白中英計(jì)算機(jī)組成原理第8章-輸入輸出系統(tǒng)

白中英計(jì)算機(jī)組成原理第8章-輸入輸出系統(tǒng)2023/5/242目錄8.1外圍設(shè)備的速度分級與信息交換方式

——了解8.2程序查詢方式 ——了解8.3程序中斷方式 ——掌握8.4DMA方式 ——掌握8.5通道方式 ——了解8.6通用I/O標(biāo)準(zhǔn)接口 ——了解2023/5/243考研大綱要求(一)I/O系統(tǒng)基本概念(二)外部設(shè)備(三)I/O接口(I/O控制器)

1.I/O接口的功能和基本結(jié)構(gòu)

2.I/O端口及其編址(四)I/O方式

1.程序查詢方式

2.程序中斷方式

3.DMA方式

DMA控制器的組成；DMA傳送過程。

4.通道方式第7章中斷的基本概念中斷響應(yīng)過程中斷處理過程多重中斷和中斷屏蔽的概念2023/5/2448.1外圍設(shè)備的速度分級與信息交換方式8.1.1外圍設(shè)備的速度分級8.1.2信息交換方式2023/5/2458.1.1外圍設(shè)備的速度分級根據(jù)外設(shè)的工作速度，CPU與外設(shè)的定時(shí)方式有以下3種：速度極慢或簡單的外圍設(shè)備CPU直接接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。慢速或中速的外圍設(shè)備采用異步定時(shí)方式，或稱為應(yīng)答式數(shù)據(jù)交換；CPU與外設(shè)之間通過兩個(gè)相互的聯(lián)絡(luò)信號來決定開始數(shù)據(jù)傳送的時(shí)間。高速的外圍設(shè)備采用同步定時(shí)方式；CPU以等間隔的速率執(zhí)行輸入／輸出指令。詢問信號應(yīng)答信號由時(shí)鐘脈沖控制如何使CPU與外設(shè)同步工作如：機(jī)械開關(guān)、發(fā)光二極管如：鍵盤、顯示器如：主存、輔存2023/5/2468.1.2外設(shè)信息交換方式程序查詢方式早期計(jì)算機(jī)中使用的一種方式，效率低。程序中斷方式適用于隨機(jī)出現(xiàn)的服務(wù)。直接內(nèi)存訪問（DMA）方式適用于內(nèi)存和高速外圍設(shè)備之間大批數(shù)據(jù)交換的場合。通道方式增加一個(gè)具有特殊功能的處理器——通道，將CPU的輸入輸出權(quán)力下放。外圍處理機(jī)方式(PPU)是通道方式的進(jìn)一步發(fā)展。2023/5/247程序查詢方式工作過程CPU傳送數(shù)據(jù)之前先檢查外設(shè)的狀態(tài)，若沒有準(zhǔn)備好，則繼續(xù)查詢等待，直至外設(shè)就緒即進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。硬件要求只需接口電路的狀態(tài)、數(shù)據(jù)口，不需增加其他控制電路。特點(diǎn)CPU主動查詢，程序控制數(shù)據(jù)傳送過程，簡單易行；每次查詢之后只能傳送一個(gè)字或一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸率不高，CPU時(shí)間浪費(fèi)較多。適用場合CPU不太忙且對傳送速度要求不高的系統(tǒng)。2023/5/248工作過程CPU有傳送要求時(shí)，啟動外設(shè)后可處理其他事件，當(dāng)外設(shè)準(zhǔn)就緒后，通過中斷的方式和CPU完成數(shù)據(jù)傳送工作。硬件要求需要附加的中斷控制電路。特點(diǎn)一定程度上實(shí)現(xiàn)了CPU和外設(shè)的并行工作；中斷操作過程增加了軟硬件的開銷，且每次數(shù)據(jù)傳送只能傳送一個(gè)字或一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳送效率低。適用場合CPU與慢速外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送。程序中斷方式2023/5/249工作過程CPU分配總線使用權(quán)之后，在硬件DMA控制器（DMAC）的控制下完成存儲器與高速外設(shè)之間的大量數(shù)據(jù)的傳送。硬件要求需要相應(yīng)的DMA控制器及數(shù)據(jù)通路，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，硬件開銷大。特點(diǎn)數(shù)據(jù)傳送不需要經(jīng)過CPU，直接由硬件控制；外設(shè)與存儲器之間的數(shù)據(jù)傳送量大。適用場合包含有高速外設(shè)的系統(tǒng)中。存儲器與外設(shè)之間數(shù)據(jù)交換時(shí)使用直接內(nèi)存訪問（DMA）方式2023/5/2410通道方式工作過程CPU將IO控制的權(quán)利下放給通道，由通道統(tǒng)一管理所有的輸入輸出操作。硬件要求需要IO通道（也稱IO處理器，IOP）；通道是一個(gè)具有特殊功能的處理器。特點(diǎn)硬件代價(jià)較高；IO傳送的效率高，并且減輕了CPU的工作負(fù)擔(dān)。適用場合高性能要求的系統(tǒng)中。2023/5/24118.2程序查詢方式CPUINAL,DX數(shù)據(jù)總線地址總線/RD/WR/MIOIO0地址信息0ALOUTDX,AL00地址信息AL數(shù)據(jù)的輸入輸出完全由程序控制！2023/5/24121、設(shè)備編址——統(tǒng)一編址方式統(tǒng)一編址方式將I/O系統(tǒng)與主存系統(tǒng)作為一個(gè)整體進(jìn)行編址；優(yōu)點(diǎn)：訪問I/O端口可使用訪存指令，操作類型多樣，使用靈活；I/O端口有較大的編址空間；缺點(diǎn)：占用主存空間，使實(shí)際主存容量減??；I/O訪問的指令字長較長，執(zhí)行速度慢。00000HFFFFFH以20位主存地址、16位I/O地址為例主存儲器I/O設(shè)備EFFFFHF0000H2023/5/24131、設(shè)備編址——獨(dú)立編址方式獨(dú)立編址方式將I/O系統(tǒng)與主存系統(tǒng)分別編址；特點(diǎn)：I/O端口地址不占用主存空間；使用專用的I/O指令，指令字長短，執(zhí)行速度快；與主存空間區(qū)分容易。00000HFFFFFH主存儲器I/O設(shè)備0000HFFFFH以20位主存地址、16位I/O地址為例2023/5/24142、輸入/輸出指令I(lǐng)O指令輸入指令：INAL/AX,DX/PORT從指定端口讀入一個(gè)字節(jié)/字?jǐn)?shù)據(jù)到累加器；輸出指令：OUTDX/PORT,AL/AX將累加器中的一個(gè)字節(jié)/字?jǐn)?shù)據(jù)送到指定端口輸出；IO指令一般的功能：對I/O接口的控制觸發(fā)器置1或0，控制其進(jìn)行某些操作；CPU向IO接口發(fā)命令字；測試設(shè)備的某些狀態(tài)；CPU讀取IO接口的狀態(tài)字；輸入或輸出數(shù)據(jù)；CPU與IO接口之間的數(shù)據(jù)傳送；

