第七章輸入輸出系統(tǒng)[一]

1、第七章第七章 輸入輸入 輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng) 7.1 7.1 輸入輸出系統(tǒng)概述輸入輸出系統(tǒng)概述 7.3 7.3 程序中斷方式程序中斷方式 7.4 DMA 7.4 DMA方式方式 7.2 7.2 程序查詢方式程序查詢方式輸入輸出輸入輸出(I/O)(I/O)系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)主機(jī)與外界交換系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)主機(jī)與外界交換數(shù)據(jù)的軟、硬件系統(tǒng)數(shù)據(jù)的軟、硬件系統(tǒng). . 它包括輸入輸出設(shè)備、輸入輸出接它包括輸入輸出設(shè)備、輸入輸出接口口( (接口控制器接口控制器) )及相關(guān)控制軟件及相關(guān)控制軟件, ,其中其中I/OI/O接口是用來連接接口是用來連接主機(jī)與主機(jī)與I/OI/O設(shè)備的設(shè)備的, ,三者的關(guān)系如下

2、三者的關(guān)系如下: :圖圖7.1 7.1 接口與主機(jī)、外設(shè)間連接示意圖接口與主機(jī)、外設(shè)間連接示意圖7.1 I/O7.1 I/O系統(tǒng)概述系統(tǒng)概述7.1.1 I/O7.1.1 I/O系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成 CPUCPU數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線地址線地址線命令線命令線I/OI/O接口接口數(shù)據(jù)端口數(shù)據(jù)端口狀態(tài)端口狀態(tài)端口控制端口控制端口數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線狀態(tài)信息狀態(tài)信息命令命令I(lǐng)/OI/O設(shè)備設(shè)備 設(shè)備識(shí)別設(shè)備識(shí)別控制邏輯電路控制邏輯電路狀態(tài)線狀態(tài)線 I/OI/O接口與端口的定義接口與端口的定義 接口接口(Interface):(Interface):主機(jī)和外設(shè)之間實(shí)現(xiàn)信息交換的控主機(jī)和外設(shè)之間實(shí)現(xiàn)信息交換的控制電路制電路.

3、.端口端口(Port):(Port):接口電路中可以被接口電路中可以被CPUCPU直接訪問的寄存器直接訪問的寄存器; ;若干個(gè)端口加上相應(yīng)的控制邏輯電路才組成接口若干個(gè)端口加上相應(yīng)的控制邏輯電路才組成接口. . CPUCPU數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線地址線地址線命令線命令線I/OI/O接口接口數(shù)據(jù)端口數(shù)據(jù)端口狀態(tài)端口狀態(tài)端口控制端口控制端口數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線狀態(tài)信息狀態(tài)信息命令命令I(lǐng)/OI/O設(shè)備設(shè)備 設(shè)備識(shí)別設(shè)備識(shí)別控制邏輯電路控制邏輯電路圖圖7.1 7.1 接口與主機(jī)、外設(shè)間連接示意圖接口與主機(jī)、外設(shè)間連接示意圖狀態(tài)線狀態(tài)線圖圖7.1 7.1 接口與主機(jī)、外設(shè)間連接示意圖接口與主機(jī)、外設(shè)間連接示意圖端口主要分

4、為三類端口主要分為三類: : 狀態(tài)端口狀態(tài)端口: :存放狀態(tài)信息的寄存器存放狀態(tài)信息的寄存器,CPU,CPU對(duì)其內(nèi)容只能讀對(duì)其內(nèi)容只能讀, ,如如80X8680X86中用輸入指令中用輸入指令(IN AL,(IN AL,狀態(tài)口地址狀態(tài)口地址) )將外設(shè)狀態(tài)標(biāo)志送到將外設(shè)狀態(tài)標(biāo)志送到CPUCPU； 控制端口控制端口: :存放控制命令的寄存器存放控制命令的寄存器,CPU,CPU只能對(duì)其寫只能對(duì)其寫, ,如如80X8680X86中中用輸出指令用輸出指令(OUT (OUT 狀態(tài)口地址狀態(tài)口地址,AL),AL)將將CPUCPU的各種控制命令發(fā)送外設(shè)；的各種控制命令發(fā)送外設(shè)； 數(shù)據(jù)端口數(shù)據(jù)端口:存放數(shù)據(jù)信息

5、的寄存器存放數(shù)據(jù)信息的寄存器. CPUCPU數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線地址線地址線命令線命令線I/OI/O接口接口數(shù)據(jù)端口數(shù)據(jù)端口狀態(tài)端口狀態(tài)端口控制端口控制端口數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線狀態(tài)信息狀態(tài)信息命令命令I(lǐng)/OI/O設(shè)備設(shè)備 設(shè)備識(shí)別設(shè)備識(shí)別控制邏輯電路控制邏輯電路狀態(tài)線狀態(tài)線圖圖7.1 7.1 接口與主機(jī)、外設(shè)間連接示意圖接口與主機(jī)、外設(shè)間連接示意圖 數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線:I/O:I/O設(shè)備與主機(jī)之間數(shù)據(jù)的傳輸線設(shè)備與主機(jī)之間數(shù)據(jù)的傳輸線; ; 地址線地址線: :用來傳送設(shè)備號(hào)用來傳送設(shè)備號(hào), ,多臺(tái)多臺(tái)I/OI/O設(shè)備各自有其設(shè)設(shè)備各自有其設(shè)備號(hào)備號(hào)( (地址地址); ); CPUCPU數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線地址線地址線命令線

