第八章計(jì)算機(jī)組成原理輸入輸出系統(tǒng)

1、第第1頁頁第八章 輸入/輸出系統(tǒng)本章要求：本章要求：1. 1. 了解了解I/OI/O系統(tǒng)的一些基本概念；系統(tǒng)的一些基本概念；2 2 中斷方式處理過程；中斷方式處理過程；3 3 DMADMA方式及通道方式基本概念。方式及通道方式基本概念。第第2頁頁第八章第八章 輸入輸入/ /輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 輸入輸出（輸入輸出（I/O）系統(tǒng)包括輸入輸出設(shè)備、設(shè)備控制器及）系統(tǒng)包括輸入輸出設(shè)備、設(shè)備控制器及與輸入輸出操作有關(guān)的軟硬件。與輸入輸出操作有關(guān)的軟硬件。 輸入輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞會(huì)直接影響計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輸入輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞會(huì)直接影響計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能，不僅影響輸入輸出速度，

2、各用戶從程序送入到運(yùn)算結(jié)性能，不僅影響輸入輸出速度，各用戶從程序送入到運(yùn)算結(jié)果輸出的時(shí)間，果輸出的時(shí)間，CPU、主存的利用率，還會(huì)影響到整個(gè)、主存的利用率，還會(huì)影響到整個(gè)I/O系系統(tǒng)的兼容性、可擴(kuò)展性、綜合處理能力和性能價(jià)格比等。統(tǒng)的兼容性、可擴(kuò)展性、綜合處理能力和性能價(jià)格比等。 輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了四個(gè)階段，即程序控制輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了四個(gè)階段，即程序控制I/O方方式（包括程序查詢方式、程序中斷方式）、直接存儲(chǔ)器訪問式（包括程序查詢方式、程序中斷方式）、直接存儲(chǔ)器訪問（DMA）及通道方式。它們可以分別作用于不同的計(jì)算機(jī)系）及通道方式。它們可以分別作用于不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，也可用于同一

3、系統(tǒng)。統(tǒng)，也可用于同一系統(tǒng)。 8.1 輸入輸出系統(tǒng)概念輸入輸出系統(tǒng)概念第第3頁頁第八章第八章 輸入輸入/ /輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理接口的概念接口的概念 接口是處理器CPU與“外部世界”的連接電路，是CPU與外界進(jìn)行信息交換的中轉(zhuǎn)站。所謂的外部世界是指除CPU本身以外的所有設(shè)備或電路，包括存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備、控制設(shè)備、測量設(shè)備、通訊設(shè)備、多媒體設(shè)備等。 一個(gè)能夠?qū)嶋H運(yùn)行的接口，應(yīng)由硬件和軟件兩部分組成。從使用角度來看，接口的硬件部分應(yīng)包括有： 基本邏輯電路基本邏輯電路 端口地址譯碼電路端口地址譯碼電路 供選電路供選電路第第4頁頁第八章第八章 輸入輸入/ /輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)計(jì)

4、算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理為什么要在為什么要在CPU與外設(shè)之間設(shè)置接口電路？與外設(shè)之間設(shè)置接口電路？ 有幾個(gè)方面的原因：有幾個(gè)方面的原因： 一是一是CPU與外設(shè)兩者的信號(hào)線不兼容，在信號(hào)線功能與外設(shè)兩者的信號(hào)線不兼容，在信號(hào)線功能定義、邏輯定義和時(shí)序關(guān)系上都不一致；定義、邏輯定義和時(shí)序關(guān)系上都不一致； 二是兩者的工作速度不一致，一般來說，二是兩者的工作速度不一致，一般來說，CPU速度高，速度高，而不同外設(shè)速度有高有低，差異很大；而不同外設(shè)速度有高有低，差異很大； 三是若不通過接口，而由三是若不通過接口，而由CPU直接對外設(shè)的操作實(shí)施直接對外設(shè)的操作實(shí)施控制，就會(huì)使控制，就會(huì)使CPU疲于與外設(shè)打

5、交道之中，大大降低疲于與外設(shè)打交道之中，大大降低CPU的效率；的效率； 四是若外部設(shè)備直接由四是若外部設(shè)備直接由CPU控制，也使外設(shè)的硬件結(jié)控制，也使外設(shè)的硬件結(jié)構(gòu)依賴于構(gòu)依賴于CPU，對外設(shè)發(fā)展不利。，對外設(shè)發(fā)展不利。 第第5頁頁第八章第八章 輸入輸入/ /輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 （1）對傳送數(shù)據(jù)提供緩沖、隔離和寄存）對傳送數(shù)據(jù)提供緩沖、隔離和寄存 由于由于I/O設(shè)備與設(shè)備與CPU的定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)不同，數(shù)據(jù)處理速度也不同，所以需的定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)不同，數(shù)據(jù)處理速度也不同，所以需要對傳送數(shù)據(jù)提供緩沖、隔離和寄存（或鎖存）。要對傳送數(shù)據(jù)提供緩沖、隔離和寄存（或鎖存）。 （2）對信號(hào)的形式

6、和數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換）對信號(hào)的形式和數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換 計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)與I/O設(shè)備所用的信號(hào)的形式和數(shù)據(jù)的格式可能不同，設(shè)備所用的信號(hào)的形式和數(shù)據(jù)的格式可能不同，I/O接接口應(yīng)能進(jìn)行相互之間的轉(zhuǎn)換?？趹?yīng)能進(jìn)行相互之間的轉(zhuǎn)換。 （3）對）對I/O端口進(jìn)行尋址端口進(jìn)行尋址 I/O接口實(shí)際上都會(huì)包含若干個(gè)接口實(shí)際上都會(huì)包含若干個(gè)I/O端口。從編程的角度，和端口。從編程的角度，和I/O設(shè)備設(shè)備打交道實(shí)際是和打交道實(shí)際是和I/O端口打交道。每一個(gè)端口打交道。每一個(gè)I/O端口有一個(gè)編號(hào)，稱為端口有一個(gè)編號(hào)，稱為端口地端口地址址，簡稱口地址。，簡稱口地址。 （4）與）與CPU和和I/O設(shè)備進(jìn)行聯(lián)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行聯(lián)

7、絡(luò) I/O接口處于接口處于CPU和和I/O設(shè)備的中間，在傳送數(shù)據(jù)時(shí)，經(jīng)常要在兩個(gè)設(shè)備的中間，在傳送數(shù)據(jù)時(shí)，經(jīng)常要在兩個(gè)方向上進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，即接口電路既要面向方向上進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，即接口電路既要面向CPU進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，又要面向進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，又要面向I/O設(shè)備設(shè)備進(jìn)行聯(lián)絡(luò)。進(jìn)行聯(lián)絡(luò)。 I/O接口的功能接口的功能第第6頁頁第八章第八章 輸入輸入/ /輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 端口有二種編址方式： 統(tǒng)一編址統(tǒng)一編址 端口地址和存儲(chǔ)器地址統(tǒng)一編址。在這種編址方式中，I/O端口和內(nèi)存單元統(tǒng)一編址，即把I/O端口當(dāng)作內(nèi)存單元對待，從整個(gè)內(nèi)存空間中劃出一個(gè)子空間給I/O端口，每一個(gè)I/O端口分配一個(gè)地址碼，

8、用訪問存儲(chǔ)器的指令對I/O端口進(jìn)行操作。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：I/O端口的數(shù)目幾乎不受限制；訪問內(nèi)存指令均適用于I/O端口，對I/O端口的數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：程序中I/O操作不清晰，難以區(qū)分程序中的I/O操作和存儲(chǔ)器操作；I/O端口占用了一部分內(nèi)存空間；I/O端口地址譯碼電路較復(fù)雜。 獨(dú)立編址獨(dú)立編址 I/O端口編址和存儲(chǔ)器的編址相互獨(dú)立，即I/O端口地址空間和存儲(chǔ)器地址空間分開設(shè)置，互不影響。該方式下，只能使用輸入輸出指令。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：不占用內(nèi)存空間；使用I/O指令，程序清晰，很容易看出是I/O操作還是存儲(chǔ)器操作；譯碼電路比較簡單。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：只能用專門的I/O指令，訪問端口的方法不如存儲(chǔ)器的

