計(jì)算機(jī)組成原理第8章-輸入輸出系統(tǒng)課件

1、本章給出計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中信息傳輸過(guò)程中的技術(shù)解決方案。輸入/輸出系統(tǒng) 8.18.1.1I/O系統(tǒng)的功能和組成8.1輸入/輸出系統(tǒng)概述需要交換的信息數(shù)據(jù)信息 狀態(tài)信息 控制信息 主機(jī)和外設(shè)之間需要交換的信息實(shí)現(xiàn)主機(jī)和外設(shè)的聯(lián)絡(luò)控制 傳送控制命令和狀態(tài)信息 進(jìn)行地址譯碼和設(shè)備選擇 數(shù)據(jù)格式的變換 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖 功能接口的功能8.1.1I/O系統(tǒng)的功能和組成8.1輸入/輸出系統(tǒng)概述接口的組成主機(jī)外設(shè)外設(shè)識(shí)別數(shù)據(jù)或命令或狀態(tài)控制電路8.1.2I/O設(shè)備的尋址方式8.1輸入/輸出系統(tǒng)概述 統(tǒng)一編址方式又稱存儲(chǔ)器映射編址方式，即把每個(gè)I/O端口都當(dāng)成一個(gè)存儲(chǔ)單元看待，I/O端口與存儲(chǔ)器單元在同一個(gè)地址空間進(jìn)行

2、編址。通常是在整個(gè)地址空間中劃分出一小塊連續(xù)的地址分配給I/O端口，被I/O端口占用了的地址存儲(chǔ)器不能再使用。統(tǒng)一編址8.1.2I/O設(shè)備的尋址方式8.1輸入/輸出系統(tǒng)概述 在獨(dú)立編址方式中，主存地址空間和I/O端口地址空間是相對(duì)獨(dú)立的，分別單獨(dú)編址。例如，在8086系統(tǒng)中，其主存地址范圍是從00000HFFFFFH連續(xù)的1 MB，其I/O端口的地址范圍從0000HFFFFH，它們互相獨(dú)立，互不影響。CPU訪問(wèn)主存時(shí)，由主存讀寫(xiě)控制線控制；訪問(wèn)外設(shè)時(shí)，由I/O讀寫(xiě)控制線控制，所以在指令系統(tǒng)中必須設(shè)置專門(mén)的I/O指令。 獨(dú)立編址8.1.3輸入/輸出方式8.1輸入/輸出系統(tǒng)概述程序查詢方式 通道方

3、式 程序中斷方式 DMA方式 輸入/輸出方式8.2.1程序查詢方式的工作原理8.2程序查詢方式用程序查詢方式傳送時(shí)，CPU通過(guò)執(zhí)行程序不斷地讀取并測(cè)試外設(shè)的狀態(tài)，如果外設(shè)處于準(zhǔn)備好狀態(tài) （輸入設(shè)備）或者空閑狀態(tài)（輸出設(shè)備），則CPU執(zhí)行輸入指令或輸出指令與外設(shè)交換信息。對(duì)于程序查詢方式來(lái)說(shuō)，一個(gè)數(shù)據(jù)傳送過(guò)程包括3個(gè)環(huán)節(jié)： （1）CPU從接口讀取狀態(tài)字。 （2）CPU檢測(cè)狀態(tài)字的對(duì)應(yīng)位是否滿足“就緒”條件，如果不滿足，則繼續(xù)回到前一步讀取狀態(tài)字。 （3）如果狀態(tài)字表明外設(shè)已處于“就緒”狀態(tài)，則傳送數(shù)據(jù)。8.2.1程序查詢方式的工作原理8.2程序查詢方式程序查詢方式的工作流程啟動(dòng)外設(shè)讀取外設(shè)狀態(tài)字

