《输入输出系统》PPT课件.pptx

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1、第第章章 输入输出系统输入输出系统5.6 DMA方式5.5 程序中断方式5.4 程序查询方式5.3 I/O接口5.2 外部设备5.1 概述5.1 5.1 概概 述述一、输入输出系统的发展概况1.早期分散连接CPU 和 I/O设备 串行 工作程序查询方式2.接口模块和 DMA 阶段总线连接CPU 和 I/O设备 并行 工作3.具有通道结构的阶段4.具有 I/O 处理机的阶段中断方式DMA 方式二、输入输出系统的组成1.I/O 软件(1)I/O 指令(2)通道指令CPU 指令的一部分通道自身的指令指出数组的首地址、传送字数、操作命令如 IBM/370 通道指令为 64 位2.I/O 硬件设备I/O

2、 接口设备设备控制器通道操作码命令码设备码5.1三、I/O 设备与主机的联系方式1.I/O 设备编址方式(1)统一编址(2)不统一编址用取数、存数指令有专门的 I/O 指令2.设备选址用设备选择电路识别是否被选中3.传送方式(1)串行(2)并行5.1数据字命令字命令字0 1 1 0 1 0 0 0起始位终止位9.09 ms2 9.09 ms4.联络方式(1)立即响应(2)异步工作采用应答信号“Ready”“Strobe”I/O 接 口I/O 设 备CPU(3)同步工作采用同步时标5.1并行串行起始位终止位9.09 ms2 9.09 ms5.I/O 设备与主机的连接方式(1)辐射式连接(2)总线

3、连接 外设 外设 外设 主机不便于增删设备每台设备都配有一套控制线路和一组信号线5.1便于增删设备四、I/O设备与主机信息传送的控制方式1.程序查询方式CPU 和 I/O 串行工作踏步等待CPU读I/O状态检查状态未准备就绪出错从I/O接口中读 一个字到CPU从CPU向主存 写入一个字CPU向I/O发 读指令CPU读I/O状态检查状态 完成否未准备就绪现行程序是出错已准备就绪否5.12.程序中断方式I/O 工作CPU 不查询CPU 暂停现行程序自身准备与主机交换信息CPU 和 I/O 并行工作 启动 I/O设备现行程序 中断服务程序KK+1没有踏步等待现象中断现行程序5.1程序中断方式流程CP

4、U 向 I/O 发读指令CPU 读 I/O 状态检查状态完成否？CPU 做其他事情I/O 设备工作准备就绪CPU I/O从 CPU 向主存写入一个字CPU 主存从 I/O 接口中读一个字到CPUI/O CPU中断请求I/O CPU出错是否未错5.13.DMA 方式主存和 I/O 之间有一条直接数据通道不中断现行程序周期挪用（周期窃取）CPU 和 I/O 并行工作存取周期结束CPU 执行现行程序CPU 执行现行程序DMA请求启动I/OI/O准备I/O准备一个存取周期实现I/O与主存之间的传送5.1三种方式的 CPU 工作效率比较存取周期结束CPU 执行现行程序CPU 执行现行程序DMA请求启动I

5、/OI/O准备I/O准备一个存取周期实现I/O与主存之间的传送CPU 执行现行程序CPU查询等待并传输I/O数据CPU 执行现行程序启动I/OI/O 准备及传送指令执行周期结束CPU 执行现行程序CPU 执行现行程序启动I/O中断请求I/O准备I/O准备CPU 处理中断服务程序实现 I/O 与主机之间的传送间断启动I/O启动I/OI/O准备中断请求启动I/OI/O准备一个存取周期DMA请求程序查询方式程序中断方式DMA 方式5.1I/O 准备及传送间断I/O准备I/O准备5.2 5.2 I/O设备设备一、概述主机 设备控制器机、电磁、光部分I/O接口外部设备外部设备大致分三类键盘、鼠标、打印机

