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1、第十章 输入输出系统,一、输入输出系统概述二、程序中断输入输出方式三、DMA输入输出方式四、通道控制方式和外围处理机方式五、系统总线六、外设接口,一、输入输出系统概述,I/O系统包括外部设备和外部设备与主机之间的控制部件。其中后者又称为设备控制器，也称为接口或设备适配器，它的作用是控制并实现主机与外设之间的数据传送。1.1 I/O设备的编址及I/O接口的基本功能 1.2 I/O设备数据传送控制方式,1.1 I/O设备的编址及I/O接口基本功能,1、I/O接口功能2、接口基本组成3、I/O设备编址4、寻址方式5、I/O接口类型,1、I/O接口功能（1）进行地址译码和设备选择 当CPU送来选择外设
2、的地址码后，接口必须对地址进行译码以产生设备选择信息，使主机能和指定外设交换信息。（2）实现数据缓冲和锁存 在输入过程中，先将数据送入数据缓冲寄存器中，然后再送到输出设备或主机中去；在输出时，先将数据送入锁存器。（3）数据格式的变换 CPU出来的数据是并行的二进制信号，外设有的是串行或模拟信号。（4）传递控制命令和状态信息,2、接口基本组成,（1）数据寄存器 数据端口 实现数据缓冲与锁存（2）控制命令寄存器 控制端口（3）状态信息寄存器 状态端口 保存状态信息，供CPU检测使用（4）控制逻辑电路,地址译码与设备选择电路中断控制逻辑电路读写控制电路,3、I/O设备编址,I/O设备编址原因：为了方
3、便CPU对I/O设备进行寻址和选择，必须给每一台设备规定一些地址码（设备号或设备代码）。,4、寻址方式,（1）独立I/O方式 该地址与内存地址无关，CPU使用专 用 I/O指令访问外设。端口地址的两种编码方式：优：专门的I/O指令，与访存分开；指令执行快；不占内存地址空间。缺：需专用指令、寻址方式少。,全编码 n条地址线，2n个外设位编码 n条地址线，n个外设,（2）存储器统一寻址方式 把外设端口与存储器统一进行编址，不需要专门的I/O指令。优：访存指令可访问端口，寻址类型多。缺：占用存储器空间；速度慢。问题：地址空间的分配 用地址码的高位来区分内存与外设 规定部分地址为外设地址,IBM PC
4、 设备地址码,2004 上半年高级程序员试题,若某个计算机系统中，内存地址与I/O地址统一编址，访问内存单元和I/O是靠_来区分。A.数据总线上输出的数据 B.不同的地址代码 C.内存与I/O使用不同的地址总线 D.不同的指令,B,2003 程序员试题,_的说法是正确的。A内存地址不能作为接口地址B内存地址可以作为接口地址 C接口地址不可用作外存地址 D接口地址可用作内存地址,B,5、I/O接口类型,（1）按数据传送的宽度可分为并行接口和串行接口。并行接口中，外设和接口之间是按字节或字来传送数据；串行接口中，外设与接口之间是一位一位来传送数据。（2）按功能选择的灵活性分为可编程接口和不可编程接
5、口。（3）按通用性可分为通用接口与专用接口。,2001 程序员试题,RS一232-C是_。现在不少打印机,扫描仪和数字相机等设备都通过 USB 接口与主机相连,它是_,此类应用中的传送速率可达_。它支持_通信,并完全支持_。(51):A.Modem专用接口 B.打印机接口 C.通用串行数据接口 D.通用并行数据接口(52):A.通用串行总线 B.通用并行总线 C.SCSI接口 D.通用卡式接口(53):A.56Kbps B.1.5Mbps C.12Mbps D.100Mbps(54):A.同步方式 B.异步方式 C.同步或异步方式 D.数据压缩方式(55):A.模拟信号输入、输出 B.局域网接
