计算机组成技术第八章.ppt

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1、第八章 输入输出接口与中断系统,1,哈工大计算机学院 宋颖慧,第八章 计算机输入/输出接口与中断系统,8.1输入输出系统的发展,8.2输入输出接口的基本组成,8.3微型机的总线技术,8.4中断系统及程序中断控制接口,第八章 输入输出接口与中断系统,2,哈工大计算机学院 宋颖慧,8.1.1 输入输出系统的发展,早期阶段,I/O与CPU串行工作，外设工作整个过程全部由CPU控制。,第八章 输入输出接口与中断系统,3,哈工大计算机学院 宋颖慧,8.1.1 输入输出系统的发展,接口阶段,主机与外设实现了一部份并行工作。只有当外设工作完成时，才中断CPU，接口分担了CPU的一部分工作；像中断处理、速度匹

2、配等。,第八章 输入输出接口与中断系统,4,哈工大计算机学院 宋颖慧,DMA阶段,在主存与高速外设之间，建立了直接通路，具有直接访问存储器功能。提高了主机与外设并行工作程度。,8.1.1 输入输出系统的发展,第八章 输入输出接口与中断系统,5,哈工大计算机学院 宋颖慧,通道阶段,输入输出指令由通道执行，I/O与CPU并行工作程度更高。通道进一步发展由I/O处理机代替。,8.1.1 输入输出系统的发展,第八章 输入输出接口与中断系统,6,哈工大计算机学院 宋颖慧,8.1.2 输入输出系统的基本组成,I/O接口（设备控制器、适配器）,I/O总线,接口管理程序,输入/输出设备,第八章 输入输出接口与

3、中断系统,7,哈工大计算机学院 宋颖慧,8.2 输入输出接口的基本组成,8.2.1 I/O接口电路的功能,1、实现主机与外设之间的数据传送控制,2、实现数据缓冲，像串-并转换等,3、接受主机的命令，提供设备的状态，执行简单得I/O命令,4、设备选择,5、中断处理,第八章 输入输出接口与中断系统,8,哈工大计算机学院 宋颖慧,8.2.2I/O接口电路的类型,按照数据传送的宽度,并行接口,串行接口,按照数据传送的控制方式,程序控制输入输出接口,程序中断输入输出接口举例,直接存储器存取（DMA）接口,第八章 输入输出接口与中断系统,9,哈工大计算机学院 宋颖慧,（1）程序直接控制方式接口（教科书8.

4、2.3）,CPU原地踏步,I/O开始工作,CPU,I/O,I/O工作结束,CPU工作,设备工作的全部过程由CPU程序控制,8.2.2I/O接口电路的类型,第八章 输入输出接口与中断系统,10,哈工大计算机学院 宋颖慧,（2）程序中断传送方式接口（教科书8.2.3）,8.2.2I/O接口电路的类型,第八章 输入输出接口与中断系统,11,哈工大计算机学院 宋颖慧,8.2.3 输入输出设备的编址（1）编址方式（教科书8.2.3）,独立编址方式,存储器映射方式,I/O设备的设备号与存储器地址无关，单独给每个I/O设备分配一个设备地址。输入输出操作使用单独的I/O指令；,两种编址方式,独立编址方式:,第

5、八章 输入输出接口与中断系统,12,哈工大计算机学院 宋颖慧,（2）独立编址方式与I/O指令,IN与OUT指令都用于I/O设备与微处理器中累加器之间的数据传送。IN是指数据从I/O设备输入到主机内，OUT是从主机输出到I/O设备。,固定地址与可变地址：I/O地址存储在DX寄存器中作为16位的I/O地址；或存储在I/O指令的地址码中为8位的I/O地址。Intel称8位地址为“固定地址”，称16位的地址为“可变地址”。,端口：在输入输出指令中使用的设备地址（或I/O地址）又称为“端口号”（或端口）。即独立编址的I/O设备地址又叫“端口号”,8.2.3 输入输出设备的编址,第八章 输入输出接口与中断

6、系统,13,哈工大计算机学院 宋颖慧,（3）独立编址方式举例,IBM PC系列机I/O设备码（又称“端口”）分配表如下：,8.2.3 输入输出设备的编址,第八章 输入输出接口与中断系统,14,哈工大计算机学院 宋颖慧,例如：,IN AL,27H;取端口27（27号寄存器）的值到AL,TEST AL,00000100B；测试第二位,JNZ ERROR,测试27端口寄存器的第二位是否为“1”，若为“1”，则转移到ERROR处进行处理,（4）独立编址设备的操作举例,8.2.3 输入输出设备的编址,第八章 输入输出接口与中断系统,15,哈工大计算机学院 宋颖慧,（5）80X86系列I/O指令,8.2.

