第8章 輸入輸出系統(tǒng)課件

1、8.1 輸入輸出設備的編址方式輸入輸出設備的編址方式8.2 總線結(jié)構總線結(jié)構8.3 程序中斷方式程序中斷方式8.4 DMA方式方式8.5 通道和通道和I/O處理機方式處理機方式 輸入輸出系統(tǒng)包括輸入輸出設備、輸入輸出接口及相關軟件，I/O接口(I/O適配器)是用來連接主機與I/O設備的,三者的關系如下:主機I/O接口I/O設備 8.1.1與主存儲器統(tǒng)一編址方式 在主存儲器的地址空間中劃出某一區(qū)域?qū)ｉT作為外設地址區(qū)使用，即外設寄存器的地址包含在主存儲器的地址空間內(nèi)，劃給外設的這部分區(qū)域不能配置存儲器芯片。 優(yōu)點：操作方式靈活,使用通用的MOV或訪存指令也可以訪問I/O接口. 缺點：需占用小部分存

2、儲空間。CPU主存儲器I/O接口I/O接口地址線 數(shù)據(jù)線 R/W控制線主存儲區(qū)外設區(qū)主存地址空間00000HEFFFFHF0000HFFFFFH8.1. 2、I/O端口單獨編址方式 設置單獨的I/O地址空間,為I/O接口的有關寄存器分配I/O端口地址,使用專門的I/O指令去訪問。 優(yōu)點：不占用存儲空間 缺點：需專門的I/O指令,其尋址方式較簡單,編程靈活性稍差。C CP PU U主存儲器I/O接口I/O接口地址線 數(shù)據(jù)線主存R/W控制I/O R/W控制8086 M/IORDWRMEMRMEMWI/O RI/O W例例:8.2 總線結(jié)構總線結(jié)構8.2.1 概述 總線是傳送信息的通路，在計算機系統(tǒng)

3、中使用的總線可分成3類：(1)計算機系統(tǒng)中各部件內(nèi)部傳送信息的通路。例如：運算器內(nèi)部寄存器與寄存器之間、寄存器與算術邏輯運算單元(ALU)之間的傳送通路，通常稱之為內(nèi)部總線。(2)計算機系統(tǒng)中各部件之間傳送信息的通路。例如CPU與主存儲器之間，CPU與外設端口之間傳送信息的通路，通常稱之為“系統(tǒng)總線”。(3)計算機多機系統(tǒng)內(nèi)部各計算機之間傳送信息的通路，通常稱之為“機間總線”或“多機總線”。 本節(jié)中討論的主要是CPU與外設接口之間的系統(tǒng)總線，又可稱作輸入輸出總線，簡稱IO總線。8.2.2 總線的控制方式以集中式總線控制方式為例來說明常用的3種總線控制與仲裁方式。1串行鏈式查詢方式: 采用串行鏈

4、式查詢方式來實現(xiàn)判優(yōu)功能的連接圖如圖83所示。 (1)工作過程： 該總線上連接著多個部件，對各個部件來說，除了共享數(shù)據(jù)總線和地址總線外，還有3條控制線(構成控制總線)：總線請求信號線(BR)、總線忙信號線(BS)和總線認可信號線(BG)。 平時，BR、BS和BG線均無效，當某個或多個部件要求使用總線時，各部件通過BR線向總線控制器發(fā)出總線請求信號，總線控制器得到請求后置BG線有效，并首先進入“部件0”，若“部件0”有請求，則BG線將終止向后傳送，由“部件0”發(fā)出總線忙(BR1)信號，表示當前總線由“部件0”占用；若“部件0”無請求，則BG線繼續(xù)往后傳送，一直傳送到某個有總線請求的部件為止，這時