6、、显示器 磁盘、光盘、磁带1.人机交互设备2.计算机信息存储设备3.机 机通信设备调制解调器等二、输入设备1.键盘2.鼠标3.触摸屏按键判断哪个键按下将此键翻译成 ASCII 码（编码键盘法）机械式 金属球 电位器5.2光电式 光电转换器三、输出设备1.显示器(1)字符显示(2)图形显示(3)图像显示字符发生器主观图像客观图像2.打印机(1)击打式(2)非击打式点阵式（逐字、逐行）喷墨（逐字）激光（逐页）5.2四、其他1.A/D、D/A2.终端3.汉字处理五、多媒体技术完成显示控制与存储、键盘管理及通信控制模拟/数字（数字/模拟）转换器汉字输入、汉字存储、汉字输出1.什么是多媒体2.多媒体计算

7、机的关键技术5.2由键盘和显示器组成5.3 I/O 接接 口口一、概述为什么要设置接口？1.实现设备的选择2.实现数据缓冲达到速度匹配4.实现电平转换5.传送控制命令6.反映设备的状态（“忙”、“就绪”、“中断请求”）3.实现数据串 并格式转换二、接口的功能和组成(1)设备选择线(2)数据线(3)命令线(4)状态线I/O 接口设备I/O 接口设备数据线命令线状态线I/O总线设备选择线1.总线连接方式的 I/O 接口电路5.32.接口的功能和组成功能组成选址功能传送命令的功能传送数据的功能反映设备状态的功能设备选择电路命令寄存器、命令译码器数据缓冲寄存器设备状态标记完成触发器 D工作触发器 B中

8、断请求触发器 INTR屏蔽触发器 MASK5.33.I/O 接口的基本组成 命令寄存器和命令译码器 设备选择 电路 设备状态 标记 数据缓冲 寄存器DBR 控制逻辑电路I/O接口外 部 设 备数据线命令状态数据线命令线状态线CPU地址线5.3三、接口类型并行接口串行接口可编程接口不可编程接口通用接口专用接口1.按数据 传送方式 分类2.按功能 选择的灵活性 分类3.按 通用性 分类4.按数据传送的 控制方式 分类中断接口DMA 接口5.3Intel 8255Intel 8251Intel 8255、Intel 8251Intel 8212Intel 8255、Intel 8251Intel 8

9、279、Intel 8275Intel 8259Intel 82575.4 5.4 程序查询方式程序查询方式一、程序查询流程检查状态标记1 设备1 准备就绪？检查状态标记N 设备N准备就绪？处理设备1是否否处理设备N是1.查询流程检查状态标记交换数据准备就绪?是否单个设备多个设备测试指令转移指令传送指令2.程序流程设置主存缓冲区首址设置计数值启动外设传送一个数据修改主存地址修改计数值结束I/O传送准备好？传送完？未完是完否5.4 保存 寄存器内容设备选择电路DBRQQ&数据线准备就绪启动命令地址线SEL输入数据启动设备设备工作 结束DB二、程序查询方式的接口电路10 105.4以输入为例5.5

10、 5.5 程序中断方式程序中断方式一、中断的概念KK+1QQ+1中断服务程序1中断服务程序2入口1入口2二、I/O 中断的产生以打印机为例发中断请求 空闲接收数据接收数据准备发中断请求打印打印打印机执行主程序继续执行主程序继续执行主程序响应中断中断返回响应中断中断返回 启动打印机传送数据传送数据CPUCPU 与打印机并行工作5.5三、程序中断方式的接口电路1.配置中断请求触发器和中断屏蔽触发器DQ&1INTR 中断请求触发器INTR=1 有请求MASK 中断屏蔽触发器MASK=1 被屏蔽来自 CPU 的中断查询信号受设备本身控制INTR D MASKQD 完成触发器5.5中断请求2.排队器排队

11、在 CPU 内或在接口电路中（链式排队器）硬件软件5.5详见第八章INTP1INTP2INTP3INTP4INTR1INTR2INTR3INTR4 1&1&1&1&INTR1设备 1#、2#、3#、4#优先级按 降序排列INTRi=1 有请求 即 INTRi=01INTP11INTP21INTP31INTP4&INTR1INTR2INTR3INTR4INTR1INTR2INTR3INTR4 1&1&1&1&INTP1INTP2INTP3INTP4INTR2INTR1INTR1INTR25.51&INTP22.排队器排队在 CPU 内或在接口电路中（链式排队器）硬件软件 详见第八章3.中断向量地