6、口 C.无驱动程序工作方式 D.即插即用技术,C,A,C,C,D,1.2 I/O设备数据传送控制方式,通常把I/O设备数据传送控制方式分为五种。1、程序直接控制方式（查询法）完全通过程序来控制主机和外围设备之间的信息传送通常的办法是在用户的程序中安排一段由输入输出指令和其他指令所组成的程序段直接控制外围设备的工作。传送时,首先启动设备,发出启动命令,接着CPU等待外围设备完成接收或发送数据的准备工作,在等待时间内,CPU不断地用一条测试指令检测外围设备工作状态标志触发器。一旦测试到标志触发器已置成“完成”状态,即可进行数据传送。,优点：控制方式简单。缺点：CPU利用率低。仅仅适合于传输率高的外
7、设。,2、程序中断传送方式 外设与CPU可同步工作，当外设准备好数据后向CPU发出中断请求，CPU接到请求后停止正在运行的程序，转去执行中断服务程序，完成后返回到原程序处。这种方式提高了CPU的利用率，但是成批交换数据的外设，用这种方式会造成信息丢失，可用DMA方式来解决。,3、DMA方式 直接存储器存取方式简称DMA，基本思想是在外设和主存之间开辟直接的数据传送通道。在不需要CPU 干预也不需要软件介入的情况下在两者之间进行的高速数据传送方式。这项工作是由I/O系统中的DMA控制器来完成。DMA仍有缺点：对外设的管理和某些操作的控制仍需CPU来承担。外设数量增多，多个DMA同时使用，会引起访
8、问主机冲突。,4、I/O通道控制方式 在大型计算机系统中，所连接的I/O设备数量多，输入/输出频繁，要求整体的速度快，单纯依靠主CPU采取中断和DMA等控制方式已不能满足要求，因此引入I/O通道。I/O通道有自己的指令系统，并能实现指令所控制的功能，所以 I/O通道已经具备处理机的功能。但是其指令较简单，一些复杂的功能仍需要CPU来完成，所以，I/O通道是不完整的处理机。,5、外围处理机方式 外围处理机简称PPU，功能：可完成I/O通道能完成的I/O控制，还能完成一些复杂的操作。外围处理机基本上独立于主机，使得计算机系统结构有了质的飞跃，由功能集中式发展为功能分散的分布式系统。,二、程序中断输
9、入输出方式,2.1 中断的基本知识2.2 中断处理2.3 程序中断设备接口的组成2.4 中断与子程序的区别,2.1 中断的基本知识,1、中断的定义 中断是指CPU对系统中或系统外发生异步事件的响应。异步事件是指无一定时序关系的随机发生事件。,2、中断的作用（1）CPU与I/O设备同步工作（2）硬件故障处理（3）实现人机联系（4）实现多道程序和分时操作（5）实现实时处理（6）实现应用程序和操作系统的联系（7）多处理机系统各处理机间的联系,3、中断的基本类型(1)自愿中断和强迫中断(2)程序中断和简单中断(3)内中断和外中断(4)向量中断和非向量中断(5)单重中断和多重中断,4、中断源 定义：引起
10、中断的事件称为中断源。中断触发器：引起中断时，先把中断保存在设备控制器的中断触发器中，即置1，当中断触发器为1时，向CPU发出中断请求信号。每个中断源都有一个中断触发器。,5、中断的分级与中断优先权 优先权：多个中断同时发生时，对各个中断响应的优先次序。按中断性质和处理的轻重缓急对所有的中断赋予优先权。中断级：把所有的中断按不同的类别分为若干级，称为中断级。分配优先权时必须要考虑数据传输率和服务程序的要求。,6、禁止中断和中断屏蔽 禁止中断 定义：产生中断后，由于某种条件的限制，CPU不能中止现行程序的执行，称为禁止中断。实现：CPU中设置一个中断允许触发器，当触发器为1时，允许CPU响应中断
