計算機組成原理-輸入輸出系統(tǒng)課件

計算機組成原理主講老師：葉林鋒電子郵件:64664921@聯(lián)系電話:139221550662023/2/31計算機組成原理第8章

輸入輸出系統(tǒng)2023/2/32計算機組成原理第8章計算機的輸入輸出系統(tǒng)是整個計算機系統(tǒng)中最具有多樣性和復雜性的部分，本章首先介紹主機與外設之間的連接問題，接著重點介紹程序查詢方式、程序中斷方式、DMA方式和通道方式。2023/2/33計算機組成原理8.1主機與外設的連接8.1.1

輸入輸出接口

主機和外設的連接方式有輻射型連接、總線型連接等。輸入/輸出接口（I/O接口）是主機和外設之間的交接界面，通過接口可以實現主機和外設之間的信息交換。主機和外設各自具有自己的工作特點，它們在信息形式和工作速度上具有很大的差異，接口正是為了解決這些差異而設置的。

2023/2/34計算機組成原理8.1主機與外設的連接主機和外設之間需要交換的信息有：1.數據信息這類信息可以是通過輸入設備送到計算機的輸入數據，也可以是經過計算機運算處理和加工后，送到輸出設備的結果數據。傳送可以是并行的，也可以是串行的。2.控制信息這是CPU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、中斷功能的允許和禁止等。2023/2/35計算機組成原理8.1主機與外設的連接3.狀態(tài)信息這類信息用來標志外設的工作狀態(tài)，比如，輸入設備數據準備好標志，輸出設備忙閑標志等。CPU在必要時可通過對它的查詢來決定下一步的操作。4.

聯(lián)絡信息這是主機和外設間工作的時間配合信息，它與主機和外設間的信息交換方式密切相關。通過聯(lián)絡信息可以決定不同工作速度的外設和主機之間交換信息的最佳時刻，以保證整個計算機系統(tǒng)能統(tǒng)一協(xié)調地工作。2023/2/36計算機組成原理8.1主機與外設的連接5.外設識別信息這是I/O尋址的信息，使CPU能從眾多的外設中尋找出與自己進行信息交換的唯一外部設備。2023/2/37計算機組成原理8.1主機與外設的連接8.1.2接口的功能和基本組成1.接口的功能(1)實現主機和外設的通信聯(lián)絡控制接口中的同步控制電路用來解決主機與外設的時間配合問題。(2)進行地址譯碼和設備選擇當CPU送來選擇外設的地址碼后，接口必須對地址進行譯碼以產生設備選擇信息，使主機能和指定外設交換信息。2023/2/38計算機組成原理8.1主機與外設的連接(3)實現數據緩沖在接口電路中，一般設置有一個或幾個數據緩沖寄存器，用于數據的暫存，以避免因速度不一致而丟失數據。在傳送過程中，先將數據送入數據緩沖寄存器中，然后再送到輸出設備或主機中去。(4)數據格式的變換在輸入或輸出操作過程中，為了滿足主機或外設的各自要求，接口電路中必須具有完成各類數據相互轉換的功能。2023/2/39計算機組成原理8.1主機與外設的連接(5)傳遞控制命令和狀態(tài)信息當CPU要啟動某一外設時，通過接口中的控制命令寄存器向外設發(fā)出啟動命令；當外設準備就緒時，則有狀態(tài)信息送回接口中的狀態(tài)寄存器，為CPU提供反饋信息，告訴CPU，I/O設備已經具備和CPU交換數據的條件。當外設向CPU提出中斷請求和DMA請求時，CPU也有相應的響應信號反饋給外設。2023/2/310計算機組成原理8.1主機與外設的連接2.接口的基本組成接口中要分別傳送數據信息、控制信息和狀態(tài)信息，數據信息、控制信息和狀態(tài)信息都通過數據總線來傳送。大多數計算機都把I/O設備的狀態(tài)信息視為輸入數據，而把控制信息看成輸出數據，并在接口中分設各自相應的寄存器，賦以不同的端口地址，各種信息分時地使用數據總線傳送到各自的寄存器中。2023/2/311計算機組成原理8.1主機與外設的連接主機外設識別數據/命令/狀態(tài)控制電路地址信息控制聯(lián)絡信息數據(并)外設控制聯(lián)絡數據(并/串)接口2023/2/312計算機組成原理8.1主機與外設的連接接口與端口是兩個不同的概念。端口是指接口電路中可以進行讀/寫的寄存器，若干個端口加上相應的控制邏輯電路才組成接口。2023/2/313計算機組成原理8.1主機與外設的連接通常，一個接口中包含有數據端口、控制端口和狀態(tài)端口。存放數據信息的寄存器稱為數據端口，存放控制命令的端口稱為命令端口，存放狀態(tài)信息的寄存器稱為狀態(tài)端口。CPU通過輸入指令可以從有關端口中讀出信息，通過輸出指令可以把信息寫入有關端口。對狀態(tài)端口只進行輸入操作，將設備狀態(tài)標志送到CPU中去；對命令端口只進行輸出操作，CPU將向外設發(fā)送各種控制命令。因此，在有的接口電路中狀態(tài)信息和控制信息共用一個寄存器，稱之為設備的控制狀態(tài)寄存器。2023/2/314計算機組成原理8.1主機與外設的連接3.接口的類型(1)按數據傳送方式分類有串行接口和并行接口。這里所說的數據傳送方式指的是外設和接口一側的傳送方式，而在主機和接口一側，數據總是并行傳送的。

