輸入輸出系統(tǒng)_(1)

1、第七章 輸入輸出系統(tǒng) 2022-5-29計算機組成原理計算機組成原理本章主要內(nèi)容 本章講述輸入輸出系統(tǒng)的功能，介本章講述輸入輸出系統(tǒng)的功能，介紹了對紹了對I/OI/O系統(tǒng)的控制方法和接口電路等，系統(tǒng)的控制方法和接口電路等，以及以及中斷概念、中斷分類和中斷過程以中斷概念、中斷分類和中斷過程以及中斷屏蔽與中斷響應等中斷知識，及中斷屏蔽與中斷響應等中斷知識，DMADMA方式工作原理，通道和方式工作原理，通道和I/OI/O處理機方處理機方式、總線的基本概念等。式、總線的基本概念等。 2022-5-29計算機組成原理計算機組成原理本章主要內(nèi)容 7-1、輸入輸出系統(tǒng)概念輸入輸出系統(tǒng)概念 7-2、程序控制方

2、式及其接口程序控制方式及其接口 7-3、程序中斷方式及其接口程序中斷方式及其接口 7-4、直接存取直接存取DMA方式方式 7-5、通道和通道和I/O處理機方式處理機方式 7-6、總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)返回2022-5-29計算機組成原理計算機組成原理7-1-1 輸入輸出系統(tǒng)功能與組成 我們把外部設備、接口部件、總線以及相應的管理我們把外部設備、接口部件、總線以及相應的管理軟件定義為計算機的輸入輸出系統(tǒng)，簡稱軟件定義為計算機的輸入輸出系統(tǒng)，簡稱/系統(tǒng)。系統(tǒng)。/系統(tǒng)的基本功能是：系統(tǒng)的基本功能是： 1.完成計算機內(nèi)部二進制信息與外部多種信息形式間完成計算機內(nèi)部二進制信息與外部多種信息形式間的交流。的交流

3、。 2.CPU正確選擇輸入輸出設備并實現(xiàn)對其控制，傳輸正確選擇輸入輸出設備并實現(xiàn)對其控制，傳輸大量數(shù)據(jù)、大量數(shù)據(jù)、 避免數(shù)據(jù)出錯。避免數(shù)據(jù)出錯。 3.利用數(shù)據(jù)緩沖、選擇合適的數(shù)據(jù)傳送方式等，實現(xiàn)利用數(shù)據(jù)緩沖、選擇合適的數(shù)據(jù)傳送方式等，實現(xiàn)主機與主機與 外設間速度的匹配。外設間速度的匹配。 2022-5-29計算機組成原理計算機組成原理7-1-2 接口的功能與類型接口的功能與類型 /設備在結(jié)構(gòu)和工作原理上與主機有很大的差異，它們設備在結(jié)構(gòu)和工作原理上與主機有很大的差異，它們都有各自單獨的時鐘，獨立的時序控制和狀態(tài)標準。主機與外部都有各自單獨的時鐘，獨立的時序控制和狀態(tài)標準。主機與外部設備工作在不

4、同速度下，它們速度之間的差別一般能夠達到幾個設備工作在不同速度下，它們速度之間的差別一般能夠達到幾個數(shù)量級。同時主機與外設在數(shù)據(jù)格式上也不相同：主機采用二進數(shù)量級。同時主機與外設在數(shù)據(jù)格式上也不相同：主機采用二進制編碼表示數(shù)據(jù)，而外部設備一般采用制編碼表示數(shù)據(jù)，而外部設備一般采用ASCII編碼。因此在主機編碼。因此在主機與外設進行數(shù)據(jù)交換時必須引入相應的邏輯部件解決兩者之間的與外設進行數(shù)據(jù)交換時必須引入相應的邏輯部件解決兩者之間的同步與協(xié)調(diào)、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等問題，這些邏輯部件就稱為輸入輸同步與協(xié)調(diào)、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等問題，這些邏輯部件就稱為輸入輸出接口，簡稱為接口。出接口，簡稱為接口。接口與接口與C

5、PU、外設的連接示意圖、外設的連接示意圖 1、接口的基本功能接口的基本功能 2、接口的分類接口的分類 3、接口技術(shù)的發(fā)展接口技術(shù)的發(fā)展 2022-5-29計算機組成原理計算機組成原理7-1-2 接口的功能與類型接口的功能與類型 CPU接口外設控制聯(lián)絡控制總線地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)線2022-5-29計算機組成原理計算機組成原理接口的基本功能(1)1)利用內(nèi)部的緩沖寄存器實現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖，使主機與外利用內(nèi)部的緩沖寄存器實現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖，使主機與外設在工作速度上達到匹配，避免數(shù)據(jù)丟失和錯亂。設在工作速度上達到匹配，避免數(shù)據(jù)丟失和錯亂。(2)(2)實現(xiàn)數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。主機與接口間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是實現(xiàn)數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換

6、。主機與接口間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是數(shù)字信號，但接口與外設間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式卻因外設數(shù)字信號，但接口與外設間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式卻因外設而異，為滿足各種外設的要求，接口電路中必須實現(xiàn)而異，為滿足各種外設的要求，接口電路中必須實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)格式的相互轉(zhuǎn)換。例如：并一串轉(zhuǎn)換、串一各種數(shù)據(jù)格式的相互轉(zhuǎn)換。例如：并一串轉(zhuǎn)換、串一并轉(zhuǎn)換、模一數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)一模轉(zhuǎn)換等。并轉(zhuǎn)換、模一數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)一模轉(zhuǎn)換等。(3)(3)實現(xiàn)主機和外設的通信聯(lián)絡控制。接口為實現(xiàn)主機和外設的通信聯(lián)絡控制。接口為CPUCPU提供外提供外設狀態(tài)，傳遞設狀態(tài)，傳遞CPUCPU控制命令，使控制命令，使CPUCPU更好地控制各種外更好地控制各種外設。設。 (4)(

7、4)進行地址譯碼和設備選擇。進行地址譯碼和設備選擇。CPUCPU向接口送出地址信息，向接口送出地址信息，由接口中的地址譯碼電路譯碼后，選定唯一的外設。由接口中的地址譯碼電路譯碼后，選定唯一的外設。 2022-5-29計算機組成原理計算機組成原理接口的分類 接口的類型與接口的類型與/設備的類型、設備的類型、/設備對接口的特殊要求、設備對接口的特殊要求、CPU與接口（或與接口（或/設備）之間信息交換的方式等因素有關(guān)，設備）之間信息交換的方式等因素有關(guān)，從不同的角度來考慮可以分為：從不同的角度來考慮可以分為：(1)(1)按數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶挾确诸?，分為并行接口與串行接口。在主機和按數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶挾确诸?，分?/p>

8、并行接口與串行接口。在主機和接口一側(cè)，數(shù)據(jù)總是并行傳送的，并行接口每次可傳送一個字接口一側(cè)，數(shù)據(jù)總是并行傳送的，并行接口每次可傳送一個字節(jié)（或字）的所有位，所以傳送速率高，但傳輸線寬。在串行節(jié)（或字）的所有位，所以傳送速率高，但傳輸線寬。在串行接口中，外設和接口間的數(shù)據(jù)每次只傳送一位數(shù)據(jù)，傳送速率接口中，外設和接口間的數(shù)據(jù)每次只傳送一位數(shù)據(jù)，傳送速率低，但只需一根數(shù)據(jù)線。常用在遠程終端和計算機網(wǎng)絡等設備低，但只需一根數(shù)據(jù)線。常用在遠程終端和計算機網(wǎng)絡等設備離主機較遠的場合下。離主機較遠的場合下。(2)(2)按操作的節(jié)拍分類，可分為同步接口和異步接口。同步接口的按操作的節(jié)拍分類，可分為同步接口和