6、命令線I/OI/O接口接口數(shù)據(jù)端口數(shù)據(jù)端口狀態(tài)端口狀態(tài)端口控制端口控制端口數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線狀態(tài)信息狀態(tài)信息命令命令I(lǐng)/OI/O設(shè)備設(shè)備 設(shè)備識(shí)別設(shè)備識(shí)別控制邏輯電路控制邏輯電路狀態(tài)線狀態(tài)線圖圖7.1 7.1 接口與主機(jī)、外設(shè)間連接示意圖接口與主機(jī)、外設(shè)間連接示意圖 命令線命令線: : 傳輸傳輸CPUCPU向設(shè)備發(fā)出的各種命令信號(hào)向設(shè)備發(fā)出的各種命令信號(hào)( (如如啟動(dòng)、清除、讀、寫等啟動(dòng)、清除、讀、寫等) )； 狀態(tài)線狀態(tài)線: :將將I/OI/O設(shè)備的狀態(tài)向主機(jī)報(bào)告的信號(hào)線設(shè)備的狀態(tài)向主機(jī)報(bào)告的信號(hào)線( (如如設(shè)備是否準(zhǔn)備就緒設(shè)備是否準(zhǔn)備就緒, ,是否向是否向CPUCPU發(fā)出中斷請(qǐng)求等發(fā)出中斷請(qǐng)求等

7、) .) . CPUCPU數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線地址線地址線命令線命令線I/OI/O接口接口數(shù)據(jù)端口數(shù)據(jù)端口狀態(tài)端口狀態(tài)端口控制端口控制端口數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線狀態(tài)信息狀態(tài)信息命令命令I(lǐng)/OI/O設(shè)備設(shè)備 設(shè)備識(shí)別設(shè)備識(shí)別控制邏輯電路控制邏輯電路狀態(tài)線狀態(tài)線圖圖7.1 7.1 接口與主機(jī)、外設(shè)間連接示意圖接口與主機(jī)、外設(shè)間連接示意圖 7.1.2 I/O7.1.2 I/O接口的基本功能接口的基本功能I/OI/O接口處于系統(tǒng)總線與外設(shè)之間接口處于系統(tǒng)總線與外設(shè)之間, ,主要功能包括：主要功能包括：1 1、數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換接口電路中必須具有實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換的功能接口電路中必須具有實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換

8、的功能. .例如例如, ,并并- -串轉(zhuǎn)換、串串轉(zhuǎn)換、串- -并轉(zhuǎn)換、模并轉(zhuǎn)換、模- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換 、數(shù)、數(shù)- -模轉(zhuǎn)換及二進(jìn)模轉(zhuǎn)換及二進(jìn)制數(shù)和制數(shù)和ASCIIASCII碼的相互轉(zhuǎn)換等碼的相互轉(zhuǎn)換等. . CPUCPU數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線地址線地址線命令線命令線I/OI/O接口接口數(shù)據(jù)端口數(shù)據(jù)端口狀態(tài)端口狀態(tài)端口控制端口控制端口數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線狀態(tài)信息狀態(tài)信息命令命令I(lǐng)/OI/O設(shè)備設(shè)備 設(shè)備識(shí)別設(shè)備識(shí)別控制邏輯電路控制邏輯電路狀態(tài)線狀態(tài)線2.2.尋址尋址 CPUCPU欲訪問的設(shè)備號(hào)通過地址線送至所有設(shè)備的接口欲訪問的設(shè)備號(hào)通過地址線送至所有設(shè)備的接口, ,每個(gè)接口均具有選址功能每個(gè)接口均具有選址功能,

9、 ,只有當(dāng)?shù)刂肪€上的設(shè)備號(hào)只有當(dāng)?shù)刂肪€上的設(shè)備號(hào)與本接口的設(shè)備號(hào)一致時(shí)與本接口的設(shè)備號(hào)一致時(shí), ,相應(yīng)的設(shè)備才能通過命令相應(yīng)的設(shè)備才能通過命令線、狀態(tài)線和線、狀態(tài)線和 數(shù)據(jù)線與主機(jī)交換信息數(shù)據(jù)線與主機(jī)交換信息. . CPUCPU數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線地址線地址線命令線命令線I/OI/O接口接口數(shù)據(jù)端口數(shù)據(jù)端口狀態(tài)端口狀態(tài)端口控制端口控制端口數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線狀態(tài)信息狀態(tài)信息命令命令I(lǐng)/OI/O設(shè)備設(shè)備 設(shè)備識(shí)別設(shè)備識(shí)別控制邏輯電路控制邏輯電路狀態(tài)線狀態(tài)線圖圖7.1 7.1 接口與主機(jī)、外設(shè)間連接示意圖接口與主機(jī)、外設(shè)間連接示意圖3.3.傳送主機(jī)指令傳送主機(jī)指令 只有被選中設(shè)備接口中的只有被選中設(shè)備接口中的“控

10、制端口控制端口”才能接才能接受和識(shí)別主機(jī)傳送來的命令受和識(shí)別主機(jī)傳送來的命令,并將命令傳送到并將命令傳送到設(shè)備設(shè)備. CPUCPU數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線地址線地址線命令線命令線I/OI/O接口接口數(shù)據(jù)端口數(shù)據(jù)端口狀態(tài)端口狀態(tài)端口控制端口控制端口數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線狀態(tài)信息狀態(tài)信息命令命令I(lǐng)/OI/O設(shè)備設(shè)備 設(shè)備識(shí)別設(shè)備識(shí)別控制邏輯電路控制邏輯電路狀態(tài)線狀態(tài)線圖圖7.1 7.1 接口與主機(jī)、外設(shè)間連接示意圖接口與主機(jī)、外設(shè)間連接示意圖4.4.傳送傳送數(shù)據(jù)及緩沖數(shù)據(jù)及緩沖 (1) (1) 接口中必須有數(shù)據(jù)通路接口中必須有數(shù)據(jù)通路, ,完成數(shù)據(jù)傳送完成數(shù)據(jù)傳送; ; (2) (2) 接口應(yīng)具有對(duì)數(shù)據(jù)信息傳送速度的緩