以數(shù)據(jù)形式傳送

控制、狀態(tài)信息2023/5/24153、程序查詢方式的接口CPU通過地址信號選中某設(shè)備接口；CPU通過向該接口發(fā)送命令字的方式，啟動外設(shè)；外設(shè)開始工作后，設(shè)置當(dāng)前“忙”狀態(tài)；CPU與外設(shè)通過接口內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩沖器傳送數(shù)據(jù)；2023/5/24164、程序查詢輸入/輸出方式程序執(zhí)行動作如下：CPU請求數(shù)據(jù)傳送；CPU從I/O接口讀入狀態(tài)字；檢查狀態(tài)字中的標(biāo)志；未就緒，則重復(fù)②、③步，直到設(shè)備就緒為止。CPU輸入或輸出數(shù)據(jù)，同時(shí)復(fù)位接口中的狀態(tài)標(biāo)志。特點(diǎn)可通過改變查詢順序修改設(shè)備的優(yōu)先權(quán)；CPU工作效率低；2023/5/24178.3程序中斷方式8.3.1中斷的基本概念8.3.2程序中斷方式的基本IO接口8.3.3單級中斷8.3.4多級中斷8.3.5中斷控制器8.3.6PC系列機(jī)中斷機(jī)制2023/5/24188.3.1中斷的基本概念定義：中斷是指CPU正常運(yùn)行程序時(shí)，由系統(tǒng)內(nèi)/外部非預(yù)期事件或程序中預(yù)先安排好的指令性事件引起的，CPU暫停當(dāng)前程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)去為該事件服務(wù)的程序中執(zhí)行，服務(wù)完畢后，再返回原程序繼續(xù)執(zhí)行的過程。注意：中斷是一個(gè)CPU執(zhí)行程序的變化過程；所有能引起中斷的事件均稱為中斷源；處理中斷事件的中斷服務(wù)程序是預(yù)先設(shè)置好的；結(jié)束中斷返回原程序時(shí)，要以原狀態(tài)返回暫停處繼續(xù)執(zhí)行。2023/5/2419……

