1、第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)2主要內(nèi)容輸入輸出系統(tǒng)的特點(diǎn)和功能I/O端口及其編址方式基本輸入輸出方法中斷控制技術(shù)第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)37.1 7.1 輸入輸出系統(tǒng)概述主要內(nèi)容：I/O系統(tǒng)特點(diǎn)I/O接口與I/O端口的概念I(lǐng)/O端口的編址方式端口地址譯碼數(shù)據(jù)傳送方式第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)4一、輸入輸出系統(tǒng)將CPU及主存以外的部分叫做輸入輸出系統(tǒng)輸入輸出接口輸入輸出接口輸入輸出設(shè)備輸入輸出設(shè)備輸入輸出軟件輸入輸出軟件第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)5輸入輸出系統(tǒng)的特點(diǎn)復(fù)雜性異步性時(shí)實(shí)性與設(shè)備無關(guān)性第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)6I/O接口I/O接口：負(fù)責(zé)將外設(shè)連接到總線上的一組邏輯電路的總稱。實(shí)現(xiàn)外設(shè)與主機(jī)之間的信息交換。第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)7I/O接

2、口要解決的問題速度匹配速度匹配(Buffer)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力(電平轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動(dòng)器電平轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動(dòng)器) 信號(hào)形式和電平的匹配信號(hào)形式和電平的匹配(A/D、D/A) 信息格式信息格式(字節(jié)流、塊、數(shù)據(jù)包、幀字節(jié)流、塊、數(shù)據(jù)包、幀) 時(shí)序匹配時(shí)序匹配(定時(shí)關(guān)系定時(shí)關(guān)系)總線隔離總線隔離(三態(tài)門三態(tài)門)第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)8接口的功能數(shù)據(jù)的緩沖與暫存信號(hào)電平與類型的轉(zhuǎn)換增加信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力對(duì)外設(shè)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制與管理，中斷處理第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)9二、I/O端口數(shù)據(jù)端口數(shù)據(jù)端口狀態(tài)端口狀態(tài)端口控制端口控制端口端端 口口I/O端口：接口中的寄存器端口：接口中的寄存器第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)10I/O端口CPU數(shù)據(jù)數(shù)

3、據(jù)狀態(tài)狀態(tài)控制控制外設(shè)外設(shè)第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)11I/O端口的編址方式統(tǒng)一編址獨(dú)立編址第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)12端口與內(nèi)存的統(tǒng)一編址特點(diǎn)：指令及控制信號(hào)統(tǒng)一內(nèi)存地址資源減少內(nèi)存內(nèi)存地址地址960KBI/O地址地址64KB00000HF0000HFFFFFH第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)13端口的獨(dú)立編址特點(diǎn)：內(nèi)存地址資源充分利用能夠應(yīng)用于端口的指令較少內(nèi)存內(nèi)存地址地址I/O地址地址00000HFFFFFHFFFFH0000H第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)14端口的獨(dú)立編址8 80 08 86 6總總線線A19-A0A15-A0MEMR、MEMWIOR、IOW 、BHE存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器輸入輸入/輸出輸出第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)158086的I/O端口編址

4、 采用I/O獨(dú)立編址方式(但地址線與存儲(chǔ)器共用)； 最小模式下由M/IO區(qū)分是訪問內(nèi)存還是訪問端口； 最大模式下用總線控制器信號(hào)來區(qū)分訪問對(duì)象 I/O操作只使用20位地址信號(hào)中的16位：A15A0 可尋址的I/O端口數(shù)為64K(65536)個(gè) I/O地址范圍為0FFFFH IBM PC只使用了1024個(gè)I/O地址(03FFH)第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)16三、I/O地址的譯碼目的：確定端口的地址參加譯碼的信號(hào)：IOR，IOW，A15 A0OUT指令將使總線的IOW信號(hào)有效IN指令將使總線的IOR信號(hào)有效第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)17I/O地址的譯碼當(dāng)接口只有一個(gè)端口時(shí)，16位地址信號(hào)一般應(yīng)全部參與譯碼，譯碼輸出直接選

