chapter5 總線與輸入輸出系統(tǒng)-第二部分_W

1、目錄第五章總線與輸入輸出系統(tǒng)5.1總線的分類5.2 總線管理和控制5.65.7總線結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出系統(tǒng)I/O設(shè)備I/O接口I/O數(shù)據(jù)傳送控制方式Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.I/O接口I/O 接口是指 CPU 和 I/O 設(shè)備間的連接部件 。r 接口的作用 通過(guò)設(shè)置數(shù)據(jù)緩沖實(shí)現(xiàn) CPU 與 I/O間的速度匹配 通過(guò)串并（或并串）轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn) CPU與 I/O之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換 通過(guò)電平匹配實(shí)現(xiàn) CPU與 I/O之間的電氣轉(zhuǎn)換 通過(guò)接收

2、與傳達(dá)控制命令實(shí)現(xiàn) CPU對(duì) I/O的控制 通過(guò)保存與傳送 I/O狀態(tài)實(shí)現(xiàn) CPU對(duì) I/O的查詢 通過(guò)設(shè)備選擇電路向 CPU提供 I/O尋址功能Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.I/O接口（續(xù)）r 接口的組成數(shù)據(jù)線地址線命令線狀態(tài)線系統(tǒng)級(jí)接口設(shè)備級(jí)接口Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.狀態(tài)線外部設(shè)備I/O接口數(shù)據(jù)線命令線

3、設(shè)備選擇電路命 令寄存器和命 令譯碼器控制邏輯電路數(shù) 據(jù)緩 沖寄存器DBR設(shè)備狀態(tài)標(biāo)記CPUI/O接口舉例Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.ARM處理器UART接口Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.I/O接口（續(xù)）r 接口的通信方式 I/O 接口與主機(jī)的連接一般通過(guò)總線連接。 I/O 接口與 I/O 設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送方式并行

4、傳送串行傳送 I/O 接口與 I/O 設(shè)備的通信方式同步通信異步通信Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.I/O接口（續(xù)）同步并行接口同步串行接口同步串行數(shù)據(jù)格式Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.I/O接口（續(xù)）異步串行接口異步串行數(shù)據(jù)格式Copyright 2012 Compute

5、r Organization Group. All rights reserved.目錄第五章總線與輸入輸出系統(tǒng)5.1總線的分類5.2 總線管理和控制5.65.7總線結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出系統(tǒng)I/O設(shè)備I/O接口I/O數(shù)據(jù)傳送控制方式Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.I/O數(shù)據(jù)傳送控制方式在 I/O 設(shè)備與主機(jī)交換信息過(guò)程中，根據(jù)的不同角色形成了5 種控制方式：r 程序查詢方式r 程序中斷方式r 直接存儲(chǔ)器存取方式r I/O通道方式r I/O處

6、理機(jī)方式CPU 所承擔(dān)Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.前3 種屬于基本的輸入輸出方式，作為講解的重點(diǎn)。程序查詢方式r 基本思想在CPU序過(guò)程中，現(xiàn)行程序運(yùn)行現(xiàn)行程若需要訪問(wèn)CPU踏步等待I/O設(shè)備，就直接在現(xiàn)行程序中加入一段由 I/O 指I/O又令編制的程序來(lái)完成交換， 交換結(jié)束后， 繼續(xù)執(zhí)行現(xiàn)行程序。就緒?NYr 處理流程現(xiàn)行程序Copyright 2012 Computer Organization Grou

7、p. All rights reserved.交換數(shù)據(jù)啟動(dòng)I/O程序查詢方式（續(xù)）r 程序查詢接口輸入數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)啟動(dòng)設(shè)備準(zhǔn)備就緒QRQRSCSS啟動(dòng)命令工作結(jié)束地址總線Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.&SEL設(shè)備選擇電路DBRDBR01QQQQRRSSSSRRCCSS&設(shè)備選擇電路程序查詢方式（續(xù)）r 程序查詢接口工作過(guò)程輸入數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù) 1 0 準(zhǔn)備就緒啟動(dòng) 設(shè)備Q RSS啟動(dòng)命令&工作結(jié)束SEL地址總線設(shè)備選擇電路http:/corg.xjtu.ed

8、Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.QRCSDBR程序查詢方式性能舉例【例5-4】某計(jì)算機(jī)CPU主頻為 50MHz，CPI為 5（即執(zhí)行每條指令平均需 5 個(gè)時(shí)鐘周期）。在采用程序查詢方式的輸入輸出系統(tǒng)中，若有鍵盤(pán)和硬盤(pán)兩個(gè)設(shè)備。CPU 每秒至少對(duì)鍵盤(pán)查詢 5 次，才能滿足用戶輸入速度的要求。硬盤(pán)以記錄塊為單位與主存交換數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)傳輸 率為 5MBps，CPU每查詢成功一次交換一個(gè)字節(jié)。問(wèn)CPU對(duì)這兩個(gè)設(shè)備查詢所花費(fèi)的時(shí)間比率，由此可得出 什么結(jié)論？