IRET主程序中斷服務(wù)程序IP中斷請求主程序中斷響應(yīng)中斷服務(wù)程序中斷返回IRET斷點(diǎn)IP

IP

IP中斷過程示意2023/5/2420有關(guān)中斷中斷處理過程是由硬件和軟件結(jié)合來完成的。為什么要使用中斷？解決速度問題，使CPU和I/O并行工作；對意外情況(如磁盤損壞、運(yùn)算溢出等)能夠及時(shí)處理。在實(shí)時(shí)控制領(lǐng)域中，及時(shí)響應(yīng)外來信號的請求。中斷系統(tǒng)需要解決的問題各中斷源如何向CPU發(fā)出中斷請求；有多個(gè)中斷源時(shí)，如何確定優(yōu)先級；CPU在什么條件、什么時(shí)候、以什么方式響應(yīng)中斷；如何保護(hù)/恢復(fù)現(xiàn)場、如何轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序的入口地址；如何處理多重中斷。2023/5/2421

中斷請求CPU在結(jié)束一個(gè)指令周期后，檢測中斷請求信號；中斷響應(yīng)關(guān)中斷；保護(hù)斷點(diǎn)現(xiàn)場；判斷中斷源，獲取中斷向量；根據(jù)中斷向量轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序執(zhí)行；中斷服務(wù)保護(hù)CPU現(xiàn)場；執(zhí)行中斷服務(wù)程序；開中斷；恢復(fù)CPU現(xiàn)場；中斷返回恢復(fù)斷點(diǎn)現(xiàn)場，返回主程序繼續(xù)執(zhí)行；由硬件自動完成CPU的中斷處理流程由軟件完成第一個(gè)問題：CPU公操作時(shí)檢測保存中斷請求信號的寄存器對CPU內(nèi)部寄存器的保護(hù)與恢復(fù)第三個(gè)問題：避免再次中斷影響當(dāng)前中斷響應(yīng)，屏蔽中斷源；可實(shí)現(xiàn)中斷優(yōu)先權(quán)管理第四個(gè)問題：中斷處理過程由軟硬件結(jié)合完成由軟硬件共同完成第二個(gè)問題：為保證CPU能夠正常返回主程序2023/5/2422中斷向量中斷向量：中斷服務(wù)程序的入口地址，包括段地址和段內(nèi)偏移地址，共4個(gè)字節(jié)的內(nèi)容；CPU響應(yīng)中斷時(shí)，將中斷源對應(yīng)的中斷向量送入CS、IP寄存器中，以跟蹤中斷服務(wù)程序的執(zhí)行。中斷向量表：集中存放系統(tǒng)中所有中斷向量的存儲區(qū)。8086PC機(jī)中，將存儲器物理地址為0~3FFH的1024個(gè)單元作為中斷向量表，每個(gè)向量占用4個(gè)字節(jié)，可容納256個(gè)中斷向量。2023/5/2423…………

…………中斷向量表0000:00000000:00010000:00020000:0003…………0000:00200000:00210000:00220000:0023…………0000:03FC0000:03FD0000:03FE0000:03FF類型號0類型號8類型號255偏移地址段地址偏移地址段地址偏移地址段地址每個(gè)中斷向量在中斷向量表中的序號，值為0－255。中斷類型號2023/5/2424用中斷向量賦值CS、IP中斷類型號與中斷向量中斷類型號（n）4＝中斷向量在表中的偏移地址如：n＝8，則應(yīng)從向量表20H~23H中取出中斷向量中斷源提供中斷類型號n4中斷向量地址查表中斷向量CPU轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序執(zhí)行

