计算机组成原理 第2版 课件 第九章 输入输出系统

计算机组成原理01输入/输出系统概论第九章输入/输出系统02程序直接控制方式03程序中断方式04DMA输入/输出方式05通道控制方式和外围处理器01输入/输出系统概论计算机与外部世界联系的设备与途径输入/输出系统4MM主存储器ALU算术逻辑部件CU控制单元CPUI/O设备主机I/O接口（设备控制器）CPU或主存与外设（I/O设备）交换信息的过程称为输入输出。完成该过程的系统称为输入输出系统（I/O系统）。I/O系统包括外设、I/O接口和完成输入输出操作的程序。接口是计算机与I/O设备或其他系统之间所设置的逻辑控制部件，也称I/O控制器。输入/输出系统解决主机与I/O设备的差异：时钟、速率、数据格式、字宽等不仅仅是连线I/O接口（设备控制器）主机I/O接口I/O设备接收主机命令，提供设备状态，控制设备识别地址码：标识各个设备，完成地址译码支持主机采取程序查询、中断、DMA等访问方式实现主机与设备间的通信控制：同步、选择、中断控制等实现数据缓冲：速率匹配数据类型、格式等转换设备控制器的功能存储器统一编址将I/O设备和内存统一编址CPU将设备视为内存的一部分不需专门的I/O指令，按访问内存的方式访问设备独立编址将设备与内存的编址相区别需要设置专门的I/O指令输入输出设备编址9两者比较存储器统一编址优点：指令系统简单、指令类型多、端口地址空间大缺点：占用存储地址空间独立编址优点：不占用存储地址空间缺点：指令系统复杂、寻址方式单一、编程灵活性差具有识别地址码即地址译码功能。能实现主机和外围设备之间的通信联络控制。支持主机采取程序查询、中断、DMA等访问方式。实现数据缓冲。实现数据类型、格式等转换。传递控制命令和状态信息I/O接口的基本功能（1）

按照数据传送的宽度可分为并行接口和串口。（2）

传送的控制方式可分为程序控制输入输出接口，程序中断输入输出接口和直接存储器存取（DMA）接口等。（3）按时序控制方式：同步和异步（4）按功能选择的灵活性分：可编程接口和不可编程接口（5）按数据传送的控制方式分：程序接口和DMA接口（6）按通用性分：通用和专用（7）按输入/输出的信号分：数字接口和模拟接口（8）按应用分：用户交互接口、传感器接口等

I/O接口的分类程序直接控制方式02程序直接控制(programeddirectcontrol)方式就是完全通过程序来控制主机和外围设备之间的信息传送。通常的办法是在用户的程序中安排一段由输入输出指令和其他指令所组成的程序段直接控制外围设备的工作。可以分为：立即（程序）传送方式和程序查询方式程序直接控制概念I/O接口和外设总是准备好接收主机输出数据无需查询接口和外设状态例如：信号灯、控制马达等立即（程序）传送方式主机程序等待接口和外设就绪方能输入/输出需要不断查询接口和外设状态大部分输入输出行为都需要协同程序查询方式开始准备好？读写数据结束不断查询和长期等待造成CPU利用率不高CPU充当唯一的主动控制者优点：较好协调主机与外设之间的时间差异；所用硬件少。缺点：主机与外设只能串行工作；一个时间段只能与一个外设进行通讯；

CPU的利用率低。程序查询方式的特点）读外设状态就绪?与外设交换数据YN03程序中断方式CPU运行当前程序的过程中；I/O设备或其他非预期的急需处理事务向CPU发出中断请求；CPU中止当前程序，且转至另一服务程序处理相关事件；处理完毕后返回原程序中断有下列一些作用：CPU与I/O设备并行工作硬件故障处理程序中断控制方式（中断）CPU被动响应中断和完成I/O中断：