7、3 输入输出设备的编址,第八章 输入输出接口与中断系统,16,哈工大计算机学院 宋颖慧,（6）存储器映射编址方式,从存储器的地址空间中分出一部分主存地址，作为I/O设备地址码，在这种方式下，不需要专门的I/O指令，当访问存储器的指令中出现被I/O映射的地址码时，表示访问的对象不是存储器，而是I/O设备寄存器。,8.2.3 输入输出设备的编址,第八章 输入输出接口与中断系统,17,哈工大计算机学院 宋颖慧,8.3微型机的总线技术（教科书第五章）,计算机硬件大多采用模块结构；模块被做成一个插件板；插件板之间靠总线连接起来。,8.3.1 总线概念（1）（教科书5.1）,第八章 输入输出接口与中断系统

8、,18,哈工大计算机学院 宋颖慧,主板,扩展槽（总线插槽）,总线：计算机各个功能部件之间通讯的连接线。包括 数据总线、地址总线、控制总线,8.3.1 总线概念（2）,第八章 输入输出接口与中断系统,19,哈工大计算机学院 宋颖慧,总线分类,系统总线：也称“板级总线”。是微机特有的一种总线。为系统灵活和便于开发，微机多采用模块结构，而模块又被制成电路板（插件板）例：显卡、软硬盘驱动卡、汉卡、网卡等。各电路板的插座之间就是采用系统总线连接的。系统总线是一个系统内部各个模块之间的连接线。例如I/O总线有ISA总线和PCI总线,外部总线,系统总线,外部总线：用于微机系统之间的通讯。例如：网络中各计算机

9、之间的连接。或用于微机系统与外部设备之间的连接。例如：EIA-RS232串行总线和IEEE-488并行总线。,8.3.1总线概念（3）,第八章 输入输出接口与中断系统,20,哈工大计算机学院 宋颖慧,（1）单总线结构,总线的组织方式有很多种，一般有单总线和多总线之分。,将计算机系统的所有模块都连接到单一总线上，所有部件都共享同一地址空间；采用异步通讯方式，单总线既是I/O总线又是系统总线，它是早期微型机采用的一种总线结构。,8.3.2 总线的连接方式（教科书5.2）,第八章 输入输出接口与中断系统,21,哈工大计算机学院 宋颖慧,（2）双总线结构,I/O总线,采用扩展总线可使系统支持更多的I/

10、O设备。,解决了部分总线瓶颈问题,8.3.2 总线的连接方式,第八章 输入输出接口与中断系统,22,哈工大计算机学院 宋颖慧,（3）多总线结构,（局部总线）,内存与CPU有了直接的通讯通道（系统总线）；,将高速外设（图形、视频、网络等设备）连到高速总线上，与CPU可以直接通讯；,8.3.2 总线的连接方式,第八章 输入输出接口与中断系统,23,哈工大计算机学院 宋颖慧,8.3.3 总线控制（教科书5.3）,当总线上有多个主部件提出“总线请求”时，究竟哪个主部件能够获得总线控制权，需要一个总线控制机构，按照某种策略对申请部件进行裁决，也叫“总线总裁”。根据总线仲裁逻辑是集中在一处还是分散在多处，

11、将总线仲裁逻辑分成：,集中式总线仲裁：总线仲裁逻辑基本集中在一处。,分散式总线仲裁：总线仲裁逻辑分散在总线上的各个部件中,第八章 输入输出接口与中断系统,24,哈工大计算机学院 宋颖慧,8.3.3.1 集中式总线仲裁（教科书5.3.1）,串行链接方式,总线仲裁器,部件0,部件1,部件n,.,总线可用,总线请求,总线忙,总线请求是由各个部件发出的“线或”在一起的一条请求信号线，当总线仲裁器发现有总线请求信号后，他发出一个总线授权信号“总线可用”，这个信号被串接到所有的输入输出设备上，从最近的部件开始传送，一个一个顺序往下传，,第八章 输入输出接口与中断系统,25,哈工大计算机学院 宋颖慧,当传送

