第八章-輸入輸出系統(tǒng)

輸入輸出系統(tǒng)輸入輸出系統(tǒng)的構(gòu)成微處理器

存儲器

I/O接口

微型計算機

外圍設(shè)備系統(tǒng)軟件

微型計算機系統(tǒng)系統(tǒng)總線

輸入輸出系統(tǒng)的位置及其組成輸入輸出系統(tǒng)輸入輸出系統(tǒng)的構(gòu)成外設(shè)：與接口一同構(gòu)成輸入輸出系統(tǒng)的硬件部分功能1、人機對話的橋梁2、完成數(shù)據(jù)的形式及格式變換3、計算機系統(tǒng)軟件與各種各種信息駐留地4、計算機應(yīng)用的重要工具輸入輸出系統(tǒng)的構(gòu)成外設(shè)特點1、異步性：工作速度差異大、時序獨立。2、設(shè)備無關(guān)性：結(jié)構(gòu)原理差異大，所處理的信息從數(shù)據(jù)格式到邏輯時序各不相同，一般也不能夠與CPU直接進行連接。故需要設(shè)計獨立于具體設(shè)備的各種“接口”作為外設(shè)與CPU之間通信的橋梁。輸入輸出系統(tǒng)的構(gòu)成外設(shè)分類按功能1、輸入設(shè)備：用于將各種形式的外部信息轉(zhuǎn)換為計算機所能識別的二進制信息2、輸出設(shè)備：用于將計算機中的二進制信息轉(zhuǎn)換為人或其他機器所能識別的信息形式按速度低速、中速和高速按計算機系統(tǒng)中的作用1、人機交互設(shè)備2、外存儲設(shè)備3、通信設(shè)備輸入輸出系統(tǒng)的構(gòu)成外設(shè)編址方式統(tǒng)一編址（存儲器映射方式）1、存儲單元和I/O端口統(tǒng)一進行編址，共用一個線性地址空間2、指令系統(tǒng)中不設(shè)置專用I/O指令，用訪問存儲器的指令來訪問I/O端口，通過地址來區(qū)分尋址對象（I/O還是Memory）優(yōu)點：指令功能豐富；外設(shè)數(shù)目或I/O寄存器數(shù)目幾乎不受限制；讀/寫控制邏輯簡單缺點：I/O端口占用了有限的存儲空間輸入輸出系統(tǒng)的構(gòu)成外設(shè)編址方式獨立編址（I/O映射方式）1、存儲單元和I/O端口統(tǒng)一分開編址，各自有獨立的地址空間2、指令系統(tǒng)中設(shè)置了專用I/O指令來用訪問I/O端口，通過指令來區(qū)分尋址對象（I/O還是Memory）優(yōu)點：

I/O端口不占用存儲器空間；外設(shè)數(shù)目或I/O寄存器數(shù)目不多，占用地址線少，譯碼電路簡單，指令短，速度快缺點：專用I/O指令增加指令系統(tǒng)復(fù)雜性，且指令較少，程序設(shè)計靈活性差；處理器要提供MEMR/MEMW和IOR/IOW兩組控制信號，增加了控制邏輯的復(fù)雜性。外設(shè)與CPU的連接外設(shè)接口通過總線與CPU相連CPU訪問外設(shè)的實質(zhì)是訪問外設(shè)接口中的寄存器（端口）CPU訪問外設(shè)的過程與其訪問存儲器完全一樣，不同是讀/寫控制信號不同I/O指令格式I/O設(shè)備獨立編址時，I/O指令經(jīng)指令譯碼器譯碼后，由控制器發(fā)出I/O的讀/寫信號到外設(shè)；I/O設(shè)備統(tǒng)一編址時，只有當?shù)刂纷g碼結(jié)果屬于I/O地址范圍時，控制器發(fā)出I/O讀/寫控制信號；獨立編址時，專用I/O指令格式圖：1、操作碼區(qū)分訪存操作對象（I/OorMemory）2、命令碼區(qū)分操作種類3、地址碼指明要訪問的外設(shè)端口地址以及使用的CPU寄存器號I/O接口的功能典型I/O接口功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖執(zhí)行CPU的命令返回外設(shè)的狀態(tài)設(shè)備選擇實現(xiàn)數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換中斷管理功能