5、總線控制器將總線使用權交給該部件 （2）優(yōu)先權：從上述查詢過程中可以看出，離總線控制器最近的部件具有最高的優(yōu)先權，最遠的部件只有在它前面所有部件均不請求使用總線時，才有可能得到總線的使用權，這種不公平的待遇將保持不變。這種查詢方式控制簡單，控制線數(shù)量少，總線上要增、刪部件很容易，但是對串行查詢鏈上的電路故障非常敏感，如果某個部件的查詢鏈出了故障，那么該部件之后的所有部件都將無法得到總線的使用權。2.計數(shù)定時查詢方式計數(shù)定時查詢方式連接圖如圖8-4所示在總線不忙的情況下(BS0)，任何部件需要使用總線時，通過BR線向總線控制器發(fā)出總線請求，總線控制器收到該請求信號時立即啟動計數(shù)器開始計數(shù)，計數(shù)值

6、作為地址通過設備地址線傳送到各部件去，各部件內(nèi)部都設有地址符合線路。當計數(shù)值與本部件地址符合時，立即停止計數(shù)，并產(chǎn)生總線忙信號(BS1)，表示當前本部件取得總線使用權。采用這種查詢方式，若計數(shù)器每次從“0”開始計數(shù)，則像鏈式查詢方式一樣，使用總線的優(yōu)先權由高到低，總是地址號最小的部件具有最高的優(yōu)先權。但是如果每次計數(shù)從中止值開始，那么各個部件使用總線的優(yōu)先權將基本上相等。此外，計數(shù)器的初值還可以用軟件來設定，這樣便可以靈活地改變總線上各部件的優(yōu)先級別。3.獨立請求方式獨立請求方式連接圖如圖8-5所示。從圖8-5中可以看出，獨立請求方式是以增加控制線數(shù)為代價的，共享總線的各個部件均分別有兩條控制

7、線BRi和BGi。任何部件要求使用總線時，通過自己的BRi線獨立發(fā)出總線請求信號，總線控制器內(nèi)部設有排隊線路，根據(jù)既定的優(yōu)先權策略決定允許哪一個部件當前使用總線，則給該部件發(fā)出總線認可信號(BGi1)。這種查詢方式速度快、效率高，但是增加了控制線的數(shù)量，內(nèi)部還需另設排隊器。 8.2.3 總線通信方式共享總線的部件獲得總線使用權后，相互通信的方式通常有同步方式和異步方式兩種。1同步方式 同步通信方式指通信雙方由定寬、定距的時標控制總線上數(shù)據(jù)的傳送。 同步通信適用于總線較短、通信雙方速率相等或比較接近的場合，這種情況下一般都具有較高的數(shù)據(jù)傳送速率。2異步方式 異步通信方式是指通信的雙方按照各自的時

8、鐘頻率工作，在進行數(shù)據(jù)通信之前，雙方必須通過聯(lián)絡信號(或稱“握手”信息)取得聯(lián)系后方可進行正常通信。根據(jù)聯(lián)絡信號的相互關聯(lián)可分成非互鎖、半互鎖和全互鎖三種方式。 8.2.4總線上信息傳送方式主要由串行傳送方式和并行傳送兩種。串行傳輸：并行傳輸： 8.2.5總線接口總線接口又可稱作輸入輸出接口，這是因為主機通過總線與各種類型的輸入輸出設備相連，并且相互交換信息，但是由于它們之間存在著很大的差異，它們的工作方式不同，傳輸速率不同，結(jié)構方式不同，使用器件不同，因此各種輸入輸出設備必須要通過相應的接口，通過輸入輸出總線方能與主機交換信息。 接口與主機和外部設備之間的連接如圖8-8所示。 1接口的分類

