1、第八章 輸入輸出系統8.1外圍設備的定時方式和信息交換方式8.2程序查詢方式8.3程序中斷方式8.4DMA方式8.5通道方式8.6通用I/O標準接口返回18.1外圍設備的定時方式和信息交換方式一、外圍設備的速度分級外設種類繁多，存在以下幾種情況：不同種類的外設數據傳輸速率差別很大同一種設備在不同時刻傳輸速率也可能不同高速的CPU與速度參差不齊的外設怎樣在時間上同步呢？解決辦法時在CPU和外設之間數據傳送時加以定時。速度極慢或簡單的外設CPU只需要接受或者發送數據即可慢速或者中速的設備可以采用異步定時的方式高速外設采用同步定時方式28.1外圍設備的定時方式和信息交換方式二、信息交換方式程序查詢方

2、式程序中斷方式DMA方式通道方式38.2程序查詢方式1、設備編址統一編址獨立編址2、輸入輸出指令3、程序查詢接口設備選擇電路數據緩沖寄存器設備狀態寄存器(1)先向I/O設備發出命令字，請求進行數據傳送；(2)從I/O接口讀入狀態字；(3)檢查狀態字中的標志，看看數據交換是否可以進行；(4)假如這個設備沒有準備就緒，則第(2)、第(3)步重復進行，一直到這個設備準備好交換數據，發出準備就緒信號“Ready”為止；(5)CPU從I/O接口的數據緩沖寄存器輸入數據，或者將數據從CPU輸出至接口的數據緩沖寄存器。與此同時，CPU將接口中的狀態標志復位。（6）數據傳送48.2程序查詢方式58.3 程序中

3、斷方式8.3.1中斷的概念、功能8.3.2程序中斷方式的基本接口8.3.3單級中斷8.3.4多級中斷8.3.5Pentium中斷機制68.3.1中斷的概念、功能 中斷（Interrupt）是指CPU暫時中止現行程序，轉去處理隨機發生的緊急事件，處理完后自動返回原程序的功能和技術。中斷系統是計算機實現中斷功能的軟硬件總稱。一般在CPU中設置中斷機構，在外設接口中設置中斷控制器，在軟件上設置相應的中斷服務程序。78.3.1中斷的概念、功能中斷系統的功能包括：(1)實現主機和外設的并行工作；(2)處理故障；(3)實現多道程序和分時操作；(4)實時控制；(5)實現人機聯系；(6)實現多機通信。88.3

4、.1中斷的概念、功能中斷源：能夠向CPU發出中斷請求的事件。常見中斷源有：輸入、輸出設備中斷。如鍵盤、打印機等工作過程中已做好接收或發送準備。數據通道中斷。如磁盤、磁帶等要同主機進行數據交換等。實時時鐘中斷。故障中斷。例如電源掉電、設備故障等要求CPU進行緊急處理等。系統中斷。如運算過程出現溢出、數據格式非法，數據傳送過程出現校驗錯，控制器遇到非法指令等等。為了調試程序而設置的中斷。98.3.1中斷的概念、功能中斷處理過程注意幾個問題：響應中斷時機：外界中斷請求時隨機的，但CPU只有在當前指令執行完畢后，才轉至公操作斷點保護問題（PC，寄存器內容和狀態的保存）原子操作：開中斷和關中斷問題。中斷

5、是由軟硬件結合起來實現的108.3.2程序中斷方式的基本接口設備選擇器。設備選擇器用來判別總線上送出的地址（或稱呼叫的設備）是否為本設備，它實際上是設備地址的譯碼比較電路。BS外設接口忙（BuSy）標志RD外設準備就緒（ReaDy）標志EI（Enable Interrupt中斷允許觸發器）IR（Interrupt Request）中斷請求觸發器IM（Interrupt Mask）中斷屏蔽觸發器表示由程序啟動外設，將該外設接口的“忙”標志BS置“1”，“準備就緒”標志RD清“0”；表示接口向外設發出啟動信號；表示數據由外設傳送到接口的緩沖寄存器；表示當設備動作結束或緩沖寄存器數據填滿時，設備向接