4、外設(shè)準(zhǔn)備就緒？傳送一次數(shù)據(jù)修改傳送數(shù)據(jù)傳送完否？結(jié)束8.2.2程序查詢方式的接口8.2程序查詢方式輸入接口輸入設(shè)備DRQ鎖存器數(shù)據(jù)緩沖器三態(tài)緩沖器地址譯碼8.2.2程序查詢方式的接口8.2程序查詢方式輸出接口輸出設(shè)備數(shù)據(jù)鎖存器狀態(tài)寄存器地址譯碼QRD8.3.1中斷的基本概念 8.3程序中斷方式中斷的引入有兩個(gè)方面的原因：在查詢方式下，CPU不斷地讀取和檢測(cè)狀態(tài)字，如果狀態(tài)表明外設(shè)未準(zhǔn)備就緒，則CPU必須等待。這些過(guò)程占用了CPU大量的工作時(shí)間，而CPU真正用于傳送數(shù)據(jù)的時(shí)間卻很短，而且大多數(shù)外設(shè)的速度比CPU的工作速度慢得多，所以程序查詢方式的實(shí)質(zhì)無(wú)異于讓CPU降低有效的工作速度，適應(yīng)慢速的外

5、設(shè)。有兩個(gè)方面的原因：用程序查詢方式工作時(shí)，如果一個(gè)系統(tǒng)有多個(gè)外設(shè)，那么CPU只能輪流對(duì)每個(gè)外設(shè)進(jìn)行查詢，而這些外設(shè)的工作速度各不相同。這時(shí)CPU顯然不能很好地滿足各個(gè)外設(shè)隨機(jī)性地對(duì)CPU提出的輸入/輸出服務(wù)要求，所以不具備實(shí)時(shí)性?？梢?jiàn)，在實(shí)時(shí)系統(tǒng)以及多個(gè)外設(shè)的系統(tǒng)中，采用程序查詢方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送往往是不合適的。8.3.1中斷的基本概念 8.3程序中斷方式中斷的引入中斷：由于系統(tǒng)中某些突發(fā)事件或異常情況的發(fā)生，而強(qiáng)迫CPU暫停（或中斷）正在執(zhí)行的程序轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的服務(wù)，當(dāng)中斷服務(wù)結(jié)束之后再回到原來(lái)被中斷的地方繼續(xù)執(zhí)行原來(lái)的程序。中斷源：發(fā)出中斷請(qǐng)求的來(lái)源。中斷源可以分為兩大類：內(nèi)部中斷和外部中

6、斷。 8.3.1中斷的基本概念 8.3程序中斷方式中斷的基本概念和思想在中斷傳送方式下，外部設(shè)備具有申請(qǐng)CPU服務(wù)的主動(dòng)權(quán)。當(dāng)輸入設(shè)備將數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好或者輸出設(shè)備準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)時(shí)，便可以向CPU發(fā)中斷請(qǐng)求，使CPU暫時(shí)停下當(dāng)前正在執(zhí)行的程序而和外部設(shè)備完成一次數(shù)據(jù)傳輸。等輸入/輸出操作完成以后，CPU繼續(xù)執(zhí)行原來(lái)的程序。8.3.1中斷的基本概念 8.3程序中斷方式中斷的基本概念和思想中斷的原理8.3.1中斷的基本概念 8.3程序中斷方式中斷的作用使CPU與I/O設(shè)備實(shí)現(xiàn)并行工作 中斷的作用硬件故障處理 實(shí)現(xiàn)人機(jī)聯(lián)系 實(shí)現(xiàn)多道程序和分時(shí)操作 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理 8.3.2中斷的工作過(guò)程 8.3程序中斷方式

7、中斷的請(qǐng)求當(dāng)外部設(shè)備處于就緒狀態(tài)，即輸入設(shè)備將數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好或者輸出設(shè)備準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)時(shí)，便通過(guò)相應(yīng)的硬件電路向CPU發(fā)送一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，請(qǐng)求為之服務(wù)。8.3.2中斷的工作過(guò)程 8.3程序中斷方式中斷判優(yōu)一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包含多個(gè)中斷源。由于中斷產(chǎn)生的隨機(jī)性，使得有可能在某一時(shí)刻有多個(gè)中斷源向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求，但是CPU在任意時(shí)刻只能響應(yīng)并處理一個(gè)中斷。 中斷優(yōu)先級(jí)判定的方法一般有兩種：軟件判優(yōu)和硬件判優(yōu)。8.3.2中斷的工作過(guò)程 8.3程序中斷方式中斷判優(yōu)軟件判優(yōu)是指通過(guò)軟件來(lái)安排各中斷源的優(yōu)先級(jí)別，但是也要借助于簡(jiǎn)單的硬件電路實(shí)現(xiàn)，如下圖所示。軟件判優(yōu)CPUD0D7INTR并行I/O端口1中斷