9、Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.程序查詢方式性能舉例（續(xù)）解： 由于CPU每次查詢 I/O設(shè)備狀態(tài)一般需要 2 條指令， 即 讀狀態(tài)寄存器指令和測(cè)試判斷指令。所以，r CPU每秒查詢鍵盤(pán)所占用的時(shí)間比率= 5次2條指令5個(gè)時(shí)鐘周期1/50MHz100%= 0.0001%r CPU每秒查詢硬盤(pán)所占用的時(shí)間比率= 5MBps2條指令5個(gè)時(shí)鐘周期1/50MHz100%= 100%r 由于CPU查詢硬盤(pán)的時(shí)間比率為100%，所以，在該機(jī)器中，CPU對(duì)硬盤(pán)的控制不適合采用程序查詢方式。http:/corg.x

10、Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.本章第2次作業(yè)（總第7次作業(yè)）95.21Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.程序中斷方式r 中斷的概念所謂中斷（Interrupt），指計(jì)算機(jī)在執(zhí)行程序的過(guò)程中，引起CPU暫?，F(xiàn)行程序，處理完后又返回現(xiàn)行程序執(zhí)，出現(xiàn)某種非預(yù)期的緊急的執(zhí)行，轉(zhuǎn)去處理此行的過(guò)程，叫中斷，或“程序中斷”。r 中斷技

11、術(shù)中斷是一種軟硬結(jié)合的技術(shù)，即一部分由硬件實(shí)現(xiàn)，一 部分由軟件實(shí)現(xiàn)。r 中斷技術(shù)的應(yīng)用在計(jì)算機(jī)中廣泛采用中斷技術(shù)來(lái)解決各類問(wèn)題。本章僅 討論 I/O 中斷。Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.程序中斷方式（續(xù)）r I/O 處理流程I/O 設(shè)備CPU現(xiàn)行程序交換一個(gè)數(shù)據(jù)現(xiàn)行程序交換一個(gè)數(shù)據(jù)Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.啟動(dòng)

12、命令準(zhǔn)備數(shù)據(jù)現(xiàn)行程序并行工作中斷請(qǐng)求程序中斷方式（續(xù)）r I/O中斷處理過(guò)程CPU現(xiàn)行程序I/O 接口交換一個(gè)數(shù)據(jù)現(xiàn)行程序Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.中斷判優(yōu)中斷響應(yīng)中斷服務(wù)中斷返回中斷請(qǐng)求程序中斷方式（續(xù)） 中斷請(qǐng)求 為了向CPU提供持續(xù)穩(wěn)定的中斷請(qǐng)求信號(hào)， I/O接口中設(shè)置一個(gè)中斷請(qǐng)求觸發(fā)器（INTR），表示中斷請(qǐng)求狀態(tài)。 為了使 CPU 可以根據(jù)情況來(lái)決定是否理睬某個(gè)中斷請(qǐng)求，I/O接口中設(shè)置一個(gè)中斷屏蔽觸發(fā)器（MASK），表示該中斷是否開(kāi)放。h

13、ttp:/Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.程序中斷方式（續(xù)） 中斷判優(yōu) 當(dāng)多個(gè)中斷源同時(shí)提出請(qǐng)求時(shí)，需要按照優(yōu)先級(jí)來(lái)響應(yīng)； 中斷排隊(duì)既可用硬件實(shí)現(xiàn)，也可用軟件實(shí)現(xiàn)； 硬件排隊(duì)判優(yōu)常用的方法有：串行排隊(duì)、并行排隊(duì)。串行排隊(duì)鏈路Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.程序中斷方式（續(xù)）并行排隊(duì)邏輯C

14、opyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.程序中斷方式（續(xù)） 中斷響應(yīng) 為了使CPU具有響應(yīng)或不響應(yīng)中斷的選擇，CPU中設(shè)置一個(gè)中斷允許觸發(fā)器（EINT）。 CPU響應(yīng)中斷的時(shí)刻一般安排在每條指令的執(zhí)行末。 在中斷響應(yīng)過(guò)程中，CPU要自動(dòng)完成三個(gè)操作： 關(guān)中斷 保護(hù)程序斷點(diǎn) 獲得中斷服務(wù)程序入口地址中斷隱指令 獲得中斷服務(wù)程序入口地址的方法有： 軟件查詢法 硬件向量法Copyright 2012 Computer Organization Group. All rig