5、擇該端口；當(dāng)接口具有多個(gè)端口時(shí)，則16位地址線的高位參與譯碼（決定接口的基地址），而低位則用于確定要訪問哪一個(gè)端口。第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)18I/O地址的譯碼某外設(shè)接口有4個(gè)端口，地址為2F0H2F3H，試將其與系統(tǒng)連接。第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)19四、輸入輸出數(shù)據(jù)的傳送方式并行 一個(gè)數(shù)據(jù)單位同時(shí)傳送串行 數(shù)據(jù)按位傳送第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)20 基本輸入/ /輸出方法程序控制方式程序控制方式中斷方式傳送中斷方式傳送直接存儲(chǔ)器存取直接存儲(chǔ)器存取(DMA)無條件傳送無條件傳送查詢式傳送查詢式傳送第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)21一、無條件傳送適用于總是處于準(zhǔn)備好狀態(tài)的外設(shè)優(yōu)點(diǎn)：軟件及接口硬件簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：只適用于簡(jiǎn)單外設(shè)，適應(yīng)范圍較窄第5章存

6、儲(chǔ)系統(tǒng)22無條件傳送例讀取開關(guān)的狀態(tài)；當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，輸出編碼使發(fā)光二極管亮第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)23DCPQD0D1輸出口地輸出口地址址38F3H輸入口地輸入口地址址38F0H+5V1第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)24二、查詢工作方式適用場(chǎng)合：外設(shè)并不總是準(zhǔn)備好對(duì)傳送速率和效率要求不高對(duì)外設(shè)及接口的要求：外設(shè)應(yīng)提供設(shè)備狀態(tài)信息接口應(yīng)具備狀態(tài)端口第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)25查詢工作方式優(yōu)點(diǎn)：軟件比較簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：CPU效率低，數(shù)據(jù)傳送的實(shí)時(shí)性 差，速度較慢單一外設(shè)時(shí)單一外設(shè)時(shí)的工作流程的工作流程第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)26超時(shí)超時(shí)?READY?READY?與外設(shè)進(jìn)與外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換行數(shù)據(jù)交換超時(shí)錯(cuò)超時(shí)錯(cuò)讀入并測(cè)試外設(shè)狀態(tài)讀入并測(cè)試外設(shè)狀態(tài)YN

7、YN傳送完？傳送完？防止死循環(huán)防止死循環(huán)復(fù)位計(jì)時(shí)器復(fù)位計(jì)時(shí)器NY第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)27查詢工作方式例外設(shè)狀態(tài)端口地址為03FBH，第5位(bit5)為狀態(tài)標(biāo)志（=1忙，=0準(zhǔn)備好）外設(shè)數(shù)據(jù)端口地址為03F8H，寫入數(shù)據(jù)會(huì)使?fàn)顟B(tài)標(biāo)志置1 ；外設(shè)把數(shù)據(jù)讀走后又把它置0。試畫出其電路圖，并將DATA下100B數(shù)輸出第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)28三、中斷控制方式特點(diǎn)：外設(shè)在需要時(shí)向CPU提出請(qǐng)求，CPU再去為它服務(wù)。服務(wù)結(jié)束后或在外設(shè)不需要時(shí)，CPU可執(zhí)行自己的程序優(yōu)點(diǎn)：CPU效率高，實(shí)時(shí)性好，速度快。缺點(diǎn)：程序編制較為復(fù)雜。第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)29以上三種I/O方式的共性均需CPU作為中介：軟件： 外設(shè)與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳

8、送是通過CPU 執(zhí)行程序來完成的（PIO方式）；硬件： I/O接口和存儲(chǔ)器的讀寫控制信號(hào)、地址 信號(hào)都是由CPU發(fā)出的。 缺點(diǎn)：程序的執(zhí)行速度限定了傳送的最大速度 （約為幾十KB/秒）第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)30四、DMA控制方式特點(diǎn)：外設(shè)直接與存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換 ，CPU不再擔(dān)當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹薪檎撸豢偩€由DMA控制器（DMAC）進(jìn)行控制（CPU要放棄總線控制權(quán)），內(nèi)存/外設(shè)的地址和讀寫控制信號(hào)均由DMAC提供。第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)31DMA控制方式DMAC外設(shè)外設(shè)接口接口CPUQRDMEMDACKHOLDHLDABUS控制信號(hào)控制信號(hào)第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)32DMA控制方式的工作過程 外設(shè)向DMA控制器發(fā)出“DMA傳