11、沖作接口應(yīng)具有對(duì)數(shù)據(jù)信息傳送速度的緩沖作用用, ,即能將數(shù)據(jù)暫存在即能將數(shù)據(jù)暫存在“數(shù)據(jù)端口數(shù)據(jù)端口”中中, ,以實(shí)現(xiàn)以實(shí)現(xiàn)速度上的匹配速度上的匹配. . CPUCPU數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線地址線地址線命令線命令線I/OI/O接口接口數(shù)據(jù)端口數(shù)據(jù)端口狀態(tài)端口狀態(tài)端口控制端口控制端口數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線狀態(tài)信息狀態(tài)信息命令命令I(lǐng)/OI/O設(shè)備設(shè)備 設(shè)備識(shí)別設(shè)備識(shí)別控制邏輯電路控制邏輯電路狀態(tài)線狀態(tài)線圖圖7.1 7.1 接口與主機(jī)、外設(shè)間連接示意圖接口與主機(jī)、外設(shè)間連接示意圖 5. 5. 反映設(shè)備工作狀態(tài)反映設(shè)備工作狀態(tài) 接口設(shè)置一些反映設(shè)備工作狀態(tài)的觸發(fā)器接口設(shè)置一些反映設(shè)備工作狀態(tài)的觸發(fā)器, ,以以便能隨時(shí)采集

12、并保存設(shè)備的工作狀態(tài)便能隨時(shí)采集并保存設(shè)備的工作狀態(tài)( (如如“忙忙”、“就緒就緒”、”、“錯(cuò)誤錯(cuò)誤”、“中斷中斷請(qǐng)求請(qǐng)求”等等), ),以備主機(jī)查詢以備主機(jī)查詢. . CPUCPU數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線地址線地址線命令線命令線I/OI/O接口接口數(shù)據(jù)端口數(shù)據(jù)端口狀態(tài)端口狀態(tài)端口控制端口控制端口數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線狀態(tài)信息狀態(tài)信息命令命令I(lǐng)/OI/O設(shè)備設(shè)備 設(shè)備識(shí)別設(shè)備識(shí)別控制邏輯電路控制邏輯電路狀態(tài)線狀態(tài)線圖圖7.1 7.1 接口與主機(jī)、外設(shè)間連接示意圖接口與主機(jī)、外設(shè)間連接示意圖 7.1.3 I/O7.1.3 I/O端口的編址方式端口的編址方式 1 1、存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址方式、存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址方式( (存儲(chǔ)器映

13、射方式存儲(chǔ)器映射方式Memory-Memory-mapping Address Codingmapping Address Coding) ) 將將I/OI/O端口看成是存儲(chǔ)空間的一個(gè)組成部分端口看成是存儲(chǔ)空間的一個(gè)組成部分, ,按照存按照存儲(chǔ)單元的編址方法統(tǒng)一編排地址號(hào)儲(chǔ)單元的編址方法統(tǒng)一編排地址號(hào), ,每個(gè)每個(gè)I/OI/O端口占用一端口占用一個(gè)地址。劃給外設(shè)的這部分區(qū)域不能配置存儲(chǔ)器芯片。個(gè)地址。劃給外設(shè)的這部分區(qū)域不能配置存儲(chǔ)器芯片。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): :訪存指令都能訪問訪存指令都能訪問I/OI/O端口，故不設(shè)置專門的端口，故不設(shè)置專門的輸入輸出指令；由于訪問存儲(chǔ)單元的指令有較多的尋址輸入輸出

14、指令；由于訪問存儲(chǔ)單元的指令有較多的尋址方式，所以方式，所以I/OI/O程序編制靈活。程序編制靈活。 缺點(diǎn)缺點(diǎn): :需占用小部分存儲(chǔ)器空間；機(jī)器語(yǔ)言或匯編需占用小部分存儲(chǔ)器空間；機(jī)器語(yǔ)言或匯編源程序中的源程序中的I/OI/O部分難以閱讀及修改。部分難以閱讀及修改。存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址方式示意圖見下圖：存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址方式示意圖見下圖：I/OI/O端口端口存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器圖圖7.2 7.2 存儲(chǔ)器映射的存儲(chǔ)器映射的I/OI/O設(shè)備編址方式設(shè)備編址方式2 2、I/OI/O端口單獨(dú)編址方式端口單獨(dú)編址方式(Isolated I/O Address Coding)(Isolated I/O Address Cod

15、ing) 存儲(chǔ)單元與存儲(chǔ)單元與I/OI/O接口寄存器的地址分別編址，各自有自接口寄存器的地址分別編址，各自有自己的譯碼部件，設(shè)計(jì)專門的己的譯碼部件，設(shè)計(jì)專門的I/OI/O指令去訪問端口。指令去訪問端口。 優(yōu)點(diǎn)：不占用存儲(chǔ)空間；優(yōu)點(diǎn)：不占用存儲(chǔ)空間；I/OI/O指令與存儲(chǔ)器指令有明顯指令與存儲(chǔ)器指令有明顯區(qū)別，程序結(jié)構(gòu)清晰，便于理解。區(qū)別，程序結(jié)構(gòu)清晰，便于理解。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：需專門的需專門的I/OI/O指令指令，其尋址方式較簡(jiǎn)單，指令功，其尋址方式較簡(jiǎn)單，指令功能較弱，編程靈活性稍差；能較弱，編程靈活性稍差；CPUCPU需要提供存儲(chǔ)器讀需要提供存儲(chǔ)器讀/ /寫、寫、I/OI/O設(shè)備讀設(shè)備讀/