CPU使用向量中斷的過程：2023/5/2425中斷處理流程由中斷隱指令執(zhí)行2023/5/2426中斷處理過程中的問題第一個(gè)問題CPU只有在一條指令執(zhí)行完畢轉(zhuǎn)入公操作時(shí)時(shí)，才能處理外設(shè)的中斷請求。第二個(gè)問題為了保證中斷服務(wù)程序執(zhí)行完畢后，能夠正確地返回到原斷點(diǎn)位置，則必須保存PC和當(dāng)前CPU的狀態(tài)到堆棧中。第三個(gè)問題CPU在中斷響應(yīng)期間，還可能有新的中斷請求。為了不致于造成混亂，中斷管理部件中必須有中斷屏蔽觸發(fā)器，在中斷響應(yīng)期間屏蔽其他中斷源。第四個(gè)問題中斷處理過程是由硬件和軟件結(jié)合來完成的；中斷周期由硬件實(shí)現(xiàn)，中斷處理程序由機(jī)器指令序列實(shí)現(xiàn)。中斷返回時(shí)再恢復(fù)斷點(diǎn)狀態(tài)對中斷源的優(yōu)先權(quán)管理2023/5/24278.3.2程序中斷方式的基本I/O接口接口內(nèi)部組成數(shù)據(jù)緩沖寄存器；就緒觸發(fā)器RD、忙狀態(tài)觸發(fā)器BS、允許中斷觸發(fā)器EI；中斷向量產(chǎn)生邏輯；CPU的相應(yīng)部件中斷請求觸發(fā)器IR、中斷屏蔽觸發(fā)器IM；程序中斷的數(shù)據(jù)傳送過程：

CPU啟動外設(shè)

外設(shè)準(zhǔn)備就緒后，向CPU請求中斷 CPU接受請求，完成數(shù)據(jù)傳送2023/5/2428程序中斷方式數(shù)據(jù)傳送示意就緒觸發(fā)器允許觸發(fā)器忙狀態(tài)觸發(fā)器中斷請求觸發(fā)器中斷屏蔽觸發(fā)器①⑩②③

數(shù)據(jù)④⑤⑥一條指令結(jié)束⑦⑦⑧⑨

數(shù)據(jù)10110IF=00012023/5/2429中斷處理的策略根據(jù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對中斷處理的策略的不同，可分為：單級中斷系統(tǒng)

所有的中斷源都屬于同一個(gè)級別，不允許有中斷嵌套；多級中斷系統(tǒng)

中斷源分為不同的級別，可以發(fā)生中斷嵌套，高優(yōu)先權(quán)的中斷源請求可以打斷低優(yōu)先權(quán)的中斷服務(wù)；實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)入中斷服務(wù)時(shí)的中斷屏蔽設(shè)置；2023/5/24308.3.3單級中斷單級中斷中，所有中斷源屬于同一個(gè)級別，不允許中斷嵌套。中斷請求信號優(yōu)先權(quán)高優(yōu)先權(quán)低中斷響應(yīng)信號2023/5/24312、單級中斷源的識別——串行排隊(duì)鏈法排隊(duì)鏈中斷響應(yīng)信號中斷排隊(duì)輸入信號；由高優(yōu)先權(quán)中斷得到中斷排隊(duì)輸出信號選中信號中斷源的中斷請求信號2023/5/2432中斷向量的產(chǎn)生向量中斷由硬件直接產(chǎn)生一個(gè)與該中斷源對應(yīng)的向量地址；向量地址——中斷源的中斷服務(wù)程序入口地址；要求：在硬件設(shè)計(jì)時(shí)考慮所有中斷源的向量地址。位移量中斷由硬件直接產(chǎn)生一個(gè)位移量，該位移量加上CPU中某寄存器中的基地址，得到中斷處理程序的入口地址。向量地址轉(zhuǎn)移由硬件直接產(chǎn)生一個(gè)該中斷源對應(yīng)的固定地址碼，該地址碼中存放可轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序的入口地址。2023/5/24338.3.4多級中斷當(dāng)CPU正在執(zhí)行某個(gè)中斷服務(wù)程序時(shí)，另一個(gè)中斷源又提出了新的中斷請求，而CPU再次響應(yīng)這一新的請求；暫停當(dāng)前的中斷服務(wù)程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行新的中斷服務(wù)程序。多級中斷中需要進(jìn)行優(yōu)先權(quán)的控制和判斷。2023/5/2434一維多級中斷結(jié)構(gòu)每級僅有一個(gè)中斷源；中斷屏蔽觸發(fā)器IM其狀態(tài)決定對應(yīng)級別的中斷源是否能夠被響應(yīng)；中斷優(yōu)先權(quán)控制當(dāng)某中斷源的請求被響應(yīng)時(shí)，將同時(shí)設(shè)置低級中斷源的IM=1，而高級中斷源的IM=0，可以發(fā)生中斷嵌套。一維多級中斷結(jié)構(gòu)2023/5/2435二維多級中斷結(jié)構(gòu)二維多級中斷結(jié)構(gòu)每級包含多個(gè)中斷源;同級的中斷源的服務(wù)是不能嵌套的；若設(shè)備E、F、H同時(shí)請求中斷，則先響應(yīng)設(shè)備E；此時(shí)，若設(shè)備D請求中斷，則不響應(yīng)；若設(shè)備B請求中斷，則打斷設(shè)備E的中斷服務(wù)，嵌套響應(yīng)設(shè)備B；2023/5/2436CPU內(nèi)部的中斷請求/屏蔽寄存器對于每一個(gè)中斷源，CPU內(nèi)部會有一個(gè)中斷請求觸發(fā)器和一個(gè)中斷屏蔽觸發(fā)器，用于管理當(dāng)前該中斷源的狀態(tài)；中斷請求觸發(fā)器：1——有請求；0——無請求；中斷屏蔽觸發(fā)器：1——被屏蔽；0——未被屏蔽；若系統(tǒng)中共有n級中斷，則有兩個(gè)n位中斷請求寄存器和中斷屏蔽寄存器；CPU響應(yīng)中斷時(shí)，系統(tǒng)需要進(jìn)行優(yōu)先權(quán)控制，實(shí)現(xiàn)正常的中斷嵌套；置“1”（關(guān)閉）本級和低級的中斷屏蔽觸發(fā)器；清“0”（開放）更高級的中斷屏蔽觸發(fā)器；2023/5/2437單重中斷和多重中斷的服務(wù)程序流程中斷否？保護(hù)現(xiàn)場設(shè)備服務(wù)恢復(fù)現(xiàn)場