15、hts reserved.程序中斷方式（續(xù)）中斷向量地址形成框圖中斷服務(wù)程序入口地址獲取方法Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.程序中斷方式（續(xù)） 中斷服務(wù) 中斷服務(wù)通過(guò)運(yùn)行中斷服務(wù)程序完成。 中斷服務(wù)程序分為三部分： 保護(hù)現(xiàn)場(chǎng) 中斷處理 恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng) 中斷返回 中斷返回由中斷返回指令完成。 中斷返回操作： 現(xiàn)行程序斷點(diǎn)和PSW出棧 開(kāi)中斷Copyright 2012 Computer Organization Grou

16、p. All rights reserved.程序中斷方式性能舉例【例5-5】某計(jì)算機(jī) CPU 主頻為 50MHz，CPI 為 5。若有鍵盤(pán)和硬盤(pán)兩個(gè)設(shè)備，均采用中斷方式與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序包含 9 條指令，中斷服務(wù)的其它開(kāi)銷相當(dāng)于 1 條指令的執(zhí)行時(shí)間。假設(shè)用戶敲擊鍵盤(pán)的速度是 5鍵/秒。硬盤(pán)以記錄塊為單位與主存交換數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)傳輸率為 5MBps，中斷 CPU一次交換一個(gè)字節(jié)。CPU分別用于這兩個(gè)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的時(shí)間與設(shè)備準(zhǔn)備數(shù)據(jù) 的時(shí)間比率是多少？由此可得出什么結(jié)論？Copyright 2012 Computer Organ

17、ization Group. All rights reserved.程序中斷方式性能舉例（續(xù)）r解一次中斷處理占CPU的時(shí)間=(9+1)條5時(shí)鐘周期/條 1/50MHz =1s CPU用于鍵盤(pán)I/O的時(shí)間與鍵盤(pán)準(zhǔn)備數(shù)據(jù)的時(shí)間比率= 1s/（1/5106）s = 0.0005% CPU用于硬盤(pán)I/O的時(shí)間與硬盤(pán)準(zhǔn)備數(shù)據(jù)的時(shí)間比率= 1s/（1/5）s = 500% 由于采用中斷方式實(shí)現(xiàn)硬盤(pán)數(shù)據(jù)傳送時(shí)，中斷處理時(shí)間遠(yuǎn)大于硬盤(pán)準(zhǔn)備數(shù)據(jù)的時(shí)間，會(huì)造成硬盤(pán)數(shù)據(jù)的丟失，所以，該機(jī)器不能采用中斷方式控制硬盤(pán)數(shù)據(jù)傳送。Copyright 2012 Computer

18、 Organization Group. All rights reserved.程序中斷方式（續(xù)）r 程序中斷接口Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.程序中斷方式（續(xù)）舉例：現(xiàn)有3個(gè)設(shè)備A、B、C，它們的優(yōu)先級(jí)按降序排列。此 3個(gè)設(shè)備的向量地址分別是：001010、001011、001100。請(qǐng) 設(shè)計(jì)一個(gè)鏈?zhǔn)脚抨?duì)線路和產(chǎn)生個(gè)向量地址的設(shè)備編碼器。INTACopyright 2012 Computer Organiz

19、ation Group. All rights reserved.程序中斷方式（續(xù)）r 單重中斷和多重中斷現(xiàn)行程序A服務(wù)程序A中斷源請(qǐng)求B中斷源請(qǐng)求B服務(wù)程序單重中斷處理流程Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.程序中斷方式（續(xù)）現(xiàn)行程序A服務(wù)程序B服務(wù)程序C服務(wù)程序A中斷源請(qǐng)求C中斷源請(qǐng)求B中斷源請(qǐng)求多重中斷處理流程Copyright 2012 Computer Organization Group. All rig

20、hts reserved.程序中斷方式（續(xù)）r 實(shí)現(xiàn)多重中斷的必要條件 在保存完現(xiàn)場(chǎng)后，應(yīng)設(shè)置一條開(kāi)中斷指令； 在恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)之前，應(yīng)設(shè)置一條關(guān)中斷指令，CPU處理流程： 中斷服務(wù)現(xiàn)行程序保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)取指令開(kāi)中斷中斷響應(yīng): 關(guān)中斷;斷點(diǎn)及PSW進(jìn)棧; 向量地址 PC中斷返回: 斷點(diǎn)出棧 PC;PSW出棧 PS;開(kāi)中斷執(zhí)行指令中斷處理N關(guān)中斷有中斷？Y恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.程序中斷方式（續(xù)）r 中斷嵌套 嵌套規(guī)則（優(yōu)先級(jí)嵌套規(guī)則） 允許優(yōu)先級(jí)別低的