16、/寫兩套控制信號(hào)寫兩套控制信號(hào)，增加了控制的復(fù)雜性。，增加了控制的復(fù)雜性。 例：例：I/OI/O的編址方式采用統(tǒng)一編址時(shí)的編址方式采用統(tǒng)一編址時(shí), ,存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)單元和和I/OI/O設(shè)備是靠設(shè)備是靠( ).( ). A. A. 不同的地址線不同的地址線 B.B.不同的地址碼不同的地址碼 C. C. 不同的控制線不同的控制線 例：例： I/OI/O采用統(tǒng)一編址時(shí)采用統(tǒng)一編址時(shí), ,進(jìn)行輸入輸出操作的進(jìn)行輸入輸出操作的指令是指令是( ).( ). A. A. 控制指令控制指令 B.B.訪存指令訪存指令 C. C. 輸入輸出指令輸入輸出指令 例：例： I/OI/O采用不統(tǒng)一編址時(shí)采用不統(tǒng)一編址時(shí),

17、, 進(jìn)行輸入輸出操作進(jìn)行輸入輸出操作的指令是的指令是( ).( ). A. A. 控制指令控制指令 B.B.訪存指令訪存指令 C. C. 輸入輸出指令輸入輸出指令 7.1.4 CPU7.1.4 CPU與外設(shè)之間數(shù)據(jù)傳送控制方式與外設(shè)之間數(shù)據(jù)傳送控制方式 I/OI/O系統(tǒng)主要是解決主機(jī)與外設(shè)間的數(shù)據(jù)交系統(tǒng)主要是解決主機(jī)與外設(shè)間的數(shù)據(jù)交換問題換問題, ,使外設(shè)與主機(jī)能協(xié)調(diào)一致地工作使外設(shè)與主機(jī)能協(xié)調(diào)一致地工作. .為減為減少處理機(jī)對(duì)外設(shè)的控制干預(yù)少處理機(jī)對(duì)外設(shè)的控制干預(yù), ,在計(jì)算機(jī)發(fā)展過程在計(jì)算機(jī)發(fā)展過程中人們先后采用了以下方法：中人們先后采用了以下方法： 1 1、由程序控制的數(shù)據(jù)傳送、由程序控

18、制的數(shù)據(jù)傳送 程序查詢方式程序查詢方式 程序中斷方式程序中斷方式 2 2、由專有硬件控制的數(shù)據(jù)傳送由專有硬件控制的數(shù)據(jù)傳送 DMADMA方式方式 通道方式通道方式 外圍處理機(jī)方式外圍處理機(jī)方式 第七章第七章 輸入輸入 輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng) 7.1 7.1 輸入輸出系統(tǒng)概述輸入輸出系統(tǒng)概述 7.3 7.3 程序中斷方式程序中斷方式 7.4 DMA 7.4 DMA方式方式 7.2 7.2 程序查詢方式程序查詢方式.1程序查詢方式程序查詢方式( (程序直接控制方式程序直接控制方式(Program Direct Control(Program Direct Control，PDC)PDC)

19、 )流程流程 由由CPUCPU執(zhí)行一段輸入輸出程序來控制實(shí)執(zhí)行一段輸入輸出程序來控制實(shí)現(xiàn)主機(jī)與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送現(xiàn)主機(jī)與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送. .一旦某外設(shè)被一旦某外設(shè)被選中并啟動(dòng)之后選中并啟動(dòng)之后, ,主機(jī)將查詢這個(gè)外設(shè)的某些主機(jī)將查詢這個(gè)外設(shè)的某些狀態(tài)位狀態(tài)位, ,看其是否準(zhǔn)備就緒看其是否準(zhǔn)備就緒? ?若外設(shè)未準(zhǔn)備就若外設(shè)未準(zhǔn)備就緒緒, ,主機(jī)將再次查詢主機(jī)將再次查詢; ;若準(zhǔn)備就緒若準(zhǔn)備就緒, ,則執(zhí)行一次則執(zhí)行一次I/OI/O操作操作. . 單個(gè)設(shè)備的單個(gè)設(shè)備的 查詢流程見下圖查詢流程見下圖. . 主程序主程序需要需要I/OI/O時(shí)時(shí)檢查狀態(tài)標(biāo)記檢查狀態(tài)標(biāo)記就緒否就緒否交換數(shù)據(jù)交換數(shù)據(jù)否

20、否是是繼續(xù)運(yùn)行繼續(xù)運(yùn)行圖圖7.3 7.3 單個(gè)單個(gè)I/OI/O設(shè)備的查詢流程設(shè)備的查詢流程為正確完成這種查詢?yōu)檎_完成這種查詢, ,通常執(zhí)行通常執(zhí)行如下如下3 3條指令條指令: : (1) (1)測(cè)試指令測(cè)試指令: :用來查詢用來查詢I/OI/O設(shè)設(shè)備是否準(zhǔn)備就緒備是否準(zhǔn)備就緒; ; (2) (2)傳送指令傳送指令: :當(dāng)當(dāng)I/OI/O設(shè)備已經(jīng)設(shè)備已經(jīng)準(zhǔn)備就緒時(shí)準(zhǔn)備就緒時(shí), ,執(zhí)行傳送指令執(zhí)行傳送指令; ; (3) (3)轉(zhuǎn)移指令轉(zhuǎn)移指令: :當(dāng)當(dāng)I/OI/O設(shè)備未準(zhǔn)設(shè)備未準(zhǔn)備就緒時(shí)備就緒時(shí), ,執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令, ,繼續(xù)測(cè)繼續(xù)測(cè)試試I/OI/O設(shè)備的狀態(tài)設(shè)備的狀態(tài). . (4) (4