12、址形成部件入口地址向量地址排队器输出由软件产生硬件向量法 显示器服务程序 打印机服务程序JMP 400JMP 300JMP 200主存12H13H14H200300向量地址入口地址入口地址中断向量地址 形成部件 设备编码器1 0 0 0000100100 1 0 000010011详见第八章由 硬件 产生 向量地址再由 向量地址 找到 入口地址5.5设备选择电路DBR DQ&数据线启动命令地址线SEL输入数据启动设备设备工作 结束&1QQDINTR BQQMASK 设备编码器排队器中断查询来自高一级 的排队器至低一级的排队器向量地址中断响应 INTA中断请求命令译码4.程序中断方式接口电路的基

13、本组成5.5四、I/O 中断处理过程1.CPU 响应中断的条件和时间(1)条件(2)时间允许中断触发器 EINT=1用 开中断 指令将 EINT 置“1”用 关中断 指令将 EINT 置“0”或硬件 自动复位当 D=1（随机）且 MASK=0 时在每条指令执行阶段的结束前CPU 发 中断查询信号（将 INTR 置“1”）5.5设备选择电路DBR DQ&数据线启动命令地址线SEL输入数据启动设备设备工作 结束&1QQDINTR BQQ MASK设备编码器排队器中断查询来自高一级 的排队器至低一级的排队器向量地址中断响应 INTA中断请求命令译码2.I/O 中断处理过程10&DBR设备选择电路01

14、以输入为例5.5五、中断服务程序流程1.中断服务程序的流程(1)保护现场(2)中断服务(3)恢复现场(4)中断返回对不同的 I/O 设备具有不同内容的设备服务中断返回指令2.单重中断和多重中断不允许中断 现行的 中断服务程序单重 中断多重 中断允许级别更高 的中断源中断 现行的 中断服务程序中断隐指令完成进栈指令出栈指令程序断点的保护寄存器内容的保护5.53.单重中断和多重中断的服务程序流程中断否？保护现场设备服务恢复现场 开中断中断返回取指令执行指令中断服务程序 中断响应 程序断点进栈 关中断 向量地址 PC中断周期是中断返回保护现场设备服务恢复现场开中断开中断开中断中断隐指令中断隐指令否取

15、指令执行指令中断否？否 中断响应 程序断点进栈 关中断向量地址 PC中断周期是中断服务程序单重 多重 5.5程序中断接口芯片 8259A 的内部结构 5.5内部总线 缓冲器读/写逻 辑级联缓冲器/比较器优先权比较器(PR)中断 服务 寄存 器(ISR)中断 请求 寄存 器(IRR)中断屏蔽寄存器 （IMR）控制逻辑INTINTAD7D0A0RDWRCSCAS0CAS1CAS2SP/ENIR0IR1IR2IR3IR4IR5IR6IR7内部总线主程序和服务程序抢占 CPU 示意图准备工作准备工作准备工作传送数据传送数据发中断请求发中断请求I/O宏观 上 CPU 和 I/O 并行 工作微观 上 CP

16、U 中断现行程序 为 I/O 服务主程序继续执行主程序启动外设 服务程序（传送数据）服务程序（传送数据）继续执行主程序CPU5.55.6 5.6 DMA 方式方式一、DMA 方式的特点1.DMA 和程序中断两种方式的数据通路CPU主存ACC 中断接口DMA 接口I/O 设 备中断方式数据传送通路输入指令输出指令DMA方式数据传送通路2.DMA 与主存交换数据的三种方式(1)停止 CPU 访问主存控制简单CPU 处于不工作状态或保持状态未充分发挥 CPU 对主存的利用率主存工作时间CPU不执行程序DMA不工作DMA不工作DMA工作 CPU控制并使用主存 DMA控制并使用主存t5.6(2)周期挪用

