点,特别适合于高速I/O或外存与主存

47、的信息交换.* DMA的本质是一种完全由硬件执行I/O交换的工作方式.9/15/2022891.DMA传送方式DMA控制器与CPU常用以下三种方式分别占用内存.(1)CPU暂停访问内存:对CPU来讲,DMA的优先级高于中断.CPU暂停访问内存是用DMA信号迫使CPU暂时让出总线控制权,传送完毕后, DMA控制器再把总线控制权交还给CPU. 优点:控制简单,适合于传送率很高的设备进行成组传送. 缺点:DMA访存时,CPU基本处于不工作状态 (standby),CPU与内存的效率没充分发挥.因为外设传送2个数据间的间隔总是大于内存存储周期.如软盘读出1个字节要32S,半导体存储器也要1S,许多空闲

48、的存储器周期不能被CPU利用.(2)DMA与CPU交替访问内存:此法适用于CPU工作周期比内存存取周期长很多的情况.思路:把存储周期分成C1,C2二个分周期,C1-专控DMA控制器访内存实现两者交替访内. C2-专控CPU访内.优点:不需总线使用权的请求,交权快,高效.缺点:硬件逻辑复杂.9/15/202290返回CPU9/15/202291返回9/15/202292返回9/15/202293预处理： 内存起始地址 DMA设备地址 DMA传送数据个数 DMA启动设备 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允许传送？主存

49、地址送总线； 数据送I / O设备(或主存)；主存地址+1; BC内容(传送个数)减1 数据块 传送结束？向CPU申请程序中断DMA请求YNNY(a) DMA传送(b) 数据传送阶段的细化图 3.34 DMA传送过程返回9/15/2022941.DMA传送方式(3)直接访问和周期挪用(cycle stealing)思路: 当外设无DMA请求:CPU按程序要求访内存. 当外设有DMA请求:外设挪用1个或几个内存周期,进行数传.直接访问方式:CPU不访内存,外设可挪用12个内存周期,是标准的DMA方式.周期挪用方式:当CPU与外设同时要访内存时,通常让外设优先访内,外设挪用12个内存周期.意味着,

50、CPU推迟对指令的执行.优点:与第一种方法相比,此法既实现了I/O传送,又较好地发挥了内存与CPU的效率,被广泛使用.适用于外设读写周期大于内存存储周期的情况.缺点:外设每挪用1个主存周期,都要经历申请总线控制权建立总线控制权归还控制权的过程.前2种方法 的析中9/15/2022952.DMA控制器又称DMA接口.实际上,是采用DMA方式的外设与系统总线间的接口电路.此接口电路是在中断接口的基础上再加上DMA机构组成.(1)DMA控制字:与机器指令类似.有一定的格式.(2)组成: 内存地址计数器BA:存放待读写数据的首址.每传一字,减1. 字计数器BC:对传送的字节数计数. 状态(控制)寄存器

51、:是核心部分.(3)操作:接收外设的DMA请求向CPU发DMA请求获总线控制权取得传送参数后传送数据指出DMA传送结束,交权9/15/2022963.DMA传送过程三阶段:DMA预处理数传DMA后处理(1)DMA预处理:CPU执行几条I/O指令设备号DAR 启动设备送始址BA CPU继续执行程序 个数BC (2)数据输入/出操作:以字/数据块为单位.输入(从外设内存):数读入BD(数据缓存) BA 内存AR BA+1 BC-1 输出(内存外设):操作同上,只是启动读操作.(3)DMA后处理:CPU响应“DMA结束”中断暂停原程序执行中断服务程序DMA结束处理工作注:DAR:设备地址寄存器BA:

52、内存地址计数器.BC:字计数器.=0,结束9/15/2022974.DMA小结与中断方式相比,DMA方式具有:(1)程序中断:靠程序切换,CPU停止现行程序,转去执行中断服务程序. DMA:靠硬件切换,CPU不直接干预数据交换,只在头,尾管一下.(2)从CPU响应时间看:程序中断:只能在一条指令执行结束时响应.DMA:可在指令周期内的任一存取周期结束时响应.(3)程序中断:具有异常事件处理能力. DMA:无此能力,用于批量数据传送的场合.(4)程序中断:要中断现行程序,需保护现场 DMA:不必上述过程.(5)DMA的优先级比程序中断高.取指令取源操作数取目的操作数执行CPU工作DMA允许响应时

53、刻中断允许响应时刻指令周期9/15/2022983.2.4 通道(channel)控制通道是一个特殊功能的处理器,它有自己的指令和程序专门负责数据输入/出的传送控制.CPU只负责“数据处理”.这样通道与CPU分时使用内存,实现了CPU内部运算与I/O设备并行工作.通道一般用于连接众多外设的大,中型计算机系统中.1.通道控制原理:(1)通道指令和通道程序:通道独立于CPU,它要指出读、写操作,始址和传送数据个数等.由二个或数个通道控制字(CCW)组成.用通道指令编制程序执行完成传送全过程.(2)输入/出指令:有启动,查询和停止三类.(3)输入/出中断:通道和输入/出设备采用“中断”方式及时向CP