(2)按主機訪問I/O設備的控制方式分類可分為程序查詢式接口、中斷接口、DMA接口等。(3)按功能選擇的靈活性分類有可編程接口和不可編程接口。2023/2/315計算機組成原理8.1主機與外設的連接(4)按通用性分類有通用接口和專用接口。(5)按輸入/輸出的信號分類有數字接口和模擬接口。(6).按應用來分類

①

運行輔助接口。

②

用戶交互接口。

③

傳感接口。

④

控制接口。2023/2/316計算機組成原理8.1主機與外設的連接8.1.3外設的識別與端口尋址外設識別是通過地址總線和接口電路中的外設識別電路來實現的，I/O端口地址就是主機與外設直接通信的地址，CPU可以通過端口發(fā)送命令、讀取狀態(tài)和傳送數據。1.端口地址編址方式

I/O端口編址方式有兩種：一種是I/O映射方式，即把I/O端口地址與主存單元地址分別進行獨立的編址；另一種是存儲器映射方式，即把端口地址與主存單元地址統(tǒng)一編址。2023/2/317計算機組成原理8.1主機與外設的連接(1)獨立編址主存地址空間和I/O端口地址空間是相對獨立的，分別單獨編址。比如，在8086中，其主存地址范圍是從00000H～FFFFFH連續(xù)的1MB，其I/O端口的地址范圍從0000H～FFFFH，它們互相獨立，互不影響。CPU訪問主存時，由主存讀/寫控制線控制；訪問外設時，由I/O讀/寫控制線控制，所以在指令系統(tǒng)中必須設置專門的I/O指令。當CPU使用I/O指令時，其指令的地址字段直接或間接的指示出端口地址。2023/2/318計算機組成原理8.1主機與外設的連接(2)統(tǒng)一編址

I/O端口地址和主存單元的地址是統(tǒng)一編址的，把I/O接口中的端口作為主存單元一樣進行訪問，不設置專門的I/O指令。每個外設至少有兩個寄存器：控制狀態(tài)寄存器和數據緩沖寄存器，外設寄存器的地址碼是連續(xù)的。在PDP-11中，把主存的高4KB地址空間留給外設接口寄存器和CPU內部寄存器使用，這4KB存儲空間不允許用戶再存放其他內容。2023/2/319計算機組成原理8.1主機與外設的連接2.獨立編址方式的端口訪問

Intel80x86最多可直接尋址256個字節(jié)端口，可間接尋址65536個字節(jié)端口。任意兩個連續(xù)的8位端口可作為16位端口處理；四個連續(xù)的8位端口可作為32位端口處理。因此，I/O地址空間最多能提供64K個8位端口、32K個16位端口、16K個32位端口或總容量不超過64KB的不同端口的組合。2023/2/320計算機組成原理8.1主機與外設的連接

80x86的專用I/O指令IN和OUT有直接尋址和間接尋址兩種類型。直接尋址I/O端口的尋址范圍為00～FFH，至多為256個端口地址。這時程序可以指定：編號0到255的256個8位端口；編號0、2、4…252、254的128個16位端口；編號0、4、8…248、252的64個32位端口。2023/2/321計算機組成原理8.1主機與外設的連接間接尋址由DX寄存器間接給出I/O端口地址。DX寄存器長16位，尋址范圍為0000～FFFFH，最多可尋址216=64K個端口地址，這時程序可指定：編號0到65535的65536個8位端口；編號0、2、4…65532、65534的32768個16位端口；編號0、4、8…65528、65532的16384個32位端口。2023/2/322計算機組成原理8.1主機與外設的連接

CPU一次可實現字節(jié)（8位）、字（16位）或雙字（32位）的數據傳送，與存儲器中的雙字一樣。32位端口應對準可被4整除的偶地址，與存儲器中的字一樣，16位端口應對準偶地址，8位端口可定位在偶地址，也可定位在奇地址。2023/2/323計算機組成原理

8.1主機與外設的連接8.1.4輸入/輸出信息傳送控制方式

主機和外設之間的信息傳送控制方式，經歷了由低級到高級、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，按其發(fā)展的先后次序和主機與外設并行工作的程度，可以分為四種。2023/2/324計算機組成原理

8.1主機與外設的連接1.程序查詢方式程序查詢方式是一種程序直接控制方式，這是主機與外設間進行信息交換的最簡單方式，輸入和輸出完全是通過CPU執(zhí)行程序來完成的。

這種方式控制簡單，但外設和主機不能同時工作，各外設之間也不能同時工作，系統(tǒng)效率很低，因此，僅適用于外設的數目不多，對I/O處理的實時要求不那么高，CPU的操作任務比較單一，并不很忙的情況。2023/2/325計算機組成原理8.1主機與外設的連接2.程序中斷方式外設在作好輸入/輸出準備時，向主機發(fā)中斷請求，主機接到請求后就暫時中止原來執(zhí)行的程序，轉去執(zhí)行中斷服務程序對外部請求進行處理，在中斷處理完畢后返回原來的程序繼續(xù)執(zhí)行。程序中斷不僅允許主機和外設同時并行工作，并且允許一臺主機管理多臺外設。但是完成一次程序中斷需要許多輔助操作，可能使CPU應接不暇；對于一些高速外設，可能會造成信息丟失，因此，它主要適用于中、低速外設。

2023/2/326計算機組成原理8.1主機與外設的連接3.直接存儲器存取（DMA）方式

DMA方式是在主存儲器和外部設備之間開辟直接的數據通路，可以進行基本上不需要CPU介入的主存和外設之間的信息傳送，這樣不僅能保證CPU的高效率，而且能滿足高速外設的需要。