I/O接口組成I/O接口組成框圖CPUI/O設(shè)備數(shù)據(jù)緩沖器中斷邏輯狀態(tài)寄存器命令寄存器端口地址譯碼內(nèi)部控制邏輯數(shù)據(jù)總線地址總線WRRDM/IOINTR數(shù)據(jù)控制狀態(tài)接口I/O接口組成基本電路1、寄存器（端口）：命令寄存器（及其譯碼器）、數(shù)據(jù)寄存器和狀態(tài)寄存器，分別保存CPU命令、數(shù)據(jù)信息和外設(shè)的狀態(tài)2、控制邏輯：執(zhí)行CPU命令、返回外設(shè)狀態(tài)、傳送數(shù)據(jù)，是接口控制外設(shè)的核心部件端口地址譯碼電路1、端口地址：對接口中寄存器的編址，特點是端口地址數(shù)目與接口中寄存器數(shù)目不一定一致，可以每個寄存器擁有一個端口地址，也可以多個寄存器擁有一個端口地址I/O接口組成2、端口地址譯碼電路：對地址總線上的外設(shè)端口地址進行譯碼，以確定該操作是否選中了本設(shè)備。供選電路：由于不同接口的結(jié)構(gòu)和功能區(qū)別很大，各接口電路可能選用的中斷控制邏輯、定時器、計數(shù)器及移位器等。主機與外設(shè)交換信息方式與外設(shè)交換信息時，主機有五種控制方式：程序查詢方式、程序中斷方式、直接存儲器訪問（DMA）方式、通道方式及輸入輸出處理機（IOP）方式1、程序查詢方式工作原理：CPU查詢外設(shè)是否準備好。準備好交換數(shù)據(jù)，否則循環(huán)查詢特點：CPU被外設(shè)獨占，工作效率低下實現(xiàn)：由程序?qū)崿F(xiàn)，不需要增加額外硬件電路適用：CPU不忙且數(shù)據(jù)交換速度不高，如單片機控制場合主機與外設(shè)交換信息方式程序查詢方式流程圖主機與外設(shè)交換信息方式2、程序中斷方式工作原理：外設(shè)準備好數(shù)據(jù)后，發(fā)送一個中斷請求給CPU；CPU執(zhí)行完當前指令，轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序處理中斷，完成與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送；之后返回原程序斷點處，繼續(xù)執(zhí)行特點：CPU與外設(shè)并行工作，并能夠同時被多個外設(shè)占用實現(xiàn)：接口硬件中需要增加中斷邏輯控制適用：中低速設(shè)備主機與外設(shè)交換信息方式3、直接存儲器訪問（DMA）方式工作原理：完全由硬件執(zhí)行與I/O進行的數(shù)據(jù)交換，通過DMA控制器實現(xiàn)內(nèi)存與外設(shè)、外設(shè)與外設(shè)之間直接、快速地數(shù)據(jù)傳送特點：CPU根據(jù)I/O傳送要求初始化DMA控制器（數(shù)據(jù)傳送方向、主存起始地址、傳送字節(jié)數(shù)等）；當外設(shè)數(shù)據(jù)準備好，數(shù)據(jù)傳送不經(jīng)過CPU，由DMA控制器進行管理，與主存直接進行，CPU效率高實現(xiàn)：接口硬件中需要DMA控制器及相關(guān)的邏輯支持適用：大量、高速數(shù)據(jù)傳送主機與外設(shè)交換信息方式4、通道與輸入輸出處理機方式

通道：特殊功能的處理器，實現(xiàn)對外設(shè)的統(tǒng)一管理與外設(shè)同主存之間的數(shù)據(jù)傳送工作原理：通過執(zhí)行由通道指令編寫的輸入輸出控制程序，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號傳遞給由它管理的外設(shè)，完成復(fù)雜的輸入輸出實現(xiàn)：硬件結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，需要特殊功能的控制器特點：輸入輸出處理機（IOP）是通道進一步發(fā)展?；惊毩⒂谥鳈C工作，接管CPU各種I/O操作及I/O控制功能適用：大量、高速數(shù)據(jù)傳送中斷系統(tǒng)中斷源類別