21、) 數(shù)據(jù)輸入輸出要經(jīng)過數(shù)據(jù)輸入輸出要經(jīng)過CPUCPU控制控制,CPU,CPU與設(shè)備、與設(shè)備、設(shè)備與設(shè)備均不能實(shí)現(xiàn)并行工作設(shè)備與設(shè)備均不能實(shí)現(xiàn)并行工作; ; (5) (5) 用于連接低速外設(shè)用于連接低速外設(shè). .主程序主程序需要需要I/OI/O時(shí)時(shí)檢查狀態(tài)標(biāo)記檢查狀態(tài)標(biāo)記就緒否就緒否交換數(shù)據(jù)交換數(shù)據(jù)否否是是繼續(xù)運(yùn)行繼續(xù)運(yùn)行體會(huì)體會(huì)“程序程序直接直接控制控制”和和“程序程序查詢查詢方式方式”的名稱的名稱由來。由來。特點(diǎn)：特點(diǎn)： (1) (1)簡(jiǎn)單；簡(jiǎn)單；(2) I/O(2) I/O時(shí)間預(yù)知性；時(shí)間預(yù)知性；(3)(3)不能發(fā)現(xiàn)和處理預(yù)先無法不能發(fā)現(xiàn)和處理預(yù)先無法估計(jì)的錯(cuò)誤和異常情況；估計(jì)的錯(cuò)誤和異常

22、情況；圖圖7.3 7.3 單個(gè)單個(gè)I/OI/O設(shè)備的查詢流程設(shè)備的查詢流程7.2.2 7.2.2 程序查詢方式的接口電路程序查詢方式的接口電路數(shù)據(jù)端口數(shù)據(jù)端口設(shè)備選擇電路設(shè)備選擇電路地址線地址線&D DQQQQB B啟動(dòng)命令啟動(dòng)命令準(zhǔn)備就緒準(zhǔn)備就緒數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線輸入數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)啟動(dòng)設(shè)備啟動(dòng)設(shè)備設(shè)備工作設(shè)備工作結(jié)束結(jié)束圖圖7.4 7.4 程序查詢方式接口程序查詢方式接口電路電路( (輸入輸入) )的基本組成的基本組成 當(dāng)?shù)刂肪€上的設(shè)備號(hào)與本設(shè)備號(hào)相符時(shí)當(dāng)?shù)刂肪€上的設(shè)備號(hào)與本設(shè)備號(hào)相符時(shí),SEL,SEL有有效效, ,可以接收命令可以接收命令; ;數(shù)據(jù)端口用于存放數(shù)據(jù)端口用于存放 欲傳送的欲傳

23、送的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù);D;D是完成觸發(fā)器是完成觸發(fā)器,B,B是是 工作觸發(fā)器工作觸發(fā)器. . 以輸入設(shè)備以輸入設(shè)備 為例為例, ,接口工作如下接口工作如下: : CPUCPU通過通過I/OI/O指令啟動(dòng)輸入設(shè)備時(shí)指令啟動(dòng)輸入設(shè)備時(shí), ,指令的設(shè)指令的設(shè)備碼字段通過地址線備碼字段通過地址線 送至送至 設(shè)備設(shè)備 選擇電路選擇電路; ; 若該接口地址碼與地址線上的地址碼吻合若該接口地址碼與地址線上的地址碼吻合,其輸出其輸出SELSEL有效有效; ; I/OI/O指令的啟動(dòng)命令經(jīng)過指令的啟動(dòng)命令經(jīng)過“與非與非”門將門將B B置置“1”,1”,將將D D置置“0”0”； 由由B B觸發(fā)器啟動(dòng)設(shè)備觸發(fā)器啟動(dòng)設(shè)備

24、工作工作; ; 輸入設(shè)備將數(shù)據(jù)送至輸入設(shè)備將數(shù)據(jù)送至 數(shù)據(jù)端口數(shù)據(jù)端口; 由設(shè)備發(fā)設(shè)備工作結(jié)束信號(hào)由設(shè)備發(fā)設(shè)備工作結(jié)束信號(hào), ,置置D D為為“1”;B1”;B為為“0”,0”,表示外設(shè)準(zhǔn)備就緒表示外設(shè)準(zhǔn)備就緒; ; D D觸發(fā)器以觸發(fā)器以“準(zhǔn)備就緒準(zhǔn)備就緒”狀態(tài)通知狀態(tài)通知CPU,CPU,表表示示“數(shù)據(jù)緩沖滿數(shù)據(jù)緩沖滿”； CPU CPU執(zhí)行輸入指令執(zhí)行輸入指令, ,將數(shù)據(jù)端口中的數(shù)據(jù)送將數(shù)據(jù)端口中的數(shù)據(jù)送至至CPUCPU的通用寄存器，再存入主存單元的通用寄存器，再存入主存單元. .例例: :在程序查詢的在程序查詢的I/OI/O系統(tǒng)中系統(tǒng)中, ,有三個(gè)不同的外設(shè)有三個(gè)不同的外設(shè). .假定一個(gè)