CPU暂时中止当前程序运行，转而处理意外出现的情况或有意安排的任务，称为“中断”。中断请求：当外设准备好后，向CPU发出要求传送数据或服务的信号，称为中断请求。中断源：在机器中引起中断产生的事件或发生中断请求的来源称为中断源。CPU主程序中断请求中断请求中断响应中断返回中断服务程序中断服务程序：为处理意外情况或有意安排的任务而编写的程序。中断响应：CPU接到中断请求信号，若某种条件满足（允许中断），就保存断点，找到中断服务程序入口，转至中断服务程序执行，在中断服务结束后恢复断点，继续原程序的执行（中断返回），这个过程称作中断响应。CPU主程序中断请求中断请求中断响应中断返回中断服务程序CPU与打印机并行工作时间图CPU与I/O设备并行工作硬件故障处理实现人机联系实现多道程序和分时操作实现实时处理实现应用程序和操作系统(管态程序)的联系中断的典型应用中断触发器（寄存器）当中断源发生引起中断的事件时，先将它保存在设备控制器的“中断触发器”中，即将“中断触发器”置“1”。当中断触发器为“1”时，向CPU发出“中断请求”信号。每个中断源有一个中断触发器。全机的多个中断触发器构成中断寄存器。其内容称为中断字或中断码。CPU进行中断处理时，根据中断字确定中断源，转入相应的服务程序。中断的产生和响应00001000定时器中断中断寄存器设计中断系统时，把全部中断源按中断性质和处理的轻重缓急进行排队并给予优先权。所谓优先权是指有多个中断同时发生时，对各个中断响应的优先次序。中断的分级与中断优先级非屏蔽中断不受中断允许触发器控制CPU可立即响应比如电源掉电具有最高优先权中断源的分类可屏蔽中断受中断允许触发器控制用程序方式有选择地封锁部分中断，而允许其余部分中断仍得到响应，称为中断屏蔽。可以为每个中断源设置一个中断屏蔽触发器来屏蔽该设备的中断请求。由各设备的中断屏蔽触发器组成中断屏蔽寄存器。中断又分为可屏蔽中断和非屏蔽中断。中断屏蔽中断屏蔽：用程序方式有选择的封锁部分中断，允许其他中断得到响应，通过设置中断屏蔽寄存器完成每个中断源设置一个中断屏蔽触发器（MASK）来屏蔽这个设备的中断请求只有当INTR=1（中断源有中断请求），MASK=0（该级中断未被屏蔽），才允许中断请求送往CPU。屏蔽寄存器的内容为屏蔽字或屏蔽码，可以用软件来设置可以通过设置屏蔽字来实现CPU对中断处理的控制。中断级别的提高（选学）中断屏蔽的实现在处理某一个中断过程又发生新的中断请求，从而中断该服务程序的执行，又转去进行新的中断处理。又称为中断嵌套。涉及优先级问题高优先级中断可以中断低优先级中断服务程序多重中断处理I/O设备、定时钟等来自处理机外部设备的中断，又叫外中断；处理器硬件故障或程序“出错”引起的中断，又叫内中断意外中断（随机产生）；计划中断——比如“Trap”指令产生的软中断，这是在程序中预先安排好的。而前面两种中断则是随机发生的向量中断和非向量中断（不能提供中断服务程序入口地址）单中断和多重中断中断源的类型查询法查询中断触发器/中断寄存器串行排队链法硬件实现的中断源选择电路向CPU传送胜出的设备码向量中断法CPU根据中断源设置特定的中断处理程序入口可以采用多级中断向量中断源判别中断向量：中断处理程序的入口地址每个中断源对应一个中断向量通常实现为中断向量表，位于主存的特定位置，又称为中断入口地址表——表中存储中断向量中断向量地址：中断处理程序入口地址的地址向量中断法中断类型号8×4=中断向量表地址中断向量中断源有中断请求CPU允许接受中断请求一条指令已经执行完毕，下条指令未启动执行响应中断：转入中断服务程序中断响应的前提条件中断处理的过程返回断点关中断保存断点、保存现场转入中断服务程序开中断执行中断服务程序关中断恢复现场、恢复断点开中断进入不可再次响应中断的状态。

把当前的程序计数器PC中的内容（即断点）保存起来，也包括其他寄存器

响应的只能是恢复现场、恢复断点优先权最高的那个中断源。

下来要执行中断服务程序，开中断将允许更高级中断请求得到响应，实现中断嵌套。退出中断：在退出时，又应进入不可中断状态

保存断点：保存被中断的位置，即PC，硬件完成保存现场：保存原程序的其他各类寄存器，编程实现04DMA输入/输出方式DMA是I/O设备与主存储器之间由硬件组成的直接数据通路，用于高速I/O设备与主存之间的成组数据传送。特点：访问内存既可被CPU访问，同时也可被快速外设直接访问。数据传输、内存地址确定及计数控制器计数工作均由硬件完成。需要在内存中开设专用缓冲区，及时提供或接收数据。CPU几乎完全与外设并行工作，提高了系统效率。