12、到某部件时，由该部件检查自己是否发出了总线请求信号，如果是由它接管总线使用权，并停止总线授权信号继续传到下一个设备。如果不是则传到下一个设备，重复做上述动作，直到有一个设备接管总线使用权为止。,缺点：总线仲裁对“总线可用”信号的失效很敏感，可靠性差；总线的优先权控制的灵活性差,第八章 输入输出接口与中断系统,26,哈工大计算机学院 宋颖慧,8.3.3.1 集中式总线仲裁（教科书5.3.1）,定时查询方式,总线仲裁器,部件0,部件1,部件n,.,定时计数查询,总线请求,总线忙,当总线仲裁器接到“总线请求”信号后，启动一个计数器，并将计数值作为“总线可用”信号以广播方式发到每一个,第八章 输入输出

13、接口与中断系统,27,哈工大计算机学院 宋颖慧,部件上。当发出总线请求的部件监测到计数值等于自己的编号时，该部件立即向总线仲裁器发出“总线忙”信号，并撤销“总线请求”信号，表示它接受总线控制权，总线仲裁器在收到“总先忙”信号后，立即停止计数。数据传输完毕后，该部件撤销“总线忙”信号，之后，若”总线请求”信号线上还有”总线请求”信号，总线仲裁器又将开始一个新的总线分配过程。在新的总线分配过程中，计数可以从当前值开始继续计数，也可以从零开始计数。,第八章 输入输出接口与中断系统,28,哈工大计算机学院 宋颖慧,8.3.3.2 分布式总线仲裁（教科书5.3.1）,总线仲裁逻辑分散在总线上的各个部件中

14、。多用在多核处理器中。,第八章 输入输出接口与中断系统,29,哈工大计算机学院 宋颖慧,8.3.3.3 总线通信控制,(教科书5.3.2),传输数据的双方如何协定，按照什么控制方式传输，有两种控制方式：,同步通讯：通讯双方按照统一的时钟节拍控制数据的传输，时钟通常是由CPU发出的，并送到总线上的所有设备上，经过一段固定时间，本次总线传送周期结束，开始下一个新的总线周期；,异步通讯：利用数据发送部件和接收部件之间的“握手”信号来实现总线数据传送的方式。,第八章 输入输出接口与中断系统,30,哈工大计算机学院 宋颖慧,8086同步通信读取存储器中数据的时序图,第八章 输入输出接口与中断系统,31,

15、哈工大计算机学院 宋颖慧,异步通信,单边控制：通讯过程是由源部件或目的部件控制；,双边控制：通讯过程是由源部件和目的部件共同控制；,双边控制,非互锁,半互锁,全互锁,第八章 输入输出接口与中断系统,32,哈工大计算机学院 宋颖慧,异步单边控制,第八章 输入输出接口与中断系统,33,哈工大计算机学院 宋颖慧,异步双边控制,第八章 输入输出接口与中断系统,34,哈工大计算机学院 宋颖慧,8.3.4 总线标准中的“即插即用”技术（1）,又称自动设置的总线技术。,设备在加电时，BIOS可以自动检测机器配置，而给各个外围设备分配中断请求号，存储器的缓冲区等，从而避免了中断请求（IRQ）、直接存储器存取（

16、DMA）和通道之间的冲突，而影响刚加电的外设的资源分配。,第八章 输入输出接口与中断系统,35,哈工大计算机学院 宋颖慧,8.3.4 几种常用的微机总线标准（2）,两种标准：正式公布的标准和实际存在的工业标准。,正式公布的标准由IEEE（电气电子工程师学会）或CCITT（国际电报电话咨询委员会）等国际组织正式确定和承认并有严格的定义。,实际的工业标准首先是有一个厂家提出，而又得到其他厂家广泛应用，这种标准可能还没有经过正式严格定义，也可能经过一段时间后提交给有关组织而被确定为正式标准。,(教科书5.5.1),第八章 输入输出接口与中断系统,36,哈工大计算机学院 宋颖慧,8.3.4 几种常用的

17、微机总线标准（3）,在总线标准中，对插件板引线的几何尺寸、引线数、各引线的定义、时序及电气参数等都作出明确规定，总线的标准化，为不同厂家生产的模块灵活构成系统，以及系统的功能扩充都带来了极大的方便。,I/O总线标准举例：ISA、EISA、PCI、VESA等,总线的电气特性：将总线中高电平定义为“逻辑1”称为正逻辑，将低电平定义为“逻辑1”，称为负逻辑，例如RS232定义低电平为“逻辑1”（-15v-3v），高电平（3v 15v）为“逻辑0”,第八章 输入输出接口与中断系统,37,哈工大计算机学院 宋颖慧,ISA总线简介,8.3.4 几种常用的微机总线标准（3）,ISA总线是工业总线标准，是IB