9、異步接口。同步接口的數(shù)據(jù)傳送按照數(shù)據(jù)傳送按照CPUCPU的控制節(jié)拍進行。異步接口不由的控制節(jié)拍進行。異步接口不由CPUCPU的時鐘控的時鐘控制，而是利用應答方式實現(xiàn)制，而是利用應答方式實現(xiàn)CPUCPU與與/ /設備之間的信息交換。設備之間的信息交換。 2022-5-29計算機組成原理計算機組成原理接口的分類(3)3)按主機訪問按主機訪問/ /設備的控制方式分類，可以分為：程序控制的設備的控制方式分類，可以分為：程序控制的輸入輸出接口，程序中斷輸入輸出接口和直接存儲器存?。ㄝ斎胼敵鼋涌?，程序中斷輸入輸出接口和直接存儲器存?。―MADMA）接口，以及更復雜一些的通道控制器、接口，以及更復雜一些的通

10、道控制器、/ /處理機。這將在以處理機。這將在以后幾節(jié)詳細介紹。后幾節(jié)詳細介紹。(4)(4)按功能選擇的靈活性分類，有可編程接口和不可編程接口?？砂垂δ苓x擇的靈活性分類，有可編程接口和不可編程接口。可編程接口的功能及操作方式可以由程序來改變或選擇，用編程編程接口的功能及操作方式可以由程序來改變或選擇，用編程的手段可使一塊接口芯片執(zhí)行多種不同的功能。不可編程接口的手段可使一塊接口芯片執(zhí)行多種不同的功能。不可編程接口則不能由程序來改變其功能，只能用硬連線邏輯來實現(xiàn)不同的則不能由程序來改變其功能，只能用硬連線邏輯來實現(xiàn)不同的功能。功能。(5)(5)按通用性分類有通用接口和專用接口。通用接口是可供多種

11、外按通用性分類有通用接口和專用接口。通用接口是可供多種外設使用的標準接口，專用接口是為某類外設或某種用途專門設設使用的標準接口，專用接口是為某類外設或某種用途專門設計的接口。計的接口。2022-5-29計算機組成原理計算機組成原理接口的分類(6)(6)按輸入輸出的信號分類，有數(shù)字接口和模擬接口。數(shù)字接口的按輸入輸出的信號分類，有數(shù)字接口和模擬接口。數(shù)字接口的輸入輸出全為數(shù)字信號，并行接口與串行接口都是數(shù)字信號接輸入輸出全為數(shù)字信號，并行接口與串行接口都是數(shù)字信號接口。而?？?。而模/ /數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)/ /模轉(zhuǎn)換器是模擬信號接口。模轉(zhuǎn)換器是模擬信號接口。(7)(7)按應用來分類按應用來

12、分類 運行輔助接口運行輔助接口 運行輔助接口是計算機日常工作所必需的接口運行輔助接口是計算機日常工作所必需的接口器件，包括：數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線的驅(qū)動器和接收器件，包括：數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線的驅(qū)動器和接收器、時鐘電路、磁盤接口和磁帶接口等。器、時鐘電路、磁盤接口和磁帶接口等。 用戶交互接口用戶交互接口 這類接口包括：計算機終端接口、鍵盤接口、這類接口包括：計算機終端接口、鍵盤接口、圖形顯示器接口及語音識別與合成接口等。圖形顯示器接口及語音識別與合成接口等。 傳感接口傳感接口 如溫度傳感接口、壓力傳感接口和流量傳感接口如溫度傳感接口、壓力傳感接口和流量傳感接口 控制接口控制接口

13、這類接口用于計算機控制系統(tǒng)中這類接口用于計算機控制系統(tǒng)中2022-5-29計算機組成原理計算機組成原理接口技術(shù)的發(fā)展 近年來，外圍接口電路已向組合化方向發(fā)展，發(fā)展成近年來，外圍接口電路已向組合化方向發(fā)展，發(fā)展成為接口電路芯片組。簡化了系統(tǒng)設計，提高了微機系為接口電路芯片組。簡化了系統(tǒng)設計，提高了微機系統(tǒng)的可靠性，使外圍接口電路進入了一個新的時期，統(tǒng)的可靠性，使外圍接口電路進入了一個新的時期，其特點是：出現(xiàn)了大量專用化的專用接口芯片組，接其特點是：出現(xiàn)了大量專用化的專用接口芯片組，接口芯片的集成度和復雜程度不亞于微處理器芯片，并口芯片的集成度和復雜程度不亞于微處理器芯片，并且許多外圍接口芯片不但

14、可以承擔基本的接口功能，且許多外圍接口芯片不但可以承擔基本的接口功能，而且還具有更高的而且還具有更高的“智能智能”，可以替代微處理器的某，可以替代微處理器的某些功能，甚至某些接口芯片本身內(nèi)部還有自身的微處些功能，甚至某些接口芯片本身內(nèi)部還有自身的微處理器，從而大大減輕了主微處理器的負擔，使微機系理器，從而大大減輕了主微處理器的負擔，使微機系統(tǒng)性能大大提高。統(tǒng)性能大大提高。2022-5-29計算機組成原理計算機組成原理7-1-3、外設的尋址方式外設的尋址方式 /端口尋址方式有兩種：一種是存儲器映射方式，端口尋址方式有兩種：一種是存儲器映射方式，即把端口地址與存儲器地址統(tǒng)一編址；另一種是即把端口地

15、址與存儲器地址統(tǒng)一編址；另一種是/映射方式，即把映射方式，即把/端口地址與存儲器地址分別端口地址與存儲器地址分別進行獨立的編址。進行獨立的編址。CPU對輸入輸出設備的訪問采用按對輸入輸出設備的訪問采用按地址訪問的形式，即先送地址碼，以確定訪問的具體地址訪問的形式，即先送地址碼，以確定訪問的具體設備，然后進行信息交換。因此，各種外設都要進行設備，然后進行信息交換。因此，各種外設都要進行編址。目前有兩種編址方式：獨立編址與存儲器統(tǒng)一編址。目前有兩種編址方式：獨立編址與存儲器統(tǒng)一編址。編址。 1、 獨立編址獨立編址 2、存儲器統(tǒng)一編址、存儲器統(tǒng)一編址2022-5-29計算機組成原理計算機組成原理獨立

16、編址獨立編址 獨立編址方式又稱單獨編址方式，給外部設備分配獨立編址方式又稱單獨編址方式，給外部設備分配專用的端口地址，進行獨立編址，與內(nèi)存編址無關(guān)，專用的端口地址，進行獨立編址，與內(nèi)存編址無關(guān)，比如，在比如，在80868086中，其內(nèi)存地址范圍是從中，其內(nèi)存地址范圍是從0000000000H HFFFFFHFFFFFH連續(xù)的連續(xù)的1MB1MB，其，其/ /端口地址范圍從端口地址范圍從00000000H HFFFFHFFFFH，它們互相獨立，互不影響。單獨編址需要，它們互相獨立，互不影響。單獨編址需要CPUCPU用不同于內(nèi)存讀寫操作的命令控制外部設備，因此在用不同于內(nèi)存讀寫操作的命令控制外部設備