中斷：在CPU執(zhí)行程序過程中，由于某事件發(fā)生而使CPU暫?，F(xiàn)執(zhí)行程序而轉(zhuǎn)去處理所發(fā)生事件，并在處理結(jié)束后重新回到程序中斷的地方繼續(xù)執(zhí)行分類：軟中斷與硬中斷1、硬中斷：指由外設(shè)和其他CPU外部事件引起的中斷，也稱外中斷常見外中斷：輸入輸出請求、實時時鐘、計時器、電源故障、設(shè)備故障、校驗線路等等。外中斷一般通過CPU的中斷請求引腳引入。中斷系統(tǒng)2、軟中斷：指CPU內(nèi)部指令或程序執(zhí)行中的突發(fā)事件所引起的中斷，又稱內(nèi)中斷。常見內(nèi)中斷：指令中斷（例如中斷指令I(lǐng)NTn）和程序異常（例如除數(shù)為零，運算溢出、指令單步運行、程序運行至斷點處andsoon）中斷類型號：一般，在中斷系統(tǒng)中，將對所有中斷源進行編碼，為其分配一個唯一代碼，稱為中斷類型號，依此來尋找中斷服務(wù)子程序的入口地址，實現(xiàn)程序轉(zhuǎn)移中斷系統(tǒng)中斷過程四階段：中斷請求、中斷響應(yīng)、中斷服務(wù)、中斷返回1、中斷請求外中斷：外設(shè)或其他中斷源通過CPU中斷請求引腳向CPU發(fā)中斷請求信號；CPU執(zhí)行每條指令后監(jiān)測是否有中斷請求，有則轉(zhuǎn)入中斷響應(yīng)階段中斷系統(tǒng)

內(nèi)中斷：無需中斷請求，直接根據(jù)中斷類型號轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)處理程序2、中斷響應(yīng)：CPU首先通過硬件保存程序斷點（PC）與標志寄存器，以便中斷返回；然后進入中斷響應(yīng)周期，通過向量方式或者軟件查詢方式獲得中斷服務(wù)程序入口指令地址，并載入PC3、中斷服務(wù)：進入中斷服務(wù)處理程序，首先將相關(guān)寄存器值保存，然后執(zhí)行I/O操作，完成數(shù)據(jù)傳送；之后，恢復(fù)相關(guān)寄存器的值，執(zhí)行中斷返回指令，回到主程序斷點處4、中斷返回：中斷返回指令功能，恢復(fù)PC及標志寄存器值，回到主程序斷點處，繼續(xù)執(zhí)行中斷系統(tǒng)中斷作用實現(xiàn)CPU和多臺I/O設(shè)備并行工作具有處理應(yīng)急事件的能力進行實時處理實現(xiàn)人機通信實現(xiàn)多道程序運行和分時操作實現(xiàn)應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)（管態(tài)程序）的聯(lián)系實現(xiàn)多機系統(tǒng)中各處理機間的聯(lián)系中斷系統(tǒng)思考：當系統(tǒng)中有多個中斷源時，各中斷源如何向CPU提出中斷請求？CPU如何監(jiān)測到有中斷請求？對那些CPU目前不準備響應(yīng)的中斷源，CPU如何禁止它們產(chǎn)生中斷請求？如果同一時刻有多個中斷源向CPU申請中斷，CPU首先響應(yīng)那個中斷？CPU如何知道當前響應(yīng)的是哪個中斷源？即：轉(zhuǎn)入哪個中斷源的中斷服務(wù)程序入口？如果CPU在執(zhí)行某個中斷服務(wù)程序的過程中，又發(fā)生新的中斷請求，那么CPU如何處理？中斷請求與判優(yōu)中斷請求信號的產(chǎn)生與監(jiān)測

產(chǎn)生

1、每個中斷源對應(yīng)一個觸發(fā)器，多個中斷請求觸發(fā)器構(gòu)成一個中斷請求寄存器IRR2、當某個中斷源有中斷請求時，其相應(yīng)的INTRi=13、中斷請求信號鎖存在該寄存器中，CPU響應(yīng)這個中斷請求后才清除中斷請求與判優(yōu)?監(jiān)測

1、CPU在每條指令執(zhí)行完畢后檢測中斷請求引腳2、大多數(shù)CPU具有若干個中斷請求引腳，以80X86系列CPU為例，具有INTR和NMI兩條中斷引腳

INTR：可屏蔽的中斷請求引腳，受程序狀態(tài)字Flags的IF位（中斷使能標志）控制：IF=0，CPU禁止響應(yīng)INTR引腳上的中斷請求；IF=1，CPU允許響應(yīng)INTR引腳上的中斷請求