11、。中断允许触发器通过开中断、关中断指令来置位、复位，进入中断服务程序后自动关中断。,中断屏蔽 定义：产生中断请求后，用程序方式有选择地封锁部分中断，允许其余中断得到响应。实现：为每个中断源设置一个中断屏蔽触发器来屏蔽该设备的中断请求。触发器置1时，相应的设备中断被封锁；置0时，相应的设备中断允许得到响应。有些中断是不允许被屏蔽的，这些中断称为非屏蔽中断，即非屏蔽中断的优先权最高。,2.2 中断处理,1、中断处理过程 关中断、保存断点等操作一般是由硬件来实现，类似一条指令，称为中断隐指令。中断服务程序：为处理意外情况或有意安排的任务而编写的程序称为“中断服务程序”。,保存断点和现场：为了在中断处
12、理结束后能正确地返回到中断点,在响应中断时,必须把当前的程序计数器PC中的内容(即断点)保存起来。现场信息一般指的是程序状态字,中断屏蔽寄存器和CPU中某些寄存器的内容。对现场信息的处理有两种方式:一种是由硬件对现场信息进行保存和恢复;另一种是由软件即中断服务程序对现场信息保存和恢复。对硬件保存现场信息的方式。有的机器把断点等保存在主存固定的单元;有的机器每次响应中断后把处理机状态字和程序计数器内容相继压入堆栈,再从指定的两个主存单元分别取出新的程序计数器内容和处理机状态字来代替,称为交换新,旧状态字方式。,判别中断源：转向中断服务程序。在多个中断源同时请求中断的情况下,本次实际响应的只能是优
13、先权最高的那个中断源.所以需进一步判别中断源,并转入相应的中断服务程序入口。开中断.：因为接下去就要执行中断服务程序,开中断将允许更高级中断请求得到响应,实现中断嵌套。执行中断服务程序：不同中断源的中断服务程序是不同的,实际有效的中断处理工作是在此程序段中实现的。退出中断：在退出时,又应进入不可中断状态,即关中断,恢复现场,恢复断点,然后开中断,返回原程序执行。,2004 上半年高级程序员试题,在中断响应过程中，CPU保护PC的主要目的是_ A.使CPU能找到中断的服务程序的入口地址 B.为了实现中断嵌套 C.为了使CPU在执行完中断服务程序后能回到断点处 D.为了使CPU与I/O并行工作,C
14、,2、判别中断源 有两种方法：软件和硬件方法。（1）查询法 由测试程序按一定顺序检查各个设备的中断触发器，当找到第一个1时，则找到了优先进行处理的中断源。（2）串行排队链法 当一个设备的中断触发器为1时，通过或门向CPU发出中断请求信号。,图10.4 中断请求串行排队逻辑,3、多重中断处理 定义：处理某个中断过程又出现了新的中断请求（优先级更高），则中断该服务程序的执行，转去处理新的中断处理，处理完后返回到原中断服务程序处继续原来的处理。又称为中断嵌套。中断级的响应次序由硬件来决定。,2.3 程序中断设备接口的组成,程序中断设备接口一般由设备选择器、中断控制和工作状态逻辑、中断排队控制逻辑、设
15、备码回送逻辑和数据缓冲寄存器五个部分组成。接口通过总线与主机相联。现代计算机都设有中断系统，一般设备的处理程序包括在OS中，成为I/O驱动程序的一部分。,图10.6 某机程序中断设备接口框图,设备选择器:每一台外围设备接口都设置一个设备选择器,连接在系统上的每一台设备都有一个设备号。当CPU需使用某外设时,通过I/O指令或其他访问I/O设备地址的指令,将设备码通过地址线送往所有外围设备接口,但仅仅具有该设备号的设备选择器才产生选中信号(SEL)。于是,该外围设备及其接口才能响应主机的控制并进行数据传送。,中断控制和工作状态逻辑:中断控制是带有中断屏蔽的接口逻辑。它包括4个D触发器,其中两个为工