17、，因此在單獨編址方式中有專門的外部設備輸入輸出指令，它單獨編址方式中有專門的外部設備輸入輸出指令，它們與訪問內(nèi)存指令是不們與訪問內(nèi)存指令是不樣的，很容易辨認。樣的，很容易辨認。CPUCPU需需要訪問內(nèi)存時，由內(nèi)存讀寫控制線路控制；要訪問內(nèi)存時，由內(nèi)存讀寫控制線路控制；CPUCPU需要需要訪問訪問/ /設備時，由設備時，由/ /讀寫控制線路控制。讀寫控制線路控制。2022-5-29計算機組成原理計算機組成原理存儲器統(tǒng)一編址存儲器統(tǒng)一編址 統(tǒng)一編址方式又稱存儲器映射方式。它是將輸入統(tǒng)一編址方式又稱存儲器映射方式。它是將輸入輸出設備和內(nèi)存統(tǒng)一進行編址，將輸出設備和內(nèi)存統(tǒng)一進行編址，將/ /端口地址作

18、端口地址作為內(nèi)存的一部分。在這種方式的為內(nèi)存的一部分。在這種方式的/ /系統(tǒng)中，把系統(tǒng)中，把/ /接口中的端口作為內(nèi)存單元一樣進行訪問，不設置接口中的端口作為內(nèi)存單元一樣進行訪問，不設置專門的專門的/ /指令。利用存儲器的讀寫指令就可以實指令。利用存儲器的讀寫指令就可以實現(xiàn)現(xiàn)/ /之間的數(shù)據(jù)傳送，用比較指令可以比較之間的數(shù)據(jù)傳送，用比較指令可以比較/ /設備中狀態(tài)寄存器的值，判斷輸入輸出操作的執(zhí)行情設備中狀態(tài)寄存器的值，判斷輸入輸出操作的執(zhí)行情況，以及完成算術(shù)邏輯運算、移位比較等操作，比較況，以及完成算術(shù)邏輯運算、移位比較等操作，比較靈活，方便了用戶，但這種編址方式中，由于靈活，方便了用戶，但

19、這種編址方式中，由于/ /端口地址占用了內(nèi)存地址的一部分，所以減少了內(nèi)存端口地址占用了內(nèi)存地址的一部分，所以減少了內(nèi)存儲器的存儲空間。儲器的存儲空間。 2022-5-29計算機組成原理計算機組成原理7-1-4 輸入輸出指令 對于統(tǒng)一編址方式的計算機不需要專門的對于統(tǒng)一編址方式的計算機不需要專門的/指令，可以利指令，可以利用內(nèi)存的讀用內(nèi)存的讀/寫命令來完成寫命令來完成/的操作。對于單獨編址的計算機的操作。對于單獨編址的計算機則需要專門的則需要專門的/操作命令，通過執(zhí)行這些命令，來完成主機操作命令，通過執(zhí)行這些命令，來完成主機與外設件的數(shù)據(jù)傳輸。如常見的與外設件的數(shù)據(jù)傳輸。如常見的IBM-PC機中

20、的輸入（機中的輸入（IN）和輸）和輸出（出（OUT）指令。）指令。/指令一般具有如下功能：指令一般具有如下功能：啟動、關(guān)閉外設的功能啟動、關(guān)閉外設的功能 使接口中控制寄存器的某些位置使接口中控制寄存器的某些位置“1”1”或置或置“0”0”，以控制外設實現(xiàn)啟動、關(guān)閉等動作。，以控制外設實現(xiàn)啟動、關(guān)閉等動作。 獲取外設狀態(tài)的功能獲取外設狀態(tài)的功能 / /指令可實現(xiàn)從外設狀態(tài)寄存器中取指令可實現(xiàn)從外設狀態(tài)寄存器中取出其內(nèi)容，以判別外設當前的狀態(tài)。如打印機是否出其內(nèi)容，以判別外設當前的狀態(tài)。如打印機是否“忙忙”，是，是否否“準備就緒準備就緒”等，以便決定下一步的操作；等，以便決定下一步的操作； 傳送數(shù)

21、據(jù)的功能傳送數(shù)據(jù)的功能 使用使用/ /指令，可實現(xiàn)外設數(shù)據(jù)寄存器中指令，可實現(xiàn)外設數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)與的數(shù)據(jù)與CPUCPU寄存器中數(shù)據(jù)的相互傳輸。寄存器中數(shù)據(jù)的相互傳輸。 2022-5-29計算機組成原理計算機組成原理7-1-5 主機與外設的信息傳送主機與外設的信息傳送1主機和外設之間傳送的信息有以下幾種：主機和外設之間傳送的信息有以下幾種：（1 1）數(shù)據(jù)信息：）數(shù)據(jù)信息： 包括通過輸入設備送到計算機的輸人數(shù)據(jù)，和經(jīng)包括通過輸入設備送到計算機的輸人數(shù)據(jù)，和經(jīng)過計算機運算處理加工后，送到輸出設備的結(jié)果數(shù)據(jù)。過計算機運算處理加工后，送到輸出設備的結(jié)果數(shù)據(jù)。（2 2）控制信息：）控制信息： CPUC

22、PU對外設的控制信息或管理命令，如外設的啟對外設的控制信息或管理命令，如外設的啟動和停止控制、輸入或輸出操作的指定、工作方式的選擇、中動和停止控制、輸入或輸出操作的指定、工作方式的選擇、中斷功能的允許和禁止等。斷功能的允許和禁止等。（3 3）狀態(tài)信息：）狀態(tài)信息： 用來標志外設的工作狀態(tài)與情況的信息，比如，用來標志外設的工作狀態(tài)與情況的信息，比如，輸入設備數(shù)據(jù)準備好，輸出設備忙、閑標志等，輸入設備數(shù)據(jù)準備好，輸出設備忙、閑標志等，CPUCPU通過對它的通過對它的查詢來決定下一步的操作。查詢來決定下一步的操作。（4 4）/ /尋址信息：尋址信息： 即外設識別信息，通過它使即外設識別信息，通過它使

23、CPUCPU從眾多外設從眾多外設中尋找出與之進行信息交換的唯一設備。中尋找出與之進行信息交換的唯一設備。 2022-5-29計算機組成原理計算機組成原理7-1-5 主機與外設的信息傳送主機與外設的信息傳送2 2主機和外設間信息傳送的控制方式主機和外設間信息傳送的控制方式 主機和外設間信息的傳送控制方式，經(jīng)歷了由低級到高級、由簡單到復雜、由集中管理到各部件分散管理的發(fā)展過程，它們之間信息傳送的方式有程序控制方式、中斷傳送方式、直接存儲器訪問DMA方式和通道控制方式、/處理機方式等。2022-5-29計算機組成原理計算機組成原理7-2-1 無條件傳送方式無條件傳送方式無條件傳送方式是在程序的適當位