8、請(qǐng)求寄存器8.3.2中斷的工作過(guò)程 8.3程序中斷方式中斷判優(yōu)硬件判優(yōu)硬件判優(yōu)是指利用專門(mén)的硬件電路或中斷控制器來(lái)安排各中斷源的優(yōu)先級(jí)。菊花鏈法的基本思想是將所有的中斷源構(gòu)成一個(gè)鏈，各中斷源在鏈中的前后順序是根據(jù)中斷源優(yōu)先級(jí)的高低來(lái)排列的，排在鏈前面的高優(yōu)先級(jí)的中斷會(huì)自動(dòng)封鎖后邊低優(yōu)先級(jí)的中斷。8.3.2中斷的工作過(guò)程 8.3程序中斷方式中斷判優(yōu)硬件判優(yōu)菊花鏈線路圖8.3.2中斷的工作過(guò)程 8.3程序中斷方式中斷判優(yōu)硬件判優(yōu)菊花鏈邏輯電路 8.3.2中斷的工作過(guò)程 8.3程序中斷方式中斷響應(yīng) （1）斷點(diǎn)保護(hù)。為了在中斷處理結(jié)束后能正確地返回到中斷處，在響應(yīng)中斷時(shí)，必須把當(dāng)前的程序計(jì)數(shù)器的內(nèi)容（

9、斷點(diǎn)）保存起來(lái)。 （2）根據(jù)前面得到的中斷類型碼計(jì)算出中斷服務(wù)子程序的入口地址。8.3.3中斷處理 8.3程序中斷方式1關(guān)中斷 保護(hù)現(xiàn)場(chǎng) 23開(kāi)中斷 執(zhí)行中斷服務(wù)程序 45關(guān)中斷和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng) 6中斷返回 中斷處理8.3.4單級(jí)中斷與多級(jí)中斷 8.3程序中斷方式單級(jí)中斷系統(tǒng)在單級(jí)中斷系統(tǒng)中，所有的中斷源都屬于同一級(jí)，其優(yōu)先次序是離CPU近的優(yōu)先級(jí)高。當(dāng)響應(yīng)某一中斷請(qǐng)求時(shí)，執(zhí)行該中斷源的中斷服務(wù)程序，在此過(guò)程中，不允許其他中斷源打斷中斷服務(wù)程序。8.3.4單級(jí)中斷與多級(jí)中斷 8.3程序中斷方式多級(jí)中斷8.4.1DMA方式的基本概念8.4DMA方式DMA傳送方式的提出基于兩點(diǎn)原因：中斷傳送方式的傳輸效

10、率不是很高。程序查詢方式和中斷方式不能實(shí)現(xiàn)按數(shù)據(jù)塊傳送 。 對(duì)需要高速數(shù)據(jù)傳送的設(shè)備，希望外設(shè)能夠不通過(guò)CPU而直接與內(nèi)存進(jìn)行信息交換，這就是DMA方式。在這種方式下，外部設(shè)備利用專用的接口電路直接和存儲(chǔ)器進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳送，而并不經(jīng)過(guò)CPU。這樣，傳輸時(shí)就不必進(jìn)行保護(hù)斷點(diǎn)和保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)之類的一系列額外操作，數(shù)據(jù)的傳輸速率基本取決于外設(shè)和存儲(chǔ)器的速度。DMA傳送方式的基本思想8.4.1DMA方式的基本概念8.4DMA方式DMA方式一般應(yīng)用于主存與高速外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送。高速外設(shè)如磁盤(pán)、磁帶、光盤(pán)等輔助存儲(chǔ)器以及其他帶有局部存儲(chǔ)器的外設(shè)、通信設(shè)備等。DMA方式的應(yīng)用8.4.2DMA傳送方式8.4DMA

