計(jì)算機(jī)組成原理微課版（第9章）教案

輸入輸出系統(tǒng)參考學(xué)時(shí)3學(xué)時(shí)。教學(xué)目標(biāo)（能力要求）理解計(jì)算機(jī)接口基本概念:能解釋計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中接口的基本功能、分類與結(jié)構(gòu)，可解釋端口的基本概念，能辨析獨(dú)立編址方式和統(tǒng)一編址方式各自的優(yōu)缺點(diǎn)；熟悉常見輸入輸出方式：能對(duì)比分析常見輸入輸出方式的工作原理、不同特點(diǎn)與應(yīng)用局限性；掌握查詢方式工作原理：能解釋查詢方式工作原理，對(duì)比分析定時(shí)查詢與獨(dú)占式查詢的差異，可給出查詢方式的應(yīng)用場(chǎng)合。掌握中斷方式工作原理：能解釋中斷的工作原理，對(duì)比分析單級(jí)中斷與多級(jí)中斷的異同點(diǎn)，完成特定應(yīng)用場(chǎng)景下中斷傳輸方式的性能分析，具有基本中斷電路的設(shè)計(jì)能力；掌握DMA方式工作原理：能解釋DMA方式的工作原理，完成特定應(yīng)用場(chǎng)景下DMA的性能分析。教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)：中斷基本概念，中斷請(qǐng)求與響應(yīng)過程，常見輸入輸出方式的性能計(jì)算教學(xué)難點(diǎn)：中斷機(jī)制的軟硬件實(shí)現(xiàn)方法教學(xué)主要內(nèi)容輸入輸出設(shè)備與特性（10分鐘）I/O接口（15分鐘）I/O接口的功能I/O接口的結(jié)構(gòu)I/O接口的編址I/O接口的軟件I/O接口的分類數(shù)據(jù)傳輸控制方式（5分鐘）程序控制方式（10分鐘）簡(jiǎn)單設(shè)備程序查詢流程復(fù)雜設(shè)備程序查詢流程程序中斷控制方式（50分鐘）中斷基本概念中斷請(qǐng)求中斷響應(yīng)中斷識(shí)別中斷處理DMA方式（45分鐘）DMA的基本概念內(nèi)存爭(zhēng)用問題DMA控制器DMA傳輸流程教學(xué)過程與方法輸入輸出設(shè)備與特性簡(jiǎn)單介紹輸入輸出設(shè)備定義，以及輸入輸出設(shè)備的特性。簡(jiǎn)要輸入輸出系統(tǒng)的基本組成與功能。I/O接口簡(jiǎn)要介紹I/O接口的定義與常用功能。用圖片詳細(xì)介紹I/O接口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與功能。講解I/O接口的編址概念，以及統(tǒng)一編址與獨(dú)立編址的差異。用MIPS指令與X86指令分別解釋兩種不同的編址方式。介紹I/O接口的軟件結(jié)構(gòu)，注意軟件抽象是計(jì)算機(jī)中最為重要的概念。簡(jiǎn)單介紹I/O接口的常用分類方法。數(shù)據(jù)傳輸控制方式簡(jiǎn)單介紹常見的5種數(shù)據(jù)傳輸控制方式。程序查詢方式方式用流程圖方式展示簡(jiǎn)單設(shè)備查詢方式。用流程圖方式展示復(fù)雜設(shè)備查詢方式。用軌跡圖展示獨(dú)占查詢與定時(shí)查詢中CPU與設(shè)備的工作狀態(tài)。程序中斷方式用軌跡圖展示獨(dú)占查詢與中斷控制方式中CPU與設(shè)備的工作狀態(tài)。中斷可以立即響應(yīng)，避免輪詢等待和不精確的定時(shí)查詢，方便處理隨機(jī)事件。簡(jiǎn)要介紹中斷基本流程以及優(yōu)勢(shì)。簡(jiǎn)要介紹中斷的分類與作用。介紹程序中斷處理完整流程，注意區(qū)分子程序與中斷服務(wù)程序的差異，引出中斷優(yōu)先級(jí)問題和中斷嵌套問題。結(jié)合機(jī)器指令執(zhí)行周期介紹中斷響應(yīng)周期，中斷隱指令完成的功能，實(shí)際是由硬件實(shí)現(xiàn)。中斷響應(yīng)周期需要完成的3個(gè)操作，關(guān)中斷，保存斷點(diǎn)，中斷識(shí)別。