6、口送出一控制信號，將數據“準備就緒”標志RD置“1”；表示允許中斷標志EI為“1”時，接口向CPU發出中斷請求信號；表示在一條指令執行末尾CPU檢查中斷請求線，將中斷請求線的請求信號接收到“中斷請求”標志IR；表示如果“中斷屏蔽”標志IM為“0”時，CPU在一條指令執行結束后受理外設的中斷請求，向外設發出響應中斷信號并關閉中斷；表示轉向該設備的中斷服務程序入口；表示在中斷服務程序通過輸入指令把接口中數據緩沖寄存器的數據讀至CPU中的寄存器；（10）表示CPU發出控制信號C將接口中的BS和RD標志復位。118.3.3單級中斷所有中斷源屬于同一級，離CPU越近，優先級越高，圖8.7類似于第六章的鏈

7、式查詢方式。中斷源的識別：串行排隊鏈法IR1，IR2，IR3為中斷請求信號IS1，IS2，IS3為中斷選中信號INTI為中斷排隊輸入INTO為中斷排隊輸出中斷向量的產生向量地址轉移法128.3.3單級中斷所有中斷源屬于同一級，離CPU越近，優先級越高，圖8.7類似于第六章的鏈式查詢方式。中斷源的識別：串行排隊鏈法IR1，IR2，IR3為中斷請求信號IS1，IS2，IS3為中斷選中信號INTI為中斷排隊輸入INTO為中斷排隊輸出中斷向量的產生向量地址轉移法138.3.3單級中斷中斷向量：當CPU響應中斷時，由硬件直接產生一個固定的地址(即向量地址)由向量地址指出每個中斷源設備的中斷服務程序入口，

8、這種方法通常稱為向量中斷。148.3.4多級中斷概念每級有一個中斷優先權一維多級中斷和二維多級中斷說明：一個系統有n級中斷，則CPU中有n個IR，n個IM，某級中斷被響應后，則關閉本級和低于本級的IM，開放更高級的IM。多級中斷可以嵌套，但同一級的中斷不允許嵌套中斷響應時，確定哪一級中斷和中斷源采用硬件實現。采用了獨立請求方式和鏈式查詢方式相結合的方式。使用多級堆棧保存現場（包括IM）158.3.4多級中斷多級中斷源的識別中斷優先排隊電路中斷向量產生電路16舉例例1、參見圖所示的二維中斷系統。請問： (1)在中斷情況下，CPU和設備的優先級如何考慮?請按降序排列各設備的中斷優先級。 (2)若C

9、PU現執行設備B的中斷服務程序，IM2，IM1，IM0的狀態是什么?如果CPU執行設 備D的中斷服務程序，IM2，IM1，IM0的狀態又是什么? (3)每一級的IM能否對某個優先級的個別設備單獨進行屏蔽?如果不能，采取什么辦法可達到目的?(4)假如設備C一提出中斷請求，CPU立即進行響應，如何調整才能滿足此要求? 17分析(1)在中斷情況下，CPU的優先級最低。各設備的優先次序是：ABC DEFGHICPU。(2)執行設備B的中斷服務程序時IM2IM1IM0=111；執行設備D的中斷服務程序時，IM2IM1IM0=011。(3)每一級的IM標志不能對某個優先級的個別設備進行單獨屏蔽?？蓪⒔涌谥?/p>

10、的EI(中斷允許)標志清“0”，它禁止設備發出中斷請求。 (4)要使設備C的中斷請求及時得到響應，可將設備C從第2級取出來，單獨放在第3級上，使第3級的優先級最高，即令IM3=0即可。18參見例1所示的系統，只考慮A，B，C三個設備組成的單級中斷結構，它要求CPU在執行完當前指令時對中斷請求進行服務。假設：(1)CPU“中斷批準”機構在響應一個新的 中斷之前，先要讓被中斷的程序的一條指令一定要執行完畢；(2)TDC為查詢鏈中每個設備的延遲時間；(3)TA，TB，TC分別為設備A，B，C的服務程序所需的執行時間； (4)TS,TR為保存現場和恢復現場所需的時間；(5)主存工作周期為TM。 試問：