9、送請(qǐng)求”信號(hào)DRQ； DMA控制器收到請(qǐng)求后，向CPU發(fā)出“總線請(qǐng)求”信號(hào)HOLD； CPU在完成當(dāng)前總線周期后會(huì)立即發(fā)出HLDA 信號(hào)，對(duì)HOLD信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)； DMA控制器收到HLDA信號(hào)后，就開始控制總線，并向外設(shè)發(fā)出DMA響應(yīng)信號(hào)DACK第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)33DMA控制方式的工作過程DMA控制器送出地址信號(hào)和相應(yīng)的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)外設(shè)與內(nèi)存或內(nèi)存與內(nèi)存之間的直接數(shù)據(jù)傳送；例：從外設(shè)向內(nèi)存?zhèn)魉鸵粋€(gè)字節(jié) DMAC向I/O接口發(fā)出讀信號(hào)，同時(shí)往地址總線上發(fā)出存儲(chǔ)器的地址和存儲(chǔ)器寫信號(hào)和AEN信號(hào)。第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)34DMA控制方式的工作過程DMA控制器自動(dòng)修改地址和字節(jié)計(jì)數(shù)器，并判斷是否需要重復(fù)傳送

10、操作。當(dāng)規(guī)定的數(shù)據(jù)傳送完后，DMA控制器就撤銷發(fā)往CPU的HOLD信號(hào)。CPU檢測(cè)到HOLD失效后，緊接著撤銷HLDA信號(hào)，并在下一時(shí)鐘周期重新開始控制總線。第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)35DMA的三種傳送方式 連續(xù)傳送（塊傳送）： DMAC在申請(qǐng)到總線后，將一塊數(shù)據(jù)傳送完后才釋放總線，而不管中間DREQ是否有效。 單次傳送（每次傳送一個(gè)字節(jié)）： 每個(gè)DMA周期只傳送一個(gè)字節(jié)就立即釋放總線。 按需傳送（猝發(fā)傳送）： 只要I/O接口的數(shù)據(jù)緩沖可用，就可進(jìn)行傳送。此時(shí)I/O接口需要有一定大小的FIFO緩沖區(qū)。第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)36數(shù)據(jù)塊傳送：數(shù)據(jù)塊傳送：YN允許允許DMADMA請(qǐng)求？請(qǐng)求？DMAC請(qǐng)求總線請(qǐng)求總線C

11、PU響應(yīng)響應(yīng), DMAC獲總線控制權(quán)獲總線控制權(quán)DMA傳送一個(gè)字節(jié)傳送一個(gè)字節(jié)塊結(jié)束？塊結(jié)束？地址增量，計(jì)數(shù)器減量地址增量，計(jì)數(shù)器減量DMAC釋放總線釋放總線YN第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)37每次傳送一個(gè)字節(jié)：每次傳送一個(gè)字節(jié)：NYN允許允許DMADMAC請(qǐng)求總線請(qǐng)求總線CPU響應(yīng)響應(yīng), DMAC獲總線控制權(quán)獲總線控制權(quán)DMA傳送一個(gè)數(shù)據(jù)傳送一個(gè)數(shù)據(jù)塊結(jié)束？塊結(jié)束？釋放總線至少一個(gè)總線周期釋放總線至少一個(gè)總線周期地址增量，計(jì)數(shù)器減量地址增量，計(jì)數(shù)器減量DMAC釋放總線釋放總線Y測(cè)試測(cè)試I/O的的DREQ DMA請(qǐng)求？請(qǐng)求？第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)38按需傳送：按需傳送：NYCPU響應(yīng)響應(yīng), DMAC獲總線控制權(quán)獲總