16、作状态寄存器:完成触发器(DONE)和忙触发器(BUSY);还有一个中断请求触发器(INTR)和一个中断屏蔽触发器(MASK)。当设备被选中,即选中信号(SEL)为高电平时,BUSY“1”,启动设备,同时DONE“0”。当设备完成输入输出动作,需请求中断时,由完成信号使DONE”1”。如果MASK为“0”,则在CPU送来的指令结束信号RQENB的作用下,使INTR”1”,向CPU发出中断请求信号INTR.但如果MASK为“1”,则即使DONE为“1”,仍不能产生中断请求信号,直到MASK为“0”为止。MASK是由I/O指令利用MSKO的上升边来置位或复位的.IORST是总清信号。,中断排队和设
17、备码回送逻辑:CPU接到外围设备的中断请求后,如可以响应中断,则需了解是哪台设备要求服务。因此需要将请求中断的设备码送给CPU。当多个外设有中断请求时,必须先为优先级高的外设服务。这个任务是通过排队线路和设备码回送逻辑来完成的。数据缓冲寄存器:每个外设的接口都设有数据缓冲寄存器,其长度为一个字节或一个字。有的只需一个数据缓冲寄存器,有的可设多个。,2.4 中断与子程序的区别,从表面上看起来,计算机的中断处理过程有点类似于调用子程序的过程,这里现行程序相当于主程序,中断服务程序相当于子程序，但有本质上的区别：子程序的执行是由程序员事先安排好的,而中断服务程序的执行则是由随机的中断事件引起的。子程
18、序的执行受到主程序或上层子程序的控制,而中断服务程序一般与被中断的现行程序毫无关系。不存在同时调用多个子程序的情况,而可能发生多个外设同时请求CPU为自己服务的情况。,三、DMA输入输出方式,DMA方式用于高速I/O设备与主存之间的数据传送。3.1 DMA控制器组成 3.2 DMA方式的五个特点 3.3 DMA的三种工作方式 3.4 DMA传送过程 3.5 DMA和中断的区别,3.1 DMA控制器组成,在DMA传送方式中，对数据传送过程进行控制的硬件称为DMA控制器。1、设备寄存器 主要有MAR（主存地址寄存器）、ADR（外设地址寄存器）、WC（字数计数器）、CSR（控制与状态寄存器）、DBR
19、（数据缓冲寄存器）。2、中断控制逻辑 3、DMA控制逻辑 4、DMA接口与主机、DMA接口与I/O设备的总线及有关收发与驱动线路,。DMA控制器组成,3.2 DMA方式的五个特点,它使主存与CPU的固定联系脱钩，主存既可被CPU访问，又可被外设访问。在数据块传送时，主存地址的确定，传送数据的计数等等都用硬件电路直接实现。主存中要开辟专用缓冲区，及时供给和接收外设的数据。DMA传送速度快，CPU和外设并行工作，提高了系统的效率。DMA在开始前和结束后要通过程序和中断方式进行预处理和后处理。,3.3 DMA的三种工作方式,1、CPU暂停方式 主机响应DMA请求后，让出总线，直到一组数据传输完毕后D
20、MA控制器才把总线控制权还给CPU。2、CPU周期窃取方式 DMA控制器与MM之间传送一个数据，就占用一个CPU周期。3、直接访问存储器 CPU不占用存储总线时，DMA使用总线；CPU 与DMA同时访问总线时，DMA优先级高。,3.4 DMA传送过程,1、预处理 这是在DMA传送之前做的一些必要的准备工作，是由CPU来完成的。CPU 首先执行几条I/O指令，用于测试外设的状态、向DMA控制器的有关寄存器置初值、设置传送方向、启动该外部设备等。在这些工作完成之后，CPU继续执行原来的程序，在外设准备好发送的数据（输入时）或接收的数据已处理完毕（输出时），外设向DMA控制器发DMA请求，再由DMA
21、控制器向CPU发总线请求。,2、数据传送 DMA的数据传送可以是以单字节（或字）为基本单位，也可以以数据块为基本单位。对于以数据块为单位的传送，DMA 占用总线后的数据输入和输出操作都是通过循环来实现的。需要特别指出的是，这一循环不是由CPU执行程序实现的，而是由DMA控制器实现的。,（1）输入数据 从输入设备读一个字到数据缓冲寄存器。向CPU发出DMA请求，如取得总线控制权，则将数据缓冲寄存器中的数据送入主存的数据寄存器。把DMA的主存地址寄存器中内容送往主存的AR，并把数据写入主存。把字数计数器的内容减1，MAR内容加1。判断字数计数器的内容是否为0，是则结束，向CPU发出请求，不是则重复