17、（或周期窃取）DMA 访问主存有三种可能 CPU 此时不访存 CPU 正在访存 CPU 与 DMA 同时请求访存此时 CPU 将总线控制权让给 DMA主存工作时间 CPU控制并使用主存 DMA控制并使用主存t5.6(3)DMA 与 CPU 交替访问主存工作时间DMA控制并使用主存CPU控制并使用主存tCPU 工作周期C1 专供 DMA 访存C2 专供 CPU 访存所有指令执行过程中的一个基准时间5.6不需要 申请建立和归还 总线的使用权二、DMA 接口的功能和组成1.DMA 接口功能(1)向 CPU 申请 DMA 传送(2)处理总线 控制权的转交(3)管理 系统总线、控制 数据传送(4)确定

18、数据传送的 首地址和长度(5)DMA 传送结束时，给出操作完成信号修正 传送过程中的数据 地址 和 长度5.6DMA接口主存CPU2.DMA 接口组成DMA 控 制 逻 辑 中 断 机 构设备HLDAARWCDARHRQ中断请求数据线地址线+1+1溢出信号DREQDACKBR5.6三、DMA 的工作过程1.DMA 传送过程预处理、数据传送、后处理(1)预处理通过几条输入输出指令预置如下信息 通知 DMA 控制逻辑传送方向（入/出）设备地址 DMA 的 DAR 主存地址 DMA 的 AR 传送字数 DMA 的 WC5.6预处理：主存起始地址设备地址 传送数据个数启动设备DMADMADMA数据传送

19、：继续执行主程序同时完成一批数据传送后处理：中断服务程序做 DMA 结束处理继续执行主程序CPU(2)DMA 传送过程示意允许传送？主存地址送总线数据送I/O设备（或主存）修改 主存地址修改 字计数器 数据块传送结束？向CPU申请 程序中断DMA请求否否是是数据传送5.6BR设备DMA 控 制 逻 辑 中 断 机 构ARWCDARDMA接口主存CPU+1+1(3)数据传送过程（输入）DREQHRQHLDA地址线DACK数据线溢出信号中断请求ARWC+1+15.6BRBRBRBRBRBR设备DMA 控 制 逻 辑 中 断 机 构ARWCDARDMA接口主存CPU+1+1BRDREQHRQHLDA

20、地址线DACK数据线溢出信号中断请求ARWC+1+1(4)数据传送过程（输出）5.6BRBRBRBR(5)后处理校验送入主存的数是否正确是否继续用 DMA测试传送过程是否正确，错则转诊断程序由中断服务程序完成5.62.DMA 接口与系统的连接方式DMA接口1DMA接口2DMA接口nCPU主存DMA响应I/O总线数据线地址线DMA请求(1)具有公共请求线的 DMA 请求5.6(2)独立的 DMA 请求DMA接口1DMA接口2DMA接口3CPU主存DMA响应1DMA请求1DMA响应2DMA请求2DMA响应3DMA请求3I/O总线数据线地址线5.63.DMA 方式与程序中断方式的比较(1)数据传送(

21、2)响应时间(3)处理异常情况(4)中断请求(5)优先级中断方式DMA 方式程序 硬件指令执行结束 存取周期结束能 不能低 高传送数据 后处理 5.6四、DMA 接口的类型1.选择型在 物理上 连接 多个 设备在 逻辑上 只允许连接 一个 设备设备地址寄存器控制状态寄存器数据缓冲寄存器主存地址寄存器时序电路字计数器DMA接口CPU主存设备 1设备 2设备 n选择线.系统总线5.62.多路型在 物理上 连接 多个 设备在 逻辑上 允许连接 多个 设备同时工作5.6设备设备设备DMA 接口CPU主存独立请求式设备设备设备DMA 接口CPU主存链式3.多路型 DMA 接口的工作原理 T4T6 T7T2为磁盘 服务T5T8T3为磁带 服务为打印机服务T15 s 5.6DMA 请求打印机tDMA 请求DMA 请求DMA 请求45 s 磁带tDMA 请求DMA 请求DMA 请求DMA 请求30 s 磁盘t