DMA方式只能進行簡單的數據傳送操作，在數據塊傳送的起始和結束時還需CPU及中斷系統(tǒng)進行預處理和后處理。

2023/2/327計算機組成原理8.1主機與外設的連接4.I/O通道控制方式通道是一個具有特殊功能的處理器，它能獨立地執(zhí)行通道程序，產生相應的控制信號，實現對外設的統(tǒng)一管理和外設與主存之間的數據傳送。但它不是一個完全獨立的處理機，它要在CPU的I/O指令指揮下才能啟動、停止或改變工作狀態(tài)，是從屬于CPU的一個專用處理器。一個通道執(zhí)行輸入/輸出過程全部由通道按照通道程序自行處理，不論交換信息多少，只打擾CPU兩次（啟動和停止時）。2023/2/328計算機組成原理8.2程序查詢方式及其接口8.2.1程序查詢方式1.程序查詢的基本思想由CPU執(zhí)行一段輸入、輸出程序來實現主存與外設之間的數據傳送方式，叫做程序直接控制方式。根據外設的不同性質，這種傳送方式又可分為無條件傳送和程序查詢方式兩種。在無條件傳送方式中，I/O接口總是準備好接收主機的輸出數據，或總是準備好向主機輸入的數據，因而CPU無需查詢外設的工作狀態(tài)，而默認外設始終處于準備就緒狀態(tài)。2023/2/329計算機組成原理8.2程序查詢方式及其接口許多外設的工作狀態(tài)是很難事先預知的，為了保證數據傳送的正確進行，就要求CPU在程序中查詢外設的工作狀態(tài)，如果外設尚未準備就緒，CPU就等待，只有外設已作好準備，CPU才能執(zhí)行I/O指令，這就是程序查詢方式。2023/2/330計算機組成原理8.2程序查詢方式及其接口2.程序查詢方式的工作流程(1)預置傳送參數在傳送數據之前，由CPU執(zhí)行一段程序，預置傳送參數。傳送參數包括存取數據的主存緩沖區(qū)首地址和傳送數據的個數。(2)向I/O接口發(fā)命令字當CPU選中某臺外設時，執(zhí)行輸出指令向I/O接口發(fā)出命令字，啟動外設，為接收數據或發(fā)送數據的操作做準備。2023/2/331計算機組成原理8.2程序查詢方式及其接口(3)從I/O接口取回狀態(tài)字

CPU執(zhí)行輸入指令，從I/O接口中取回狀態(tài)字并進行測試，判斷數據傳送是否可以進行。(4)查詢外設標志

CPU不斷查詢狀態(tài)標志，如果外設沒有準備就緒，CPU就踏步進行等待，一直到這個外設準備就緒，并發(fā)出“準備就緒”信號為止。2023/2/332計算機組成原理8.2程序查詢方式及其接口(5)傳送數據只有外設準備好，才能實現主機與外設間的一次數據傳送。輸入時，CPU執(zhí)行輸入指令，從I/O接口的數據緩沖寄存器中接收數據；輸出時，CPU執(zhí)行輸出指令，將數據寫入I/O接口的數據緩沖寄存器。(6)修改傳送參數每進行一次數據傳送，需要修改傳送參數，其中包括主存緩沖區(qū)地址加1，傳送個數減1。2023/2/333計算機組成原理8.2程序查詢方式及其接口(7)判斷傳送是否結束

如果傳送個數不為0，則轉第3步，繼續(xù)傳送，直到傳送結束為止。2023/2/334計算機組成原理8.2程序查詢方式及其接口預置傳送參數啟動外設取外設狀態(tài)傳送一次數據修改傳送參數外設準備就緒?傳送完否?YYNN結束輸出指令(OUT控制口,AL)輸入/輸出指令(INAL,數據口/OUT數據口,AL)輸入指令(INAL,狀態(tài)口)2023/2/335計算機組成原理8.2程序查詢方式及其接口8.2.2程序查詢方式接口最簡單、經濟的I/O方式，只需很少的硬件。通常接口中至少有兩個寄存器，一個是數據緩沖寄存器，即數據端口，用來存放與CPU進行傳送的數據信息，另一個是供CPU查詢的設備狀態(tài)寄存器，即狀態(tài)端口，這個寄存器由多個標志位組成，其中最重要的是設備準備就緒標志。當CPU得到這位信息后就進行判斷，以決定下一步是繼續(xù)循環(huán)等待還是進行I/O傳送，也有些計算機僅設置狀態(tài)標志觸發(fā)器，其作用與設備狀態(tài)寄存器相同。2023/2/336計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式8.3.1中斷的基本概念1.中斷的提出程序查詢方式存在著下列明顯的缺點。①在查詢過程中，CPU長期處于踏步等待狀態(tài)，使系統(tǒng)效率大大降低。②CPU在一段時間內只能和一臺外設交換信息，其它設備不能同時工作。③不能發(fā)現和處理預先無法估計的錯誤和異常情況。2023/2/337計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式啟動工作工作完成完成響應響應中斷請求中斷請求中斷返回中斷返回外部設備中斷服務程序現行程序CPU2023/2/338計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式為了提高輸入/輸出能力和CPU的效率，50年代中期，中斷傳送方式被引進計算機系統(tǒng)?，F代計算機，無論是巨型機、大型機、小型機還是微型機無不具有中斷能力。中斷系統(tǒng)是計算機實現中斷功能的軟、硬件總稱。一般在CPU中配置中斷機構，在外設接口中配置中斷控制器，在軟件上設計相應的中斷服務程序。2023/2/339計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式2.程序中斷與調用子程序的區(qū)別表面上看起來，計算機的中斷處理過程有點類似于調用子程序的過程，這里現行程序相當于主程序，中斷服務程序相當于子程序。但是，它們之間卻是有著本質上的區(qū)別的。2023/2/340計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式⑴子程序的執(zhí)行是由程序員事先安排好的（由一條調用子程序指令轉入），而中斷服務程序的執(zhí)行則是由隨機的中斷事件引起的；⑵子程序的執(zhí)行受到主程序或上層子程序的控制，而中斷服務程序一般與被中斷的現行程序毫無關系；⑶不存在同時調用多個子程序的情況，而有可能發(fā)生多個外設同時請求CPU為自己服務的情況。2023/2/341計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式3.中斷的基本類型(1)自愿中斷和強迫中斷自愿中斷又稱程序自中斷，它不是隨機產生的中斷，而是在程序中安排的有關指令，這些指令可以使機器進入中斷處理的過程，如：指令系統(tǒng)中的軟件中斷指令等。

