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1、第17章 主机与外设数据传送方式,输入输出（I/O）系统 由I/O接口、I/O部件、I/O软件组成，完成主机和外部设备之间的数据交换。,数据交换方式：有程序查询、中断、直接存储器访问(DMA)、I/O通道、外围处理机等。,由CPU执行一段输入输出程序来实现主机与外设之间数据传送的方式叫做程序控制方式。这种传送方式又可分为无条件传送和程序查询方式两种。,17.1 程序查询方式,(1)预置传送参数。在传送数据之前，由CPU执行一段初始化程序，预置传送参数。传送参数包括存取数据的主存缓冲区首地址和传送数据的个数。,程序查询方式,无条件传送：外设总是准备好状态，CPU无须查询，可直接利用I/O指令访问
2、相应的I/O端口。优点：软、硬件简单，但要求时序配合精确，一般只能用于简单开关量的输人输出控制中。,(2)启动外设。CPU执行输出指令向外设接口发出命令字启动外设。,(3)取外设状态字。CPU执行输入指令，从外设接口中取回状态字。,(4)查询外设状态标志。判回状态字有无外设准备就绪。无，CPU返回；有，开始传送数据。,(5)传送数据。输入时，CPU执行输入指令，从外设接口的数据缓冲寄存器中接收数据；输出时，CPU执行输出指令，将数据写入外设接口的数据缓冲寄存器中。,(6)修改传送参数。每进行一次数据传送之后必须要修改传送参数，其中包括主存缓冲区地址加l，传送个数计数器减1。,(7)判断传送是否
3、结束。如果传送个数计数器不为0，则转第(3)步，继续传送，直到传送个数计数器为0，表示传送结束。,17.2 中断方式,1、中断的概念 只有当外设发生异常或申请时CPU才中断当前程序，转去与外设传送数据，完成数据传送后返回执行当前程序。使CPU无需像程序查询方式那样处于等待外设状态，提高了工作效率。,2、中断处理过程 由硬件和软件组合的一套机构完成5个步骤：中断请求、中断判优、中断响应、中断处理、中断返回。,外设(中断源)准备好，向CPU发出中断请求信号IR，计算机对中断判优根据“优先序”选择中断源，CPU对“最高级”中断发出中断响应信号，并暂停当前程序，转去执行中断服务程序，完成I/O数据传送
4、和处理服务后中断返回，CPU继续执行原来运行的程序。,3、中断源与中断请求,中断请求内部关键部位使用非屏蔽中断NMI信号，不受标志寄存器“中断允许位”影响，CPU必须响应。,一般程序执行指令INT实现,专用程序由系统设置实现,一般外部设备使用可屏蔽中断(I/O中断)INTR信号，改变中断控制寄存器内容(控制字)，在其中进行排队选优。,4、中断判优中断优先权 当多个中断源同时向CPU发出中断请求时，CPU将所有中断源的请求按轻重缓急排序，0级、1级、2级 n级排队依次处理，使最高级中断源的中断请求排在最前，最快得到CPU的处理。这种中断处理过程中的优先级别，叫做中断优先权。,中断判优 有软件判优
5、法和硬件判优法。,中断屏蔽寄存器：由多个中断屏蔽触发器组成，其内容被称为屏蔽字。可以通过软件编程改变屏蔽寄存器的某一位，使其置1，从而实现对某个中断源的屏蔽控制。注意到，硬件的中断排队电路所决定的中断响应次序是固定的，但通过中断屏蔽位的控制，决定某级中断请求能否进入中断排队器，可以改变中断响应次序。,中断屏蔽：当同时有多个中断源发出中断请求时，CPU只能响应一个中断，其余中断需要暂时封锁(屏蔽)。这里的中断屏蔽作用是，是否让中断源的请求进入排队逻辑，最终让CPU接到请求信号，而在CPU内部中断逻辑中，有一个同样起中断屏蔽作用的开/关中断触发器，它的作用是，是否允许CPU接受中断请求、响应中断。
6、,中断屏蔽触发器(MASK)：通常每个中断源都配有一个中断屏蔽触发器(MASK)。当MASK置1时，该中断源的请求被屏蔽，中断请求不能进入中断排队逻辑，进行判优。当MASK置0时，该中断请求被允许，经过中断排队判优后，最终送往CPU。,5、中断响应中断请求经判优后，优先权最高的中断请求被送往CPU。CPU向中断源发出中断响应INTA信号，并暂停执行当前的程序，而转去执行中断服务程序。,中断服务程序基本结构,6、中断服务,中断向量(指针)中断服务程序入口地址，如PC机中断向量由两个段、4个字节组成。,中断向量表 多个中断向量的集合(中断服务程序入口地址表)，如图17.10PC机的中断向量表。,用
7、中断指令STI开中断；用进栈指令PUSH将当前程序重要数据(程序指令计数器PC、程序状态字寄存器PSW、通用寄存器等内容)压入堆栈寄存器实现保护现场；中断服务过程；用出栈指令POP将压入堆栈的数据弹出实现恢复现场；用中断返回IRET关中断。,7、多重中断 在处理某一中断过程中，又发生比该中断优先级高的中断请求，于是CPU中断原中断服务程序的执行，而又转去执行新的中断服务程序。这种多重中断的执行形成了中断嵌套，如图所示。,8、中断控制器8259A 可由软件完成功能设置，对八级中断(通过多片联级最多可控制64级中断)进行程序控制。,17.3 DMA方式,无论程序查询还是程序中断方式，外设和计算机的