25、查詢操作需要假定一個(gè)查詢操作需要5050個(gè)時(shí)鐘周期個(gè)時(shí)鐘周期,CPU,CPU的的時(shí)鐘頻率為時(shí)鐘頻率為10MHz.10MHz.求求CPUCPU在以下三種情況下在以下三種情況下為為I/OI/O查詢所花費(fèi)的時(shí)間比率查詢所花費(fèi)的時(shí)間比率( (百分比百分比), ),假定必假定必須進(jìn)行足夠的查詢以免丟失數(shù)據(jù)并假定不考須進(jìn)行足夠的查詢以免丟失數(shù)據(jù)并假定不考慮各設(shè)備的相互等待即分別計(jì)算慮各設(shè)備的相互等待即分別計(jì)算. .(1)(1)對(duì)對(duì)終端終端每秒進(jìn)行每秒進(jìn)行3030次查詢次查詢. .解解: : 每秒花在終端查詢上的時(shí)鐘周期數(shù)為每秒花在終端查詢上的時(shí)鐘周期數(shù)為 30 30 50=150050=1500； 根據(jù)根

26、據(jù)CPUCPU的時(shí)鐘頻率為的時(shí)鐘頻率為10MHz,10MHz,即每秒即每秒101010106 6個(gè)時(shí)鐘周期個(gè)時(shí)鐘周期, ,占用占用CPUCPU時(shí)間比率為時(shí)間比率為 1500/10M=0.015%1500/10M=0.015% 結(jié)論結(jié)論 終端查詢基本不影響終端查詢基本不影響CPUCPU性能性能. .(2)CPU(2)CPU向向打印機(jī)打印機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸按字節(jié)進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸按字節(jié)進(jìn)行, ,即每即每1 1個(gè)字節(jié)被個(gè)字節(jié)被CPUCPU查詢一次查詢一次, ,數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸率為率為10KB/s.10KB/s.解：解： 每秒查詢次數(shù)為每秒查詢次數(shù)為10KB/1B=10K10KB/1B=10K次；次； 查詢所需

27、時(shí)鐘數(shù)為查詢所需時(shí)鐘數(shù)為 10K 10K 50=500K 50=500K 占用占用CPUCPU的時(shí)間比率為的時(shí)間比率為 500K/10M=500 500K/10M=500 1024/10 1024/107 7=5.12%=5.12% 結(jié)論結(jié)論 打印機(jī)的打印機(jī)的查詢開銷查詢開銷大于終端大于終端, ,尚可承受尚可承受. .(3)(3)硬盤硬盤傳輸數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位傳輸數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位, ,即每即每1 1個(gè)字個(gè)字節(jié)被節(jié)被CPUCPU查詢一次傳輸率為查詢一次傳輸率為200KB/s.200KB/s.解解: : 每秒查詢次數(shù)為每秒查詢次數(shù)為200K200K； 查詢所用時(shí)鐘周期數(shù)為查詢所用時(shí)鐘周期數(shù)為 200

28、K 200K 50=10000K 50=10000K次次 占用占用CPUCPU的時(shí)間比率為的時(shí)間比率為 10000 10000 1024/10 1024/107 7=102.4%=102.4% 結(jié)論結(jié)論 即使即使CPUCPU將全部時(shí)間用于對(duì)硬盤查詢也將全部時(shí)間用于對(duì)硬盤查詢也不能滿足硬盤傳輸?shù)囊蟛荒軡M足硬盤傳輸?shù)囊? ,即程序查詢方即程序查詢方式只適合與低速外設(shè)式只適合與低速外設(shè). .第七章第七章 輸入輸入 輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng) 7.1 7.1 輸入輸出系統(tǒng)概述輸入輸出系統(tǒng)概述 7.3 7.3 程序中斷方式程序中斷方式 7.4 DMA 7.4 DMA方式方式 7.2 7.2 程序查詢方式程序查

29、詢方式 7.3 7.3 程序中斷方式程序中斷方式 中斷：中斷：在接到隨機(jī)請(qǐng)求后在接到隨機(jī)請(qǐng)求后,CPU,CPU暫停暫停執(zhí)行原來的程序執(zhí)行原來的程序, ,轉(zhuǎn)去執(zhí)行更加緊迫事轉(zhuǎn)去執(zhí)行更加緊迫事件的中斷服務(wù)程序件的中斷服務(wù)程序, ,待處理完畢后待處理完畢后CPUCPU恢復(fù)原程序的繼續(xù)執(zhí)行恢復(fù)原程序的繼續(xù)執(zhí)行, ,這個(gè)過程稱為這個(gè)過程稱為中斷中斷. . 中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng): :在計(jì)算機(jī)內(nèi)部自動(dòng)處理中在計(jì)算機(jī)內(nèi)部自動(dòng)處理中斷的系統(tǒng)稱為中斷系統(tǒng)斷的系統(tǒng)稱為中斷系統(tǒng),含軟件和硬件含軟件和硬件兩個(gè)方面兩個(gè)方面. 中斷技術(shù)中斷技術(shù):實(shí)現(xiàn)此功能所需的軟硬件實(shí)現(xiàn)此功能所需的軟硬件技術(shù)技術(shù). 7.3.1 7.3.1 中