9、根據(jù)接口的不同特點可有多種分類方法。 (1)根據(jù)數(shù)據(jù)傳送的方式可分成并行接口和串行接口。 (2)根據(jù)主機對I/O設備的訪問方式可分成查詢式接口，中斷接口和DMA接口等。查詢式接口是指通過硬件或軟件方式根據(jù)外設的優(yōu)先級別由高到低順序查詢哪個設備當前要進行輸入/輸出操作。中斷接口是指哪個外設需要向主機輸入/輸出信息時，立即向主機發(fā)出中斷請求，由中斷接口來處理有關的事件。DMA接口是由它代替CPU完成高速外設與主機之間成塊交換信息。 (3)根據(jù)功能選擇的靈活性可分為可編程接口和不可編程接口。 可編程接口是指接口的功能可由初始化程序來定義。這種接口，一般功能比較強。不可編程接口，一般只具有單一功能。

10、(4)根據(jù)輸入輸出信號的性質(zhì)可分數(shù)模轉(zhuǎn)換接口和模數(shù)轉(zhuǎn)換接口。 數(shù)模轉(zhuǎn)換接口(D/A)是能將計算機輸出的數(shù)字信號變換成模擬信號。 模數(shù)轉(zhuǎn)換接口(A/D)是能將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入到計算機中。2接口的功能 接口種類繁多，功能各異，主要的功能可概括為以下幾個方面：(1)數(shù)據(jù)緩沖功能： 在計算機主機與外部設備之間信息傳送過程中，被傳送數(shù)據(jù)可在接口中緩沖，以匹配兩者之間的速度差別。(2)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能： 在串行通信中，從CPU并行輸出的數(shù)據(jù)應能轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)逐位輸出到外部設備中去，反之，串行接收到的數(shù)據(jù)應能轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)輸入到CPU中去。 (3)數(shù)據(jù)的裝配與拆卸功能：許多外部設備的數(shù)據(jù)端口只有8位，

11、對于字長比較長的主機，例如字長32位，接口應能將從主機獲得的32位數(shù)據(jù)拆卸為4個字節(jié)，逐個字節(jié)傳送到外部設備中去。反之，由外部設備逐字節(jié)接收到的數(shù)據(jù)應能裝配成32位數(shù)據(jù)再向主機輸入。(4)接口中如果設置有地址寄存器和字節(jié)計數(shù)器，應能完成其修改功能。(5)啟?？刂乒δ埽航涌趹芨鶕?jù)CPU的要求，對所選定的外部設備實現(xiàn)啟動和停止功能。(6)命令、狀態(tài)信息的傳送功能：接口應能將CPU發(fā)出的命令傳送到外部設備中。外部設備在工作過程中的狀態(tài)信息應能反饋到主機中去。(7)與CPU之間取得聯(lián)系： 如果CPU與外部設備之間以中斷方式交換信息，那么應能及時向CPU發(fā)出中斷請求，如果以DMA方式傳送信息，那么應能

12、及時向CPU發(fā)出請求。 3接口芯片舉例8.3 輸入輸出控制方式解決：外設的要求如何被滿足 外設和主機如何同步1.程序查詢方式：由CPU執(zhí)行一段輸入輸出程序來控制實現(xiàn)主機與外設之間的數(shù)據(jù)傳送。CPU利用率很低，但接口簡單。2.程序中斷方式：當外設數(shù)據(jù)準備就緒后，“主動”向CPU發(fā)出請求中斷的信號，CPU響應中斷時，暫停主程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)移到請求中斷的外設的中斷服務程序，中斷服務程序結(jié)束后，CPU再返回原主程序。3.直接存儲器存?。―MA）方式：是一種完全由硬件執(zhí)行I/O交換的工作方式。該方式中，DMA控制器接替CPU對總線的控制，數(shù)據(jù)交換直接在主存和I/O設備之間進行，而不經(jīng)過CPU。4.通道和I