12、線控制權(quán)DMA傳送一個(gè)字節(jié)傳送一個(gè)字節(jié)塊結(jié)束？塊結(jié)束？測(cè)試測(cè)試I/O的的DREQ 有效？有效？地址增量，計(jì)數(shù)器減量地址增量，計(jì)數(shù)器減量釋放總線，請(qǐng)求中斷釋放總線，請(qǐng)求中斷無效，釋放總線無效，釋放總線允許允許DMADMA請(qǐng)求？請(qǐng)求？DMAC請(qǐng)求總線請(qǐng)求總線YNYN第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)39DMA控制方式優(yōu)點(diǎn)：數(shù)據(jù)傳輸由DMA硬件來控制，數(shù)據(jù)直接在內(nèi)存和外設(shè)之間交換，可以達(dá)到很高的傳輸速率（可達(dá)幾MB/秒）第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)40五、I/O通道控制方式具有自己的指令系統(tǒng)專門負(fù)責(zé)外部設(shè)備的控制第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)41 中斷技術(shù)掌握：中斷的基本概念中斷響應(yīng)的一般過程中斷向量表及其初始化8088/8086中斷系統(tǒng)第5章存儲(chǔ)

13、系統(tǒng)42一、中斷的基本概念中斷：CPU執(zhí)行程序時(shí)，由于發(fā)生了某種隨機(jī)的事件(外部或內(nèi)部)，引起CPU暫時(shí)中斷正在運(yùn)行的程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行一段特殊的服務(wù)程序(稱為中斷服務(wù)程序或中斷處理程序)，以處理該事件，該事件處理完后又返回被中斷的程序繼續(xù)執(zhí)行，這一過程稱為中斷。第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)43中斷源引起CPU中斷的事件，發(fā)出中斷請(qǐng)求的來源內(nèi)部中斷內(nèi)部中斷外部中斷外部中斷異常中斷異常中斷軟件中斷軟件中斷可屏蔽中斷可屏蔽中斷非屏蔽中斷非屏蔽中斷異常事件引起異常事件引起中斷指令引起中斷指令引起INTR中斷中斷NMI中斷中斷第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)44引入中斷的原因提高數(shù)據(jù)傳輸率；避免了CPU不斷檢測(cè)外設(shè)狀態(tài)的過程，提高了CP

14、U的利用率。實(shí)現(xiàn)對(duì)特殊事件的實(shí)時(shí)響應(yīng)。第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)45二、外部中斷響應(yīng)的一般過程中斷請(qǐng)求中斷判優(yōu)及中斷源識(shí)別中斷響應(yīng)中斷處理（服務(wù)）中斷返回第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)46中斷請(qǐng)求中斷請(qǐng)求信號(hào)應(yīng)保持到中斷被處理為止；CPU響應(yīng)中斷后，中斷請(qǐng)求信號(hào)應(yīng)及時(shí)撤銷。NMIINTR第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)47中斷源識(shí)別軟件查詢法中斷矢量法。由中斷源提供中斷類型號(hào)，CPU根據(jù)類型確定中斷源。第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)48中斷判優(yōu) 要解決的問題要解決的問題對(duì)同時(shí)產(chǎn)生的中斷： 首先處理優(yōu)先級(jí)別較高的中斷；若優(yōu)先級(jí)別相同，則按先來先服務(wù)的原則對(duì)非同時(shí)產(chǎn)生的中斷： 低優(yōu)先級(jí)的中斷程序允許被高優(yōu)先級(jí)的中斷源所中斷中斷嵌套中斷嵌套第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)49中

