計算機組成原理第5章(輸入輸出系統(tǒng)).ppt

1、第五章 輸入輸出系統(tǒng),5.6 DMA方式,5.5 程序中斷方式,5.4 程序查詢方式,5.3 I/O接口,5.2 外部設(shè)備,5.1 概述,5.1 概 述,一、輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展概況,1. 早期,分散連接,CPU 和 I/O 串行 工作,程序查詢方式,2. 接口模塊和 DMA 階段,總線連接,CPU 和 I/O 并行 工作,3. 具有通道結(jié)構(gòu)的階段,4. 具有 I/O 處理機的階段,中斷方式,DMA 方式,二、輸入輸出系統(tǒng)的組成,1. I/O 軟件,CPU 指令的一部分,通道自身的指令,指出數(shù)組的首地址、傳送字數(shù)、操作命令,如 IBM/370 通道指令為 64 位,2. I/O 硬件,設(shè)備,I/

2、O 接口,設(shè)備,設(shè)備控制器,通道,5.1,三、I/O 與主機的聯(lián)系方式,1. I/O 編址方式,(1) 統(tǒng)一編址,(2) 不統(tǒng)一編址,用取數(shù)、存數(shù)指令,有專門的 I/O 指令,2. 設(shè)備選址,用設(shè)備選擇電路識別是否被選中,3. 傳送方式,(1) 串行,(2) 并行,5.1,4. 聯(lián)絡(luò)方式,(1) 立即響應(yīng),(2) 異步工作采用應(yīng)答信號,(3) 同步工作采用同步時標,5.1,并行,串行,5. I/O 與主機的連接方式,(1) 輻射式連接,(2) 總線連接,不便于增刪設(shè)備,5.1,便于增刪設(shè)備,四、I/O 與主機信息傳送的控制方式,1. 程序查詢方式,CPU 和 I/O 串行工作,踏步等待,5.1

3、,2. 程序中斷方式,I/O 工作,CPU 不查詢,CPU 暫?，F(xiàn)行程序,CPU 和 I/O 并行工作,5.1,程序中斷方式流程,CPU 向 I/O 發(fā)讀指令,CPU 讀 I/O 狀態(tài),檢查狀態(tài),完成否？,準備就緒,5.1,3. DMA 方式,主存和 I/O 之間有一條直接數(shù)據(jù)通道,不中斷現(xiàn)行程序,周期挪用（周期竊取）,CPU 和 I/O 并行工作,5.1,三種方式的 CPU 工作效率比較,程序 查詢 方式,程序 中斷 方式,DMA 方式,5.1,5.2 外部設(shè)備,一、概述,外部設(shè)備大致分三類,鍵盤 鼠標 打印機 顯示器,磁盤 光盤 磁帶,二、輸入設(shè)備,1. 鍵盤,2. 鼠標,3. 觸摸屏,按

4、鍵,判斷哪個鍵按下,將此鍵翻譯成 ASCII 碼 （編碼鍵盤法）,1. 人機交互設(shè)備,2. 計算機信息駐留設(shè)備,調(diào)制解調(diào)器等,機械式、光電式,三、輸出設(shè)備,1. 顯示器,字符發(fā)生器,主觀圖像,客觀圖像,2. 打印機,點陣式（逐字、逐行）,噴墨（逐字）,激光（逐頁）,5.2,四、其他,1. A/D、D/A,2. 終端,3. 漢字處理,五、多媒體技術(shù),完成顯示控制與存儲 鍵盤管理及通信控制,模擬/數(shù)字（數(shù)字/模擬）轉(zhuǎn)換器,漢字輸入、漢字存儲、漢字輸出,1. 什么是多媒體,2. 多媒體計算機的關(guān)鍵技術(shù),5.2,由鍵盤和顯示器組成,5.3 I/O 接 口,一、概述,為什么要設(shè)置接口？,1. 實現(xiàn)設(shè)備的

5、選擇,2. 實現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖達到速度匹配,4. 實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換,5. 傳送控制命令,6. 反映設(shè)備的狀態(tài)（“忙”、“就緒”、“中斷請求”）,二、接口的功能和組成,總線連接方式的 I/O 接口電路,5.3,2. 接口的功能和組成,功能,組成,選址功能,傳送命令的功能,傳送數(shù)據(jù)的功能,反映設(shè)備狀態(tài)的功能,設(shè)備選擇電路,命令寄存器 命令譯碼器,數(shù)據(jù)緩沖寄存器,設(shè)備狀態(tài)標記,完成觸發(fā)器 D,工作觸發(fā)器 B,中斷請求觸發(fā)器 INTR,屏蔽觸發(fā)器 MASK,5.3,3. I/O 接口的基本組成,5.3,三、接口類型,1. 按數(shù)據(jù) 傳送方式 分類,2. 按功能 選擇的靈活性 分類,3. 按 通用性 分類,4. 按