13、/O處理機方式：由通道或I/O處理機控制實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入輸出，通道與CPU分時使用內(nèi)存，實現(xiàn)了CPU與外設的并行工作。8.3 .1 8.3 .1 程序查詢方式程序查詢方式1. 程序查詢方式接口CPU控制寄存器0 1忙0 1就緒數(shù)據(jù)緩沖寄存器設備選擇動作開始動作結(jié)束輸入數(shù)據(jù)DBAB(1)(2)(3)(4)(5)(6)接口設備（1）CPU啟動接口，置“忙”為1，“就緒”為0 。 （2）設備“動作開始”。 （3）設備向接口“輸入數(shù)據(jù)”。CPU控制寄存器0 1忙0 1就緒數(shù)據(jù)緩沖寄存器設備選擇動作開始動作結(jié)束輸入數(shù)據(jù)DBAB(1)(2)(3)(4)(5)(6)接口設備（4）設備“動作結(jié)束”，置“就緒”為1

14、 。 （5）CPU檢測到“就緒”（14期間，CPU始終檢測就緒否）。（6）CPU從接口接收數(shù)據(jù)。 2. 程序查詢方式總結(jié)特點：CPU與外設處于串行工作方式，主程序與外設的服務子程序的執(zhí)行不能同時進行優(yōu)點：接口簡單缺點：CPU效率低（查詢的過程是快速CPU等待慢速外設的過程）8.3.2 程序中斷方式8.3.2.1 中斷的基本概念 1.中斷：在接到隨機請求后，CPU暫停執(zhí)行原來的程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷處理程序，為響應的隨機事件服務,處理完畢后CPU恢復原程序的繼續(xù)執(zhí)行，這個過程稱為中斷。CPU主程序中斷請求響應返回中斷服務程序外設工作外設工作CPU查詢CPU查詢CPU工作CPU工作CPU工作外設工作C

15、PU工作中斷請求中斷服務外設工作CPU工作中斷請求中斷服務 與程序查詢方式比較2. 中斷源：請求CPU中斷的設備或事件中斷內(nèi)中斷：發(fā)生在主機內(nèi)部的中斷外中斷：由主機外部事件引起的中斷8.3.2.2 程序中斷的處理過程1. 程序中斷的處理過程(1) 中斷請求：即中斷源向CPU發(fā)出中斷請求。(2) 中斷響應：是中斷處理開始的公操作,包括:關中斷,即CPU內(nèi)部的中斷屏蔽寄存器IM置位(IM=1)中斷現(xiàn)行程序并保護斷點(PC及PSW的內(nèi)容)發(fā)中斷響應信號(3)中斷識別：確定應該處理哪一個中斷,并調(diào)用其對應的中斷服務程序，中斷源的識別方法有軟件查詢和中斷向量法。(4) 中斷服務：由中斷服務程序完成，包括

16、如下處理： 保護現(xiàn)場 執(zhí)行中斷服務程序 恢復現(xiàn)場(5) 中斷返回：返回主程序斷點,由中斷返回指令IRET完成。2.中斷服務程序：是中斷處理的核心,不同的中斷要求配置不同的中斷服務程序.其流程如下:保護現(xiàn)場交換屏蔽字開中斷中斷服務關中斷恢復現(xiàn)場恢復屏蔽字開中斷中斷返回前處理部分主體部分后處理部分3.嵌套中斷 定義：優(yōu)先級別高的中斷打斷優(yōu)先級別低的中斷,稱為嵌套中斷 方法：在中斷服務程序中設置“開放中斷”，以便CPU能夠接受其它中斷請求。用堆棧保護斷點。主程序中斷請求PC=ASPASP主程序中斷請求PC=A中斷請求PC=B主程序中斷請求PC=A中斷請求PC=B中斷請求PC=CABSPABCSP主程

17、序中斷請求PC=A中斷請求PC=B中斷請求PC=CIRET主程序中斷請求PC=A中斷請求PC=B中斷請求PC=CIRETIRETABSP主程序中斷請求PC=A中斷請求PC=B中斷請求PC=CIRETIRETIRETASP主程序中斷請求PC=A中斷請求PC=B中斷請求PC=CIRETIRETIRETSP例:某計算機系統(tǒng)共有5級中斷,其中斷響應優(yōu)先級從高到低為1 2 3 4 5,先按如下規(guī)定修改:各級中斷處理時均屏蔽本級中斷,且處理1級中斷時屏蔽2、3、4、5級中斷；處理2級中斷時屏蔽3、4、5級中斷；處理4級中斷時不屏蔽其它中斷；處理3級中斷時屏蔽4級和5級中斷；處理5級中斷時屏蔽4級中斷。試問