15、斷判優(yōu) 控制方法控制方法 軟件判優(yōu) 順序查詢中斷請(qǐng)求，先查詢的先服務(wù)順序查詢中斷請(qǐng)求，先查詢的先服務(wù) （即先查詢的優(yōu)先級(jí)別高）（即先查詢的優(yōu)先級(jí)別高）硬件判優(yōu)硬件判優(yōu) 鏈?zhǔn)脚袃?yōu)、并行判優(yōu)（中斷向量法）鏈?zhǔn)脚袃?yōu)、并行判優(yōu)（中斷向量法）第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)50菊花鏈邏輯電路菊花鏈邏輯電路INTAinIREQINTR&=1 1INTAoutDB三態(tài)門三態(tài)門中中斷斷向向量量碼碼E外設(shè)接口外設(shè)接口中斷確認(rèn)中斷確認(rèn)菊花鏈菊花鏈邏輯電路邏輯電路第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)51中斷響應(yīng)向中斷源發(fā)出INTA中斷響應(yīng)信號(hào)；保護(hù)斷點(diǎn)。包括FLAGS、 CS和IP獲得中斷服務(wù)程序入口地址固定入口法固定入口法中斷向量法中斷向量法第

16、5章存儲(chǔ)系統(tǒng)52中斷處理中斷服務(wù)子程序的特點(diǎn)：為“遠(yuǎn)過程”用IRET指令返回第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)53中斷服務(wù)子程序完成的工作保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)開中斷（STI）中斷處理關(guān)中斷（CLI）恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)中斷返回第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)54中斷返回執(zhí)行IRET指令，使IP、CS和FLAGS從堆棧彈出第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)55三、8088/8086中斷系統(tǒng)內(nèi)部中斷外部中斷除法錯(cuò)中斷除法錯(cuò)中斷溢出中斷溢出中斷單步中斷單步中斷軟件中斷軟件中斷非屏蔽中斷非屏蔽中斷可屏蔽中斷可屏蔽中斷 256個(gè)中個(gè)中斷源斷源第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)56NMIINTR中斷邏輯中斷邏輯軟件中斷指令軟件中斷指令溢出中斷溢出中斷除法錯(cuò)除法錯(cuò)單步中斷單步中斷非屏蔽中斷請(qǐng)求非屏蔽中斷請(qǐng)求

17、中斷控中斷控制器制器8259APIC8086/8088CPU8086/8088CPU內(nèi)部邏輯內(nèi)部邏輯斷點(diǎn)中斷斷點(diǎn)中斷可可屏屏蔽蔽中中斷斷請(qǐng)請(qǐng)求求n430128086/8088中斷源類型：中斷源類型：第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)57中斷向量表00000H003FFH1KB第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)58中斷向量表存放各類中斷的中斷服務(wù)程序的入口地址每個(gè)入口占用4 Bytes，低字為段內(nèi)偏移，高字為段基址表的地址位于內(nèi)存的00000H003FFH，大小為1KB，共256個(gè)入口第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)59中斷向量表的初始化將用戶自定義的中斷服務(wù)程序入口地址放入向量表兩種方法：直接寫中斷向量表利用DOS中斷功能調(diào)用：INT 25H 例：將

18、中斷向量碼為48H的服務(wù)程序入口地址放入向量表第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)60中斷向量表的初始化 直接寫中斷向量表 MOV AX，0MOV DS，AXMOV SI， 48H*4MOV DX，OFFSET int_procMOV SI，DXMOV DX，SEG int_procMOV SI+2，DX 利用DOS中斷功能調(diào)用：INT 25HMOV DX，SEG int_procMOV DS，DXMOV DX，OFFSET int_procMOV AX，2548HINT 21HP319第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)618088/8086內(nèi)部中斷響應(yīng)過程特點(diǎn)：無INTA周期中斷類型碼固定或由指令給出第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)628088/8086內(nèi)部中斷響應(yīng)過程響應(yīng)過程步驟： PUSH FLAG 暫存TF 清除IF和TF PUSH CS PUSH IP 0:中斷類型號(hào)*4 I P 0:中斷類型號(hào)*4+2CS第5章存儲(chǔ)系統(tǒng)638088/8086外部中斷響應(yīng)過程可屏蔽中斷（INTR）： INTA周期1，PIC進(jìn)行中斷的排隊(duì)和優(yōu)先級(jí)處理 INTA周期2，PIC把中斷類型號(hào)放到DB上，由CPU讀入 PUSH FLAG 暫存TF 清除IF和TF PUSH CS PUSH IP 0:中斷類型號(hào)