11、方式當(dāng)外圍設(shè)備要求傳送一批數(shù)據(jù)時(shí)，由DMA控制器向CPU發(fā)出一個(gè)總線請(qǐng)求信號(hào)，要求CPU放棄對(duì)數(shù)據(jù)總線、地址總線和有關(guān)控制總線的使用權(quán)。DMA控制器獲得總線控制權(quán)后，開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。在一批數(shù)據(jù)傳送完畢后，DMA控制器通知CPU可以使用內(nèi)存，并把總線控制權(quán)交換給CPU。 暫停CPU訪問(wèn)8.4.2DMA傳送方式8.4DMA方式一旦外設(shè)有DMA請(qǐng)求并獲得CPU批準(zhǔn)后，CPU讓出一個(gè)周期的總線控制權(quán)，由DMA控制器控制系統(tǒng)總線，挪用一個(gè)存取周期進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳送，傳送一個(gè)字節(jié)或一個(gè)字。然后DMA控制器將總線控制權(quán)交回CPU，CPU繼續(xù)進(jìn)行自己的操作，等待下一個(gè)DMA請(qǐng)求的到來(lái)。重復(fù)上述過(guò)程，直至數(shù)據(jù)塊

12、傳送完畢。 周期挪用DMA與CPU交替訪問(wèn)8.4.2DMA傳送方式8.4DMA方式把原來(lái)的一個(gè)存取周期分成兩個(gè)時(shí)間片，一片分給CPU，一片分給DMA，使CPU和DMA交替地訪問(wèn)內(nèi)存。這種方法無(wú)須申請(qǐng)和歸還總線，使總線控制權(quán)的轉(zhuǎn)移幾乎不需要什么時(shí)間，所以對(duì)DMA傳送來(lái)講效率是很高的，而CPU既不停止現(xiàn)行程序的運(yùn)行，也不進(jìn)入保持狀態(tài)，在CPU不知不覺(jué)中便進(jìn)行了DMA傳送。 8.4.3DMA控制器8.4DMA方式內(nèi)存CPU中斷機(jī)構(gòu)控制狀態(tài)邏輯內(nèi)存地址計(jì)數(shù)字計(jì)數(shù)器DMA請(qǐng)求觸發(fā)器數(shù)據(jù)緩沖寄存器設(shè)備選擇設(shè)備DMA控制器的基本組成（1）當(dāng)外設(shè)準(zhǔn)備就緒，希望進(jìn)行DMA操作時(shí)，會(huì)向DMA控制器發(fā)出DMA請(qǐng)求信

13、號(hào)，DMA控制器接到此信號(hào)后，會(huì)向CPU發(fā)出總線請(qǐng)求信號(hào)。（2）當(dāng)CPU響應(yīng)此總線請(qǐng)求，發(fā)出總線響應(yīng)信號(hào)后，DMA控制器能接管對(duì)總線的控制，進(jìn)入DMA操作周期。（3）確定傳送數(shù)據(jù)的主存單元地址及傳送長(zhǎng)度，并能自動(dòng)修改內(nèi)存地址計(jì)數(shù)值和字計(jì)數(shù)值。（4）規(guī)定數(shù)據(jù)在內(nèi)存與外設(shè)之間的傳送方向，發(fā)出讀寫(xiě)信號(hào)或其他控制信號(hào)，并執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送操作。（5）DMA過(guò)程結(jié)束時(shí)，DMA控制器向CPU發(fā)出結(jié)束信號(hào)，并將總線控制權(quán)讓給CPU。8.4.3DMA控制器8.4DMA方式DMA控制器的功能8.4.4DMA工作過(guò)程8.4DMA方式 預(yù)處理階段由CPU執(zhí)行幾條輸入/輸出指令，用于測(cè)試設(shè)備狀態(tài)，向內(nèi)存地址計(jì)數(shù)器中送入起始