18、中斷處理優(yōu)先級(從高到低)順序如何排列?并給出各級中斷處理程序的中斷屏蔽字?解:實際中斷處理優(yōu)先級(從高到低)順序為1 2 3 5 4 1級中斷屏蔽字為: 11111; 2級中斷屏蔽字為: 01111; 3級中斷屏蔽字為: 00111; 4級中斷屏蔽字為: 00001; 5級中斷屏蔽字為: 000118.3.3直接存儲器訪問方式8.3.4通道方式和IOP方式1通道的基本功能(1)接受CPU的I/O指令，按要求啟動外設。(2)執(zhí)行通道指令。(3)組織外設與主存間的數(shù)據(jù)傳送。(4)向CPU報告外設的狀態(tài)信息和中斷信息。2通道的類型(1)字節(jié)多路通道字節(jié)多路通道主要用于連接大量的低速設備，這些設備的

19、數(shù)據(jù)傳輸速率很低，而通道從設備接收或發(fā)送一個字節(jié)只需要幾百納秒，因此通道在傳送兩個字節(jié)之間有很多空閑時間，字節(jié)多路通道正是利用這個空閑時間為其他設備服務的。(2)選擇通道 選擇通道又稱高速通道，在物理上它可以連接多個設備，但是這些設備不能同時工作，在某一段時間內(nèi)通道只能選擇一個設備進行工作，當這個設備的通道程序全部執(zhí)行完畢后，才能執(zhí)行其他設備的通道程序。選擇通道主要用于連接高速外圍設備，如磁盤、磁帶等，信息以成組方式高速傳輸。由于數(shù)據(jù)傳輸速率很高，通道在傳送兩個字節(jié)之間已很少空閑，所以在數(shù)據(jù)傳送期間只為一臺設備服務。(3)數(shù)組多路通道數(shù)組多路通道是對選擇通道的一種改進，它的基本思想是當某設備進

20、行數(shù)據(jù)傳送時，通道只為該設備服務；當設備在執(zhí)行尋址等輔助性動作時，通道暫時斷開與這個設備的連接，掛起該設備的通道程序，去為其他設備服務，即執(zhí)行其他設備的通道程序。 由于數(shù)組多路通道既保留了選擇通道高速傳送數(shù)據(jù)的優(yōu)點，又充分利用了輔助性操作的時間間隔為其他設備服務，使通道效率充分得到發(fā)揮，因此數(shù)組多路通道在實際系統(tǒng)中得到較多的應用。 3通道的工作過程 通道的工作過程如圖所示。 可以分為3個步驟：用戶程序中調(diào)用訪管指令進入管理程序，由CPU通過管理程序組織一個通道程序，并啟動通道。通道處理機執(zhí)行CPU為其組織的通道程序，完成指定的數(shù)據(jù)輸入輸出工作。當通道啟動后，CPU可以退出操作系統(tǒng)的管理程序，返

21、回用戶程序中繼續(xù)執(zhí)行。 通道程序結(jié)束后向CPU發(fā)中斷請求。CPU響應此中斷請求后，第二次進入操作系統(tǒng)，調(diào)用管理程序?qū)斎胼敵鲋袛噙M行處理。 4通道方式與DMA方式的比較DMA和通道控制方式最基本的相同點是把外設與主機交換數(shù)據(jù)過程控制權從CPU中接管，使外設能與主機并行工作。它們之間主要的不同在于如下幾個方面。(1)DMA與通道的工作原理不同：DMA完全采用硬件控制數(shù)據(jù)交換的過程，速度較快：而通道則采用軟硬件結(jié)合的方法，通過執(zhí)行通道程序控制數(shù)據(jù)交換的過程。(2)DMA與通道的功能不同：通道是在DMA的基礎上發(fā)展來的，因此，通道功能要比DMA的功能更強。在DMA中，CPU必須進行設備的選擇、切換、