30、斷的基本概念中斷的基本概念一、程序中斷方式的基本思路一、程序中斷方式的基本思路 依賴中斷系統(tǒng)依賴中斷系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中引入中斷功能后計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中引入中斷功能后, ,各部件并行工作各部件并行工作成為可能成為可能, ,其中包括其中包括CPUCPU與外設(shè)并行及外設(shè)與外設(shè)與外設(shè)并行及外設(shè)與外設(shè)并行并行. . CPU CPU變變主動(dòng)查詢主動(dòng)查詢?yōu)闉楸粍?dòng)響應(yīng)被動(dòng)響應(yīng) 在外設(shè)準(zhǔn)備的時(shí)間里在外設(shè)準(zhǔn)備的時(shí)間里,CPU,CPU執(zhí)行現(xiàn)行程序；執(zhí)行現(xiàn)行程序； 直到外設(shè)準(zhǔn)備好直到外設(shè)準(zhǔn)備好, ,發(fā)出中斷請(qǐng)求；發(fā)出中斷請(qǐng)求； CPUCPU響應(yīng)后響應(yīng)后中斷現(xiàn)行程序中斷現(xiàn)行程序轉(zhuǎn)而執(zhí)行與外設(shè)交換數(shù)轉(zhuǎn)而執(zhí)行與外設(shè)交換數(shù)據(jù)的中斷

31、服務(wù)程序；據(jù)的中斷服務(wù)程序； 之后再回到原來程序運(yùn)行之后再回到原來程序運(yùn)行. .中斷方式原理示意如圖中斷方式原理示意如圖7.47.4所示：所示：主程序主程序( (需要需要I/OI/O時(shí)時(shí)) )啟動(dòng)外設(shè)啟動(dòng)外設(shè)中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序在其中完成在其中完成I/OI/OCPUCPU與外設(shè)并行與外設(shè)并行圖圖7.5 7.5 程序中斷方式示意圖程序中斷方式示意圖理解中斷時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)問題理解中斷時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)問題:(1):(1)中中斷過程實(shí)質(zhì)上是一種程序切換過程斷過程實(shí)質(zhì)上是一種程序切換過程, ,必必須處理好保存舊現(xiàn)場(chǎng)、建立新現(xiàn)場(chǎng)的須處理好保存舊現(xiàn)場(chǎng)、建立新現(xiàn)場(chǎng)的問題問題;(2);(2)中斷具有隨機(jī)性

32、中斷具有隨機(jī)性, ,故必須及時(shí)故必須及時(shí)檢測(cè)中斷請(qǐng)求信號(hào)檢測(cè)中斷請(qǐng)求信號(hào), ,以便能夠及時(shí)處理以便能夠及時(shí)處理中斷中斷;(3);(3)中斷不具備重復(fù)性中斷不具備重復(fù)性;(4) ;(4) 程序中程序中斷與調(diào)用子程序的異同斷與調(diào)用子程序的異同. .例：設(shè)某外設(shè)向例：設(shè)某外設(shè)向CPUCPU傳送信息的最高頻率為傳送信息的最高頻率為40K40K次次/ /秒秒, ,而相應(yīng)中斷處理程序的執(zhí)行時(shí)間而相應(yīng)中斷處理程序的執(zhí)行時(shí)間為為40S.40S.問該外設(shè)可否采用中斷方式工作問該外設(shè)可否采用中斷方式工作? ?為為什么什么? ?解：解：該外設(shè)傳送一個(gè)數(shù)據(jù)的時(shí)間為該外設(shè)傳送一個(gè)數(shù)據(jù)的時(shí)間為1/40=25S1/40=2

33、5S，即，即請(qǐng)求中斷的周期為請(qǐng)求中斷的周期為25S25S，25S40S,25S40S,會(huì)丟會(huì)丟失數(shù)據(jù)失數(shù)據(jù), ,所以該設(shè)備不能采用中斷方式工作所以該設(shè)備不能采用中斷方式工作. .結(jié)論：程序中斷方式一般用于連接低速設(shè)備結(jié)論：程序中斷方式一般用于連接低速設(shè)備. . 7.3.1 7.3.1 中斷的基本概念中斷的基本概念二、中斷系統(tǒng)的作用二、中斷系統(tǒng)的作用1 1、使、使CPUCPU與與I/OI/O設(shè)備并行工作設(shè)備并行工作 下圖為由打印機(jī)引起的下圖為由打印機(jī)引起的I/OI/O中斷時(shí)中斷時(shí),CPU,CPU與打印機(jī)并行與打印機(jī)并行工作的時(shí)間示意圖工作的時(shí)間示意圖. .CPUCPU執(zhí)行主程序執(zhí)行主程序啟動(dòng)啟動(dòng)

34、打印機(jī)打印機(jī)繼續(xù)執(zhí)行繼續(xù)執(zhí)行主程序主程序響應(yīng)中斷響應(yīng)中斷傳輸傳輸數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)響應(yīng)返回響應(yīng)返回繼續(xù)執(zhí)行繼續(xù)執(zhí)行主程序主程序響應(yīng)中斷響應(yīng)中斷傳輸傳輸數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)響應(yīng)返回響應(yīng)返回打印機(jī)打印機(jī)空閑空閑準(zhǔn)備準(zhǔn)備發(fā)中斷請(qǐng)求發(fā)中斷請(qǐng)求發(fā)中斷請(qǐng)求發(fā)中斷請(qǐng)求接收接收數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)打印打印接收接收數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)打印打印圖圖7.6CPU7.6CPU與打印機(jī)與打印機(jī)并行工作并行工作的時(shí)間示的時(shí)間示意圖意圖二、中斷系統(tǒng)的作用二、中斷系統(tǒng)的作用2 2、使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)擁有應(yīng)急能力、使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)擁有應(yīng)急能力 如計(jì)算機(jī)運(yùn)行中出現(xiàn)突然掉電如計(jì)算機(jī)運(yùn)行中出現(xiàn)突然掉電, ,需利用中斷技術(shù)立即需利用中斷技術(shù)立即啟動(dòng)另一備份電源啟動(dòng)另一備份電源, ,并迅速進(jìn)