6、數(shù)據(jù)傳送的 控制方式 分類,5.3,5.4 程序查詢方式,一、程序查詢流程,1. 查詢流程,單個設(shè)備,多個設(shè)備,測 試 指 令,轉(zhuǎn) 移 指 令,傳 送 指 令,2. 程序流程,設(shè)置內(nèi)存緩沖區(qū)首址,設(shè)置計數(shù)器,啟動外設(shè),傳送一個數(shù)據(jù),修改內(nèi)存地址,修改計數(shù)值,結(jié)束I/O傳送,5.4,二、程序查詢方式的接口電路,5.4,以輸入為例,5.5 程序中斷方式,一、中斷的概念,K,K+1,Q,Q+1,二、I/O 中斷的產(chǎn)生,以打印機為例,CPU 與打印機并行工作,5.5,三、程序中斷方式的接口電路,1. 配置中斷請求觸發(fā)器和中斷屏蔽觸發(fā)器,INTR 中斷請求觸發(fā)器,INTR = 1 有請求,MASK 中斷

7、屏蔽觸發(fā)器,MASK = 1 被屏蔽,來自 CPU 的 中斷查詢信號,受設(shè)備本身控制,D 完成觸發(fā)器,5.5,2. 排隊器,排隊,在 CPU 內(nèi)、在接口電路中（鏈式排隊器）,硬件,軟件,5.5,詳見第八章,設(shè)備 1#、2#、3#、4# 優(yōu)先級按 降序排列,5.5,3. 中斷向量地址形成部件,入口地址,設(shè)備 編碼器,詳見第八章,5.5,4. 程序中斷方式接口電路的基本組成,5.5,四、I/O 中斷處理過程,1. CPU 響應(yīng)中斷的條件和時間,(1) 條件,(2) 時間,允許中斷觸發(fā)器 EINT = 1,用 開中斷 指令置 “1” EINT,用 關(guān)中斷 指令置“ 0” EINT 或硬件 自動復(fù)位,

8、當 D = 1（隨機）且 MASK = 0 時,在每條指令執(zhí)行階段的結(jié)束前,CPU 發(fā) 中斷查詢信號（將 INTR 置“1”）,5.5,2. I/O 中斷處理過程,DBR,設(shè)備選擇電路,以輸入為例,5.5,五、中斷服務(wù)程序流程,1. 中斷服務(wù)程序的流程,(1) 保護現(xiàn)場,(2) 中斷服務(wù),(3) 恢復(fù)現(xiàn)場,(4) 中斷返回,對不同的 I/O 設(shè)備具有不同內(nèi)容的設(shè)備服務(wù),中斷返回指令,2. 單重中斷和多重中斷,不允許中斷 現(xiàn)行的 中斷服務(wù)程序,中斷隱指令完成,進棧指令,出棧指令,5.5,3. 單重中斷和多重中斷的服務(wù)程序流程,中斷隱指令,中斷隱指令,單重,多重,5.5,主程序和服務(wù)程序搶占 CP

9、U 示意,宏觀 上 CPU 和 I/O 并行 工作 微觀 上 CPU 中斷現(xiàn)行程序 為 I/O 服務(wù),5.5,程序中斷接口芯片 8259A 的內(nèi)部結(jié)構(gòu),5.5,5.6 DMA 方式,一、DMA 方式的特點,1. DMA 和程序中斷兩種方式的數(shù)據(jù)通路,2. DMA 與主存交換數(shù)據(jù)的三種方式,(1) 停止 CPU 訪問主存,控制簡單,CPU 處于不工作狀態(tài)或保持狀態(tài),未充分發(fā)揮 CPU 對主存的利用率,5.6,(2) 周期挪用（或周期竊?。?DMA 訪問主存有三種可能,CPU 此時不訪存,CPU 正在訪存,CPU 與 DMA 同時請求訪存,此時 CPU 將總線控制權(quán)讓給 DMA,5.6,(3) D

10、MA 與 CPU 交替訪問,CPU 工作周期,所有指令執(zhí)行過程中的一個基準時間,5.6,二、DMA 接口的功能和組成,1. DMA 接口功能,(1) 向 CPU 申請 DMA 傳送,(2) 處理總線 控制權(quán)的轉(zhuǎn)交,(3) 管理 系統(tǒng)總線、控制 數(shù)據(jù)傳送,(4) 確定 數(shù)據(jù)傳送的 首地址和長度,(5) DMA 傳送結(jié)束時，給出操作完成信號,修正 傳送過程中的數(shù)據(jù)地址和長度,5.6,2. DMA 接口組成,+1,+1,5.6,三、DMA 的工作過程,1. DMA 傳送過程,預(yù)處理、數(shù)據(jù)傳送、后處理,(1) 預(yù)處理,通過幾條輸入輸出指令預(yù)置如下信息,通知 DMA 控制邏輯傳送方向（入/出）,5.6,CPU,(2) DMA 傳送過程示意,5.6,(3) 數(shù)據(jù)傳送過程（輸入）,5.6,(4) 數(shù)據(jù)傳送過程（輸出）,5.6,(5) 后處理,校驗送入主存的數(shù)是否正確,是否繼續(xù)用 DMA,測試傳送過程是否正確，錯則轉(zhuǎn)診斷程序,由中斷服務(wù)程序完成,5.6,2. DMA 接口與系統(tǒng)的連接方式,(1) 具有公共請求線的 DMA 請求,5.6,(2) 獨立的 DMA 請求,5.6,3. DMA 方式與程序中斷方式的比較,(1) 數(shù)據(jù)傳送,(2) 響應(yīng)時間,(3) 處理異常情況,(4) 中斷請求,(5) 優(yōu)