22、啟動、終止，并進行數(shù)據(jù)校驗。CPU在輸入輸出過程中的開銷較大，通道控制則把這些工作都接管，以減輕CPU的負擔。(3)DMA與通道所控制的外設類型不同：DMA只能控制速度較快、類型單一的外設，而通道則可支持多種類型的外設。 幾種IO方式的比較 在計算機系統(tǒng)中，CPU管理外圍設備的方式有程序查詢方式、程序中斷方式、DMA方式、通道方式和外圍處理機方式。其中前3種技術在現(xiàn)在的微型計算機系統(tǒng)中是非常常見的，后兩種主要用于比較復雜的高檔計算系統(tǒng)中，外圍處理機方式可以看成是通道處理機的進一步擴展。圖下所示是一個分類示意圖。 習題及參考答案1計算機系統(tǒng)中，CPU與1/0設備交換信息的方式有哪幾種?分別說明它

23、們的主要特點。解：一般有程序控制輸入輸出、中斷輸入輸出、直接存儲器訪問(DMA)、IO通道和外圍處理機5種方式。(1)程序控制輸入輸出方式CPU控制何時對何設備進行輸入輸出操作；外圍設備和CPU處于異步工作關系；數(shù)據(jù)的輸入輸出要經(jīng)過CPU；用于連接低速外圍設備，如終端和打印機。其特點在于：靈活性好：一般說來不能實現(xiàn)處理機與外圍設備的并行工作。(2)中斷輸入輸出方式主要是為克服程序控制輸入輸出方式中處理機與外圍設備不能并行工作的缺點而設置的。它的定義是：當出現(xiàn)來自處理機以外的任何現(xiàn)行程序不知道的事件時，CPU暫?，F(xiàn)行程序，轉(zhuǎn)去處理這些事件，然后再返回原來執(zhí)行程序的方式。它有4個特點：CPU與外圍

24、設備可以并行工作；能夠處理異常事件；數(shù)據(jù)的輸入輸出要經(jīng)過CPU,一般用來連接低速設備。(3)直接存儲器訪問(DMA)方式主要用來連接高速外設； 由外部設備直接訪問系統(tǒng)存儲器空間，無須CPU的參與。它有以下特點：主存儲器既可以被CPU訪問也可以被外設訪問；在外圍設備與主存儲器之間不需要執(zhí)行程序，所以不需要作現(xiàn)場保存與恢復，使其工作速度加快；DMA控制器中需要設置數(shù)據(jù)緩沖寄存器、設備狀態(tài)寄存器和控制寄存器之外，還需要設置主存儲器地址寄存器、設置各地址寄存器和數(shù)據(jù)交換計數(shù)器；在DMA開始之前需要對DMA控制器進行初始化； 在此方式下，CPU不僅可以和外圍設備并行工作，并且整個數(shù)據(jù)的傳送過程不需CPU的干預。 (4)通道方式通道是一個特殊功能的處理機，它有自己的指令和程序，專門負責數(shù)據(jù)輸入輸出的傳輸控制，而CPU將傳輸控制功能交給通道后只負責數(shù)據(jù)處理功能。這樣CPU和通道同時使用內(nèi)存，實現(xiàn)了CPU運算與I/0設備的并行工作。它有以下特點：根據(jù)CPU要求選擇某一指定的外設與系統(tǒng)相連，向該外設發(fā)出操作命令，并進行初始化；指出外設讀/寫信息的位置以及與外設交換信息的主存緩沖區(qū)的地址：控制外設與主存