24、置直接安排無條件傳送方式是在程序的適當位置直接安排IN/OUT指令，當指令，當程序執(zhí)行到這些輸入程序執(zhí)行到這些輸入/輸出指令時，輸出指令時，CPU默認外設始終是準備就默認外設始終是準備就緒的（緒的（/端口總是準備好接收端口總是準備好接收CPU的輸出數(shù)據(jù)，或總是準備的輸出數(shù)據(jù)，或總是準備好向好向CPU輸入數(shù)據(jù)），無需檢查端口的狀態(tài)，就進行數(shù)據(jù)的傳輸入數(shù)據(jù)），無需檢查端口的狀態(tài)，就進行數(shù)據(jù)的傳輸。輸。無條件傳送方式的硬件接口電路和軟件控制程序都比較簡單，無條件傳送方式的硬件接口電路和軟件控制程序都比較簡單，接口有鎖存能力，使數(shù)據(jù)在設備接口電路中能保持一段時間。接口有鎖存能力，使數(shù)據(jù)在設備接口電路中

25、能保持一段時間。但要求時序配合精確，輸入時，必須確保但要求時序配合精確，輸入時，必須確保CPU執(zhí)行執(zhí)行IN指令讀取指令讀取數(shù)據(jù)時，外設已將數(shù)據(jù)準備好；輸出時，數(shù)據(jù)時，外設已將數(shù)據(jù)準備好；輸出時，CPU執(zhí)行執(zhí)行OUT指令，指令，必須確保外部設備的數(shù)據(jù)鎖存器為空，即外設已將上次的數(shù)據(jù)必須確保外部設備的數(shù)據(jù)鎖存器為空，即外設已將上次的數(shù)據(jù)取走，等待接收新的數(shù)據(jù)，否則會導致數(shù)據(jù)傳送出錯，但一般取走，等待接收新的數(shù)據(jù)，否則會導致數(shù)據(jù)傳送出錯，但一般的外設難以滿足這種要求。的外設難以滿足這種要求。2022-5-29計算機組成原理計算機組成原理7-2-2 程序查詢傳送方式程序查詢傳送方式1 1程序查詢方式的

26、工作過程程序查詢方式的工作過程（1）工作過程）工作過程 向外設接口發(fā)出命令字，請求數(shù)據(jù)傳送向外設接口發(fā)出命令字，請求數(shù)據(jù)傳送 當當CPU選中某臺外設時，執(zhí)行輸出指令向外設接選中某臺外設時，執(zhí)行輸出指令向外設接口發(fā)出命令字啟動外設，讓外設為接收數(shù)據(jù)或發(fā)送數(shù)口發(fā)出命令字啟動外設，讓外設為接收數(shù)據(jù)或發(fā)送數(shù)據(jù)做應有的操作準備。據(jù)做應有的操作準備。 從外設狀態(tài)字寄存器中讀入狀態(tài)字從外設狀態(tài)字寄存器中讀入狀態(tài)字 CPU執(zhí)行輸入指令，從外設接口中取回狀態(tài)字并進執(zhí)行輸入指令，從外設接口中取回狀態(tài)字并進行狀態(tài)字分析，確定數(shù)據(jù)傳送是否可以進行。行狀態(tài)字分析，確定數(shù)據(jù)傳送是否可以進行。2022-5-29計算機組成原

27、理計算機組成原理7-2-2 程序查詢傳送方式程序查詢傳送方式 分析狀態(tài)標志位的不同，執(zhí)行不同的操作分析狀態(tài)標志位的不同，執(zhí)行不同的操作 CPU查詢狀態(tài)標志位，如果外設沒有準備就緒，查詢狀態(tài)標志位，如果外設沒有準備就緒，CPU就踏步等待，不斷重復就踏步等待，不斷重復、兩步一直到這個外兩步一直到這個外設準備就緒，狀態(tài)標志位為外設準備就緒，則進行數(shù)設準備就緒，狀態(tài)標志位為外設準備就緒，則進行數(shù)據(jù)傳送。據(jù)傳送。 傳送數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù) 外設準備就緒，主機與外設間就實現(xiàn)一次數(shù)據(jù)傳外設準備就緒，主機與外設間就實現(xiàn)一次數(shù)據(jù)傳送。輸入時，送。輸入時，CPU執(zhí)行輸入指令，從外設接口的數(shù)據(jù)執(zhí)行輸入指令，從外設接口的數(shù)據(jù)

28、緩沖寄存器中接收數(shù)據(jù)；輸出時，緩沖寄存器中接收數(shù)據(jù)；輸出時，CPU執(zhí)行輸出指令，執(zhí)行輸出指令，將數(shù)據(jù)寫入外設接口的數(shù)據(jù)緩沖寄存器中。將數(shù)據(jù)寫入外設接口的數(shù)據(jù)緩沖寄存器中。2022-5-29計算機組成原理計算機組成原理查詢方式的工作流程 nnn1#外設服務2#外設服務yy1#就緒？查詢程序2就緒？3#就緒？3#外設服務y圖7-3 多臺外設查詢流程圖yn主程序 主程序發(fā)命令字,啟動外設傳送數(shù)據(jù)讀設備狀態(tài)字準備就緒?圖7-2 查詢方式流程圖2022-5-29計算機組成原理計算機組成原理7-3-1 中斷的基本概念 1什么是中斷什么是中斷 中斷是指計算機中中斷是指計算機中CPU正在執(zhí)行的程序被打斷，而轉(zhuǎn)

29、去執(zhí)行正在執(zhí)行的程序被打斷，而轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應的中斷服務程序，在中斷服務程序執(zhí)行完畢后，再返回到相應的中斷服務程序，在中斷服務程序執(zhí)行完畢后，再返回到原程序繼續(xù)執(zhí)行的情形。原程序繼續(xù)執(zhí)行的情形。 2中斷源和中斷請求信號中斷源和中斷請求信號 中斷源是指引起計算機中斷事件發(fā)生的原因，它包括軟件、中斷源是指引起計算機中斷事件發(fā)生的原因，它包括軟件、硬件兩方面造成中斷的原因來源。硬件兩方面造成中斷的原因來源。 一臺計算機可以有多個中斷源，中斷源向中斷系統(tǒng)發(fā)出請求一臺計算機可以有多個中斷源，中斷源向中斷系統(tǒng)發(fā)出請求中斷的申請，多數(shù)具有隨機性，計算機為記錄中斷源的來源，中斷的申請，多數(shù)具有隨機性，計算機為記錄

30、中斷源的來源，對應每個中斷源有一個具有存儲功能的中斷請求觸發(fā)器對應每個中斷源有一個具有存儲功能的中斷請求觸發(fā)器（INTR），當某一個中斷源有中斷請求時，它對應的中斷請求），當某一個中斷源有中斷請求時，它對應的中斷請求觸發(fā)器置觸發(fā)器置“1”狀態(tài)，表示向狀態(tài)，表示向CPU發(fā)出了中斷請求信號。在中斷發(fā)出了中斷請求信號。在中斷接口電路中，多個中斷觸發(fā)器構(gòu)成中斷寄存器，其內(nèi)容稱為中接口電路中，多個中斷觸發(fā)器構(gòu)成中斷寄存器，其內(nèi)容稱為中斷字，記錄中斷源的來源。斷字，記錄中斷源的來源。2022-5-29計算機組成原理計算機組成原理3 3開中斷與關(guān)中斷開中斷與關(guān)中斷 CPU在處理一些緊要事件時不允許中斷，在處