9、方法多。端口地址編址方式端口地址編址方式第第7頁頁第八章第八章 輸入輸入/ /輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理I/O設(shè)備數(shù)據(jù)傳送控制方式設(shè)備數(shù)據(jù)傳送控制方式 1. 程序查詢方式程序查詢方式 程序查詢方式是早期計(jì)算機(jī)中使用的一種方式。其過程是由CPU不斷查詢I/O設(shè)備是否已做好準(zhǔn)備，從而控制I/O設(shè)備與主機(jī)交換信息。采用這種方式實(shí)現(xiàn)主機(jī)和I/O設(shè)備交換信息，要求I/O設(shè)備接口內(nèi)設(shè)置一個(gè)能反映設(shè)備是否準(zhǔn)備就緒的狀態(tài)標(biāo)記，CPU通過對此標(biāo)記的檢測，可得知設(shè)備的準(zhǔn)備情況。 數(shù)據(jù)在CPU和外圍設(shè)備之間的傳送完全靠計(jì)算機(jī)程序控制，查詢方式的優(yōu)點(diǎn)是CPU的操作和外圍設(shè)備的操作能夠同步，而且硬件結(jié)

10、構(gòu)比較簡單，易于實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)是CPU效率低，因?yàn)橥鈬O(shè)備動(dòng)作很慢，程序進(jìn)入查詢循環(huán)時(shí)將占用CPU時(shí)間，CPU此時(shí)只能等待，不能處理其它業(yè)務(wù)，CPU利用率低。即使CPU采用定期地由主程序轉(zhuǎn)向查詢設(shè)備狀態(tài)的子程序進(jìn)行掃描輪詢的辦法，CPU寶貴資源的浪費(fèi)也是可觀的。因此，這種方式適合于在CPU不太忙且傳輸速度不高的情況下采用，當(dāng)前除單片機(jī)外，很少使用程序查詢方式。 第第8頁頁第八章第八章 輸入輸入/ /輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理第第9頁頁第八章第八章 輸入輸入/ /輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 2. 程序中斷方式程序中斷方式 中斷是外圍設(shè)備用來中斷是外圍設(shè)備用來“主動(dòng)

11、主動(dòng)”通知通知CPU，準(zhǔn)備送出輸入數(shù)據(jù)或接收，準(zhǔn)備送出輸入數(shù)據(jù)或接收輸出數(shù)據(jù)的一種方法。輸出數(shù)據(jù)的一種方法。 通常，當(dāng)一個(gè)中斷發(fā)生時(shí)，通常，當(dāng)一個(gè)中斷發(fā)生時(shí)，CPU暫停它的現(xiàn)行程序，而轉(zhuǎn)向中斷處暫停它的現(xiàn)行程序，而轉(zhuǎn)向中斷處理程序，從而可以輸入或輸出一個(gè)數(shù)據(jù)。當(dāng)中斷處理完畢后，理程序，從而可以輸入或輸出一個(gè)數(shù)據(jù)。當(dāng)中斷處理完畢后，CPU又返又返回到它原來的任務(wù)，并從它停止的地方開始執(zhí)行程序。這種方式下，若回到它原來的任務(wù)，并從它停止的地方開始執(zhí)行程序。這種方式下，若無外設(shè)提出請求，無外設(shè)提出請求，CPU一直在處理原來的任務(wù)?？梢钥闯?，它節(jié)省了一直在處理原來的任務(wù)?？梢钥闯?，它節(jié)省了CPU寶貴的

12、時(shí)間，是管理寶貴的時(shí)間，是管理I/O操作的一個(gè)比較有效的方法。程序中斷方式操作的一個(gè)比較有效的方法。程序中斷方式一般適用于隨機(jī)出現(xiàn)的服務(wù)，并且一旦提出要求，應(yīng)立即進(jìn)行（按優(yōu)先一般適用于隨機(jī)出現(xiàn)的服務(wù)，并且一旦提出要求，應(yīng)立即進(jìn)行（按優(yōu)先級(jí)次序）。同程序查詢方式相比，硬件結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜一些，服務(wù)開銷時(shí)級(jí)次序）。同程序查詢方式相比，硬件結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜一些，服務(wù)開銷時(shí)間較大。間較大。 第第10頁頁第八章第八章 輸入輸入/ /輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理3. 直接存儲(chǔ)器訪問方式（直接存儲(chǔ)器訪問方式（DMA） 程序中斷方式和程序查詢方式有一個(gè)共同點(diǎn)，即數(shù)據(jù)傳送都是通程序中斷方式和程序查詢方式

13、有一個(gè)共同點(diǎn)，即數(shù)據(jù)傳送都是通過過CPU執(zhí)行指令來完成的，而執(zhí)行指令來完成的，而CPU指令系統(tǒng)只支持指令系統(tǒng)只支持CPU（寄存器）和（寄存器）和存儲(chǔ)器外設(shè)間的數(shù)據(jù)傳送。所以，如果外設(shè)要和存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交存儲(chǔ)器外設(shè)間的數(shù)據(jù)傳送。所以，如果外設(shè)要和存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，也必須經(jīng)過換，也必須經(jīng)過CPU寄存器中轉(zhuǎn)，顯然，中轉(zhuǎn)浪費(fèi)了時(shí)間。寄存器中轉(zhuǎn)，顯然，中轉(zhuǎn)浪費(fèi)了時(shí)間。 由此設(shè)想，如果在外設(shè)和存儲(chǔ)器之間能開辟一個(gè)直接數(shù)據(jù)通道，由此設(shè)想，如果在外設(shè)和存儲(chǔ)器之間能開辟一個(gè)直接數(shù)據(jù)通道，數(shù)據(jù)傳送由另外的硬件來控制，那么既加快了傳送速度又減輕了數(shù)據(jù)傳送由另外的硬件來控制，那么既加快了傳送速度又減輕了CPU對對I

14、/O的負(fù)擔(dān)。的負(fù)擔(dān)。DMA傳送方式正是受了這個(gè)啟發(fā)而提出的。傳送方式正是受了這個(gè)啟發(fā)而提出的。 DMA方式的工作特點(diǎn)是，當(dāng)需要進(jìn)行方式的工作特點(diǎn)是，當(dāng)需要進(jìn)行DMA傳送時(shí)，傳送時(shí)，DMAC（DMA控制器）向控制器）向CPU提出總線使用請求，獲得提出總線使用請求，獲得CPU響應(yīng)后，響應(yīng)后，DMAC控制總線，外設(shè)和存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳送在控制總線，外設(shè)和存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳送在DMAC的控制下完成，此的控制下完成，此時(shí)，時(shí)，CPU處于空閑狀態(tài)。當(dāng)然，處于空閑狀態(tài)。當(dāng)然，DMA傳送方式的提出還有一個(gè)更直接傳送方式的提出還有一個(gè)更直接的原因，即中斷傳送方式和程序查詢方式從速度上滿足不了磁盤、磁的原因，即中

15、斷傳送方式和程序查詢方式從速度上滿足不了磁盤、磁帶等高速外設(shè)與存儲(chǔ)器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的需要。這些設(shè)備的數(shù)據(jù)傳帶等高速外設(shè)與存儲(chǔ)器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的需要。這些設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送有兩大特點(diǎn)：一是傳送速率高；二是成批傳送，即把設(shè)備的一批數(shù)送有兩大特點(diǎn)：一是傳送速率高；二是成批傳送，即把設(shè)備的一批數(shù)據(jù)傳到一個(gè)內(nèi)存區(qū)，或?qū)⒁粋€(gè)內(nèi)存區(qū)的全部數(shù)據(jù)傳送給設(shè)備，所以在據(jù)傳到一個(gè)內(nèi)存區(qū)，或?qū)⒁粋€(gè)內(nèi)存區(qū)的全部數(shù)據(jù)傳送給設(shè)備，所以在數(shù)據(jù)傳送的同時(shí)還伴隨著內(nèi)存指針的修改、傳送數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)的統(tǒng)計(jì)以及數(shù)據(jù)傳送的同時(shí)還伴隨著內(nèi)存指針的修改、傳送數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)的統(tǒng)計(jì)以及傳送結(jié)束的判斷等。傳送結(jié)束的判斷等。 第第11頁頁第八章第八章 輸入輸入