11、就這個中斷請求環境來說，系統在什么情況下達到中斷飽和? 19 中斷處理流程，并假設執行一條指令的時間也為TM。如果三個設備同時發出中斷請求，那么依次分別處理設備A、設備B、設備C的時間如下： tA = 2TM + TDC + TS + TA + TRtB = 2TM + 2TDC + TS + TB + TRtC = 2TM + 3TDC + TS + TC + TR處理三個設備所需的總時間為：T=tA+tB+tCT是達到中斷飽和的最小時間，即中斷極限頻率為：f=1/T訪問存儲器Tm訪問存儲器Tm0、指令周期1、鏈式查詢Tdc2、保護現場Ts3、恢復現場Tr208.3.5中斷控制器8259中斷

12、控制器是一個集成電路芯片，它將中斷接口與優先級判斷等功能匯集于一身，常用于微型機系統。其內部結構如圖8.11所示。8位中斷請求寄存器(IR)接受8個外部設備送來的中斷請求，每一位對應一個設備。中斷請求寄存器的各位送入優先權判斷器，根據中斷屏蔽寄存器(IM)各位的狀態來決定最高優先級的中斷請求，并將各位的狀態送入中斷狀態寄存器IS。IS保存著判優結果。由控制邏輯向CPU發出中斷請求信號INT，并接受CPU的中斷響應信號INTA。數據緩沖器用于保存CPU內部總線與系統數據總線之間進行傳送的數據。讀/寫邏輯決定數據傳送的方向，其中IOR為讀控制，IOW為寫控制，CS為設備選擇，A0為I/O端口識別。

13、218.3.5中斷控制器多個8259進行級聯以處理多達64個中斷請求。在這種情況下允許有一個主中斷控制器和多個從中斷控制器，稱為主從系統。優先級選擇方式有四種：完全嵌套方式：是一種固定優先級方式，連至IR0的設備優先級最高，IR7的優先級最低。這種固定優先級方式對級別低的中斷不利，在有些情況下最低級別的中斷請求可能一直不能被處理。輪換優先級方式A：每個級別的中斷保證有機會被處理，將給定的中斷級別處理完后，立即把它放到最低級別的位置上去。輪換優先級方式B：要求CPU可在任何時間規定最優優先級，然后順序地規定其他IR線上的優先級。查詢方式：由CPU訪問8259的中斷狀態寄存器，一個狀態字能表示出正

14、在請求中斷的最高優先級IR線，并能表示出中斷請求是否有效。228.3.5中斷控制器8259提供了兩種屏蔽方式：簡單屏蔽方式，提供8位屏蔽字，每位對應著各自的IR線。被置位的任一位則禁止了對應IR線上的中斷。特殊屏蔽方式，允許CPU讓來自低優先級的外設中斷請求去中斷高優先級的服務程序。當8位屏蔽位的某位置“0”時，例如屏蔽字為11001111，說明IR4和IR5線上的中斷請求可中斷任何高級別的中斷服務程序。8259中斷控制器的不同工作方式是通過編程來實現的。CPU送出一系列的初始化控制字和操作控制字來執行選定的操作。238.3.5Pentium中斷機制Pentium中斷機制中斷類型中斷服務子程序

15、進入過程中斷處理過程248.4 DMA方式8.4.1DMA方式的一般概念 8.4.2 DMA傳送方式8.4.3 DMA傳送一個數據的過程258.4.1DMA方式的一般概念直接存儲器訪問（Direct Memory Address）DMA方式是為了在主存儲器與IO設備間高速交換批量數據而設置的。基本思想是：通過硬件控制實現主存與IO設備間的直接數據傳送，在傳送過程中無需CPU的干預。數據傳送是在DMA控制器控制下進行的，優點：速度快。有利于發揮CPU的效率。268.4.1DMA方式的一般概念過程描述：由DMA控制器給出當前正在傳送的數據的主存地址，并統計傳送數據的個數以確定一組數據的傳送是否已結