強迫中斷是隨機產生的中斷，不是程序中事先安排好的。當這種中斷產生后，由中斷系統(tǒng)強迫計算機中止現行程序并轉入中斷服務程序。2023/2/342計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式(2)程序中斷和簡單中斷

程序中斷就是我們前面提到的中斷，主機在響應中斷請求后，通過執(zhí)行一段中斷服務程序來處理更緊迫的任務。

簡單中斷就是外設與主存間直接進行信息交換的方法，即DMA方式。這種“中斷”不去執(zhí)行中斷服務程序，故不破壞現行程序的狀態(tài)。主機發(fā)現有簡單中斷請求（也就是DMA請求）時，將讓出一個或幾個存取周期供外設與主存交換信息，然后繼續(xù)執(zhí)行程序。2023/2/343計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式(3)內中斷和外中斷內中斷是指由于CPU內部硬件或軟件原因引起的中斷。

外中斷是指CPU以外的部件引起的中斷。(4)向量中斷和非向量中斷

向量中斷是指那些中斷服務程序的入口地址是由中斷事件自己提供的中斷。中斷事件在提出中斷請求的同時，通過硬件向主機提供中斷服務程序入口地址，即向量地址。2023/2/344計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式

非向量中斷的中斷事件不能直接提供中斷服務程序的入口地址，而由CPU查詢之后得到。(5)單重中斷和多重中斷

單重中斷在CPU執(zhí)行中斷服務程序的過程中不能被再打斷。

多重中斷在執(zhí)行某個中斷服務程序的過程中，CPU可去響應級別更高的中斷請求，又稱為中斷嵌套。2023/2/345計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式8.3.2中斷請求和中斷判優(yōu)1.中斷源和中斷請求信號

中斷源是指中斷的來源，即任何引起計算機中斷的事件，一般計算機都有多個中斷源。由于每個中斷源向CPU發(fā)出中斷請求的時間是隨機的，為了記錄中斷事件并區(qū)分不同的中斷源，可采用具有存儲功能的觸發(fā)器來記錄中斷源，稱為中斷請求觸發(fā)器。當某一個中斷源有中斷請求時，其相應的中斷請求觸發(fā)器置成“1”狀態(tài)，此時，該中斷源向CPU發(fā)出中斷請求信號。2023/2/346計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式多個中斷請求觸發(fā)器構成一個中斷請求寄存器，其中每一位對應一個中斷源，中斷請求寄存器的內容稱為中斷字或中斷碼，中斷字中為“1”的位就表示對應的中斷源有中斷請求。2023/2/347計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式2.中斷請求信號的傳送(1)獨立請求線每個中斷源單獨設置中斷請求線，將中斷請求信號直接送往CPU，這種方式的特點是CPU在接到中斷請求的同時也就知道了中斷源是誰，其中斷服務程序的入口地址在哪里。2023/2/348計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式(2)公共請求線多個中斷源共有一根公共請求線，這種方式的特點是在負載允許的情況下，中斷源的數目可隨意擴充，但CPU在接到中斷請求后，必須通過軟件或硬件的方法來識別中斷源，然后再找出中斷服務程序的入口地址。(3)二維結構將中斷請求線連成二維結構，同一優(yōu)先級別的中斷源，采用一根公共的請求線，不同請求線上的中斷源優(yōu)先級別不同，這種方式綜合了前兩種方式的優(yōu)點，在中斷源較多的系統(tǒng)中常采用這種方式。2023/2/349計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式3.中斷優(yōu)先級與判優(yōu)方法當多個中斷源同時發(fā)出中斷請求時，CPU在任何瞬間只能接受一個中斷源的請求。通常，把全部中斷源按中斷的性質和處理的輕重緩急安排優(yōu)先級，并進行排隊。確定中斷優(yōu)先級的原則是：對那些提出中斷請求后需要立刻處理，否則就會造成嚴重后果的中斷源規(guī)定最高的優(yōu)先級；而對那些可以延遲響應和處理的中斷源規(guī)定較低的優(yōu)先級。如故障中斷一般優(yōu)先級較高，接著才是I/O設備中斷。而在I/O設備中又可以根據各個設備的速度來決定優(yōu)先級。2023/2/350計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式每個中斷源均有一個為其服務的中斷服務程序，每個中斷服務程序都有與之對應的優(yōu)先級別。另外，CPU正在執(zhí)行的程序也有優(yōu)先級。只有當某個中斷源的優(yōu)先級別高于CPU現在的優(yōu)先級時，才能中止CPU執(zhí)行現在的程序。2023/2/351計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式(1)軟件判優(yōu)法軟件判優(yōu)法，就是用程序來判別優(yōu)先級，這是最簡單的中斷判優(yōu)方法。2023/2/352計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式當CPU接到中斷請求信號后，就執(zhí)行查詢程序，逐個檢測中斷請求寄存器的各位狀態(tài)，檢測順序是按優(yōu)先級的大小排列的，最先檢測的中斷源具有最高的優(yōu)先級，其次檢測的中斷源具有次高優(yōu)先級，如此下去，最后檢測的中斷源具有最低的優(yōu)先級。顯然，軟件判優(yōu)是與識別中斷源結合在一起的，當查詢到中斷請求信號的發(fā)出者，也就是找到了中斷源，程序立即可以轉入對應的中斷服務程序中去。2023/2/353計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式(2)硬件判優(yōu)電路采用硬件實現中斷優(yōu)先級判定可節(jié)省CPU時間，而且速度快，但是成本較高。根據中斷請求信號的傳送方式不同，有不同的優(yōu)先排隊電路，常見的有以下幾種方案。獨立請求線的優(yōu)先排隊電路公共請求線的優(yōu)先排隊電路2023/2/354計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式8.3.3中斷響應和中斷處理1.CPU響應中斷的條件(1)CPU接收到中斷請求信號首先中斷源要發(fā)出中斷請求，同時CPU還要接收到這個中斷請求信號。(2)CPU允許中斷