31、理一些緊要事件時不允許中斷，因為這類事件執(zhí)行過程中一旦被中斷，將會因為這類事件執(zhí)行過程中一旦被中斷，將會引起嚴重后果，為避免中斷請求信號的干擾，引起嚴重后果，為避免中斷請求信號的干擾，設置了開中斷設置了開中斷/關(guān)中斷觸發(fā)器關(guān)中斷觸發(fā)器INH，當，當INH置置“0”，中斷源的中斷請求信號被允許進入排，中斷源的中斷請求信號被允許進入排隊，稱為隊，稱為“開中斷開中斷”；當；當INH置置“1”時，所時，所有中斷源發(fā)出的中斷請求被禁止，稱為有中斷源發(fā)出的中斷請求被禁止，稱為“關(guān)關(guān)中斷中斷”。2022-5-29計算機組成原理計算機組成原理4 4中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng) 實現(xiàn)中斷的硬件和軟件所組成的系統(tǒng)，就叫中斷系

32、統(tǒng)。計實現(xiàn)中斷的硬件和軟件所組成的系統(tǒng)，就叫中斷系統(tǒng)。計算機正是依靠中斷系統(tǒng)實現(xiàn)了分時處理、故障處理、實時處理算機正是依靠中斷系統(tǒng)實現(xiàn)了分時處理、故障處理、實時處理等實際問題。等實際問題。 中斷系統(tǒng)的組成包括：微處理器內(nèi)特有的中斷的相關(guān)硬件中斷系統(tǒng)的組成包括：微處理器內(nèi)特有的中斷的相關(guān)硬件電路，用來接收中斷請求、響應請求、保護現(xiàn)場、轉(zhuǎn)向中斷服電路，用來接收中斷請求、響應請求、保護現(xiàn)場、轉(zhuǎn)向中斷服務程序、處理完返回等；外圍有與該處理器匹配的中斷控制器務程序、處理完返回等；外圍有與該處理器匹配的中斷控制器即中斷接口，實現(xiàn)管理多個中斷源，完成優(yōu)先級裁決，中斷源即中斷接口，實現(xiàn)管理多個中斷源，完成優(yōu)先

33、級裁決，中斷源屏蔽等功能；此外還包括依據(jù)處理器、控制器的結(jié)構(gòu)編寫的中屏蔽等功能；此外還包括依據(jù)處理器、控制器的結(jié)構(gòu)編寫的中斷處理程序，系統(tǒng)初始化程序等實現(xiàn)中斷管理的軟件。斷處理程序，系統(tǒng)初始化程序等實現(xiàn)中斷管理的軟件。 中斷系統(tǒng)的功能包括：中斷源的識別、多個中斷源請求時，中斷系統(tǒng)的功能包括：中斷源的識別、多個中斷源請求時，軟件可禁止與允許每個請求，優(yōu)先級的確定、中斷現(xiàn)場的保存、軟件可禁止與允許每個請求，優(yōu)先級的確定、中斷現(xiàn)場的保存、對中斷請求的分析和處理、中斷返回等對中斷請求的分析和處理、中斷返回等 2022-5-29計算機組成原理計算機組成原理5 5中斷的分類中斷的分類 （1）簡單中斷與程序

34、中斷）簡單中斷與程序中斷 簡單中斷是指只用硬件，不用軟件即可實現(xiàn)的中斷，也叫簡單中斷是指只用硬件，不用軟件即可實現(xiàn)的中斷，也叫硬中斷。又由于這類中斷一般都是輸入輸出設備通過向硬中斷。又由于這類中斷一般都是輸入輸出設備通過向CPU提提出中斷申請，出中斷申請，CPU響應后才能進行的中斷，故也叫做響應后才能進行的中斷，故也叫做/中斷。中斷。程序中斷是指由軟件實現(xiàn)的中斷，因此，也叫軟中斷，一般是程序中斷是指由軟件實現(xiàn)的中斷，因此，也叫軟中斷，一般是由中斷指令來完成。由中斷指令來完成。 （2）內(nèi)中斷與外中斷）內(nèi)中斷與外中斷 由由CPU內(nèi)部軟、硬件原因引起的中斷叫做內(nèi)中斷，如單步內(nèi)部軟、硬件原因引起的中斷

35、叫做內(nèi)中斷，如單步中斷。外中斷是指由中斷。外中斷是指由CPU以外的部件引起的中斷，叫做外中斷。以外的部件引起的中斷，叫做外中斷。 （3）向量中斷和非向量中斷）向量中斷和非向量中斷 中斷服務程序的中斷入口地址由中斷向量表事先提供的中中斷服務程序的中斷入口地址由中斷向量表事先提供的中斷，叫作向量中斷，非向量中斷的中斷事件不能提供中斷服務斷，叫作向量中斷，非向量中斷的中斷事件不能提供中斷服務入口地址。入口地址。2022-5-29計算機組成原理計算機組成原理7-3-2 中斷屏蔽與中斷優(yōu)先權(quán)中斷屏蔽與中斷優(yōu)先權(quán)1 中斷優(yōu)先權(quán)中斷優(yōu)先權(quán) (1) 中斷優(yōu)先權(quán)中斷優(yōu)先權(quán) 當多個中斷源同時向當多個中斷源同時向C

36、PU發(fā)出中斷請求時，發(fā)出中斷請求時，CPU首先處理哪首先處理哪個中斷源的請求呢？為了不發(fā)生矛盾，而且處理及時，計算機個中斷源的請求呢？為了不發(fā)生矛盾，而且處理及時，計算機將所有中斷源的請求按輕重緩急排序，將所有中斷源的請求按輕重緩急排序，0級、級、1級、級、2級級n級排級排隊依次處理，保證緊迫程度最高的中斷源的中斷請求排在最前，隊依次處理，保證緊迫程度最高的中斷源的中斷請求排在最前，最快得到最快得到CPU的處理。這種中斷處理過程中的優(yōu)先級別，叫做的處理。這種中斷處理過程中的優(yōu)先級別，叫做中斷優(yōu)先權(quán)。中斷優(yōu)先權(quán)。（2）中斷判優(yōu)）中斷判優(yōu) 如何判別設備中斷的優(yōu)先權(quán)要由中斷判優(yōu)來完成，中斷排隊如何判

37、別設備中斷的優(yōu)先權(quán)要由中斷判優(yōu)來完成，中斷排隊的目的是為了判優(yōu)，中斷判優(yōu)的方法有軟件判優(yōu)法和硬件判優(yōu)的目的是為了判優(yōu)，中斷判優(yōu)的方法有軟件判優(yōu)法和硬件判優(yōu)法。軟件判優(yōu)是用程序來判別優(yōu)先級法。軟件判優(yōu)是用程序來判別優(yōu)先級,優(yōu)先級高的先查詢，優(yōu)先優(yōu)先級高的先查詢，優(yōu)先級低的后查詢，而通過修改程序可以調(diào)整設備的優(yōu)先級。級低的后查詢，而通過修改程序可以調(diào)整設備的優(yōu)先級。2022-5-29計算機組成原理計算機組成原理（3）多重中斷 多重中斷是指在處多重中斷是指在處理某一中斷過程中，又理某一中斷過程中，又有比該中斷優(yōu)先級高的有比該中斷優(yōu)先級高的中斷請求，于是中斷請求，于是CPU中中斷原中斷服務程序的執(zhí)斷原