54、U报告工作情况,称输入/出中断或外设中断.输入/出中断可分成:“正常结束中断”,“进程中断”,“故障中断”和“干预中断”.2.通道的功能:共7条,详见P129.9/15/2022993.通道的基本构造通道是一个完整的处理机,与CPU的区别在于它是一个专用处理机.一般有:(1)通道指令寄存器Jz:存放正在执行的通道命令.(2)代码缓冲寄存器Jn:是外设与内存交换数据时的暂存处.(3)节拍发生器:产生通道工作的节拍,使通道工作有序.(4)操作控制器:按通道节拍产生通道微操作.(5)传输控制电路:控制并传送外设与通道间的代码及信号.(6)排队器:根据预先确定的优先次序,对各子通道提出的请求进行排队.

55、(7)地址形成电路:相当于CPU中的程序计数器PC.9/15/2022100返回9/15/20221014.通道控制的工作过程一般经启动,传送和结束三阶段.(1)CPU执行输入/出指令:由专门的外设管理程序负责准备本次传送的信息,组织好通道程序,送首址到约定单元或专用寄存器,执行输入/出指令,向通道发“启动I/O”命令.(2)通道控制外设进行传输:从约定单元或专用寄存器取通道程序首址,根据首址从内存读第一条通道指令.检查该通道的状态是否能使用.若不能用,回答启动失败.若能使用,则把第一条通道指令的命令码发到响应设备进行启动.等到设备回答并断定启动成功(或失败),建立“已启动成功”或“启动失败”

56、的特征.结束操作.启动成功后,通道可处理其它工作,设备执行通道指令规定的操作.若是传送数据操作,设备发出申请,排队.通道响应设备申请,将数从主存经通道发至设备(或反之).(3)通道指令执行结束及输入/出结束9/15/20221025.通道类型(1)字节多路通道(byte multiplexor channel)是低速共享通道,在时间分割基础上,为多台低,中速外设服务.它包含多个子通道,每个为1个设备控制器服务,每个设备轮流占用很短的时间片.(2)选择通道(selector channel)以成组方式传送.是一高速通道,适合快速设备(如固定盘),物理上可连多个设备,但这些设备不能同时工作,每次只

57、能选一个.(3)数组多路通道(Array multiplexor channel)是对选择通道的改进,当为某设备进行数据传送时,通道只为该设备服务,当设备在执行寻址等控制动作时,通道暂时断开与该设备的连接,挂起为别的设备服务.字节多路通道设备控制器设备控制器.I/O总线设备设备.1B+1B1B1BA1A2B1B2通道A1B1A2B29/15/2022103存储器管理部件CPU内存选择通道磁盘控制器磁盘控制器磁盘磁盘磁盘磁盘I / O总线字节多路通道设备控制器设备控制器设备设备设备I / O总线数组多路通道设备控制器设备控制器设备设备设备I / O总线图3.36 IBM 4300 系统I / O

58、结构返回9/15/20221049/15/20221053.3 接口(interface,I/F)3.3.1.外设与主机的连接1.影响外设与主机连接方式的主要因素(1)I/O系统的工作模式(2)数据传送方式(3)数据通信的同步方式(4)传送信息的种类2.外设与主机的连接模式(1)适配器(adapter):插入两个彼此不能直接连接的机器或系统之间,使它们相互通信的附加装置.(2)I/O端口(port):位于设备、器件上与其它设备、器件相连接的部分.I/O接口系统接口设备接口设备驱动电路控制,状态地址数据主机适配器设备外设与主机连接的一般模式9/15/2022106接口的功能与组成1.功能:(1)

59、寻址功能:能识别CPU的访问信号和要求的操作.(2)输入/出功能:按CPU要求的读写信号,从总线上接收CPU送来的数据和控制信息,或把数据和状态信息送到总线上.(3)数据缓冲功能:解决CPU与外设的速度不匹配问题.(4)数据转换功能:完成计算机与外设的信息格式的转换.(5)其它功能:如检错纠错功能,中断功能和时序控制功能.2.组成:(1)一组缓冲器和一个具有锁存功能的锁存器(latch).(2)对端口的选择机构:如地址译码电路,读写控制电路,中断控制电路,设备状态寄存器,定时信号线路等.9/15/20221073.3.2 并行通信和并行接口 1.并行接口概述 将一个字或其一部分（一个字节）的各

60、位用多根数据线同时进行传输，称为并行通信。实现并行通信的接口（适配器）是并行接口。 并行接口可以分为硬线连接接口和可编程接口。硬线连接接口的工作方式及功能不能用编程的方法加以改变，只能用硬线连接设定；可编程接口的工作方式及功能可以用程序加以改变。 2.硬线连接并行接口 硬线连接并行接口可分为3种。9/15/20221083.3.2 并行通信和并行接口 (1) 简单并行接口 简单并行接口，也称无条件传送接口。它仅用于外设与CPU交换数据之前就准备好了而不需要联络信号的情形。 (2) 条件传送接口 在实际应用中，大多外设与CPU之间交换的是一系列连续的数据，只有前一个数据发送或接收完成以后才能传送