22、。,（2）输出数据 将MAR内容送往主存的地址寄存器。把主存相应地址单元的内容读入主存的数据寄存器。将数据缓冲寄存器的内容送到DMA的数据缓冲寄存器中。数据缓冲寄存器的内容送输出设备 字数计数器的内容减1，MAR内容加1。判断字数计数器的内容是否为0，是则结束，向CPU发出请求，不是则重复。,3、后处理 当字数计数器计为0时，DMA操作结束，DMA控制器向CPU发中断请求，CPU停止原来程序的执行，转去执行中断服务程序做DMA结束处理工作。,3.5 DMA和中断的区别,两者的重要区别为五个：1、中断方式是程序切换，需要保护和恢复现场；而DMA方式除了开始和结尾时，不占用CPU的任何资源。2、对
23、中断请求的响应只能发生在每条指令执行完毕时；而对DMA请求的响应可以发生在每个机器周期结束时。,3、中断传送过程需要CPU的干预；而DMA传送过程不需要CPU的干预，故数据传送速率非常高，适合于高速外设的成组数据传送。4、DMA请求的优先级高于中断请求。5、中断方式具有对异常事件的处理能力；而DMA方式仅局限于完成传送信息块的I/O操作。,四、通道控制方式和外围处理机方式,DMA控制方式存在如下两个缺点：（1）DMA控制器增多，会引起访问主存冲突。（2）传送前预处理和后处理占用CPU资源，降低系统的效率。为了解决这个问题，采用通道控制方式。4.1 通道控制方式 4.2 通道型I/O处理机和外围
24、处理机,4.1 通道控制方式,1、通道控制方式与DMA方式的区别 通道控制方式是DMA方式的进一步发展，实质上，通道也是实现外设和主存之间直接交换数据的控制器。两者的主要区别在于：DMA控制器是通过专门设计的硬件控制逻辑来实现对数据传送的控制；而通道则是一个具有特殊功能的处理器，它具有自己的指令系统，通过执行一个通道程序实现对数据传送的控制，故通道具有更强的独立处理数据输入/输出的功能。,DMA控制器通常只能控制一台或少数几台同类设备；而一个通道则可以同时控制许多台同类或不同类的设备。,2、通道的功能 通道在一定的硬件基础上利用软件手段实现对I/O的控制和传送，更多地免去了CPU的介入，从而使
25、主机和外设的并行工作程度更高。当然，通道并不能完全脱离CPU，它还要受到CPU的管理，而且通道还应该向CPU报告自己的状态，以便CPU决定下一步的处理。通道的五个功能是：接受CPU的I/O指令，按指令要求与指定的外设进行联系。,从主存取出属于该通道程序的通道指令，经译码后向设备控制器和设备发送各种命令。实施主存和外设间的数据传送。从外设获得设备的状态信息，形成并保存通道本身的状态信息，根据要求将这些状态信息送到主存的指定单元，供CPU使用。将外设的中断请求和通道本身的中断请求按次序及时报告CPU。,4.2 通道型I/O处理机和外围处理机,IOP不是一台独立的计算机，可以和CPU并行工作。外围处
26、理机机构更接近于一般处理机，基本上是独立于主机工作的。,五、系统总线,模块：具有专门功能的插件板，或部件、插件、插卡。总线：各模块之间传送信息的通路称为总线。5.1 总线的分类 5.2 总线的结构 5.3 总线通信控制 5.4 总线管理 5.5 总线性能,5.1 总线的分类,按传送信号的不同，总线分为：AB、DB和CB。AB 单向，总线数取决于主存单元、外设端口。DB 双向，总线数取决于数据传送方式、字长。CB 双向（外设发往主机的是状态信息和反馈信息）,5.2 总线结构,计算机系统的总线结构基本有三种：单总线、双总线和三总线。1、单总线结构,2、双总线结构,主存总线 CPU与主存通过主存总线