開中斷中斷返回取指令執(zhí)行指令中斷服務(wù)程序

中斷響應(yīng)程序斷點(diǎn)進(jìn)棧關(guān)中斷向量地址PC中斷周期是中斷返回保護(hù)現(xiàn)場設(shè)備服務(wù)恢復(fù)現(xiàn)場開中斷開中斷開中斷中斷隱指令中斷隱指令否取指令執(zhí)行指令中斷否？否

中斷響應(yīng)程序斷點(diǎn)進(jìn)棧關(guān)中斷向量地址PC中斷周期是中斷服務(wù)程序單重多重2023/5/24382、多級中斷源的識別獨(dú)立請求方式的中斷優(yōu)先級排隊(duì)與中斷向量產(chǎn)生邏輯；2023/5/2439課本P249【例1】

如圖8.9的二維中斷系統(tǒng)中。問：在中斷情況下，CPU和設(shè)備的優(yōu)先級如何考慮？請按降序排列各設(shè)備的中斷優(yōu)先級。在中斷情況下，CPU的優(yōu)先級最低；各設(shè)備的優(yōu)先次序?yàn)?/p>

(ABC)(DEF)(GHI)CPU **括號中的為同級中斷源，不可進(jìn)行中斷嵌套，但同時(shí)請求時(shí)會有優(yōu)先權(quán)的區(qū)分；2023/5/2440課本P249【例1】

如圖8.9的二維中斷系統(tǒng)中。問：若CPU現(xiàn)執(zhí)行設(shè)備B的中斷服務(wù)程序，則IM2、IM1、IM0的狀態(tài)是什么？如果CPU執(zhí)行設(shè)備D的中斷服務(wù)程序，則IM2、IM1、IM0的狀態(tài)又是什么？由于設(shè)備B的優(yōu)先權(quán)最高，則在執(zhí)行設(shè)備B的中斷服務(wù)時(shí)要禁止同級和低級所有中斷源的請求，因此IM2IM1IM0=111；若執(zhí)行設(shè)備D的中斷服務(wù)，則設(shè)備A、B、C均可發(fā)生中斷嵌套，因此IM2IM1IM0=011；2023/5/2441課本P249【例1】

