计算机组成原理微课版（第9章）教案

输入输出系统参考学时3学时。教学目标（能力要求）理解计算机接口基本概念:能解释计算机系统中接口的基本功能、分类与结构，可解释端口的基本概念，能辨析独立编址方式和统一编址方式各自的优缺点；熟悉常见输入输出方式：能对比分析常见输入输出方式的工作原理、不同特点与应用局限性；掌握查询方式工作原理：能解释查询方式工作原理，对比分析定时查询与独占式查询的差异，可给出查询方式的应用场合。掌握中断方式工作原理：能解释中断的工作原理，对比分析单级中断与多级中断的异同点，完成特定应用场景下中断传输方式的性能分析，具有基本中断电路的设计能力；掌握DMA方式工作原理：能解释DMA方式的工作原理，完成特定应用场景下DMA的性能分析。教学重点和难点教学重点：中断基本概念，中断请求与响应过程，常见输入输出方式的性能计算教学难点：中断机制的软硬件实现方法教学主要内容输入输出设备与特性（10分钟）I/O接口（15分钟）I/O接口的功能I/O接口的结构I/O接口的编址I/O接口的软件I/O接口的分类数据传输控制方式（5分钟）程序控制方式（10分钟）简单设备程序查询流程复杂设备程序查询流程程序中断控制方式（50分钟）中断基本概念中断请求中断响应中断识别中断处理DMA方式（45分钟）DMA的基本概念内存争用问题DMA控制器DMA传输流程教学过程与方法输入输出设备与特性简单介绍输入输出设备定义，以及输入输出设备的特性。简要输入输出系统的基本组成与功能。I/O接口简要介绍I/O接口的定义与常用功能。用图片详细介绍I/O接口的内部结构与功能。讲解I/O接口的编址概念，以及统一编址与独立编址的差异。用MIPS指令与X86指令分别解释两种不同的编址方式。介绍I/O接口的软件结构，注意软件抽象是计算机中最为重要的概念。简单介绍I/O接口的常用分类方法。数据传输控制方式简单介绍常见的5种数据传输控制方式。程序查询方式方式用流程图方式展示简单设备查询方式。用流程图方式展示复杂设备查询方式。用轨迹图展示独占查询与定时查询中CPU与设备的工作状态。程序中断方式用轨迹图展示独占查询与中断控制方式中CPU与设备的工作状态。中断可以立即响应，避免轮询等待和不精确的定时查询，方便处理随机事件。简要介绍中断基本流程以及优势。简要介绍中断的分类与作用。介绍程序中断处理完整流程，注意区分子程序与中断服务程序的差异，引出中断优先级问题和中断嵌套问题。结合机器指令执行周期介绍中断响应周期，中断隐指令完成的功能，实际是由硬件实现。中断响应周期需要完成的3个操作，关中断，保存断点，中断识别。对比单级中断和多级中断的完整中断流程。注意多级中断中中断现场会增加屏蔽字和EPC寄存器，另外恢复现场需要关中断，开中断。简单介绍多级中断嵌套过程，高优先级中断可以中断低优先级中断服务。对比响应优先级和处理优先级，引出中断屏蔽技术。介绍中断屏蔽硬件实现原理，中断请求寄存器与屏蔽寄存器逻辑与后送优先编码器进行中断处理，优先编码器生成中断请求后与中断使能寄存器IE逻辑与后送操作控制器，开关中断指令就是控制中断使能寄存器IE。举例说明设备屏蔽字设置方法。介绍中断仲裁基本概念与常用方法。用结构图对比四类常见中断仲裁方式。介绍中断识别基本方法，独立请求的向量中断为硬件方法。介绍向量中断中中断向量、向量地址与中断服务程序的关系。中断向量共享时，必须采用程序识别方法，在中断服务程序中查询特殊状态寄存器判断具体中断源，分支跳转到相应中断服务程序。中断处理过程中断需要重点关注的问题：中断相应条件，现场保护与恢复，软硬协同。图片讲解中断控制器内部结构，如何进行中断识别，如何进行优先排队。图解中断处理过程中CPU，中断控制器，外部设备的工作流程与状态。给出屏蔽字和响应优先级，要求根据处理优先级给出CPU运行轨迹。给出一个输入输出场景，分析计算中断控制方式下的CPU占用率，注意中断方式下CPU相应和中断服务需要占用CPU，中断是有开销的，每一次中断服务需要消耗几十条机器指令才能传输一个机器字，当速度过高时，中断无法胜任必须采用更快的DMA方式。DMA方式分析中断方式传输效率的底下，引出DMA方式，建立主存与DMA设备之间的虚拟通道，数据交互无需CPU处理。DMA控制中DMA控制器存在访存冲突，类似DRAM刷新控制器与CPU内存争用（集中、分散、异步），解决方法也类似。停止CPU使用内存与集中式刷新方式中的死区一样，效率较低。停止CPU访内方式中存在大量的存储空闲时间没有很好利用。交替使用主存方式与DRAM刷新分散刷新完全相同，同样会带来存储周期过长。周期挪用，存在冲突时则挪用一个机器周期传输一个机器字，否则不影响CPU访内，类似DRAM异步式刷新。图解DMA控制器结构，注意这是第三方DMA控制器结构，由第三方DMA控制器协调设备与内存的数据交互，一个DMA控制器链接若干设备，目前设备大多内置了DMA控制器。图解DMA传输过程中CPU，DMA控制器，外部设备的工作流程与状态。简要介绍DMA传输过程准备阶段的主要工作。简要介绍DMA传输过程传送阶段的主要工作。列举50年来一些经