计算机组成原理(唐朔飞)输入输出系统2 PPT.ppt

1、第五章 输入输出系统 5.1 概述 5.2 I/O设备 5.3 I/O接口 一、接口定义 二、接口功能 三、接口组成 四、接口类型 5.4 程序查询方式 5.5 程序中断方式 5.6 DMA方式,一、接口定义,1、接口：两个系统或两个部件之间的交接部分,2、I/O接口：主机与设备之间的交接界面,3、接口与总线连接方式,二、接口功能,1. 实现设备选址的功能（SELECT电路),3. 实现数据传送功能（缓冲寄存器DBR),2. 传送控制命令的功能（命令寄存器、命令译码器）,5. 反映设备的状态功能（系列触发器）,4. 实现数据转换功能（串并格式转换、电平转换电路）,D 完成触发器 B 工作触发器

2、 MASK 屏蔽触发器 INTR中断请求触发器 ERROR出错触发器,数据口,状态口,命令口,并,串并,三、接口组成,端口：接口电路中可以被CPU直接访问的寄存器，如数据端口、命令端口、状态端口,接口：若干端口加上相应的控制逻辑电路组成,1. 按接口与外设数据 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,四、接口类型,5.4 程序查询方式,1. 查询流程,（1）单个设备,（2）多个设备,测试指令,转移指令,传送指令,2. 程序流程,设置内存缓冲区首址,设置计数器,启动外设,传送一个数据,修改内存地址,修改计数值,结束I/O传送,

3、YES的含义： 输入缓冲器满，CPU可以读出数 输出缓冲器空，CPU可再次送数,传输一个数据的含义： CPU读出数，并将状态标志复位 CPU送入数，并将状态标志复位,3、程序查询方式的接口电路输入电路,CPU用一段程序实现输入、输出，期间不能做其它事情，效率低下,第五章 输入输出系统 5.1 概述 5.2 I/O设备 5.3 I/O接口 5.4 程序查询方式 5.5 程序中断方式 一、中断的概念 二、I/O中断的产生 三、程序中断方式的接口电路 四、I/O中断的处理过程 五、中断服务流程 5.6 DMA方式,一、中断的概念,K,K+1,Q,Q+1,5.5 程序中断方式,CPU在执行现行程序过程

4、中出现某些突发事件急需处理，CPU暂停当前程序转而处理突发事件，处理结束后返回原程序被中断的位置继续执行,以打印机为例,CPU 与打印机并行工作,二、I/O中断的产生,三、程序中断方式的接口电路,1. 配置中断请求触发器和中断屏蔽触发器,INTR 中断请求触发器,INTR = 1 有请求,MASK 中断屏蔽触发器,MASK = 1 被屏蔽,来自 CPU 的 中断查询信号,受设备本身控制,D 完成触发器,D = 1 设备准备好,1,1,1,1,0,2. 配置排队器,设置在 CPU 或接口电路中（链式排队器）,硬件排队电路,软件排队方法,详见第8章,设备 1#、2#、3#、4# 优先级按 降序排列

5、,解决多个中断源同时向CPU请求时的响应优先权问题,如1#有请求,1 0 0 0,如果2#、3#同时有请求： 经过上排电路竞争后，仅2#胜出，INTP2=1,向CPU请求2#中断,0 1 0 0,3. 配置中断向量地址形成部件,CPU响应中断请求转入中断服务程序，从该程序入口地址开始执行,设备 编码器,第8章,由硬件产生向量地址再由其找到入口地址,4. 程序中断方式接口电路的基本组成,例题：三设备A、B、C的向量地址分别为001010、001011、001100，设计优先级为A、B、C降序的链式排队电路和设备编码器电路。,四、I/O 中断处理过程,1. CPU 响应中断的条件和时间,(1) 条

6、件,(2) 时间,允许中断触发器 EINT = 1,【EINT用开中断指令置 “1” ，用关中断指令或硬件自动复位置“0” 】,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”,2. I/O 中断处理过程,中断请求中断判优中断响应中断服务中断返回,DBR,设备选择电路,以输入为例,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,中断隐指令完成,进栈指令,出栈指令,3. 单重中断和多重中断

7、的服务程序流程,单重,多重,程序中断接口芯片 8259A 的内部结构,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。当高速I/O设备或辅存频繁与主存交换信息时，主程序和服务程序将抢占 CPU。,开发更高效率的I/O与主机间信息传送方式DMA方式,第五章 输入输出系统 5.1 概述 5.2 I/O设备 5.3 I/O接口 5.4 程序查询方式 5.5 程序中断方式 5.6 DMA方式 一、DMA方式的特点 二、DMA接口功能和组成 三、DMA的工作过程 四、DMA接口类型,一、DMA 方式的特点,1. DMA 和程序中断两种方式的数据通路,5.6 DMA方式,2. DMA

8、 与主存交换数据的三种方式,(1) 停止 CPU 访问主存,控制简单，使用在高速成组传送中,DMA访存时，CPU 处于不工作状态或保持状态,数据准备期间，总线和CPU都空闲，未充分发挥 CPU 对主存的利用率,主存工作时间,CPU控制 并使用主存,DMA控制 并使用主存,(2) 周期挪用（或周期窃取）,CPU 此时不访存，无冲突，DMA占用总线。,CPU 正在访存，需要等待存取周期结束，CPU才让出总线控制权。,CPU与DMA同时请求访存，此时I/O优先，CPU让出总线控制权1-2个存取周期周期窃取,t,I/O设备发出DMA请求时，CPU允许设备挪用（窃取）总线使用权一个几个主存周期；无DMA

9、请求时，CPU继续访存。,挪用有3种情况,(3) DMA 与 CPU 交替访问,当CPU工作周期大于主存存取周期时，将CPU工作周期分为C1、C2两个分周期：,该方式无需总线使用权的申请、建立、归还过程，CPU既不停止主程序的运行，也不空闲等待，效率极高，但硬件复杂。,二、DMA 接口的功能和组成,1. DMA 接口功能,(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,2. DMA 接口组成,+1,+1,三、DM

10、A 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）,CPU,(2) DMA 传送过程示意,(3) 数据传送过程（输入）,(4) 数据传送过程（输出）,(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,2. DMA 接口与系统的连接方式,(1) 具有公共请求线的 DMA 请求,(2) 独立的 DMA 请求,3. DMA 方式与程序中断方式的比较,(1) 数据传送方式,(2) 响应的时间,(3) 能否处理异常情况,(4) 发中断请求的时刻,(5) 优先级,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,四、DMA 接口的类型,1. 选择型,在 物理上 连接 多个 设备 在 逻辑上 只允许连接 一个 设备,2. 多路型,在 物理上 连接 多个 设备 在 逻辑上 允许连接 多个 设备同时工作,3. 多路型 DMA 接口的工作原理,程序查询、程序中断、DMA方式的综合性能比较,练习与思考,1、名词解释: 通道、I/O指令、通道指令、统一编址、独立编址、接口 、端口、外设、字符显示器、图形显示器、图像显示器、CRT、LCD、PDP、VRAM、MDA、CGA、EGA、VGA、A/