38、中斷服務程序的執(zhí)行，而又轉(zhuǎn)去執(zhí)行新的行，而又轉(zhuǎn)去執(zhí)行新的中斷處理。這種多重中中斷處理。這種多重中斷的執(zhí)行形成了中斷嵌斷的執(zhí)行形成了中斷嵌套。如圖套。如圖7-6所示。所示。21中斷服務程序11優(yōu)先級更高的中斷請求主程序中斷服務程序11圖7-6多重中斷12022-5-29計算機組成原理計算機組成原理2 2中斷屏蔽中斷屏蔽 當多個中斷源發(fā)出中斷請求時當多個中斷源發(fā)出中斷請求時，CPU只能只能響應一個中斷，中斷屏蔽可實現(xiàn)部分中斷的響應一個中斷，中斷屏蔽可實現(xiàn)部分中斷的封鎖。每個中斷源在配有一個中斷請求觸發(fā)封鎖。每個中斷源在配有一個中斷請求觸發(fā)器 的 同 時 ， 配 有 一 個 中 斷 屏 蔽 觸 發(fā)

39、器器 的 同 時 ， 配 有 一 個 中 斷 屏 蔽 觸 發(fā) 器（MASK），它們成對出現(xiàn)，當），它們成對出現(xiàn)，當MASK置置“1”時，該中斷源的請求被屏蔽，中斷請求不能時，該中斷源的請求被屏蔽，中斷請求不能進入中斷排隊邏輯，進行判優(yōu)，當進入中斷排隊邏輯，進行判優(yōu)，當MASK置置“0”時，該中斷請求被允許，經(jīng)過中斷排隊時，該中斷請求被允許，經(jīng)過中斷排隊判優(yōu)后，最終送往判優(yōu)后，最終送往CPU。2022-5-29計算機組成原理計算機組成原理7-3-3 中斷響應與中斷處理中斷響應與中斷處理 1.中斷的全過程中斷的全過程 對中斷請求的整個處理過程是由硬件和軟件結(jié)合對中斷請求的整個處理過程是由硬件和軟件

40、結(jié)合起來而形成的一套中斷請求機構(gòu)實施的，一般包括起來而形成的一套中斷請求機構(gòu)實施的，一般包括5個步驟，如圖個步驟，如圖7-7所示。所示。 中斷源發(fā)中斷請求中斷返回中斷處理中斷響應中斷判優(yōu)圖7-7 中斷過程2022-5-29計算機組成原理計算機組成原理 2 2 中斷響應中斷響應（1 1）中斷響應）中斷響應 眾多中斷請求信號經(jīng)過中斷判優(yōu)后，將優(yōu)先權(quán)最高級別的中眾多中斷請求信號經(jīng)過中斷判優(yōu)后，將優(yōu)先權(quán)最高級別的中斷請求送往斷請求送往CPUCPU，CPUCPU收到后，向中斷源發(fā)出響應信號，并做出收到后，向中斷源發(fā)出響應信號，并做出相應的響應動作。我們把發(fā)生中斷時，相應的響應動作。我們把發(fā)生中斷時，CP

41、UCPU暫停執(zhí)行當前的程序，暫停執(zhí)行當前的程序，而轉(zhuǎn)去處理中斷，這個對中斷請求做出反應的過程，稱為中斷而轉(zhuǎn)去處理中斷，這個對中斷請求做出反應的過程，稱為中斷響應。響應。（2 2）中斷響應的條件：）中斷響應的條件：CPUCPU接到中斷請求接到中斷請求 CPUCPU處于開中斷處于開中斷 （3 3）中斷響應的過程：）中斷響應的過程：中斷現(xiàn)行程序中斷現(xiàn)行程序保護現(xiàn)場：保護現(xiàn)場：CPUCPU保存原程保存原程序的斷點信息，將程序指令計數(shù)器序的斷點信息，將程序指令計數(shù)器PCPC、程序狀態(tài)字寄存器、程序狀態(tài)字寄存器PSWPSW、以及某些通用寄存器的內(nèi)容壓棧保存以及某些通用寄存器的內(nèi)容壓棧保存 中斷服務：中斷服

42、務中斷服務：中斷服務程序入口地址送入程序計數(shù)器程序入口地址送入程序計數(shù)器PCUPCU，轉(zhuǎn)到相應的處理程序，準備，轉(zhuǎn)到相應的處理程序，準備運行。運行。 2022-5-29計算機組成原理計算機組成原理3 3中斷處理中斷處理 中斷響應后進入中斷處理階段，即中央處理機執(zhí)中斷響應后進入中斷處理階段，即中央處理機執(zhí)行中斷服務程序。在中斷服務程序的末尾有一條中斷行中斷服務程序。在中斷服務程序的末尾有一條中斷返回指令，實現(xiàn)中斷完成后要恢復現(xiàn)場，即將中斷響返回指令，實現(xiàn)中斷完成后要恢復現(xiàn)場，即將中斷響應時保存過的程序指令計數(shù)器應時保存過的程序指令計數(shù)器PC、程序狀態(tài)字寄存、程序狀態(tài)字寄存器器PSW、以及某些通用

43、寄存器的內(nèi)容重新取回，、以及某些通用寄存器的內(nèi)容重新取回，CPU返回主程序。返回主程序。 /中斷服務程序的入口地址，放在內(nèi)存儲器的中中斷服務程序的入口地址，放在內(nèi)存儲器的中斷向量表中，每一個向量中斷的中斷服務程序，都可斷向量表中，每一個向量中斷的中斷服務程序，都可以通過中斷向量表找到唯一的入口地址。以通過中斷向量表找到唯一的入口地址。2022-5-29計算機組成原理計算機組成原理中斷處理 中斷響應與中斷處理流程圖恢復現(xiàn)場開中斷關(guān)中斷保護現(xiàn)場執(zhí)行中斷服務程序關(guān)中斷開中斷圖7-8 中斷響應與中斷處理流程圖 2022-5-29計算機組成原理計算機組成原理7-3-4 中斷控制器中斷控制器8259825

44、9A A1. 中斷接口的組成中斷接口的組成 具有中斷能力的外設接口應該具有以下幾具有中斷能力的外設接口應該具有以下幾個功能組成部分：中斷請求電路、中斷優(yōu)先個功能組成部分：中斷請求電路、中斷優(yōu)先電路、向量地址形成部件。以下以電路、向量地址形成部件。以下以 中斷控制中斷控制器器8259A為例講述。為例講述。2022-5-29計算機組成原理計算機組成原理2 2Intel 8259AIntel 8259A可編程中斷控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)可編程中斷控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)2022-5-29計算機組成原理計算機組成原理3.8259A的工作方式優(yōu)先級方式選擇優(yōu)先級方式選擇 a.全嵌套方式：固定優(yōu)先級全嵌套方式：固定優(yōu)先級,I

45、R0最高最高,IR7最低。最低。b.特殊全嵌套特殊全嵌套:與與a）基本相同）基本相同,響應同級中斷請求響應同級中斷請求c.優(yōu)先級自動循環(huán)：某級被響應后，降為最低。如優(yōu)先級自動循環(huán)：某級被響應后，降為最低。如IR被響應后，被響應后，優(yōu)先級順序變?yōu)椋簝?yōu)先級順序變?yōu)椋?IR,IR,IR,IR,IR,IR2,IR3,IR4。d.優(yōu)先級特殊循環(huán)方式：編程指定最低優(yōu)先級，其他同優(yōu)先級特殊循環(huán)方式：編程指定最低優(yōu)先級，其他同C。屏蔽中斷方式選擇屏蔽中斷方式選擇a.普通屏蔽方式選擇：對應普通屏蔽方式選擇：對應IMR為為“1”位的中斷請求將被屏蔽。位的中斷請求將被屏蔽。b.特殊屏蔽方式特殊屏蔽方式: 執(zhí)行中斷程