14、地址，向字計(jì)數(shù)器中送入交換的數(shù)據(jù)字個(gè)數(shù)，啟動(dòng)外部設(shè)備等。在這些工作完成以后，CPU繼續(xù)執(zhí)行原來(lái)的程序。1.DMA預(yù)處理2.數(shù)據(jù)傳送DMA請(qǐng)求DMA響應(yīng)發(fā)送內(nèi)存地址發(fā)送一次數(shù)據(jù)檢測(cè)傳送是否結(jié)束？DMA結(jié)束修改內(nèi)存計(jì)數(shù)值和字計(jì)數(shù)值8.4.4DMA工作過(guò)程8.4DMA方式 當(dāng)字計(jì)數(shù)值減到0時(shí)，DMA操作結(jié)束，DMA控制器向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求，CPU停止原來(lái)程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)程序做DMA結(jié)束處理工作。這些工作包括檢驗(yàn)送入內(nèi)存的數(shù)據(jù)是否正確；決定繼續(xù)使用DMA方式傳送下去，還是結(jié)束傳送；測(cè)試在傳送過(guò)程中是否發(fā)生了錯(cuò)誤等。3.DMA結(jié)束處理8.5.1通道的功能8.5通道方式通道是一個(gè)特殊功能的處

15、理器，它有自己的指令和程序?qū)ｉT(mén)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)輸入/輸出的傳輸控制，且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)部運(yùn)算與I/O設(shè)備的并行工作。1.通道簡(jiǎn)介8.5.1通道的功能8.5通道方式 設(shè)備控制器的具體任務(wù)如下：（1）從通道接收通道指令，控制外圍設(shè)備完成所要求的操作。（2）向通道反映外圍設(shè)備的狀態(tài)。（3）將各種外圍設(shè)備的不同信號(hào)轉(zhuǎn)換成通道能夠識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。3.通道對(duì)設(shè)備控制器的管理CPU通過(guò)執(zhí)行I/O指令以及處理來(lái)自通道的中斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)通道的管理。來(lái)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。2.CPU對(duì)通道的管理

16、8.5.2通道的工作過(guò)程8.5通道方式 通道完成一次數(shù)據(jù)傳送的主要過(guò)程分為以下3步： （1）在用戶程序中使用訪管指令進(jìn)入管理程序，由CPU通過(guò)管理程序組織一個(gè)通道程序，并啟動(dòng)通道。 （2）通道執(zhí)行CPU為它組織的通道程序，完成指定的數(shù)據(jù)輸入/輸出工作。 （3）通道程序結(jié)束后向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求。CPU響應(yīng)這個(gè)中斷請(qǐng)求后，第二次進(jìn)入操作系統(tǒng)，調(diào)用管理程序?qū)χ袛嗾?qǐng)求進(jìn)行處理。1.字節(jié)多路通道一個(gè)字節(jié)多路通道，包含多個(gè)按字節(jié)方式傳送信息的子通道。每個(gè)子通道服務(wù)于一個(gè)設(shè)備控制器，每個(gè)子通道都可以獨(dú)立地執(zhí)行通道程序。各個(gè)子通道可以并行工作，但是所有子通道的控制部分是公共的，各個(gè)子通道可以分時(shí)地使用。8.5.3通道的類型8.5通道方式2.選擇通道在一段時(shí)間內(nèi)，通道只能選擇一臺(tái)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，此時(shí)該設(shè)備可以獨(dú)占整個(gè)通道。因此，選擇通道一次只能執(zhí)行一個(gè)通道程序，只有當(dāng)它與主存交換完信息后，才能再選擇另一臺(tái)外部設(shè)備并執(zhí)行該設(shè)備的通道程序。 8.5.3通道的類型8.5通道方式3.數(shù)組多路通道數(shù)組多路通道是把字節(jié)多路通道和選擇通道的特點(diǎn)結(jié)合起