NMI：不可屏蔽的中斷請求引腳，不受IF的影響；一旦從該引腳引入的中斷源有中斷請求，優(yōu)先級最高中斷請求與判優(yōu)中斷屏蔽中斷屏蔽寄存器：對應(yīng)于每一個中斷源，CPU設(shè)置一個中斷屏蔽觸發(fā)器；多個中斷屏蔽觸發(fā)器組成中斷屏蔽寄存器中斷請求與判優(yōu)中斷請求信號的屏蔽中斷請求與判優(yōu)中斷請求信號傳遞方式：公共中斷請求線、獨立中斷請求線和二結(jié)構(gòu)中斷請求公共中斷請求線獨立中斷請求線二維結(jié)構(gòu)中斷請求中斷請求與判優(yōu)中斷請求的排隊與判優(yōu)？問題：有多個中斷同時發(fā)生時，CPU對中斷源響應(yīng)的次序？答：CPU按照中斷性質(zhì)與處理的輕重緩急為其分配優(yōu)先級并使其進行排隊。

1、確定優(yōu)先級原則：對一旦提出請求就需要立刻響應(yīng)處理，否則將造成嚴重后果的中斷源，給予其最高優(yōu)先級；對可以延遲響應(yīng)和處理的中斷源，給予其較低優(yōu)先級

2、一般，將硬件故障引起的中斷優(yōu)先級定為最高，其次是軟件故障中斷和I/O中斷。

中斷請求與判優(yōu)排隊判優(yōu)的實現(xiàn)：軟件查詢與硬件電路排隊1、軟件查詢完全由程序?qū)崿F(xiàn)；可靈活修改中斷源的優(yōu)先級次序；硬件電路實現(xiàn)簡單；適用于一個公共線請求的場合；缺點：占用CPU時間，中斷響應(yīng)時間長，優(yōu)先級較低的中斷源等待時間長；

中斷請求與判優(yōu)2、硬件排隊電路：優(yōu)先級別高的中斷請求將自動封鎖對優(yōu)先級別低的中斷請求；硬件排隊電路一旦設(shè)計連接好后，將再無法改變其優(yōu)先級別1、串行排隊鏈與向量中斷

電路中距離CPU最近的中斷源優(yōu)先級最高中斷請求與判優(yōu)2、獨立請求優(yōu)先級排隊電路中斷請求與判優(yōu)3、二維結(jié)構(gòu)中斷優(yōu)先級排隊電路中斷響應(yīng)CPU響應(yīng)中斷的條件CPU的中斷使能觸發(fā)器開放（IF=1，允許中斷）；在規(guī)定的時間內(nèi)，CPU的中斷請求引腳有效；該中斷未被屏蔽；本條指令執(zhí)行完；CPU響應(yīng)中斷的過程關(guān)中斷：當CPU響應(yīng)中斷后，立即自動關(guān)中斷（把內(nèi)部的中斷使能觸發(fā)器IF清零），禁止接收新的中斷，以保證現(xiàn)有中斷執(zhí)行操作不被打斷保存斷點：斷點信息包括兩部分：PC和程序狀態(tài)字PSW。斷點通常保存在堆棧中中斷響應(yīng)識別中斷源：由其轉(zhuǎn)入服務(wù)程序入口地址；中斷源識別的方法有兩種：中斷向量與軟件查詢A）中斷向量：中斷服務(wù)程序入口地址被稱為中斷向量。通常將各中斷源的中斷向量存放在一片連續(xù)的內(nèi)存單元中，形成一張中斷向量表，表的內(nèi)容是相應(yīng)中斷服務(wù)程序入口地址CSIPCSIPCSIPCSIPCSIPCSIPCSIP︽︾︽︾︽︾︽︾類型255（十進制）類型32類型31（十進制）供用戶定義的中斷（共224個）類型5類型4類型3類型2類型1類型0保留的中斷（共27個）專用的中斷（共5個）0000:03FFH0000:007FH0000:007EH0000:0014H0000:0013H0000:0010H0000:000FH0000:000CH0000:000BH0000:0008H0000:0007H0000:0004H0000:0003H0000:0000H溢出中斷斷點中斷非屏蔽中斷單步中斷除數(shù)為0中斷中斷類型表中的中斷類型碼與中斷向量中斷響應(yīng)

B）軟件查詢：由CPU執(zhí)行一個公共的中斷處理程序，逐