CPU允許中斷即開中斷。CPU內部有一個中斷允許觸發(fā)器，只有當其被置位時，CPU才可能響應中斷源的中斷請求（中斷開放）。如其被復位，CPU處于不可中斷狀態(tài)，即使中斷源有中斷請求，CPU也不響應（中斷關閉）。2023/2/355計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式(3)一條指令執(zhí)行完畢一般情況下，CPU在一條指令執(zhí)行完畢，且沒有更緊迫的任務時才能響應中斷請求。2.中斷隱指令

CPU響應中斷之后，經過某些操作，轉去執(zhí)行中斷服務程序。這些操作是由硬件直接實現的，我們把它稱為中斷隱指令。中斷隱指令并不是指令系統(tǒng)中的一條真正的指令，它沒有操作碼，所以中斷隱指令是一種不允許、也不可能為用戶使用的特殊指令。其所完成的操作主要有：2023/2/356計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式(1)保存斷點將原來程序的斷點（即程序計數器PC的內容）保存起來。(2)暫不允許中斷為了在用軟件保護中斷現場（即CPU的主要寄存器狀態(tài)）時，不被新的中斷所打斷，從而保證被中斷的程序在中斷服務程序執(zhí)行完畢之后能接著正確地執(zhí)行下去。(3)引出中斷服務程序引出中斷服務程序的實質就是取出中斷服務程序的入口地址送程序計數器。2023/2/357計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式3.中斷周期中斷周期需完成如下操作：⑴將特定地址“0”送至存儲器地址寄存器，記作0→MAR；⑵將PC的內容（斷點）送至MDR，記作(PC)→MDR；

⑶向主存發(fā)寫命令，啟動存儲器做寫操作，記作Write；⑷將MDR的內容通過數據總線寫入到MAR所指示的主存單元（0號）中，記作MDR→M(MAR)；2023/2/358計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式⑸向量地址形成部件的輸出送至PC，為進入中斷服務程序作準備，記作向量地址→PC；⑹

關中斷，將中斷允許觸發(fā)器清0，記作0→EINT。如果斷點存入堆棧，只需將上述⑴改為堆棧指針SP→MAR。2023/2/359計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式4.進入中斷服務程序識別中斷源在于轉入為該中斷源專門設置的中斷服務程序。向量中斷時，中斷源向CPU發(fā)出中斷請求信號之后，CPU經過一定的判優(yōu)處理，若決定響應這個中斷請求，則向中斷源發(fā)出中斷響應信號。中斷源接到中斷響應信號后就通過自己的向量地址發(fā)生器向CPU發(fā)送向量地址。2023/2/360計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式工作完成允許中斷發(fā)中斷請求中斷優(yōu)先級判定選優(yōu)中斷響應識別中斷源向量地址形成現場處理啟動中斷服務程序向量地址_____INTRINTA中斷源

CPU工作完成允許中斷發(fā)中斷請求中斷優(yōu)先級判定選優(yōu)中斷響應識別中斷源向量地址形成現場處理啟動中斷服務程序2023/2/361計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式向量地址通常有兩種情況：(1)向量地址是中斷服務程序的入口地址如果向量地址就是中斷服務程序的入口地址，則CPU不需要再經過處理就可以進入相應的中斷服務程序。

PC←8×NNN轉中斷服務程序入口地址由此可見，中斷服務程序的入口地址依次是00H、08H、10H、……、38H。2023/2/362計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式(2)向量地址是中斷向量表的指針如果向量地址是中斷向量表的指針，則向量地址指向一個中斷向量表，從中斷向量表的相應單元中再取出中斷服務程序的入口地址，此時中斷源給出的向量地址是中斷服務程序入口地址的地址。2023/2/363計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式2023/2/364計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式5.中斷現場的保護和恢復中斷現場指的是發(fā)生中斷時CPU的主要狀態(tài)，其中最重要的是斷點，另外還有一些通用寄存器的狀態(tài)。之所以需要保護和恢復現場的原因是因為CPU要先后執(zhí)行兩個完全不同的程序（現行程序和中斷服務程序），必須進行兩種程序運行狀態(tài)的轉換。一般來說，在中斷隱指令中，CPU硬件將自動保存斷點，有些計算機還自動保存程序狀態(tài)寄存器的內容。但是，在許多應用中，要保證中斷返回后原來的程序能正確地繼續(xù)運行，僅保存這一、二個寄存器的內容是不夠的。2023/2/365計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式為此，在中斷服務程序開始時，應由軟件去保存那些硬件沒有保存，而在中斷服務程序中又可能用到的寄存器（如某些通用寄存器）的內容，在中斷返回之前，這些內容還應該被恢復?，F代計算機一般都先采用硬件方法來自動快速的保護和恢復部分重要的現場，其余寄存器的內容再由軟件完成保護和恢復，這種方法的硬件支持是堆棧。