對(duì)比單級(jí)中斷和多級(jí)中斷的完整中斷流程。注意多級(jí)中斷中中斷現(xiàn)場(chǎng)會(huì)增加屏蔽字和EPC寄存器，另外恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)需要關(guān)中斷，開中斷。簡(jiǎn)單介紹多級(jí)中斷嵌套過程，高優(yōu)先級(jí)中斷可以中斷低優(yōu)先級(jí)中斷服務(wù)。對(duì)比響應(yīng)優(yōu)先級(jí)和處理優(yōu)先級(jí)，引出中斷屏蔽技術(shù)。介紹中斷屏蔽硬件實(shí)現(xiàn)原理，中斷請(qǐng)求寄存器與屏蔽寄存器邏輯與后送優(yōu)先編碼器進(jìn)行中斷處理，優(yōu)先編碼器生成中斷請(qǐng)求后與中斷使能寄存器IE邏輯與后送操作控制器，開關(guān)中斷指令就是控制中斷使能寄存器IE。舉例說明設(shè)備屏蔽字設(shè)置方法。介紹中斷仲裁基本概念與常用方法。用結(jié)構(gòu)圖對(duì)比四類常見中斷仲裁方式。介紹中斷識(shí)別基本方法，獨(dú)立請(qǐng)求的向量中斷為硬件方法。介紹向量中斷中中斷向量、向量地址與中斷服務(wù)程序的關(guān)系。中斷向量共享時(shí)，必須采用程序識(shí)別方法，在中斷服務(wù)程序中查詢特殊狀態(tài)寄存器判斷具體中斷源，分支跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)中斷服務(wù)程序。中斷處理過程中斷需要重點(diǎn)關(guān)注的問題：中斷相應(yīng)條件，現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)與恢復(fù)，軟硬協(xié)同。圖片講解中斷控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如何進(jìn)行中斷識(shí)別，如何進(jìn)行優(yōu)先排隊(duì)。圖解中斷處理過程中CPU，中斷控制器，外部設(shè)備的工作流程與狀態(tài)。給出屏蔽字和響應(yīng)優(yōu)先級(jí)，要求根據(jù)處理優(yōu)先級(jí)給出CPU運(yùn)行軌跡。給出一個(gè)輸入輸出場(chǎng)景，分析計(jì)算中斷控制方式下的CPU占用率，注意中斷方式下CPU相應(yīng)和中斷服務(wù)需要占用CPU，中斷是有開銷的，每一次中斷服務(wù)需要消耗幾十條機(jī)器指令才能傳輸一個(gè)機(jī)器字，當(dāng)速度過高時(shí)，中斷無法勝任必須采用更快的DMA方式。DMA方式分析中斷方式傳輸效率的底下，引出DMA方式，建立主存與DMA設(shè)備之間的虛擬通道，數(shù)據(jù)交互無需CPU處理。DMA控制中DMA控制器存在訪存沖突，類似DRAM刷新控制器與CPU內(nèi)存爭(zhēng)用（集中、分散、異步），解決方法也類似。停止CPU使用內(nèi)存與集中式刷新方式中的死區(qū)一樣，效率較低。停止CPU訪內(nèi)方式中存在大量的存儲(chǔ)空閑時(shí)間沒有很好利用。交替使用主存方式與DRAM刷新分散刷新完全相同，同樣會(huì)帶來存儲(chǔ)周期過長。周期挪用，存在沖突時(shí)則挪用一個(gè)機(jī)器周期傳輸一個(gè)機(jī)器字，否則不影響CPU訪內(nèi)，類似DRAM異步式刷新。圖解DMA控制器結(jié)構(gòu)，注意這是第三方DMA控制器結(jié)構(gòu)，由第三方DMA控制器協(xié)調(diào)設(shè)備與內(nèi)存的數(shù)據(jù)交互，一個(gè)DMA控制器鏈接若干設(shè)備，目前設(shè)備大多內(nèi)置了DMA控制器。圖解DMA傳輸過程中CPU，DMA控制器，外部設(shè)備的工作流程與狀態(tài)。簡(jiǎn)要介紹DMA傳輸過程準(zhǔn)備階段的主要工作。簡(jiǎn)要介紹DMA傳輸過程傳送階段的主要工作。列舉50年來一些經(jīng)