如圖8.9的二維中斷系統(tǒng)中。問：每一級的IM能否對某個(gè)優(yōu)先級的個(gè)別設(shè)備單獨(dú)進(jìn)行屏蔽？如果不能，采取什么措施可以實(shí)現(xiàn)？每一級的IM只能對同級所有設(shè)備進(jìn)行屏蔽，無法實(shí)現(xiàn)對個(gè)別設(shè)備的單獨(dú)屏蔽；若要單獨(dú)屏蔽個(gè)別設(shè)備，則可在該設(shè)備的接口中實(shí)現(xiàn)，將接口內(nèi)的EI（中斷允許標(biāo)志）清0；若要使設(shè)備C一提出中斷請求，CPU立即響應(yīng)，則應(yīng)如何調(diào)整?使設(shè)備C的優(yōu)先權(quán)最高，即可滿足題目要求；可將設(shè)備C單獨(dú)設(shè)置為第3級中斷，并令I(lǐng)M3=0即可。2023/5/2442多級中斷的中斷屏蔽技術(shù)關(guān)中斷即使有中斷源產(chǎn)生中斷請求，但CPU因某種條件存在而不會中止現(xiàn)行程序，發(fā)生中斷；中斷屏蔽用程序方式有選擇地封鎖某些中斷源，而允許另一些中斷響應(yīng)。實(shí)現(xiàn)多級中斷的條件提前設(shè)置“開中斷”指令。優(yōu)先級高的中斷請求有權(quán)中斷優(yōu)先級低的中斷服務(wù)。由屏蔽字決定是否有權(quán)中斷2023/5/2443多級中斷的中斷屏蔽技術(shù)中斷屏蔽的實(shí)現(xiàn)方法：設(shè)優(yōu)先級從高到低依次為：7、6、5、4、3、2、1、0；則當(dāng)響應(yīng)第3級中斷時(shí) 中斷屏蔽字設(shè)為：00001111改變優(yōu)先級的方法：修改屏蔽字欲使第2級中斷的優(yōu)先權(quán)高于第3級；則可設(shè)置第3級中的屏蔽字設(shè)為：00001011

第2級中的屏蔽字設(shè)為：000011112023/5/2444中斷屏蔽技術(shù)舉例例：某機(jī)有5個(gè)中斷源L0～L4，按中斷響應(yīng)優(yōu)先級從高到低為L0→L1→L2→L3→L4，現(xiàn)要求將中斷處理次序改為L1→L3→L4→L0→L2，請寫出各中斷源的屏蔽字。中斷源屏蔽字（L0L1L2L3L4）L0L1L2L3L410100111110010010111101012023/5/24458.3.5中斷控制器2023/5/24468.3.6