16、/ /輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 4. 通道方式通道方式通道是一個(gè)具有特殊功能的處理器，某些應(yīng)用中稱為輸入輸出處理通道是一個(gè)具有特殊功能的處理器，某些應(yīng)用中稱為輸入輸出處理器（器（IOP），它可以實(shí)現(xiàn)對外圍設(shè)備的統(tǒng)一管理和外圍設(shè)備與內(nèi)存之間的），它可以實(shí)現(xiàn)對外圍設(shè)備的統(tǒng)一管理和外圍設(shè)備與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳送。數(shù)據(jù)傳送。第第12頁頁第八章第八章 輸入輸入/ /輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理中斷概念中斷概念 所謂所謂中斷中斷，是一個(gè)過程，即，是一個(gè)過程，即CPU在正常執(zhí)行程序的過程中，遇到外在正常執(zhí)行程序的過程中，遇到外部內(nèi)部的緊急事件需要處理，暫時(shí)中斷當(dāng)前程序的執(zhí)行

17、，而轉(zhuǎn)去為該事部內(nèi)部的緊急事件需要處理，暫時(shí)中斷當(dāng)前程序的執(zhí)行，而轉(zhuǎn)去為該事件服務(wù)，待服務(wù)完畢，再返回到暫停處（斷點(diǎn)）繼續(xù)執(zhí)行原來的程序。為件服務(wù)，待服務(wù)完畢，再返回到暫停處（斷點(diǎn)）繼續(xù)執(zhí)行原來的程序。為事件服務(wù)的程序稱為事件服務(wù)的程序稱為中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序或或中斷處理程序中斷處理程序。嚴(yán)格地說，上面的描述是針對硬件事件引起的中斷而言的。用軟件方嚴(yán)格地說，上面的描述是針對硬件事件引起的中斷而言的。用軟件方法也可以引起中斷，即事先在程序中安排特殊的指令，法也可以引起中斷，即事先在程序中安排特殊的指令，CPU執(zhí)行到該類執(zhí)行到該類指令時(shí)，轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的一段預(yù)先安排好的程序，然后再返回去執(zhí)行原來

18、指令時(shí)，轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的一段預(yù)先安排好的程序，然后再返回去執(zhí)行原來的程序，這可稱為軟中斷。把軟中斷考慮進(jìn)去，可給中斷再下一個(gè)定義：的程序，這可稱為軟中斷。把軟中斷考慮進(jìn)去，可給中斷再下一個(gè)定義：中斷是一個(gè)過程，是中斷是一個(gè)過程，是CPU在執(zhí)行當(dāng)前程序的過程中因硬件或軟件的原因在執(zhí)行當(dāng)前程序的過程中因硬件或軟件的原因插入了另一段程序運(yùn)行的過程。插入了另一段程序運(yùn)行的過程。8.2 程序中斷方式程序中斷方式 第第13頁頁第八章第八章 輸入輸入/ /輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 下圖給出了中斷處理的基本過程，主程序只是在設(shè)備下圖給出了中斷處理的基本過程，主程序只是在設(shè)備A、B、C數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)

19、準(zhǔn)備就緒并發(fā)出相應(yīng)的中斷請求時(shí)，才去進(jìn)行中斷處理，完成數(shù)據(jù)傳送準(zhǔn)備就緒并發(fā)出相應(yīng)的中斷請求時(shí)，才去進(jìn)行中斷處理，完成數(shù)據(jù)傳送操作。在速度較慢的外圍設(shè)備準(zhǔn)備自己的數(shù)據(jù)時(shí)，操作。在速度較慢的外圍設(shè)備準(zhǔn)備自己的數(shù)據(jù)時(shí)，CPU照常執(zhí)行自己的照常執(zhí)行自己的主程序。在這個(gè)意義上說，主程序。在這個(gè)意義上說，CPU和外圍設(shè)備的一些操作是并行地進(jìn)行的，和外圍設(shè)備的一些操作是并行地進(jìn)行的，因而同串行進(jìn)行的程序查詢方式相比，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率是大大提高了。因而同串行進(jìn)行的程序查詢方式相比，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率是大大提高了。 第第14頁頁第八章第八章 輸入輸入/ /輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理中斷源中斷源凡

20、是能引起中斷的設(shè)備或事件均稱為凡是能引起中斷的設(shè)備或事件均稱為中斷源中斷源。中斷源向中斷系統(tǒng)發(fā)出。中斷源向中斷系統(tǒng)發(fā)出請求中斷的申請，稱為請求中斷的申請，稱為中斷請求中斷請求。同時(shí)可能有多個(gè)中斷請求，這時(shí)中斷系。同時(shí)可能有多個(gè)中斷請求，這時(shí)中斷系統(tǒng)需要按事先確定的中斷響應(yīng)優(yōu)先次序?qū)?yōu)先級(jí)高的中斷請求予以響應(yīng)。統(tǒng)需要按事先確定的中斷響應(yīng)優(yōu)先次序?qū)?yōu)先級(jí)高的中斷請求予以響應(yīng)。所謂所謂中斷響應(yīng)中斷響應(yīng)就是允許其中斷就是允許其中斷CPU現(xiàn)行程序的運(yùn)行，轉(zhuǎn)去對該請求進(jìn)行現(xiàn)行程序的運(yùn)行，轉(zhuǎn)去對該請求進(jìn)行預(yù)處理，包括保存好斷點(diǎn)現(xiàn)場，調(diào)出有關(guān)處理該中斷的中斷處理程序，準(zhǔn)預(yù)處理，包括保存好斷點(diǎn)現(xiàn)場，調(diào)出有關(guān)處理

21、該中斷的中斷處理程序，準(zhǔn)備運(yùn)行。備運(yùn)行。 中斷系統(tǒng)也可以對中斷請求進(jìn)行屏蔽，使之暫時(shí)得不到響應(yīng)。中斷系統(tǒng)也可以對中斷請求進(jìn)行屏蔽，使之暫時(shí)得不到響應(yīng)。目前，微機(jī)中的中斷源一般有以下幾種：目前，微機(jī)中的中斷源一般有以下幾種： （1）外設(shè)的服務(wù)請求：系統(tǒng)外設(shè)要求與）外設(shè)的服務(wù)請求：系統(tǒng)外設(shè)要求與CPU交換信息而產(chǎn)生的中斷。交換信息而產(chǎn)生的中斷。 （2）CPU內(nèi)部事件：程序員的疏忽或算法上的差錯(cuò)，使程序在運(yùn)行過內(nèi)部事件：程序員的疏忽或算法上的差錯(cuò)，使程序在運(yùn)行過程中出現(xiàn)多種錯(cuò)誤而產(chǎn)生的中斷，如除法錯(cuò)，運(yùn)算溢出等。程中出現(xiàn)多種錯(cuò)誤而產(chǎn)生的中斷，如除法錯(cuò)，運(yùn)算溢出等。 （3）硬件故障中斷：機(jī)器在運(yùn)行過程

22、中，硬件出現(xiàn)偶然性或固定性的）硬件故障中斷：機(jī)器在運(yùn)行過程中，硬件出現(xiàn)偶然性或固定性的錯(cuò)誤而引起的中斷，例如電源掉電、內(nèi)存出錯(cuò)等。錯(cuò)誤而引起的中斷，例如電源掉電、內(nèi)存出錯(cuò)等。 （4）軟中斷：又稱為軟件中斷，是用軟件方法產(chǎn)生中斷，即在程序中）軟中斷：又稱為軟件中斷，是用軟件方法產(chǎn)生中斷，即在程序中安排特定的指令：安排特定的指令：INT ，當(dāng)程序執(zhí)行到該類指令時(shí)，進(jìn)入，當(dāng)程序執(zhí)行到該類指令時(shí)，進(jìn)入到中斷類型號(hào)所對應(yīng)的中斷服務(wù)程序。到中斷類型號(hào)所對應(yīng)的中斷服務(wù)程序。 顯然，軟中斷是人為安排的，而上面介紹的顯然，軟中斷是人為安排的，而上面介紹的3種硬件中斷源引起的中種硬件中斷源引起的中斷是隨機(jī)的。斷是