18、M公司为其生产的PC系列微机制定的总线标准。ISA-8总线适用于CPU为8088的IBM PC/XT微型机系统，总线信号连接到一个62针插座上，分成A、B两排，每排31针，可连接31条引线，其中数据线8根，地址线20根；可接收6路中断请求，3路DMA请求；此外还包括时钟、电源线和地线。80年代中期，ISA总线有扩充到16位ISA-16，适用于CPU为80286的IBM PC/AT系统。总线信号见图表10.2,第八章 输入输出接口与中断系统,38,哈工大计算机学院 宋颖慧,ISA总线信号定义（1）,8.3.4 几种常用的微机总线标准,第八章 输入输出接口与中断系统,39,哈工大计算机学院 宋颖慧

19、,ISA总线信号定义（2）,8.3.4 几种常用的微机总线标准,第八章 输入输出接口与中断系统,40,哈工大计算机学院 宋颖慧,（1）单机PCI总线,8.3.4 几种常用的微机总线标准,第八章 输入输出接口与中断系统,41,哈工大计算机学院 宋颖慧,（2）PCI总线简介,PCI总线是在CPU和低速系统总线之间的一级总线结构，其接口是主板上3-6个白色94线的双列插槽，有+5v和+3.3v两种设计。工作频率为33.3MHz。数据宽度为32位，具有总线缓冲能力，支持突发传送和板卡的即插即用功能，传输速率达133MB/s。99年发布的PCI-X版本及数据宽度为64位，工作频率为133MHz，带宽达1

20、066MB/s。此后的PCI-X2.0版可将带宽提高到2.1GB/s和4.2GB/s。PCI总线是一种智能化的系统级总线，支持即插即用，数据缓冲，总线信号完全独立于CPU引脚，通过PCI桥的模块在CPU总线的基础生成PCI总线，因此可适应多种CPU。另外，通过PCI桥或其他总线桥还可生成新一级的PCI总线和ISA/EISA总线，所以可支持多总线结构。,第八章 输入输出接口与中断系统,42,哈工大计算机学院 宋颖慧,（2）多机PCI总线,8.3.4 几种常用的微机总线标准,第八章 输入输出接口与中断系统,43,哈工大计算机学院 宋颖慧,8.4.1 微型计算机的中断技术（1）,中断源,内部中断：；

21、处理机硬件故障或程序“出错”引起的中断,外部中断:来自于处理机外部的设备中断。像I/O设备、定时时钟等,中断触发器：,每个中断源有一个中断触发器与之对应。当中断事件发生时，相应的中断触发器被置“1”即表示向CPU发出了“中断请求”信号。全机的中断触发器构成中断寄存器，也叫“中断字”或“中断码”。,中断字/中断码:,(教科书8.3),第八章 输入输出接口与中断系统,44,哈工大计算机学院 宋颖慧,允许中断与禁止中断:CPU内部设置一个“中断允许”触发器，只有当该触发器为“1”时，才允许处理机响应中断；如果该触发器被置“0”，则CPU不响应所有中断源申请的中断。前者也叫“允许中断”，后者也叫“禁止

22、中断”。,中断屏蔽：当产生中断请求后，用程序的方式有选择地封锁部分中断，而允许其余部分中断仍得到响应，称为“中断屏蔽”实现方法是为每个中断源设置一个中断屏蔽触发器，当它被置“1”时对应设备的中断请求被封锁，若将其置“0”，才允许该设备的中断请求得到响应。,8.4.1 微型计算机的中断技术（2）,第八章 输入输出接口与中断系统,45,哈工大计算机学院 宋颖慧,中断的分级中断优先权：在设计中断系统时，要把全部中断源按中断性质和处理的轻重缓急进行排队并给与优先权。优先权高的先得到CPU的处理。,可屏蔽中断与非屏蔽中断：有些中断请求是不可屏蔽的，即不管中断系统是否开中断，这些中断源的中断请求一旦提出C