2023/2/366計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式2023/2/367計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式8.3.4多重中斷與中斷屏蔽1.中斷嵌套中斷嵌套的層次可以有多層，越在里層的中斷越急迫，優(yōu)先級越高，因此優(yōu)先得到CPU的服務。要使計算機具有多重中斷的能力，首先要能保護多個斷點，先發(fā)生的中斷請求的斷點，先保護后恢復；后發(fā)生的中斷請求的斷點，后保護先恢復，堆棧的先進后出特點正好滿足多重中斷這一先后次序的需要。在CPU進入某一中斷服務程序之后，系統(tǒng)必須處于開中斷狀態(tài)，否則中斷嵌套是不可能實現的。2023/2/368計算機組成原理現行程序中斷服務程序1中斷服務程序2第一次中斷請求優(yōu)先級別更高的中斷請求8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式2023/2/369計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式2.允許和禁止中斷允許中斷還是禁止中斷是用CPU中的中斷允許觸發(fā)器控制的，當中斷允許觸發(fā)器被置“1”，則允許中斷，當中斷允許觸發(fā)器被置“0”，則禁止中斷。

允許中斷即開中斷，下列情況時應開中斷：

⑴

在中斷服務程序執(zhí)行完畢，恢復中斷現場之后；

⑵

在多重中斷的情況下，保護中斷現場之后。2023/2/370計算機組成原理

禁止中斷即關中斷，下列情況時應關中斷：

⑴

當響應某一級中斷請求，不再允許被其他中斷請求打斷時；

⑵

在中斷服務程序的保護和恢復現場之前。3.中斷屏蔽中斷源發(fā)出中斷請求之后，這個中斷請求并不一定能真正送到CPU去，在有些情況下，可以用程序方式有選擇地封鎖部分中斷，這就是中斷屏蔽。8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式2023/2/371計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式如果給每個中斷源都相應地配備一個中斷屏蔽觸發(fā)器MASK，則每個中斷請求信號在送往判優(yōu)電路之前，還要受到屏蔽觸發(fā)器的控制。當MASK=1，表示對應中斷源的請求被屏蔽（封鎖其中斷源的請求），可見中斷請求觸發(fā)器和中斷屏蔽觸發(fā)器是成對出現的，只有當INTRi=1（中斷源有中斷請求），MASKi=0（該級中斷未被屏蔽），才允許對應的中斷請求送往CPU。

2023/2/372計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式在中斷接口電路中，多個屏蔽觸發(fā)器組成一個屏蔽寄存器，其內容稱為屏蔽字或屏蔽碼，由程序來設置。屏蔽字某一位的狀態(tài)將成為本中斷源能否真正發(fā)出中斷請求信號的必要條件之一。這樣，就可實現CPU對中斷處理的控制，使中斷能在系統(tǒng)中合理協(xié)調地進行。中斷屏蔽寄存器的作用：用程序設置的方法將屏蔽寄存器中的某一位置“1”，則對應的中斷請求被封鎖，無法去參加排隊判優(yōu)；若屏蔽寄存器中的某一位置“0”，才允許對應的中斷請求送往CPU。2023/2/373計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式＆

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≥12023/2/374計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式如一個中斷系統(tǒng)有16個中斷源，每一個中斷源按其優(yōu)先級別賦予一個屏蔽字。“0”表示開放，“1”表示屏蔽。第1級中斷源的優(yōu)先級別最高，它禁止本級和更低級的中斷請求；第16級中斷源的優(yōu)先級別最低，它僅禁止本級的中斷請求，而對其他高級的中斷請求全部開放。

中斷源的優(yōu)先級屏蔽字（16位）123

1516111…111011…111001…111

000…011000…001……2023/2/375計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式4.中斷升級中斷屏蔽字的另一個作用是可以改變中斷優(yōu)先級，將原級別較低的中斷源變成較高的級別，我們稱之為中斷升級。這實際上是一種動態(tài)改變優(yōu)先級的方法。這里所說的改變優(yōu)先次序是指改變中斷的處理次序。中斷處理次序和中斷響應次序是兩個不同的概念，中斷響應次序是由硬件排隊電路決定的，無法改變。但是，中斷處理次序是可以由屏蔽碼來改變的，故把屏蔽碼看成軟排隊器。中斷處理次序可以不同于中斷響應次序。2023/2/376計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式例如，某計算機的中斷系統(tǒng)有4個中斷源，每個中斷源對應一個屏蔽碼。中斷響應的優(yōu)先次序為1→2→3→4。中斷的處理次序和中斷的響應次序是一致的。程序級別

屏蔽碼1級2級3級4級第1級第2級第3級第4級10001100111011112023/2/377計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式根據這一次序，可以看到CPU運動的軌跡，當多個中斷請求同時出現時，處理次序與響應次序一致；當中斷請求先后出現時，允許優(yōu)先級別高的中斷請求打斷優(yōu)先級別低的中斷服務程序，實現中斷嵌套。中斷服務程序現行程序①②①③③②②④④①2023/2/378計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式在不改變中斷響應次序的條件下，通過改寫屏蔽碼可以改變中斷處理次序，例如，要使中斷處理次序改為1→4→3→2。程序級別