23、隨機(jī)的。第第15頁頁第八章第八章 輸入輸入/ /輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理中斷識(shí)別中斷識(shí)別 當(dāng)當(dāng)CPUCPU響應(yīng)中斷、保護(hù)斷點(diǎn)之后，就要進(jìn)行中斷源的識(shí)別，即尋找中響應(yīng)中斷、保護(hù)斷點(diǎn)之后，就要進(jìn)行中斷源的識(shí)別，即尋找中斷源，找到相應(yīng)的中斷服務(wù)程序入口。識(shí)別中斷源有三種方法：查詢法、斷源，找到相應(yīng)的中斷服務(wù)程序入口。識(shí)別中斷源有三種方法：查詢法、向量法和強(qiáng)置程序計(jì)數(shù)器法。向量法和強(qiáng)置程序計(jì)數(shù)器法。 （1）查詢法）查詢法 這是通過程序來查詢是哪一個(gè)中斷源提出的中斷請求。這是通過程序來查詢是哪一個(gè)中斷源提出的中斷請求。 第第16頁頁第八章第八章 輸入輸入/ /輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組

24、成原理計(jì)算機(jī)組成原理 （2）向量法（矢量法）向量法（矢量法）這是一種硬件方法。在這是一種硬件方法。在CPU發(fā)出中斷響應(yīng)信號(hào)時(shí)，由硬件產(chǎn)生當(dāng)前所發(fā)出中斷響應(yīng)信號(hào)時(shí)，由硬件產(chǎn)生當(dāng)前所有請求中級(jí)別最高的中斷源的中斷標(biāo)識(shí)碼。中斷標(biāo)識(shí)碼是中斷源的識(shí)別標(biāo)有請求中級(jí)別最高的中斷源的中斷標(biāo)識(shí)碼。中斷標(biāo)識(shí)碼是中斷源的識(shí)別標(biāo)志，可用來形成相應(yīng)的中斷服務(wù)程序的入口地址或存放中斷服務(wù)程序的首志，可用來形成相應(yīng)的中斷服務(wù)程序的入口地址或存放中斷服務(wù)程序的首地址。當(dāng)有中斷源提出請求時(shí)，中斷排隊(duì)與編碼器進(jìn)行判優(yōu)并產(chǎn)生其中級(jí)地址。當(dāng)有中斷源提出請求時(shí)，中斷排隊(duì)與編碼器進(jìn)行判優(yōu)并產(chǎn)生其中級(jí)別最高的中斷源的中斷標(biāo)識(shí)碼。在到來時(shí)，

25、別最高的中斷源的中斷標(biāo)識(shí)碼。在到來時(shí)，CPU通過三態(tài)門獲得中斷標(biāo)識(shí)通過三態(tài)門獲得中斷標(biāo)識(shí)碼。碼。 第第17頁頁第八章第八章 輸入輸入/ /輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理中斷處理中斷處理第第18頁頁第八章第八章 輸入輸入/ /輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理多重中斷多重中斷由于中斷源相互獨(dú)立而隨機(jī)地發(fā)出中斷請求，因此常常會(huì)同時(shí)發(fā)生多個(gè)由于中斷源相互獨(dú)立而隨機(jī)地發(fā)出中斷請求，因此常常會(huì)同時(shí)發(fā)生多個(gè)中斷請求。同一類中的各中斷請求的響應(yīng)和處理的優(yōu)先次序，一般不是由中中斷請求。同一類中的各中斷請求的響應(yīng)和處理的優(yōu)先次序，一般不是由中斷系統(tǒng)的硬件而是由其軟件或通道來管理。而不同類

26、的中斷就要根據(jù)中斷的斷系統(tǒng)的硬件而是由其軟件或通道來管理。而不同類的中斷就要根據(jù)中斷的性質(zhì)、緊迫性、重要性以及軟件處理的方便性把它們分成不同的級(jí)別。中斷性質(zhì)、緊迫性、重要性以及軟件處理的方便性把它們分成不同的級(jí)別。中斷系統(tǒng)按中斷源的級(jí)別高低來響應(yīng)。通常把優(yōu)先級(jí)最高的中斷定為一級(jí)，其次系統(tǒng)按中斷源的級(jí)別高低來響應(yīng)。通常把優(yōu)先級(jí)最高的中斷定為一級(jí)，其次是二級(jí)，再次是三級(jí)，依此類推。不同機(jī)器對優(yōu)先級(jí)高低的劃分有差異。是二級(jí)，再次是三級(jí)，依此類推。不同機(jī)器對優(yōu)先級(jí)高低的劃分有差異。在同時(shí)發(fā)生多個(gè)不同中斷類的中斷請求時(shí)，中斷響應(yīng)硬件中的排隊(duì)器決在同時(shí)發(fā)生多個(gè)不同中斷類的中斷請求時(shí)，中斷響應(yīng)硬件中的排隊(duì)器

27、決定響應(yīng)的次序。然而，中斷的處理要由中斷服務(wù)程序來完成，而中斷服務(wù)程定響應(yīng)的次序。然而，中斷的處理要由中斷服務(wù)程序來完成，而中斷服務(wù)程序在執(zhí)行前或執(zhí)行中是可以被中斷的。這樣，中斷處理次序就可以不同于中序在執(zhí)行前或執(zhí)行中是可以被中斷的。這樣，中斷處理次序就可以不同于中斷響應(yīng)次序。斷響應(yīng)次序。一般在處理某級(jí)中的某個(gè)中斷請求時(shí)，與它同級(jí)的或比它低級(jí)的中斷請一般在處理某級(jí)中的某個(gè)中斷請求時(shí)，與它同級(jí)的或比它低級(jí)的中斷請求是不能中斷它的處理的。只有比它高級(jí)的中斷請求才能中斷其處理過程，求是不能中斷它的處理的。只有比它高級(jí)的中斷請求才能中斷其處理過程，等響應(yīng)和處理完后，再繼續(xù)處理原先的那個(gè)中斷請求。等響應(yīng)

28、和處理完后，再繼續(xù)處理原先的那個(gè)中斷請求。中斷響應(yīng)的次序用排隊(duì)器硬件實(shí)現(xiàn)，次序是由高到低排好序的。為了能中斷響應(yīng)的次序用排隊(duì)器硬件實(shí)現(xiàn)，次序是由高到低排好序的。為了能根據(jù)需要，由操作系統(tǒng)靈活改變實(shí)際的中斷處理次序，很多機(jī)器都設(shè)置了中根據(jù)需要，由操作系統(tǒng)靈活改變實(shí)際的中斷處理次序，很多機(jī)器都設(shè)置了中斷級(jí)屏蔽位寄存器，以決定某級(jí)中斷請求能否進(jìn)入中斷響應(yīng)排隊(duì)器。只要能斷級(jí)屏蔽位寄存器，以決定某級(jí)中斷請求能否進(jìn)入中斷響應(yīng)排隊(duì)器。只要能進(jìn)入中斷響應(yīng)排隊(duì)器的，總是讓高級(jí)別的優(yōu)先響應(yīng)。進(jìn)入中斷響應(yīng)排隊(duì)器的，總是讓高級(jí)別的優(yōu)先響應(yīng)。第第19頁頁第八章第八章 輸入輸入/ /輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組

29、成原理 假設(shè)系統(tǒng)有假設(shè)系統(tǒng)有4個(gè)中斷級(jí)，相應(yīng)的每一級(jí)中斷程序的現(xiàn)行個(gè)中斷級(jí)，相應(yīng)的每一級(jí)中斷程序的現(xiàn)行PSW中都有中都有4位位中斷級(jí)屏蔽位。其原理圖如圖所示。中斷級(jí)屏蔽位。其原理圖如圖所示。 第第20頁頁第八章第八章 輸入輸入/ /輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 中斷屏蔽位為“0”時(shí)，表示對該級(jí)中斷開放，允許其進(jìn)入中斷響應(yīng)排隊(duì)器；若為“1”，則對該級(jí)中斷屏蔽。那么，要讓各級(jí)中斷處理次序和各級(jí)中斷響應(yīng)次序一樣，都是1234，就只需按下表設(shè)置好各級(jí)中斷服務(wù)程序現(xiàn)行PSW中的中斷級(jí)屏蔽位即可。 中斷服務(wù)中斷服務(wù)程序程序級(jí)別級(jí)別中斷級(jí)屏蔽位中斷級(jí)屏蔽位1級(jí)級(jí)2級(jí)級(jí)3級(jí)級(jí)4級(jí)級(jí)第第1級(jí)級(jí)1