PC系列機(jī)中斷機(jī)制中斷源外部中斷異常中斷不可屏蔽中斷NMI可屏蔽中斷INTR異常中斷指令中斷INTn除法錯中斷單步中斷斷點(diǎn)中斷溢出中斷由執(zhí)行指令引起的中斷。由隨機(jī)的硬件信號引起的中斷；2023/5/2447不可屏蔽中斷NMI由CPU的NMI引腳引入該中斷請求，CPU得到該中斷請求立即響應(yīng)，不需要CPU發(fā)響應(yīng)信號；中斷類型號固定為2；中斷優(yōu)先權(quán)高于可屏蔽中斷INTR，一般用于系統(tǒng)對緊急情況的處理，用戶不能使用；常見的NMI中斷：系統(tǒng)RAM奇偶校驗(yàn)錯、I/O通道校驗(yàn)錯、協(xié)處理器出錯等。2023/5/2448可屏蔽中斷INTR由CPU的INTR引腳引入該中斷請求；該中斷請求只有在CPU的中斷允許標(biāo)志位IF=1時(shí)，CPU才會通過發(fā)回響應(yīng)信號的方式響應(yīng)；CPU對INTR中斷的響應(yīng)控制可由STI（允許響應(yīng)INTR中斷）、CLI（禁止響應(yīng)INTR中斷）兩條指令完成。此類中斷的中斷類型號由中斷源提供；常見的INTR中斷：外部設(shè)備的中斷請求，如I/O設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送請求，用戶可自行設(shè)計(jì)；2023/5/2449指令中斷INTn由CPU執(zhí)行在程序中預(yù)先安排好的中斷指令引起的；該中斷是可預(yù)期的、且不可屏蔽的；處理該中斷時(shí)，CPU不需要發(fā)響應(yīng)信號；指令的操作數(shù)字段（n）即為中斷類型號；中斷類型號的范圍為5≤n≤255；這類中斷包括BIOS中斷、DOS中斷以及一些未定義的自由中斷（可由系統(tǒng)擴(kuò)充或根據(jù)應(yīng)用需要自定義）。2023/5/2450異常中斷由CPU內(nèi)部的突發(fā)事件引起的中斷，是不可屏蔽中斷；其中斷類型號固定；除法錯中斷－－類型號為0；執(zhí)行除法指令時(shí)，除數(shù)為0，或除得的商大于規(guī)定位數(shù)；單步中斷－－類型號為1；斷點(diǎn)中斷－－類型號為3；溢出中斷－－類型號為4；該類中斷的實(shí)質(zhì)由CPU運(yùn)行過程中的突發(fā)事件引起系統(tǒng)在適當(dāng)位置自動添加一條中斷指令，然后由CPU執(zhí)行該指令引起的中斷；同指令中斷一樣，處理該中斷時(shí)，CPU不需要發(fā)響應(yīng)信號。2023/5/2451外部中斷指令中斷內(nèi)部異常中斷硬件故障中斷軟件故障中斷2023/5/2452各類中斷的比較中斷產(chǎn)生的特點(diǎn)中斷類型號的來源CPU是否應(yīng)答可屏蔽性NMI中斷隨機(jī)性突發(fā)性系統(tǒng)固定為2不需要不可屏蔽INTR中斷隨機(jī)性突發(fā)性由中斷源提供需要可屏蔽（IF）指令中斷可預(yù)期由指令提供不需要不可屏蔽內(nèi)部中斷隨機(jī)性突發(fā)性系統(tǒng)固定為0、1、3、4不需要不可屏蔽(除單步中斷TF)2023/5/24538.4DMA方式DMA（直接內(nèi)存訪問）方式完全由硬件控制執(zhí)行I/O交換的工作方式；DMAC完全接管系統(tǒng)總線的控制權(quán)，利用總線控制數(shù)據(jù)在主存和外設(shè)之間的直接傳送，所交換的數(shù)據(jù)不經(jīng)過CPU。DMA特點(diǎn)速度快，但硬件復(fù)雜度高。DMA方式中，DMAC的工作：接受外設(shè)的DMA請求，并提交給CPU；接管總線的控制權(quán)，控制主存和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送；完成數(shù)據(jù)傳送后，交還總線使用權(quán)。磁盤與主存之間的數(shù)據(jù)傳送8.4.1DMA的基本概念2023/5/24548.4.2DMA傳送方式DMA傳送時(shí)，CPU不能使用總線，會影響CPU的工作效率；當(dāng)CPU需要訪存，或者訪問外設(shè)時(shí)，程序會阻塞；可使DMAC與CPU分時(shí)復(fù)用總線；常用的DMA傳送方式停止CPU訪問方式早期使用的一種方式；周期挪用方式（周期竊取方式）適用于外設(shè)讀寫周期大于主存的存取周期的系統(tǒng)中；DMA與CPU交替訪問方式（透明DMA方式）適用于CPU周期大于主存存取周期的系統(tǒng)中；每次挪用的一個(gè)總線周期，對于DMAC來說需要2-5個(gè)周期，用于總線控制權(quán)的申請、建立和歸還。2023/5/2455停止CPU訪問方式

工作過程DMA傳送期間，由DMAC長期占用總線，CPU不能訪存，只有DMA傳送結(jié)束時(shí)才將總線歸還給CPU使用；特點(diǎn)控制簡單，適于高速外設(shè)的數(shù)據(jù)成組傳送；內(nèi)存使用效率不高。(一般外設(shè)的讀寫周期遠(yuǎn)大于主存的存取周期)2023/5/2456周期挪用方式工作過程每次DMA傳送，都是通過外設(shè)挪用一個(gè)或幾個(gè)主存周期，分別完成數(shù)據(jù)的成塊傳送。特點(diǎn)：主存使用效率較高，常用；CPU和外設(shè)訪存沖突時(shí)，外設(shè)優(yōu)先訪問。2023/5/2457DMA與CPU交替訪存方式工作過程將CPU的工作周期一分為二，分別用于DMA和CPU訪存；特點(diǎn)：對主存的訪問時(shí)間不會發(fā)生沖突，也不需要總線控制權(quán)的申請建立和歸還過程；透明DMA方式DMA傳送不影響CPU的工作；2023/5/24588.4.3DMA控制器1、DMA控制器的基本組成2023/5/24592、DMA數(shù)據(jù)傳送過程DMA請求DMAC向CPU請求總線使用權(quán)；DMA響應(yīng)CPU給DMAC分配總線使用權(quán)；DMA傳送DMAC尋址外設(shè)和存儲器；DMAC控制外設(shè)與主存之間的數(shù)據(jù)傳送，并檢測是否傳送結(jié)束；DMA結(jié)束DMAC歸還總線使用權(quán)。之前要有對DMAC芯片的編程操作——傳送前的預(yù)處理2023/5/2460DMA方式和中斷控制方式的區(qū)別數(shù)據(jù)傳送的實(shí)現(xiàn)方式中斷——程序傳送；DMA——硬件實(shí)現(xiàn)；CPU響應(yīng)請求的時(shí)間中斷——一個(gè)指令周期結(jié)束；DMA——一個(gè)總線周期結(jié)束；請求的目的中斷——CPU的服務(wù)；DMA——總線的使用權(quán)；是否需要保護(hù)現(xiàn)場中斷——需要；DMA——不需要（CPU不參與數(shù)據(jù)傳送）；DMA的優(yōu)先權(quán)高于中斷的優(yōu)先權(quán)。2023/5/24618.4.4DMAC的類型