屏蔽碼1級2級3級4級第1級第2級第3級第4級10001111101110012023/2/379計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式在同樣中斷請求的情況下，CPU的運動軌跡發(fā)生了變化。中斷服務程序現行程序①①③③②②④④②①2023/2/380計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式8.3.5中斷全過程中斷全過程是指從中斷源發(fā)出中斷請求開始，CPU響應這個請求，現行程序被中斷，轉至中斷服務程序，直至中斷服務程序執(zhí)行完畢，CPU再返回原來的程序繼續(xù)執(zhí)行的整個過程。中斷全過程分為五個階段：

中斷請求、中斷判優(yōu)、中斷響應、中斷處理、中斷返回。2023/2/381計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式其中中斷處理就是執(zhí)行中斷服務程序，中斷服務程序基本上由三部分組成，第一部分為準備部分，其基本功能是保護現場，對于非向量中斷方式則需要確定中斷源，最后開放中斷，允許更高級的中斷請求打斷低級的中斷服務程序。第二部分為處理部分，即真正執(zhí)行為某個中斷源服務的中斷服務程序。第三部分為結尾部分，首先要關中斷，以防止在恢復現場過程中被新的中斷打斷，接著恢復現場，然后開放中斷，以便返回原來的程序后可響應其它的中斷請求。2023/2/382計算機組成原理8.3中斷系統(tǒng)和程序中斷方式2023/2/383計算機組成原理8.4DMA方式及其接口8.4.1DMA方式的基本概念1.DMA方式的特點無論程序查詢還是程序中斷方式，主要的工作都是由CPU執(zhí)行程序完成的，這需要花費時間，因此不能實現高速外設與主機的信息交換。直接存儲器訪問DMA方式是在外設和主存儲器之間開辟一條“直接數據通道”，在不需要CPU干預也不需要軟件介入的情況下在兩者之間進行的高速數據傳送方式。2023/2/384計算機組成原理8.4DMA方式及其接口在DMA傳送方式中，對數據傳送過程進行控制的硬件稱為DMA控制器。當外設需要進行數據傳送時，通過DMA控制器向CPU提出DMA傳送請求，CPU響應之后將讓出系統(tǒng)總線，由DMA控制器接管總線進行數據傳送。

DMA方式具有下列特點：①它使主存與CPU的固定聯(lián)系脫鉤，主存既可被CPU訪問，又可被外設訪問。2023/2/385計算機組成原理②在數據塊傳送時，主存地址的確定，傳送數據的計數等等都用硬件電路直接實現。③主存中要開辟專用緩沖區(qū)，及時供給和接收外設的數據。④DMA傳送速度快，CPU和外設并行工作，提高了系統(tǒng)的效率。⑤DMA在開始前和結束后要通過程序和中斷方式進行預處理和后處理。8.4DMA方式及其接口2023/2/386計算機組成原理8.4DMA方式及其接口2.DMA和中斷的區(qū)別兩者的重要區(qū)別為：①中斷方式是程序切換，需要保護和恢復現場；而DMA方式除了開始和結尾時，不占用CPU的任何資源。②對中斷請求的響應只能發(fā)生在每條指令執(zhí)行完畢時；而對DMA請求的響應可以發(fā)生在每個機器周期結束時。取指令取源操作數取目的操作數執(zhí)行中斷斷點DMA斷點中斷斷點DMA斷點2023/2/387計算機組成原理8.4DMA方式及其接口③中斷傳送過程需要CPU的干預；而DMA傳送過程不需要CPU的干預，故數據傳送速率非常高，適合于高速外設的成組數據傳送。④DMA請求的優(yōu)先級高于中斷請求。⑤中斷方式具有對異常事件的處理能力；而DMA方式僅局限于完成傳送信息塊的I/O操作。2023/2/388計算機組成原理8.4DMA方式及其接口8.4.2DMA接口（DMA控制器）1.DMA控制器的功能在DMA傳送過程中，DMA控制器將接管CPU的地址總線、數據總線和控制總線，CPU的主存控制信號被禁止使用。而當DMA傳送結束后，將恢復CPU的一切權利并開始執(zhí)行其操作。由此可見，DMA控制器必須具有控制系統(tǒng)總線的能力，即能夠像CPU一樣輸出地址信號，接收或發(fā)出控制信號，輸入或輸出數據信號。2023/2/389計算機組成原理8.4DMA方式及其接口