30、111第第2級(jí)級(jí)0111第第3級(jí)級(jí)0011第第4級(jí)級(jí)0001第第21頁頁第八章第八章 輸入輸入/ /輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理現(xiàn)假設(shè)運(yùn)行用戶程序的過程中，出現(xiàn)了下圖中所示的中斷請求?，F(xiàn)假設(shè)運(yùn)行用戶程序的過程中，出現(xiàn)了下圖中所示的中斷請求。 第第22頁頁第八章第八章 輸入輸入/ /輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 用戶程序不能屏蔽任何中斷請求，所以執(zhí)行用戶程序時(shí)，其現(xiàn)行用戶程序不能屏蔽任何中斷請求，所以執(zhí)行用戶程序時(shí)，其現(xiàn)行PSW中的中斷級(jí)屏蔽位均為中的中斷級(jí)屏蔽位均為1。當(dāng)。當(dāng)級(jí)中斷請求同時(shí)到來時(shí)，均進(jìn)入排隊(duì)器，級(jí)中斷請求同時(shí)到來時(shí)，均進(jìn)入排隊(duì)器，優(yōu)先響應(yīng)優(yōu)先響應(yīng)

31、級(jí)中斷請求，此時(shí)中斷用戶程序的執(zhí)行，通過交換級(jí)中斷請求，此時(shí)中斷用戶程序的執(zhí)行，通過交換PSW實(shí)現(xiàn)程實(shí)現(xiàn)程序切換。將用戶程序所用到的關(guān)鍵寄存器、中斷碼、斷點(diǎn)等現(xiàn)狀作為舊序切換。將用戶程序所用到的關(guān)鍵寄存器、中斷碼、斷點(diǎn)等現(xiàn)狀作為舊PSW保存到內(nèi)存指定單元，再從內(nèi)存另一指定單元取出對應(yīng)保存到內(nèi)存指定單元，再從內(nèi)存另一指定單元取出對應(yīng)級(jí)中斷處理級(jí)中斷處理程序的程序的PSW建立起新現(xiàn)場。由于建立起新現(xiàn)場。由于級(jí)中斷處理程序的中斷級(jí)屏蔽位為級(jí)中斷處理程序的中斷級(jí)屏蔽位為0111被放置到中斷級(jí)屏蔽位寄存器，這樣，對被放置到中斷級(jí)屏蔽位寄存器，這樣，對級(jí)中斷請求不予響應(yīng)，開始執(zhí)行級(jí)中斷請求不予響應(yīng)，開始執(zhí)

32、行級(jí)中斷處理程序。即使在級(jí)中斷處理程序。即使在級(jí)中斷處理程序執(zhí)行過程中，出現(xiàn)級(jí)中斷處理程序執(zhí)行過程中，出現(xiàn)級(jí)中斷請級(jí)中斷請求，但是一樣不予響應(yīng)，直到求，但是一樣不予響應(yīng)，直到級(jí)中斷處理程序執(zhí)行完，交換級(jí)中斷處理程序執(zhí)行完，交換PSW，又返，又返回到原被中斷前的用戶程序。此時(shí)，用戶程序狀態(tài)字中的中斷級(jí)屏蔽位全為回到原被中斷前的用戶程序。此時(shí)，用戶程序狀態(tài)字中的中斷級(jí)屏蔽位全為“1”，使，使級(jí)中斷請求又同時(shí)進(jìn)入排隊(duì)器。在優(yōu)先響應(yīng)級(jí)中斷請求又同時(shí)進(jìn)入排隊(duì)器。在優(yōu)先響應(yīng)級(jí)中斷請求并進(jìn)級(jí)中斷請求并進(jìn)行處理完后，又回到用戶程序，再對行處理完后，又回到用戶程序，再對級(jí)中斷請求進(jìn)行響應(yīng)和處理，完成后級(jí)中斷請求

33、進(jìn)行響應(yīng)和處理，完成后又返回到用戶程序繼續(xù)執(zhí)行。又返回到用戶程序繼續(xù)執(zhí)行。 用戶程序執(zhí)行過程中，又發(fā)生了用戶程序執(zhí)行過程中，又發(fā)生了級(jí)中斷請求，在對其響應(yīng)和處理過程級(jí)中斷請求，在對其響應(yīng)和處理過程中，又發(fā)生了中，又發(fā)生了級(jí)中斷請求。由于級(jí)中斷請求。由于級(jí)中斷處理程序的中斷級(jí)屏蔽位為級(jí)中斷處理程序的中斷級(jí)屏蔽位為0111，對對級(jí)中斷請求開放，因此級(jí)中斷請求開放，因此級(jí)中斷請求進(jìn)入排隊(duì)器，從而轉(zhuǎn)去響應(yīng)級(jí)中斷請求進(jìn)入排隊(duì)器，從而轉(zhuǎn)去響應(yīng)級(jí)中級(jí)中斷請求并進(jìn)行處理，由于斷請求并進(jìn)行處理，由于級(jí)中斷處理程序的中斷級(jí)屏蔽位為級(jí)中斷處理程序的中斷級(jí)屏蔽位為1111，所以只，所以只有執(zhí)行完有執(zhí)行完級(jí)中斷處理程序

34、后返回到上一次被中斷的級(jí)中斷處理程序后返回到上一次被中斷的級(jí)中斷處理程序繼續(xù)級(jí)中斷處理程序繼續(xù)執(zhí)行，完成后再返回到前一次的斷點(diǎn)，即用戶程序繼續(xù)執(zhí)行。執(zhí)行，完成后再返回到前一次的斷點(diǎn)，即用戶程序繼續(xù)執(zhí)行。 第第23頁頁第八章第八章 輸入輸入/ /輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 如果想改變中斷處理次序，只需要將各中斷級(jí)處理程序的中斷級(jí)屏蔽位按需要的次序進(jìn)行修改就可以實(shí)現(xiàn)。例如，若想把中斷處理次序改為1432，則對應(yīng)的各中斷級(jí)處理程序的中斷級(jí)屏蔽位按下表修改即可。 中斷服務(wù)中斷服務(wù)程序程序級(jí)別級(jí)別中斷級(jí)屏蔽位中斷級(jí)屏蔽位1級(jí)級(jí)2級(jí)級(jí)3級(jí)級(jí)4級(jí)級(jí)第第1級(jí)級(jí)1111第第2級(jí)級(jí)0100第第3

35、級(jí)級(jí)0110第第4級(jí)級(jí)0111第第24頁頁第八章第八章 輸入輸入/ /輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 現(xiàn)假設(shè)在運(yùn)行用戶程序過程中，同時(shí)發(fā)生現(xiàn)假設(shè)在運(yùn)行用戶程序過程中，同時(shí)發(fā)生級(jí)中斷請求，級(jí)中斷請求，其處理過程如下圖所示?？梢钥闯?，此時(shí)各級(jí)中斷處理完的先后順序其處理過程如下圖所示?？梢钥闯?，此時(shí)各級(jí)中斷處理完的先后順序變成了變成了1432。 第第25頁頁第八章第八章 輸入輸入/ /輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理中斷控制器中斷控制器8259A8259A邏輯圖邏輯圖第第26頁頁第八章第八章 輸入輸入/ /輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理DMA的基本概念的基本概

36、念 直接存儲(chǔ)器訪問（直接存儲(chǔ)器訪問（DMA）是一種完全由硬件執(zhí)行是一種完全由硬件執(zhí)行I/O交換的工作方式。交換的工作方式。在這種方式中，在這種方式中，DMA控制器從控制器從CPU完全接管對總線的控制，數(shù)據(jù)交換不完全接管對總線的控制，數(shù)據(jù)交換不經(jīng)過經(jīng)過CPU，而直接在內(nèi)存和，而直接在內(nèi)存和I/O設(shè)備之間進(jìn)行。設(shè)備之間進(jìn)行。DMA方式一般用于高速成方式一般用于高速成組數(shù)據(jù)傳送。組數(shù)據(jù)傳送。DMA控制器將向內(nèi)存發(fā)出地址和控制信號(hào)，修改地址，對控制器將向內(nèi)存發(fā)出地址和控制信號(hào)，修改地址，對傳送的字的個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)，并且以中斷方式向傳送的字的個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)，并且以中斷方式向CPU報(bào)告?zhèn)魉筒僮鞯慕Y(jié)束。報(bào)告?zhèn)魉筒僮鞯慕Y(jié)