35、行一些必要處理并迅速進(jìn)行一些必要處理. .3 3、便于進(jìn)行人、便于進(jìn)行人機(jī)聯(lián)系機(jī)聯(lián)系 如人們?cè)跈C(jī)器運(yùn)行過程中想隨機(jī)抽查計(jì)算的中間結(jié)果如人們?cè)跈C(jī)器運(yùn)行過程中想隨機(jī)抽查計(jì)算的中間結(jié)果. .4 4、使多道程序處理成為可能、使多道程序處理成為可能 如計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)多道程序運(yùn)行時(shí)如計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)多道程序運(yùn)行時(shí), ,可通過分配給每道程可通過分配給每道程序一個(gè)固定時(shí)間片序一個(gè)固定時(shí)間片, ,利用時(shí)鐘定時(shí)發(fā)中斷進(jìn)行程序切換利用時(shí)鐘定時(shí)發(fā)中斷進(jìn)行程序切換. .5 5、實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制、實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制 要求要求CPUCPU即時(shí)響應(yīng)外來信號(hào)的請(qǐng)求即時(shí)響應(yīng)外來信號(hào)的請(qǐng)求, ,并能完成相應(yīng)操并能完成相應(yīng)操作作. .三、基本概念三、基

36、本概念1 1、中斷源、中斷源: :凡能向凡能向CPUCPU提出中斷請(qǐng)求的各種因素提出中斷請(qǐng)求的各種因素. . 如人為設(shè)置的中斷如人為設(shè)置的中斷( (自愿中斷自愿中斷), ),程序性事故程序性事故( (定點(diǎn)溢出、定點(diǎn)溢出、非法除法等非法除法等), ),硬件故障硬件故障( (電源掉電、磁表面損壞等電源掉電、磁表面損壞等) )、I/OI/O設(shè)備、外部事件設(shè)備、外部事件( (用戶通過鍵盤中斷現(xiàn)行程序用戶通過鍵盤中斷現(xiàn)行程序) )2 2、內(nèi)中斷與外中斷、內(nèi)中斷與外中斷 內(nèi)中斷：內(nèi)中斷：CPUCPU內(nèi)部硬件或軟件原因引起的中斷內(nèi)部硬件或軟件原因引起的中斷, ,分為強(qiáng)迫中斷和自愿中斷分為強(qiáng)迫中斷和自愿中斷.

37、 .自愿中斷自愿中斷( (程序自中斷程序自中斷): ):計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為方便用戶調(diào)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為方便用戶調(diào)試軟件試軟件, , 在程序中安排了相關(guān)指令在程序中安排了相關(guān)指令, ,這些指令可以使這些指令可以使機(jī)器進(jìn)入中斷處理的過程機(jī)器進(jìn)入中斷處理的過程, ,如如:80X86:80X86指令系統(tǒng)中的指令系統(tǒng)中的軟中斷指令軟中斷指令I(lǐng)NT n.INT n.非隨機(jī)的非隨機(jī)的. .強(qiáng)迫中斷強(qiáng)迫中斷: :隨機(jī)隨機(jī)產(chǎn)生的待處理緊急事件所引起的中產(chǎn)生的待處理緊急事件所引起的中斷斷. .分為硬件故障和軟件中斷分為硬件故障和軟件中斷( (如溢出等如溢出等). ).四、基本概念四、基本概念2 2、內(nèi)中斷與外中斷、內(nèi)中斷與外

38、中斷 外中斷：外中斷：CPUCPU以外的以外的部件引起的中斷部件引起的中斷, ,均為強(qiáng)均為強(qiáng)迫中斷迫中斷. . 分為不可屏蔽中斷和可屏蔽中斷分為不可屏蔽中斷和可屏蔽中斷. . 不可屏蔽中斷不可屏蔽中斷: :用于應(yīng)急處理用于應(yīng)急處理, ,如掉電、主存如掉電、主存讀寫校驗(yàn)錯(cuò)等讀寫校驗(yàn)錯(cuò)等, ,優(yōu)先級(jí)別高優(yōu)先級(jí)別高. . 可屏蔽中斷可屏蔽中斷: :用于一般用于一般I/OI/O設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送, ,優(yōu)先級(jí)別較低優(yōu)先級(jí)別較低. . 例例: :下列選項(xiàng)中下列選項(xiàng)中, ,能引起外部中斷的事件是能引起外部中斷的事件是( ).( ). A. A.鍵盤輸入鍵盤輸入 B.B.除數(shù)為除數(shù)為0 0 C. C.浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算下溢浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算下溢 D.D.訪存缺頁(yè)訪存缺頁(yè)3 3、向量中斷與非向量中斷、向量中斷與非向量中斷 中斷向量中斷向量(Interrupt Vector)(Interrupt Vector) 中斷過程是由一個(gè)程序切換到另一個(gè)程序的過中斷過程是由一個(gè)程序切換到另一個(gè)程序的過程程, ,切換的實(shí)質(zhì)是舊切換的實(shí)質(zhì)是舊PC(PC(內(nèi)容內(nèi)容) )與與PSWPSW的保護(hù)及新的保護(hù)及新PCPC與與PSWPSW的裝入的裝入. .某中斷服務(wù)程序的某中斷服務(wù)程序的( (新的新的)PC)PC和和PSWPSW共稱共稱為該中斷的中斷向量為該中斷的中斷向量