DMA控制器在外設與主存之間直接傳送數據期間，完全代替CPU進行工作，它的主要功能有：

⑴

接受外設發(fā)出的DMA請求，并向CPU發(fā)出總線請求；

⑵

當CPU響應此總線請求，發(fā)出總線響應信號后，接管對總線的控制，進入DMA操作周期；

⑶

確定傳送數據的主存單元地址及傳送長度，并能自動修改主存地址計數值和傳送長度計數值；2023/2/390計算機組成原理8.4DMA方式及其接口⑷

規(guī)定數據在主存與外設之間的傳送方向，發(fā)出讀/寫或其他控制信號，并執(zhí)行數據傳送的操作。

⑸

向CPU報告DMA操作的結束。2023/2/391計算機組成原理8.4DMA方式及其接口2.DMA控制器的基本組成(1)主存地址計數器用來存放主存中要交換數據的地址，該計數器的初始值為主存緩沖區(qū)的首地址，當DMA傳送時，每傳送一個數據，將地址計數器加“1”，從而以增量方式給出主存中要交換的一批數據的地址，直至這批數據傳送完畢為止。2023/2/392計算機組成原理(2)傳送長度計數器用來記錄傳送數據塊的長度，其初始值為傳送數據的總字數或總字節(jié)數，每傳送一個字或一個字節(jié)，計數器自動減“1”，當其內容為“0”時表示數據已全部傳送完畢。(3)數據緩沖寄存器用來暫存每次傳送的數據。輸入時，數據由外設（如磁盤）先送往數據緩沖寄存器，再通過數據總線送到主存。反之，輸出時，數據由主存通過數據總線送到數據緩沖寄存器，然后再送到外設。8.4DMA方式及其接口2023/2/393計算機組成原理8.4DMA方式及其接口(4)DMA請求觸發(fā)器每當外設準備好一個數據后給出一個控制信號，使DMA請求觸發(fā)器置位，控制/狀態(tài)邏輯經系統(tǒng)總線向CPU發(fā)出總線請求（HOLD），如果CPU響應，發(fā)回批準信號（HLDA），DMA控制器接管總線控制權，向系統(tǒng)總線送出傳送命令與總線地址?？刂?狀態(tài)邏輯接收此信號后使DMA請求觸發(fā)器復位，為交換下一個數據做準備。2023/2/394計算機組成原理8.4DMA方式及其接口(5)控制/狀態(tài)邏輯它由控制和時序電路以及狀態(tài)標志等組成，用于指定傳送方向，修改傳送參數，并對DMA請求信號和CPU響應信號進行協(xié)調和同步。(6)中斷機構當一個數據塊傳送完畢，由溢出信號觸發(fā)中斷機構，向CPU提出中斷請求，CPU將進行DMA傳送的結尾處理。2023/2/395計算機組成原理8.4DMA方式及其接口3.DMA控制器的引出線(1)地址總線

在DMA方式下，呈輸出狀態(tài)，可對主存進行地址選擇；在CPU方式下，呈輸入狀態(tài)，可對DMA控制器中的有關寄存器進行尋址。(2)數據總線

在DMA方式下，用它進行數據傳送；在CPU方式下，可對DMA控制器的有關寄存器進行編程。2023/2/396計算機組成原理8.4DMA方式及其接口(3)控制數據傳送方式的信號線

存儲器讀信號、存儲器寫信號、外設讀信號、外設寫信號。(4)DMA控制器與外設之間的聯(lián)絡信號線

DMA請求信號

DMA響應信號(5)DMA控制器與CPU之間的聯(lián)絡信號線

總線請求

總線響應信號2023/2/397計算機組成原理8.4DMA方式及其接口

4.DMA控制器的連接和傳送

⑴首先由外設向DMA控制器發(fā)出請求信號DREQ。⑵DMA控制器向CPU發(fā)出總線請求信號HRQ。⑶CPU向DMA控制器發(fā)出總線響應信號HLDA，此時，DMA控制器獲取了總線的控制權。⑷DMA控制器向外設發(fā)出DMA響應信號DACK，表示DMA控制器已控制了總線，允許外設與主存交換數據。2023/2/398計算機組成原理8.4DMA方式及其接口⑸DMA控制器按主存地址計數器的內容發(fā)出地址信號作為主存地址的選擇，同時主存地址計數器的內容加1（或減1）。⑹DMA控制器發(fā)出IOR信號到外設，將外設數據讀入總線，同時發(fā)出MEMW信號，將數據總線的數據寫入地址總線選中的主存單元。⑺傳送長度計數器減１。重復⑸⑹⑺步驟，直到字節(jié)計數器減到“0”為止，數據塊的DMA方式傳送工作宣告完成。這時，DMA控制器的HRQ降為低電平，總線控制權交還CPU。2023/2/399計算機組成原理8.4DMA方式及其接口8.4.3DMA傳送方法與傳送過程1.DMA傳送方法(1)CPU停止訪問主存法用DMA請求信號迫使CPU讓出總線控制權，CPU在現行機器周期執(zhí)行完成之后，使其數據、地址總線處于三態(tài)，并輸出總線批準信號。每次DMA請求獲得批準后，DMA控制器獲得總線控制權以后，連續(xù)占用若干個存取周期（總線周期）進行成組連續(xù)的數據傳送，直至批量傳送結束，DMA控制器才把總線控制權交回CPU。在DMA操作期間，CPU處于保持狀態(tài)，停止訪問主存，僅能進行一些與總線無關的內部操作。這種方法只適用于高速外設的成組傳送。2023/2/3100計算機組成原理8.4DMA方式及其接口DMA不工作DMA不工作CPU控制并使用主存DMA控制并使用主存主存工作時間tDMA工作2023/2/3101計算機組成原理8.4DMA方式及其接口(2)存儲器分時法把原來的一個存取周期分成兩個時間片，一片給CPU，一片給DMA，使CPU和DMA交替地訪問主存。這種方法不需要申請和歸還總線，使總線控制權的轉移幾乎不需要什么時間，所以對DMA傳送來講效率是很高的，而且CPU既不停止現行程序的運行，也不進入保持狀態(tài)，在CPU不知不覺中便進行了DMA傳送，但這種方法需要主存在原來的存取周期內為兩個部件服務，如果要維持CPU的訪存速度不變，就要求主存的工作速度提高一倍。2023/2/3102計算機組成原理8.4DMA方式及其接口另外，由于大多數外設的速度都不能與CPU相匹配，所以供DMA使用的時間片可能成為空操作，將會造成一些不必要的浪費。CPU控制并使用主存DMA控制并使用主存主存工作時間t2023/2/3103計算機組成原理8.4DMA方式及其接口