37、束。 DMA方式的主要優(yōu)點(diǎn)是速度快方式的主要優(yōu)點(diǎn)是速度快。由于。由于CPU根本不參加傳送操作，因根本不參加傳送操作，因此就省去了此就省去了CPU取指令、取數(shù)、送數(shù)等操作。在數(shù)據(jù)傳送過程中，沒有取指令、取數(shù)、送數(shù)等操作。在數(shù)據(jù)傳送過程中，沒有保存現(xiàn)場、恢復(fù)現(xiàn)場之類的工作。內(nèi)存地址修改、傳送字個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)是用保存現(xiàn)場、恢復(fù)現(xiàn)場之類的工作。內(nèi)存地址修改、傳送字個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)是用硬件線路直接實(shí)現(xiàn)的。各種硬件線路直接實(shí)現(xiàn)的。各種DMA至少能執(zhí)行以下一些基本操作：至少能執(zhí)行以下一些基本操作： （1）從外圍設(shè)備發(fā)出）從外圍設(shè)備發(fā)出DMA請求；請求； （2）CPU響應(yīng)響應(yīng)DMA請求，把請求，把CPU工作改成工作改成

38、DMA操作方式，操作方式，DMA控制控制器從器從CPU接管總線的控制權(quán)；接管總線的控制權(quán)； （3）由）由DMA控制器對內(nèi)存尋址，即決定數(shù)據(jù)傳送的內(nèi)存單元地址及數(shù)控制器對內(nèi)存尋址，即決定數(shù)據(jù)傳送的內(nèi)存單元地址及數(shù)據(jù)傳送個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)，并執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送的操作；據(jù)傳送個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)，并執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送的操作； （4）向）向CPU報(bào)告報(bào)告DMA操作的結(jié)束。操作的結(jié)束。 8.3 DMA方式方式第第27頁頁第八章第八章 輸入輸入/ /輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理DMA的三種工作方式的三種工作方式-停止停止CPU訪問內(nèi)存訪問內(nèi)存 當(dāng)外圍設(shè)備要求傳送一批數(shù)據(jù)時(shí)，由當(dāng)外圍設(shè)備要求傳送一批數(shù)據(jù)時(shí)，由DMADMA

39、控制器發(fā)一個(gè)停止信號(hào)給控制器發(fā)一個(gè)停止信號(hào)給CPUCPU，要求要求CPUCPU放棄對地址總線、數(shù)據(jù)總線和有關(guān)控制總線的使用權(quán)。放棄對地址總線、數(shù)據(jù)總線和有關(guān)控制總線的使用權(quán)。DMADMA控制控制器獲得總線控制權(quán)以后，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。在一批數(shù)據(jù)傳送完畢后，器獲得總線控制權(quán)以后，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。在一批數(shù)據(jù)傳送完畢后，DMADMA控制器通知控制器通知CPUCPU可以使用內(nèi)存，并把總線控制權(quán)交還給可以使用內(nèi)存，并把總線控制權(quán)交還給CPUCPU。在這種。在這種DMADMA傳送過程中，傳送過程中，CPUCPU基本處于不工作狀態(tài)或者說保持狀態(tài)?；咎幱诓还ぷ鳡顟B(tài)或者說保持狀態(tài)。 這種方式的優(yōu)點(diǎn)是控制簡單

40、，它適用于數(shù)據(jù)傳輸率很高的設(shè)備進(jìn)行這種方式的優(yōu)點(diǎn)是控制簡單，它適用于數(shù)據(jù)傳輸率很高的設(shè)備進(jìn)行成組傳送。其缺點(diǎn)是在成組傳送。其缺點(diǎn)是在DMADMA控制器訪內(nèi)階段，內(nèi)存的效能沒有充分發(fā)揮，控制器訪內(nèi)階段，內(nèi)存的效能沒有充分發(fā)揮，相當(dāng)一部分內(nèi)存工作周期是空閑的。相當(dāng)一部分內(nèi)存工作周期是空閑的。 第第28頁頁第八章第八章 輸入輸入/ /輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理周期挪用周期挪用 當(dāng)I/O設(shè)備沒有DMA請求時(shí)，CPU按程序要求訪問內(nèi)存；一旦I/O設(shè)備有DMA請求，則由I/O設(shè)備挪用一個(gè)或幾個(gè)內(nèi)存周期。與停止CPU訪內(nèi)的DMA方法比較，周期挪用的方法既實(shí)現(xiàn)了I/O傳送，又較好地發(fā)揮了內(nèi)存

41、和CPU的效率，是一種廣泛采用的方法。但是I/O設(shè)備每一次周期挪用都有申請總線控制權(quán)、建立總線控制權(quán)和歸還總線控制權(quán)的過程，所以傳送一個(gè)字對內(nèi)存來說要占用一個(gè)周期，但對DMA控制器來說一般要25個(gè)內(nèi)存周期（視邏輯線路的延遲而定）。因此，周期挪用的方法適用于I/O設(shè)備讀寫周期大于內(nèi)存存儲(chǔ)周期的情況。 第第29頁頁第八章第八章 輸入輸入/ /輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理DMA與與CPU交替訪內(nèi)交替訪內(nèi) 如果CPU的工作周期比內(nèi)存存取周期長很多，此時(shí)采用交替訪內(nèi)的方法可以使DMA傳送和CPU同時(shí)發(fā)揮最高的效率。假設(shè)CPU工作周期為 1.2s，內(nèi)存存取周期小于0.6s，那么一個(gè)CPU周

42、期可分為C1和C2兩個(gè)分周期，其中C2供DMA控制器訪內(nèi)，C1專供CPU訪內(nèi)。 這種方式又稱為“透明的透明的DMA”方式，不需要總線使用權(quán)的申請、建立和歸還過程，總線使用權(quán)是通過C1和C2分時(shí)進(jìn)行的。第第30頁頁第八章第八章 輸入輸入/ /輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 DMADMA控制器的基本組成控制器的基本組成 第第31頁頁第八章第八章 輸入輸入/ /輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 （1）內(nèi)存地址計(jì)數(shù)器）內(nèi)存地址計(jì)數(shù)器 用于存放內(nèi)存中要交換的數(shù)據(jù)的地址。在用于存放內(nèi)存中要交換的數(shù)據(jù)的地址。在DMA傳送前，須通過程序?qū)?shù)據(jù)在內(nèi)存中的起始位置（首地址）送到內(nèi)存地址傳

43、送前，須通過程序?qū)?shù)據(jù)在內(nèi)存中的起始位置（首地址）送到內(nèi)存地址計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器。 （2）字計(jì)數(shù)器）字計(jì)數(shù)器 用于記錄傳送數(shù)據(jù)塊的長度（多少字?jǐn)?shù)）。其內(nèi)容也用于記錄傳送數(shù)據(jù)塊的長度（多少字?jǐn)?shù)）。其內(nèi)容也是在數(shù)據(jù)傳送之前由程序預(yù)置，交換的字?jǐn)?shù)通常以補(bǔ)碼形式表示。是在數(shù)據(jù)傳送之前由程序預(yù)置，交換的字?jǐn)?shù)通常以補(bǔ)碼形式表示。 （3）數(shù)據(jù)緩沖寄存器）數(shù)據(jù)緩沖寄存器 用于暫存每次傳送的數(shù)據(jù)（一個(gè)字）。當(dāng)輸入用于暫存每次傳送的數(shù)據(jù)（一個(gè)字）。當(dāng)輸入時(shí)，由設(shè)備（如磁盤）送往數(shù)據(jù)緩沖寄存器，再由緩沖寄存器通過數(shù)據(jù)總時(shí)，由設(shè)備（如磁盤）送往數(shù)據(jù)緩沖寄存器，再由緩沖寄存器通過數(shù)據(jù)總線送到內(nèi)存。反之，輸出時(shí)，由內(nèi)存通過數(shù)