8、信息交换都是经CPU执行程序完成的，占用CPU时间。,1、DMA方式即直接存储器访问(Direct Memory Access)方式，依靠硬件(DMA控制器)在外设和主存之间开辟一条“直接数据通道”，I/O设备可以与主存直接交换信息，而不需要打断CPU的工作，故其资源利用率得到了进一步的提高。,2、DMA操作 当外设需要进行数据传送时，通过DMA控制器向CPU发出DMA请求；CPU响应将系统总线管理权由CPU操作方式转变为DMA操作方式，DMA控制器向内存直接进行数据传送；DMA操作方式结束，向CPU报告。,DMA方式只在开始和结尾时占用CPU，过程不需要CPU的干预；中断方式是程序切换，CP
9、U要干预过程，还需要保护和恢复现场。,3、DMA与中断的区别DMA请求的优先级高于中断请求。,DMA方式只能传送数据块，无处理异常事件的能力。,4、DMA控制器和占用主存方法,DMA控制器,DMA控制器具有控制系统总线的能力，即能够像CPU一样输出地址信号，接收或发出控制信号，输入或输出数据信号。,(1)主存地址计数器：存放待交换数据的主存地址。初始值为主存缓冲区的首地址，DMA每传送一个数据，计数器加“1”，直至这批数据传送完毕为止。,(2)传送长度计数器：记录传送数据块的长度。初始值数据块总字数或总字节数，DMA每传送一个数据，计数器自动减“1”，为0时表示数据已全部传送完毕。,(3)数据
10、缓冲寄存器：暂存每次传送的数据。输人时，数据由外设先送往数据缓冲寄存器，再通过数据总线送到主存。输出时，数据由主存通过数据总线送到数据缓冲寄存器，然后再送到外设。,(4)DMA请求触发器：每当外设准备好数据后给出一个控制信号，使DMA请求触发器置位。,(5)控制状态逻辑：它由控制和时序电路以及状态标志等组成，用于指定传送方向，修改传送参数，保持DMA请求信号和CPU响应信号进行协调和同步。,(6)中断机构：当一个数据块传送完毕后触发中断机构，向CPU提出中断请求，CPU将进行DMA传送的结尾处理。,DMA控制器占用主存方法CPU停止访问主存法 CPU停止访问主存，让出总线控制权，DMA控制器获
11、得总线控制权以后，连续占用若干个存取周期(总线周期)进行数据快传送。优点：系统总线控制权的交换次数少，数据传输速度高。缺点：CPU仅能进行一些与总线无关的内部操作，只适用于高速外设的成组传送。,存储器分时法 硬件将一个存取周期分成两个时间片，一片分给CPU，一片分给DMA，交替地访问主存。优点：DMA无须申请和归还总线，传送的效率很高；CPU不停止现行程序的运行。缺点：主存在原来的存取周期内要为两个部件服务，要维持CPU访存速度不变，主存速度需提高一倍；多数外设的速度低于CPU，所以DMA时间片可能成为空操作，造成不必要的浪费。,周期挪用法 是前两种方法的折衷。当外设没有DMA请求时，CPU独
12、占主存。有DMA请求并获得CPU批准后，CPU让出一个周期的总线控制权，由DMA挪用一个存取周期传送一个字节或一个字。然后，DMA控制器将总线控制权交回CPU，CPU继续进行自己的操作，等待下一个DMA请求的到来。重复上述过程，每次DMA挪用一个存取周期，直至数据块传送完毕。当发生CPU与DMA的访存冲突，优先保证DMA工作，而CPU等待一个存取周期；若DMA传送期间CPU无须访存，则周期挪用对CPU执行程序无任何影响。,5、DMA数据传送过程（CPU停止访问主存法）,DMA退出 DMA控制器的HRQ降为低电平，总线控制权交还CPU。,DMA请求：由外设向DMA控制器发出请求信号DREQ。DM
13、A控制器向CPU发出总线请求信号HRQ。,允许传送：CPU向DMA控制器发出总线响应信号HLDA，此时，DMA控制器获取了总线的控制权。DMA控制器向外设发出DMA响应信号DACK，表示DMA控制器已控制了总线，允许外设与主存交换数据。,数据传送 DMA控制器按主存地址计数器的内容发出地址总线信号，同时主存地址计数器加1。DMA控制器发出信号到外设，将外设数据读入数据缓冲寄存器，同时发出信号，将数据缓冲寄存器数据写入地址总线指定的主存单元。,传送结束？传送长度计数器减1。非0转；为0传送完成。,计算机组成原理,16,17.4通道方式,基本独立于主机工作，不仅可完成I/O通道要完成的I/O控制，
14、还可完成码制变换、格式处理、数据块检错、纠错等操作。,通道 是一种具有特殊功能的处理器，它受CPU的I/O指令启动、停止或改变其工作状态，用来负责管理I/O设备以及实现主存与I/O设备之间交换信息。通道有专用的通道指令，它能独立地执行用通道指令所编写的输入输出程序，通道管理的I/O设备在与主机交换信息时，CPU不直接参与管理，故CPU的资源利用率更高。,1、具有通道结构的计算机系统,计算机组成原理,17,2通道方式特点,采用两类总线：I/O总线存储总线；,分别可以有三种通道：选择通道(一次一台设备)数组多路通道（按数据块，多台设备交叉）字节多路通道(以字节为单位，多台设备交叉),系统分为二级管理：一级管理由CPU执行I/O指令实现对通道的管理。二级管理由通道执行通道指令通过设备控制器实现对设备的管理。,