46、序時執(zhí)行中斷程序時,動態(tài)改變優(yōu)先級結(jié)構(gòu)動態(tài)改變優(yōu)先級結(jié)構(gòu),屏蔽本級屏蔽本級,允允許較低級請求被服務。許較低級請求被服務。2022-5-29計算機組成原理計算機組成原理3.8259A8259A的工作方式的工作方式中斷結(jié)束方式：中斷結(jié)束方式：ISRn被清被清0，中斷結(jié)束。，中斷結(jié)束。a.自動結(jié)束方式：自動結(jié)束方式：8259A收到收到INTA#后自動把后自動把ISRn位清位清0。b.一般結(jié)束方式：一般結(jié)束方式：8086發(fā)命令清除發(fā)命令清除ISR中級最高中級最高的位，結(jié)束中斷。的位，結(jié)束中斷。c.特殊結(jié)束方式：將特殊結(jié)束方式：將ISR中指定位清中指定位清0。2022-5-29計算機組成原理計算機組成原

47、理7-4-1 DMA DMA系統(tǒng)組成及工作過程系統(tǒng)組成及工作過程 DMA是在存儲器和是在存儲器和/設備之間建立數(shù)據(jù)設備之間建立數(shù)據(jù)通路，讓通路，讓/設備和內(nèi)存通過該數(shù)據(jù)通路直設備和內(nèi)存通過該數(shù)據(jù)通路直接交換數(shù)據(jù)，不經(jīng)過接交換數(shù)據(jù)，不經(jīng)過CPU的干預，實現(xiàn)內(nèi)存的干預，實現(xiàn)內(nèi)存與外設，或外設與外設之間的快速數(shù)據(jù)傳送。與外設，或外設與外設之間的快速數(shù)據(jù)傳送。這種數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞椒Q為直接存儲器存取方這種數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞椒Q為直接存儲器存取方式。式。DMAC是為這種工作方式而設計的專用是為這種工作方式而設計的專用接口電路，叫做接口電路，叫做DMA控制器，它與處理器配控制器，它與處理器配合實現(xiàn)系統(tǒng)的合實現(xiàn)系統(tǒng)的

48、DMA功能。功能。2022-5-29計算機組成原理計算機組成原理1 1DMADMA系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成 說明： OLD（HRQ）：）：DMA控控制器向制器向CPU發(fā)出的總線請發(fā)出的總線請求信號求信號HRQ HLDA：CPU向向DMA控控制器發(fā)出的總線響應信號制器發(fā)出的總線響應信號D R E Q ： ： / 設 備 向 設 備 向 DMA控制器發(fā)出的控制器發(fā)出的DMA請求信號請求信號 ACK：DMA控制器向外控制器向外設發(fā)出的設發(fā)出的DMA響應信號響應信號CPUHRQ DREQDMACHLDA ACK地址總線總線請求總線響應DMA請求DMA響應I / O設備控制總線數(shù)據(jù)總線HOLDHLDA圖7-10

49、 DMA系統(tǒng)組成2022-5-29計算機組成原理計算機組成原理2 2DMADMA的工作過程的工作過程（1 1）設發(fā)出）設發(fā)出DMA請求，請求，DMA控制器接到請求后，便把控制器接到請求后，便把該請求送到該請求送到CPU。（2）CPU在適當?shù)臅r候，響應在適當?shù)臅r候，響應DMA請求，其工作方式請求，其工作方式變?yōu)樽優(yōu)镈MA操作方式，同時操作方式，同時DMA控制器從控制器從CPU接管總接管總線控制權(quán)；線控制權(quán)；（3）DMA控制器接到控制器接到CPU響應信號后，對現(xiàn)有外設響應信號后，對現(xiàn)有外設DMA請求中優(yōu)先權(quán)最高的請求給予請求中優(yōu)先權(quán)最高的請求給予DMA響應；由響應；由DMA控制器對內(nèi)存尋址，進行數(shù)

50、據(jù)傳送，直到數(shù)據(jù)控制器對內(nèi)存尋址，進行數(shù)據(jù)傳送，直到數(shù)據(jù)塊傳送完畢。塊傳送完畢。2022-5-29計算機組成原理計算機組成原理7-4-2 DMA DMA控制器控制器DMACDMAC1DMAC的基本組成的基本組成 DMA 控制器主要是由中斷機構(gòu)、控制控制器主要是由中斷機構(gòu)、控制/狀態(tài)邏輯電路、狀態(tài)邏輯電路、DMA請求標志寄存器、內(nèi)存請求標志寄存器、內(nèi)存地址寄存器、字計數(shù)器、數(shù)據(jù)緩存寄存器和地址寄存器、字計數(shù)器、數(shù)據(jù)緩存寄存器和設備選擇器等部件組成。設備選擇器等部件組成。 2022-5-29計算機組成原理計算機組成原理 2DMAC各部件的基本功能（1）狀態(tài)）狀態(tài)/控制邏輯單元與中斷機構(gòu)：控制邏輯單

51、元與中斷機構(gòu)： 實現(xiàn)實現(xiàn)DMA的工作方式控制，的工作方式控制， 外設外設DMA中斷請求的處理，向中斷請求的處理，向CPU發(fā)中斷請求等。發(fā)中斷請求等。（2 2）設備選擇器：選擇傳送數(shù)據(jù)的外設。）設備選擇器：選擇傳送數(shù)據(jù)的外設。（3 3）內(nèi)部寄存器）內(nèi)部寄存器（4 4）字計數(shù)器：數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)的計數(shù)器。）字計數(shù)器：數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)的計數(shù)器。2022-5-29計算機組成原理計算機組成原理DMACDMAC控制器結(jié)構(gòu)圖控制器結(jié)構(gòu)圖 HRQ系統(tǒng)總線主存主存儲器器址寄存器寄存器字計數(shù)器D M A 請 求標志設備選擇器 器中斷機構(gòu)控制/狀態(tài)邏輯CPU數(shù)據(jù)緩存寄存器 外設中斷請求HLDA2022-5-29計算機組成原

52、理計算機組成原理7-4-3 DMADMA使用主存的方式使用主存的方式 DMA有有3種使用內(nèi)存的方式，種使用內(nèi)存的方式， CPU停止訪問內(nèi)存方式、存儲停止訪問內(nèi)存方式、存儲器分時傳送方式、和周期竊取方式。器分時傳送方式、和周期竊取方式。1 1CPUCPU停止訪問內(nèi)存方式停止訪問內(nèi)存方式 在這種方式中，在這種方式中，DMADMA控制器的數(shù)據(jù)傳送申請不是發(fā)向控制器的數(shù)據(jù)傳送申請不是發(fā)向CPUCPU，而，而直接發(fā)往主存儲器。在得到主存儲器的響應之后，直接發(fā)往主存儲器。在得到主存儲器的響應之后，CPUCPU讓出總線讓出總線控制權(quán)，由控制權(quán)，由DMADMA控制器占用若干個存取周期進行數(shù)據(jù)傳送，直到控制器占