選擇型DMAC特點(diǎn)物理上，可以連接

多個(gè)設(shè)備；邏輯上，只允許連

接一個(gè)設(shè)備；選擇型DMAC相當(dāng)于一個(gè)

邏輯開關(guān)；只增加少量硬件，

可實(shí)現(xiàn)為多個(gè)設(shè)備服務(wù)的目的；適用于數(shù)據(jù)傳輸率很高的設(shè)備；2023/5/24622.多路型DMAC特點(diǎn)物理上，可以連接多個(gè)設(shè)備；邏輯上，也允許多個(gè)設(shè)備同時(shí)工作；各設(shè)備以字節(jié)交叉方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送；DMAC內(nèi)部需要多組寄存器；設(shè)備對DMAC的請求可采用鏈?zhǔn)?，或?dú)立請求方式；2023/5/2463課本P260【例3】設(shè)有磁盤、磁帶、打印機(jī)三個(gè)設(shè)備同時(shí)工作。各設(shè)備發(fā)出DMA請求的時(shí)間間隔如下磁盤——30μs；磁帶——45μs；打印機(jī)——150μs；設(shè)優(yōu)先權(quán)為磁盤最高，磁帶次之，打印機(jī)最低；已知DMAC每完成一次DMA傳送所需的時(shí)間是5μs。若采用多路型DMAC，則請畫出DMAC為三個(gè)設(shè)備服務(wù)的工作時(shí)間圖。2023/5/2464T4T6T7T2為磁盤服務(wù)T5T8T3為磁帶服務(wù)為打印機(jī)服務(wù)T15μsDMA請求打印機(jī)tDMA請求DMA請求DMA請求45μs磁帶tDMA請求DMA請求DMA請求DMA請求30μs磁盤t課本P260【例3】圖解2023/5/24658.5通道方式8.5.1通道的功能8.5.2通道的類型8.5.3通道結(jié)構(gòu)的發(fā)展2023/5/24668.5.1通道的功能通道的功能執(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I/O指令要求啟動外圍設(shè)備，向CPU報(bào)告中斷。CPU對通道的管理CPU通過執(zhí)行I/O指令控制通道的數(shù)據(jù)傳送；CPU處理來自通道的中斷，實(shí)現(xiàn)對通道的管理；一種是數(shù)據(jù)傳送結(jié)束中斷；一種是故障中斷。通道對設(shè)備控制器的管理通道使用通道指令控制I/O模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送操作；通道接收通道狀態(tài)字了解外設(shè)的狀態(tài)。2023/5/2467通道結(jié)構(gòu)2023/5/24688.5.2通道的類型選擇通道物理上可以連接多個(gè)設(shè)備，但這些設(shè)備不能同時(shí)工作；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。多路通道同一時(shí)間能處理多個(gè)I/O設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。多路通道的類型數(shù)組多路通道利用設(shè)備尋址的空隙為其他設(shè)備服務(wù)；字節(jié)多路通道利用設(shè)備數(shù)據(jù)傳送中字節(jié)之間的空隙為其他設(shè)備服務(wù)；高速通道多路轉(zhuǎn)換通路連接高速設(shè)備連接低速設(shè)備2023/5/24698.5.3通道結(jié)構(gòu)的發(fā)展通道結(jié)構(gòu)的I/O處理器輸入輸出處理器(IOP)IOP可以和CPU并行工作，提供高速的DMA處理能力，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳送；IOP不獨(dú)立于CPU工作，它是主機(jī)的一個(gè)部件；外圍處理機(jī)（PPU）PPU獨(dú)立于主機(jī)工作的。2023/5/24708.6通用I/O標(biāo)準(zhǔn)接口并行I/O標(biāo)準(zhǔn)接口SCSI（小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口）設(shè)計(jì)思想來源于IBM大型機(jī)系統(tǒng)的I/O通道結(jié)構(gòu)；目的是使CPU擺脫對各種設(shè)備的繁雜控制。