44、據(jù)總線送到數(shù)據(jù)緩沖寄存器，線送到內(nèi)存。反之，輸出時(shí)，由內(nèi)存通過數(shù)據(jù)總線送到數(shù)據(jù)緩沖寄存器，然后再送到設(shè)備。然后再送到設(shè)備。 （4）“DMA請求請求”標(biāo)志標(biāo)志 每當(dāng)設(shè)備準(zhǔn)備好一個(gè)數(shù)據(jù)字后給出一個(gè)控制每當(dāng)設(shè)備準(zhǔn)備好一個(gè)數(shù)據(jù)字后給出一個(gè)控制信號(hào)，使信號(hào)，使“DMA請求請求” 標(biāo)志置標(biāo)志置“1”。該標(biāo)志置位后向。該標(biāo)志置位后向“控制控制/狀態(tài)狀態(tài)”邏輯邏輯發(fā)出發(fā)出DMA請求，后者又向請求，后者又向CPU發(fā)出總線使用權(quán)的請求（發(fā)出總線使用權(quán)的請求（HOLD），），CPU響應(yīng)此請求后發(fā)回響應(yīng)信號(hào)響應(yīng)此請求后發(fā)回響應(yīng)信號(hào)HLDA，“控制控制/狀態(tài)狀態(tài)”邏輯接收此信號(hào)后發(fā)邏輯接收此信號(hào)后發(fā)出出DMA響應(yīng)信號(hào)，

45、使響應(yīng)信號(hào)，使“DMA請求請求”標(biāo)志復(fù)位，為交換下一個(gè)字做好準(zhǔn)備。標(biāo)志復(fù)位，為交換下一個(gè)字做好準(zhǔn)備。 （5）“控制控制/狀態(tài)狀態(tài)”邏輯邏輯 由控制和時(shí)序電路以及狀態(tài)標(biāo)志等組成，用由控制和時(shí)序電路以及狀態(tài)標(biāo)志等組成，用于修改內(nèi)存地址計(jì)數(shù)器和字計(jì)數(shù)器，指定傳送類型（輸入或輸出），并對于修改內(nèi)存地址計(jì)數(shù)器和字計(jì)數(shù)器，指定傳送類型（輸入或輸出），并對“DMA請求請求”信號(hào)和信號(hào)和CPU響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行協(xié)調(diào)和同步。響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行協(xié)調(diào)和同步。 （6）中斷機(jī)構(gòu)）中斷機(jī)構(gòu) 當(dāng)字計(jì)數(shù)器溢出時(shí)（全當(dāng)字計(jì)數(shù)器溢出時(shí)（全0），意味著一組數(shù)據(jù)交換完畢，），意味著一組數(shù)據(jù)交換完畢，由溢出信號(hào)觸發(fā)中斷機(jī)構(gòu)，向由溢出信號(hào)觸發(fā)中斷機(jī)

46、構(gòu)，向CPU提出中斷報(bào)告。提出中斷報(bào)告。第第32頁頁第八章第八章 輸入輸入/ /輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理DMA數(shù)據(jù)傳送過程數(shù)據(jù)傳送過程DMA的數(shù)據(jù)傳送過程可分為三個(gè)階段：傳送前預(yù)處理、正式傳送、傳送后處理。傳送前預(yù)處理傳送前預(yù)處理也可以看作是DMAC的初始化，由CPU執(zhí)行幾條輸入輸出指令，測試設(shè)備狀態(tài)，向DMA控制器的設(shè)備地址寄存器中送入設(shè)備號(hào)并啟動(dòng)設(shè)備，向內(nèi)存地址計(jì)數(shù)器中送入起始地址，向字計(jì)數(shù)器中送入交換的數(shù)據(jù)字個(gè)數(shù)。在這些工作完成后，CPU繼續(xù)執(zhí)行原來的主程序。 正式傳送正式傳送是指當(dāng)外設(shè)準(zhǔn)備好發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)時(shí)，它發(fā)出DMA請求，由DMA控制器向CPU發(fā)出總線使用權(quán)

47、的請求（HOLD），當(dāng)DMA控制器獲得總線控制權(quán)后即可進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送操作。 DMA的數(shù)據(jù)傳送是以數(shù)據(jù)塊為基本單位進(jìn)行的，因此，每次DMA控制器占用總線后，無論是數(shù)據(jù)輸入操作，還是輸出操作，都是通過循環(huán)來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)進(jìn)行輸入操作時(shí)，外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)（一次一個(gè)字或一個(gè)字節(jié)）傳向內(nèi)存；當(dāng)進(jìn)行輸出操作時(shí)，內(nèi)存的數(shù)據(jù)傳向外圍設(shè)備。 傳送后處理傳送后處理是指當(dāng)DMA的中斷請求得到響應(yīng)后，CPU停止主程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)程序做一些DMA傳送的結(jié)束處理工作。這些工作包括校驗(yàn)送入內(nèi)存的數(shù)據(jù)是否正確；決定繼續(xù)用DMA方式傳送下去，還是結(jié)束傳送；測試在傳送過程中是否發(fā)生了錯(cuò)誤等等。 第第33頁頁第八章第八章 輸

48、入輸入/ /輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 DMA傳送數(shù)據(jù)的流程圖傳送數(shù)據(jù)的流程圖 第第34頁頁第八章第八章 輸入輸入/ /輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理DMA控制器舉例控制器舉例-8237A 第第35頁頁第八章第八章 輸入輸入/ /輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理8.4 通道方式通道方式通道的功能通道的功能 通道的出現(xiàn)進(jìn)一步提高了CPU的效率。因?yàn)橥ǖ朗且粋€(gè)特殊功能的處理器，它有自己的指令和程序?qū)ｉT負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)輸入輸出的傳輸控制，而CPU將“傳輸控制”的功能下放給通道后只負(fù)責(zé)“數(shù)據(jù)處理”功能。這樣，通道與CPU分時(shí)使用內(nèi)存，實(shí)現(xiàn)了CPU內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理與I/

49、O設(shè)備的并行工作。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的典型通道結(jié)構(gòu)如教材圖8.18所示，它具有兩種類型的總線，一種是存儲(chǔ)總線存儲(chǔ)總線，承擔(dān)通道與內(nèi)存、CPU與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。另一種是通道總線通道總線，即I/O總線，承擔(dān)外圍設(shè)備與通道之間的數(shù)據(jù)傳送任務(wù)。這兩類總線可以分別按照各自的時(shí)序同時(shí)進(jìn)行工作。 通道總線可以接若干個(gè)設(shè)備控制器，一個(gè)設(shè)備控制器可以接一個(gè)或多個(gè)設(shè)備。因此，從邏輯結(jié)構(gòu)上講，I/O系統(tǒng)一般具有四級(jí)連接：CPU與內(nèi)存通道設(shè)備控制器外圍設(shè)備。 另一方面，具有通道的機(jī)器一般是大、中型計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)流通量很大。大、中型計(jì)算機(jī)的I/O系統(tǒng)一般接有多個(gè)通道。當(dāng)然，設(shè)立多個(gè)通道的另一好處是，對不同類型的I/O設(shè)

50、備可以進(jìn)行分類管理。第第36頁頁第八章第八章 輸入輸入/ /輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理典型通道結(jié)構(gòu)典型通道結(jié)構(gòu) 是內(nèi)存的控制部件，它的主要任務(wù)是根據(jù)是內(nèi)存的控制部件，它的主要任務(wù)是根據(jù)事先確定的優(yōu)先次序，決定下一周期由哪事先確定的優(yōu)先次序，決定下一周期由哪個(gè)部件使用存儲(chǔ)總線訪問內(nèi)存。個(gè)部件使用存儲(chǔ)總線訪問內(nèi)存。 第第37頁頁第八章第八章 輸入輸入/ /輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 通道的功能通道的功能 通道的基本功能是執(zhí)行通道指令，組織外圍設(shè)備和內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)傳通道的基本功能是執(zhí)行通道指令，組織外圍設(shè)備和內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，按輸，按I/OI/O指令要求啟動(dòng)外圍設(shè)備

51、，向指令要求啟動(dòng)外圍設(shè)備，向CPUCPU報(bào)告中斷等，具體有以下五項(xiàng)報(bào)告中斷等，具體有以下五項(xiàng)功能：功能： （1 1）接受）接受CPUCPU的的I/OI/O指令，按指令要求向指定通道和外設(shè)發(fā)出操作指令，按指令要求向指定通道和外設(shè)發(fā)出操作命令。命令。 （2 2）執(zhí)行通道程序，控制外設(shè)與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳送，不但要提）執(zhí)行通道程序，控制外設(shè)與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳送，不但要提供數(shù)據(jù)緩沖，而且還要完成傳送信息的分拆和裝配。供數(shù)據(jù)緩沖，而且還要完成傳送信息的分拆和裝配。 （3 3）指出外設(shè)讀）指出外設(shè)讀/ /寫信息所在的位置，即提供外圍設(shè)備內(nèi)部地址，寫信息所在的位置，即提供外圍設(shè)備內(nèi)部地址，同時(shí)指出與外圍設(shè)備交