53、用若干個存取周期進行數(shù)據(jù)傳送，直到完成后，才把總線控制權(quán)交回完成后，才把總線控制權(quán)交回CPUCPU，其間，其間CPUCPU基本處于不工作的基本處于不工作的狀態(tài)，這樣在狀態(tài)，這樣在DMADMA控制器訪問主存階段，控制器訪問主存階段，CPUCPU的效能未能充分發(fā)的效能未能充分發(fā)揮出來，因為相當一部分主存工作周期是空閑的。這種方式控揮出來，因為相當一部分主存工作周期是空閑的。這種方式控制簡單，適于傳輸率高的設備。制簡單，適于傳輸率高的設備。2 2存儲器分時傳送方式。存儲器分時傳送方式。 在這種方式中，不存在總線申請與歸還情況，存取周期分為在這種方式中，不存在總線申請與歸還情況，存取周期分為兩片，分別

54、給兩片，分別給CPUCPU與與DMACDMAC。使得。使得CPUCPU和和DMACDMAC交替訪問主存，而且交替訪問主存，而且它們之間的轉(zhuǎn)換幾乎不需要什么時間。但它們之間的轉(zhuǎn)換幾乎不需要什么時間。但DMADMA時間片內(nèi)有可能成時間片內(nèi)有可能成為空操作，造成不必要的浪費。為空操作，造成不必要的浪費。2022-5-29計算機組成原理計算機組成原理7-4-3 DMADMA使用主存的方式使用主存的方式3 3周期竊取方式周期竊取方式 在這種工作方式中，在每一條指令執(zhí)行結(jié)在這種工作方式中，在每一條指令執(zhí)行結(jié)束時，束時，CPU測試有沒有測試有沒有DMA服務申請一旦服務申請一旦外設有外設有DMA請求，則由外設

55、挪用一個或幾個請求，則由外設挪用一個或幾個主存周期，主存周期，CPU進入進入個個DMA周期。完成數(shù)周期。完成數(shù)據(jù)和主存地址的傳送、交換個數(shù)計數(shù)器中的據(jù)和主存地址的傳送、交換個數(shù)計數(shù)器中的內(nèi)容減內(nèi)容減“l(fā)”、主存地址的增值及一些測試判、主存地址的增值及一些測試判斷等操作。若沒有斷等操作。若沒有DMA請求，則請求，則CPU按程序按程序要求訪問內(nèi)存，較好的提高了要求訪問內(nèi)存，較好的提高了CPU的使用，的使用，但是硬件結(jié)構(gòu)比較復雜。但是硬件結(jié)構(gòu)比較復雜。2022-5-29計算機組成原理計算機組成原理7-4-3 DMADMA使用主存的方式使用主存的方式4DMA方式的特點方式的特點（1）主存儲器既可以被）

56、主存儲器既可以被CPU訪問，也可以被外部設備訪問。訪問，也可以被外部設備訪問。（2）由于在外部設備與主存儲器之間傳送數(shù)據(jù)，不需要做保存現(xiàn)）由于在外部設備與主存儲器之間傳送數(shù)據(jù)，不需要做保存現(xiàn)場和恢復現(xiàn)場等工作，從而使場和恢復現(xiàn)場等工作，從而使DMA方式的工作速度大大加快。方式的工作速度大大加快。（3）在）在DMA方式中，方式中，CPU不僅能夠與外部設備并行操作，而且整不僅能夠與外部設備并行操作，而且整個數(shù)據(jù)的傳送過程不需要個數(shù)據(jù)的傳送過程不需要CPU的干預，速度快。的干預，速度快。（4）在）在DMA控制器中，由于外部設備一般是以字節(jié)為單位傳送的，控制器中，由于外部設備一般是以字節(jié)為單位傳送的，

57、而主存儲器是以字為單位訪問的，因此。在而主存儲器是以字為單位訪問的，因此。在DMA控制器中還要控制器中還要有從字節(jié)裝配成字和從字拆卸成字節(jié)的硬件。有從字節(jié)裝配成字和從字拆卸成字節(jié)的硬件。（5）DMA方式開始之前要對方式開始之前要對DMA控制器進行初始化，包括向控制器進行初始化，包括向DMA控制器傳送主存緩沖區(qū)首地址、設備地址、交換的數(shù)據(jù)塊控制器傳送主存緩沖區(qū)首地址、設備地址、交換的數(shù)據(jù)塊的長度等，并啟動設備開始工作。在的長度等，并啟動設備開始工作。在DMA方式結(jié)束之后要向方式結(jié)束之后要向CPU申請中斷，在中斷服務程序中對主存儲器中數(shù)據(jù)緩沖區(qū)進申請中斷，在中斷服務程序中對主存儲器中數(shù)據(jù)緩沖區(qū)進行

58、后處理。行后處理。2022-5-29計算機組成原理計算機組成原理7.5.1 7.5.1 通道方式及其特點通道方式及其特點1 1什么是通道和通道方式什么是通道和通道方式 通道是一種通過執(zhí)行通道程序管理通道是一種通過執(zhí)行通道程序管理I/O操作的控操作的控制器，它使主機與制器，它使主機與I/O操作之間達到更高的并行程度。操作之間達到更高的并行程度。由于它的任務是管理實現(xiàn)輸入由于它的任務是管理實現(xiàn)輸入/輸出操作，提供一種輸出操作，提供一種傳送通道，所以將這種控制部件稱作傳送通道，所以將這種控制部件稱作“通道通道”。也就。也就是說，通道是一個用于控制外部設備工作的硬件機制，是說，通道是一個用于控制外部設

59、備工作的硬件機制，相當與一個功能簡單的處理機。更好地實現(xiàn)了計算和相當與一個功能簡單的處理機。更好地實現(xiàn)了計算和傳輸?shù)牟⑿?。由其所控制實現(xiàn)的數(shù)據(jù)輸入輸出，就是傳輸?shù)牟⑿?。由其所控制實現(xiàn)的數(shù)據(jù)輸入輸出，就是通道方式。主機對外部設備的控制通過三個層次來實通道方式。主機對外部設備的控制通過三個層次來實現(xiàn)，既通道，控制器和設備現(xiàn)，既通道，控制器和設備。 2022-5-29計算機組成原理計算機組成原理7.5.1 7.5.1 通道方式及其特點通道方式及其特點通道方式的特點通道方式的特點 （1 1）CPU把數(shù)據(jù)傳輸控制功能下放給通道，通把數(shù)據(jù)傳輸控制功能下放給通道，通道與道與CPU分時使用內(nèi)存，實現(xiàn)分時使用內(nèi)

60、存，實現(xiàn)CPU與外設的與外設的并行工作。并行工作。（2）整個系統(tǒng)分二級管理）整個系統(tǒng)分二級管理 一級是一級是CPU對通道的管理，對通道的管理，CPU通過執(zhí)行通過執(zhí)行/指令以及處理來自通道的中斷，實現(xiàn)對指令以及處理來自通道的中斷，實現(xiàn)對通道的管理。通道的管理。2022-5-29計算機組成原理計算機組成原理7.5.27.5.2通道的類型通道的類型 根據(jù)多臺外部設備共享通道的不同方式，根據(jù)多臺外部設備共享通道的不同方式，可將通道分為三種類型：字節(jié)多路通道、選可將通道分為三種類型：字節(jié)多路通道、選擇通道和數(shù)組多路通道，如圖擇通道和數(shù)組多路通道，如圖7-15所示。所示。1 1字節(jié)多路通道（字節(jié)多路通道（