27、进行数据交换。,3、三总线结构 计算机各部件之间采用三条各自独立的总线来构成信息通路。,DMA总线 直接内存访问总线，把内存同一个或多个高速的外设连接起来，以便在内存和外设之间直接地交换信息。I/O总线 输入输出总线，供CPU和各类外设之间交换信息。,5.3 总线通信控制,主机与外设通过总线进行信息交换时，必然存在着时间上的配合和动作的协调问题，否则系统的工作将出现混乱。总线的通信控制方式一般分为同步方式和异步方式。1、同步通信方式 系统采用一个统一的时钟信号来协调发送和接收双方的传送定时关系。时钟产生相等的时间间隔，每个间隔构成一个总线周期。在一个总线周期中，发送和接收双方可以进行一次数据传
28、送。,2、异步通信方式 异步通信方式也称为应答方式，依靠传送双方相互制约的“握手”信号来实现定时控制。通常，把交换信息的两个部件或设备分为主设备和从设备，主设备提出交换信息的“请求”信号，经接口传送到从设备；从设备接到主设备的申请后，通过接口向主设备发出“回答”信号，整个“握手”过程就是一问一答地进行的。,5.4 总线管理,总线是由多个部件和设备所共享的，为了正确地实现它们之间的通信，必须有一个总线控制机构，对总线的使用进行合理的分配和管理。为了保证同一时刻只有一个申请者使用总线，总线控制机构中设置有总线判优和仲裁控制逻辑，即按照一定的优先次序来决定哪个部件首先使用总线，只有获得总线使用权的部
29、件，才能开始数据传送。,5.5 总线性能,三个衡量指标：数据宽度、速度、负载能力。1、数据宽度，常称为xx位总线。数据宽度分别设定为：8 bits 16 bits 32 bits 64 bits 128 bits 每次传输的数据位数。,2、速度：数据传输率。例如：图像控制器与显示器之间的数据传输率至少应达到每秒69MB(640480,24位)，与视频存储器之间至少应达到每秒2533MB(DRAM 为 32x120ns)，磁盘控制器与磁盘间的传输率至少应达到每秒510MB。,2004 上半年高级程序员试题,在32位的总线系统中，若时钟频率为1000MHZ，总线上5个机器周期传送一个32位字，则该
30、总线系统的数据传送速率为_M字节/秒 A.200 B.600 C.800 D.1000,C,2002 程序员试题,某系统总线的一个总线周期包含3个时钟周期，每个总线周期中可以传送32位数据。若总线的时钟频率为33MHz，则总线带宽为 _。A132MB/s B33MB/s C44MB/s D396MB/s,C,3、负载：提供插件卡的功率。能够负载的IC（集成电路）的情况。,5.6 几种有名的总线标准,IBM 62线总线(IBM-PC/XT总线);62针，8位，20位地址IBM PC/AT总线;98针，16位，24位地址ISA总线(Industrial standard Architecture)
31、,XT总线和AT总线统称ISA总线；16.6MB/SEISA总线(Extended ISA);32位，32位地址,33MB/SPCI总线(Peripheral Component Interconnect）32位，32/64位地址,132/266/533MB/S,PNP,2001 高级程序员试题,微机用的系统,总线有多种,其中_(44)_是早期工业标准体系结构单总线的直接扩展,并向下与其兼容;_(45)_首先应用于奔腾机,数据线宽度已可为64位,并有数据缓冲能力。(44)、(45):A.VESAB.SCSIC.EISAD.PCI,C,D,外设接口,ATA和SATA SCSI、SAS和IscsiPCMCIARS-232,USB,1394,作业：10.1 10.3 10.10,