52、換信息的內(nèi)存首地址和傳送的數(shù)據(jù)量。同時(shí)指出與外圍設(shè)備交換信息的內(nèi)存首地址和傳送的數(shù)據(jù)量。 （4 4）接收外圍設(shè)備和子通道的狀態(tài)信息，形成并保存通道本身的）接收外圍設(shè)備和子通道的狀態(tài)信息，形成并保存通道本身的狀態(tài)信息，根據(jù)要求將這些狀態(tài)信息送到內(nèi)存的指定單元，供狀態(tài)信息，根據(jù)要求將這些狀態(tài)信息送到內(nèi)存的指定單元，供CPUCPU使用。使用。 （5 5）將外圍設(shè)備的中斷請求和通道本身的中斷請求，按次序及時(shí)）將外圍設(shè)備的中斷請求和通道本身的中斷請求，按次序及時(shí)報(bào)告報(bào)告CPUCPU。 第第38頁頁第八章第八章 輸入輸入/ /輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理CPU對通道的管理對通道的管理 CP

53、U是通過執(zhí)行是通過執(zhí)行I/O指令、編寫通道程序和處理來自通道的中斷，指令、編寫通道程序和處理來自通道的中斷，實(shí)現(xiàn)對通道的管理。實(shí)現(xiàn)對通道的管理。 I/O指令是指令是CPU指令系統(tǒng)的一部分，是專門控制輸入指令系統(tǒng)的一部分，是專門控制輸入/輸出操作的輸出操作的指令。指令。CPU通過查詢通道、外設(shè)狀態(tài)和啟停通道的通過查詢通道、外設(shè)狀態(tài)和啟停通道的I/O指令管理通道。指令管理通道。通過運(yùn)行操作系統(tǒng)的設(shè)備管理程序?yàn)橥ǖ谰帉懲ǖ莱绦?；通道程序一通過運(yùn)行操作系統(tǒng)的設(shè)備管理程序?yàn)橥ǖ谰帉懲ǖ莱绦颍煌ǖ莱绦蛞话愦鎯?chǔ)在主存指定位置，若通道專設(shè)存儲(chǔ)器，則存入該存儲(chǔ)器。通道般存儲(chǔ)在主存指定位置，若通道專設(shè)存儲(chǔ)器，則存

54、入該存儲(chǔ)器。通道程序由通道指令組成，由通道執(zhí)行。當(dāng)通道被啟動(dòng)后，程序由通道指令組成，由通道執(zhí)行。當(dāng)通道被啟動(dòng)后，CPU就可退出就可退出管態(tài)，返回目態(tài)程序繼續(xù)運(yùn)行，而通道則按通道程序組織管態(tài)，返回目態(tài)程序繼續(xù)運(yùn)行，而通道則按通道程序組織I/O操作，進(jìn)操作，進(jìn)入通道數(shù)據(jù)傳送期，開始通道與設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳送，直到通道程序完入通道數(shù)據(jù)傳送期，開始通道與設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳送，直到通道程序完全執(zhí)行完為止。全執(zhí)行完為止。 通常把通常把CPU運(yùn)行操作系統(tǒng)的管理程序的狀態(tài)稱為運(yùn)行操作系統(tǒng)的管理程序的狀態(tài)稱為，而把，而把CPU執(zhí)行目的程序時(shí)的狀態(tài)稱為執(zhí)行目的程序時(shí)的狀態(tài)稱為。大中型計(jì)算機(jī)的。大中型計(jì)算機(jī)的I/O指令都是

55、管態(tài)指指令都是管態(tài)指令，只有當(dāng)令，只有當(dāng)CPU處于管態(tài)時(shí)，才能運(yùn)行處于管態(tài)時(shí)，才能運(yùn)行I/O指令，目態(tài)時(shí)不能運(yùn)行指令，目態(tài)時(shí)不能運(yùn)行I/O指令。這是因?yàn)榇笾行陀?jì)算機(jī)的軟、硬件資源為多個(gè)用戶所共享，而指令。這是因?yàn)榇笾行陀?jì)算機(jī)的軟、硬件資源為多個(gè)用戶所共享，而不是分給某個(gè)用戶專用。不是分給某個(gè)用戶專用。 來自通道的中斷有兩種，一種是數(shù)據(jù)傳送結(jié)束中斷，另一種是故來自通道的中斷有兩種，一種是數(shù)據(jù)傳送結(jié)束中斷，另一種是故障中斷。障中斷。第第39頁頁第八章第八章 輸入輸入/ /輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理通道的種類通道的種類 1. 選擇通道選擇通道 選擇通道又稱高速通道，在物理上它可以連

56、接多個(gè)設(shè)備，但是這些設(shè)選擇通道又稱高速通道，在物理上它可以連接多個(gè)設(shè)備，但是這些設(shè)備不能同時(shí)工作，在某一段時(shí)間內(nèi)通道只能選擇一個(gè)設(shè)備進(jìn)行工作。備不能同時(shí)工作，在某一段時(shí)間內(nèi)通道只能選擇一個(gè)設(shè)備進(jìn)行工作。 選擇選擇通道主要用于連接高速外圍設(shè)備，如磁盤、磁帶、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，通道主要用于連接高速外圍設(shè)備，如磁盤、磁帶、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，信息以成組方式高速傳輸。信息以成組方式高速傳輸。 2. 數(shù)組多路通道數(shù)組多路通道 數(shù)組多路通道是對選擇通道的一種改進(jìn)，它的基本思想是，當(dāng)某設(shè)備數(shù)組多路通道是對選擇通道的一種改進(jìn)，它的基本思想是，當(dāng)某設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，通道只為該設(shè)備服務(wù)；當(dāng)設(shè)備在執(zhí)行尋址等控制

57、性動(dòng)作進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，通道只為該設(shè)備服務(wù)；當(dāng)設(shè)備在執(zhí)行尋址等控制性動(dòng)作時(shí)，通道暫時(shí)斷開與這個(gè)設(shè)備的連接，掛起該設(shè)備的通道程序，去為其它時(shí)，通道暫時(shí)斷開與這個(gè)設(shè)備的連接，掛起該設(shè)備的通道程序，去為其它設(shè)備服務(wù)，即執(zhí)行其它設(shè)備的通道程序。所以數(shù)組多路通道很像一個(gè)多道設(shè)備服務(wù)，即執(zhí)行其它設(shè)備的通道程序。所以數(shù)組多路通道很像一個(gè)多道程序的處理器。程序的處理器。 3. 字節(jié)多路通道字節(jié)多路通道 字節(jié)多路通道主要用于連接大量的低速設(shè)備，如鍵盤、打印機(jī)等等。字節(jié)多路通道主要用于連接大量的低速設(shè)備，如鍵盤、打印機(jī)等等。例如數(shù)據(jù)傳輸率是例如數(shù)據(jù)傳輸率是1000B/s，即傳送，即傳送1個(gè)字節(jié)的間隔是個(gè)字節(jié)的間隔是1ms，而通道從設(shè)，而通道從設(shè)備接收或發(fā)送一個(gè)字節(jié)只需要幾百納秒，因此通道在傳送兩個(gè)字節(jié)之間有備接收或發(fā)送一個(gè)字節(jié)只需要幾百納秒，因此通道在傳送兩個(gè)字節(jié)之間有很多空閑時(shí)間，字節(jié)多路通道正是利用這個(gè)空閑時(shí)間交叉地為多臺(tái)低速設(shè)很多空閑時(shí)間，字節(jié)多路通道正是利用這個(gè)空閑時(shí)間交叉地為多臺(tái)低速設(shè)備服務(wù)。備服務(wù)。 第第40頁頁第八章第八章 輸入輸入/ /輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理補(bǔ)充例題補(bǔ)充例題【例【例1】在程序查詢方式輸入輸出的系統(tǒng)中，有三個(gè)不同的外圍設(shè)備。假定一】在