21、中斷能嵌套優(yōu)先級(jí)別高的中斷； 不允許相同優(yōu)先級(jí)的中斷相互嵌套； 不允許優(yōu)先級(jí)別高的中斷嵌套優(yōu)先級(jí)別低的中斷。 實(shí)現(xiàn)技術(shù)優(yōu)先級(jí)屏蔽字處理次序響應(yīng)次序Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.程序中斷方式（續(xù)）例5-6：某機(jī)有五個(gè)中斷源A、B、C、D、E，中斷優(yōu)先級(jí)由高到低的次序?yàn)锳BCDE。若某個(gè)時(shí)刻這5個(gè)中斷源的中斷請(qǐng)求信號(hào)同時(shí)到來(lái)。1）按照優(yōu)先級(jí)嵌套規(guī)則，各中斷服務(wù)程該如何設(shè)置屏蔽字？畫(huà)出CPU中斷響應(yīng)和處理過(guò)程。Cop

22、yright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.程序中斷方式（續(xù)）2）若想將中斷處理次序改為BECAD，各中斷服務(wù)程序又該如何設(shè)置屏蔽字？畫(huà)出CPU中斷響應(yīng)和處理過(guò)程。Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.DMA方式r DMA的概念所謂DMA（Direct Memory Access），即直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)。在高速I(mǎi)/O設(shè)備和主存儲(chǔ)器間進(jìn)行直接、自動(dòng)、成批數(shù)據(jù)傳送，從而減少CPU干預(yù)的I/O控

23、制方式r DMA技術(shù)主要由硬件實(shí)現(xiàn)。DMA控制器完成I/O控制和管理。Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.DMA方式（續(xù)）r I/O 處理流程CPUI/O 設(shè)備存儲(chǔ)器結(jié)束處理現(xiàn)行程序Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.現(xiàn)行程序啟動(dòng)I/O啟動(dòng)命令并行工作現(xiàn)行程序交換一組數(shù)據(jù)交換一組數(shù)據(jù)中斷請(qǐng)求ACCACC中中斷接口斷接口中低中低

24、速速I(mǎi)/OI/O設(shè)備設(shè)備主主主主存存存存DMADMA接口接口DMA方式（續(xù)）r DMA和程序中斷方式比較輸入/輸出指令CPUACCCopyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.DMA接口高速I(mǎi)/O 設(shè)備中斷接口中低速I(mǎi)/O 設(shè)備主存DMA方式（續(xù)）r DMA交換方式有三種常見(jiàn)的實(shí)現(xiàn)方法t主存工作周期CPU使用主存DMA使用主存（a）停止CPU訪問(wèn)主存CPU使用主存DMA使用主存（b）周期挪用CPU使用主存DMA使用主存CPU工作周期C1C2t（c）CPU與DMA交替訪存

25、Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.DMA方式（續(xù)）r DMA接口Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.DMA方式（續(xù)）r DMA工作過(guò)程一次完整的DMA 傳送過(guò)程分為預(yù)處理、傳送、后處理三個(gè)階段，分別由程序控制、周期竊取、程序中斷三 種技術(shù)完成。預(yù)處理CPU運(yùn)行一段程序向DMA 控制器送命令和傳送的初始參數(shù)。數(shù)據(jù)傳送在DMA控

26、制器控制下，通過(guò)周期竊取方式與主存間交換數(shù)據(jù)。后處理CPU 響應(yīng) DMA中斷后，通過(guò)中斷服務(wù)程序進(jìn)行DMA的結(jié)束工作。Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.DMA方式（續(xù)）r DMA接口類型 選擇型 多路型Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.DMA方式性能舉例【例5-7】有關(guān)CPU和硬盤(pán)的假設(shè)同 例5-5，若改用DMA方式，假設(shè)

27、每次DMA傳送大小為5000B，且DMA預(yù)處理和后處 理的總開(kāi)銷為500個(gè)時(shí)鐘周期，則CPU用于該外設(shè)I/O的時(shí)間占整個(gè)CPU時(shí)間的百分比是多少？（假設(shè)DMA與CPU之 間沒(méi)有訪存沖突）解: 由于硬盤(pán)數(shù)據(jù)傳輸率為5MB/s，傳輸5000B的數(shù)據(jù)塊所占時(shí)間是：5000B/5MB/s=1000s預(yù)處理和后處理占時(shí)間為：500時(shí)鐘周期1/50MHz =10sCPU用于該硬盤(pán) I/O 的時(shí)間占整個(gè) CPU時(shí)間的百分比是：10s / (1000+10) s 100% 1%Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.DMA方式性能舉例（續(xù)）（8/150分）某計(jì)算機(jī)的CPU主頻為500MHz，CPI為5（