DMA的概念与特点CPU暂停ZCPU周期窃取ZDMA和CPU交替访问ZDMA的三种工作方式DMA控制器发出请求CPU释放总线控制权DMA开始传输DMA传输完毕DMA发出中断且释放总线控制权CPU重获总线控制权CPU暂停工作方式优点：控制简单、适用于高速传输缺点：DMA传输独占总线，造成CPU和存储效能浪费，即：并未真正实现并发CPU周期窃取方式DMA请求发生时，挪用或窃取总线占用权一个或几个主存周期，完成一个数据的传输CPU不访存（复杂指令mul）：DMA使用CPU与DMA同时发生：DMA优先，窃取一到二个存取周期，且在下次传输到来之前完成访存DMA控制器每挪用一个主存周期都要申请总线控制权、建立总线控制权和归还总线控制权。优点：充分发挥了CPU与内存的效能缺点：每次传输都请求总线（需2~5周期，包括请求、接管、归还等），适用于外设速率较低的情况DMA控制器发出请求如果CPU不占用存储总线则继续执行原程序，否则DMA抢占总线控制权DMA不能占用或破坏CPU硬件资源或工作状态

CPU和DMA交替访问方式优点：控制比较简单、实现了并发，适用于高速传输缺点：DMA传输独占总线，影响CPU访存

DMA控制器的组成CPU主存DMA控制逻辑中断逻辑ADRDBRWCMARCSRI/O设备DMA请求DMA响应总线设备寄存器首址寄存器：初值是主缓冲区的首地址。传送前由程序输入。外围设备地址寄存器：存放I/O设备的设备码。具体内容取决于I/O设备的数据格式和地址字编址方式。字数计数器：对传送数据的总字数进行统计。控制与状态寄存器：存放控制字和状态字。数据缓冲寄存器：暂存I/O设备与主存转送的数据。中断控制逻辑：负责申请CPU对DMA进行预处理和后处理。DMA控制逻辑：在DMA取得总线控制权后控制主存和设备之间的数据传送。DMA的传送过程中断方式是程序切换,需要保护和恢复现场；而DMA方式除了开始和结尾时,不占用CPU任何资源.对中断请求的响应只能发生在每条指令执行完毕时,而对DMA请求的响应可以发生在每个机器周期结束时.中断传送过程需要CPU的干预,而DMA传送过程不需要CPU的干预,故数据传送速率非常高,适合于高速外设的成组传送.DMA和中断的区别如果为数众多的外设都配置专用的DMA控制器,将大幅度增加硬件,因而提高成本.而且要为解决众多DMA同时访问主存的冲突,使控制复杂化.采用DMA传送方式的众多外设均直接由CPU管理控制,由CPU进行初始化,势必会占用更多的CPU时间,而且频繁的周期挪用会降低CPU执行程序的效率.DMA的局限通道控制方式和外围处理器方式05定义：I／O通道是计算机系统中代替CPU管理控制外设的独立部件，是一种能执行有限I／O指令集合——通道命令的I／O处理机。原理：在CPU启动通道后，通道自动地去内存取出通道指令并执行指令。直到数据交换过程结束向CPU发出中断请求，进行通道结束处理工作。通道的概念

DMA完全借助于硬件完成数据传送，而通道则是通过一组通道命令与硬件一起完成数据传送。DMA和通道的区别选择通道字节多路通道数组多路通道通道的分类字节多路通道用于连接多个慢速的和中速的设备，这些设备的数据传送以字节为单位。每传送一个字节要等待较长的时间，如终端设备等。因此，通道可以以字节交叉方式轮流为多个外设服务，以提高通道的利用率。这种通道的数据宽度一般为单字节。字节多路通道对于高速的设备，如磁盘等，要求较高的数据传输速度。对于这种高速传输，通道难以同时对多个这样的设备进行操作，只能一次对一个设备进行操作。这种通道称为选择通道选择通道数组多路通道以数组（数据块）为单位在若干高速传输操作之间进行交叉复用。这样可减少外设申请使用通道时的等待时间。数组多路通道适用于