23、PU必须立即响应，像电源掉电中断。这些中断也叫“非屏蔽中断”，它具有最高优先权。,8.4.1 微型计算机的中断技术（3）,第八章 输入输出接口与中断系统,46,哈工大计算机学院 宋颖慧,8.4.2 中断处理过程（1）,判优,断点存入堆栈或内存单元,由中断服务程序保存现场,软件查询法,硬件排队器,寻找入口地址,硬件向量法,软件方法,第八章 输入输出接口与中断系统,47,哈工大计算机学院 宋颖慧,（1）关中断，进入不可再次响应中断的状态，由硬件自动实现。,（2）保存断点和现场,为了中断处理结束后，能正确返回到断点处，在响应中断时，必须把当前的程序计数器PC的内容（即断点）保存起来。现场信息一般包括

24、：程序状态字、中断屏蔽寄存器、CPU中的寄存器的内容。,（3）判断中断源，转向中断服务程序,当有多个中断源提出中断请求后的情况下，本次实际响应的只能是优先权最高的那个中断源，所以要根据中断判优线路判断中断源，并转入相应的中断服务子程序入口。,8.4.2 中断处理过程（2）,第八章 输入输出接口与中断系统,48,哈工大计算机学院 宋颖慧,（4）开中断，接下去就要执行中断服务程序，开中断将允许更高优先权的中断请求得到响应，实现多重中断。,（5）执行中断服务程序。,（6）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。,8.4.2 中断处理过程（3）,

25、第八章 输入输出接口与中断系统,49,哈工大计算机学院 宋颖慧,每个中断源对应一个向量地址，向量地址中包含了中断服务程序的入口地址,硬件向量法,8.4.3 微型计算机的中断系统,第八章 输入输出接口与中断系统,50,哈工大计算机学院 宋颖慧,接口的基本组成（1）设备选择器,输入系统地址线,输出8位端口地址,设备选择器,接口,8.4.3 中断接口电路,第八章 输入输出接口与中断系统,51,哈工大计算机学院 宋颖慧,A7A6A5A4A3A2A1A0 固定设备码,1 1 1 1 0 x x x,F 0 0 0 0,0 0 1,0 1 0,0 1 1,1 0 0,1 0 1,1 1 0,1 1 1,F

26、0寄存器1,F1寄存器2,F2寄存器3,F3寄存器3,F4,F5,F6,F7寄存器7,.,8.4.3 中断接口电路,接口的基本组成（2）设备选择器,第八章 输入输出接口与中断系统,52,哈工大计算机学院 宋颖慧,接口的基本组成（3）数据缓冲寄存器,总线缓冲器,系统数据总线,输入设备,接口,端口译码,CPU控制信号,8.4.3 中断接口电路,第八章 输入输出接口与中断系统,53,哈工大计算机学院 宋颖慧,接口的基本组成（4）数据缓冲寄存器,连接了8个LED显示器的基本输出接口,输出设备LED,锁存器,数据总线,接口,8.4.3 中断接口电路,第八章 输入输出接口与中断系统,54,哈工大计算机学院

27、 宋颖慧,一个中断排队线路的实例,中断请求串行排队器,中断请求,取中断设备码（中断响应）,中断排队输入,编码电路,中断排队输出,中断排队选中,（向量地址形成部件）,8.4.3 中断接口电路,第八章 输入输出接口与中断系统,55,哈工大计算机学院 宋颖慧,程序中断输入接口的实例,SEL,清除端,设备选择器,中断屏蔽触发器,数据总线,地址总线,总线缓冲器,来自系统,中断触发器,数据总线,中断排队线路中断向量形成部件,8.4.3 中断接口电路,向量地址,第八章 输入输出接口与中断系统,56,哈工大计算机学院 宋颖慧,INTR,CPU,8259A,外部设备,8255A,8253,8237,INT,IRQ1 IRQ7,IRQ0,自8253的OUT0,地址总线AB,数据总线DB,OUT0,OUT1,OUT2,到8259A的IRQ0,到喇叭,PC键盘数据,DRAM刷新请求,DREQ0,DREQ1DREQ3,外部设备,PC机接口芯片连接,第八章 输入输出接口与中断系统,57,哈工大计算机学院 宋颖慧,8259A:中断管理芯片,8255A：并行接口芯片,8237：DMA管理芯片,8253：系统定时芯片,目前，PC机的定时接口芯片8253、中断管理芯片8259A、并行接口芯片8255A和DMA管理芯片8237均被集成到了芯片组中，但其功能和端口地址与IBM PC完全相同。,