16、束。在主存中要開辟連續地址的專用緩沖器，用來提供或接收傳送的數據。在數據傳送前和結束后要通過程序或中斷方式對緩沖器和DMA控制器進行預處理和后處理。278.4.2 DMA傳送方式1、CPU暫停方式。主機響應DMA請求后，讓出存儲總線，直到一組數據傳送完畢后，DMA控制器才把總線控制權交還給CPU，采用這種工作方式的IO設備，在其接口中一般設置有小容量存儲器，IO設備先與小容量存儲器交換數據，然后由小容量存儲器與主機交換數據，這樣可減少DMA傳送占用存儲總線的時間，也即減少了CPU暫停工作的時間。281、CPU暫停方式優點: 控制簡單，它適用于數據傳輸率很高的設備進行成組傳送。缺點: 在DMA控

17、制器訪內階段，內存的效能沒有充分發揮，相當一部分內存工作周期是空閑的。這是因為，外圍設備傳送兩個數據之間的間隔一般總是大于內存存儲周期，即使高速I/O設備也是如此。292、周期挪用方式DMA控制器與主存儲器之間傳送一個數據，占用（竊取）一個CPU周期，即CPU暫停工作一個周期，然后繼續執行程序。303、DMA和CPU交替訪問內存工作方式如果CPU的工作周期比內存存取周期長很多，可以采用該種方法總線控制權的轉移速度快，DMA效率高。318.4.3DMA傳送一個數據的過程1、DMA基本構成(1)內存地址計數器(2)字計數器(3)數據緩沖寄存器(4)“DMA請求”標志(5)“控制/狀態”邏輯(6)中

18、斷機構328.4.3DMA傳送一個數據的過程2、傳送過程 當外設有DMA請求時，通常CPU在本機器周期結束后，響應DMA請求。338.4.3DMA傳送一個數據的過程傳送一個數據塊可以分為三個階段。第一階段是進行初始化，即CPU通過程序IO的方式給DMA控制器預置初值，取狀態和送傳送需要的有關參數。第二階段由DMA控制器控制外設與主存之間的數據交換。第三階段即CPU中斷原程序后進行后處理。若需要繼續交換數據，則又要對DMA進行初始化；若不需要交換數據，則停止外設；若為出錯，則轉錯誤診斷及處理程序。 348.4.4選擇型和多路型DMA控制器選擇型多路型358.4.4選擇型和多路型DMA控制器典型D

19、MA芯片36 例3下圖中假設有磁盤、磁帶、打印機三個設備同時工作。磁盤以30s的間隔向控制器發DMA請求，磁帶以45s的間隔發DMA請求，打印機以150s間隔發DMA請求。根據傳輸速率，磁盤優先權最高，磁帶次之，打印機最低，圖中假設DMA控制器每完成一次DMA傳送所需的時間是5s。若采用多路型DMA控制器，請畫出DMA控制器服務三個設備的工作時間圖。 37分析 由圖看出，T1間隔中控制器首先為打印機服務，因為此時只有打印機有請求。T2間隔前沿磁盤、磁帶同時有請求，首先為優先權高的磁盤服務，然后為磁帶服務，每次服務傳送一個字節。在120s時間階段中，為打印機服務只有一次(T1)，為磁盤服務四次(

20、T2，T4，T6，T7)，為磁帶服務三次(T3，T5，T8)。從圖上看到，在這種情況下DMA尚有空閑時間，說明控制器還可以容納更多設備。 388.5 通道方式通道的基本概念 通道”是計算機系統中代替CPU管理控制外設的獨立部件，是一種能執行有限IO指令集合通道命令的IO處理機。在通道控制方式中，一個主機可以連接幾個通道。每個通道又可連接多臺IO設備，這些設備可具有不同速度，可以是不同種類。這種輸入輸出系統增強了主機與通道操作的并行能力以及各通道之間、同一通道的各設備之間的并行操作能力。同時也為用戶提供了增減外圍設備的靈活性。398.5 通道方式采用通道方式組織輸入輸出系統，多使用主機通道設備控

21、制器IO設備四級連接方式。在CPU啟動通道后，通道自動地去內存取出通道指令并執行指令。直到數據交換過程結束向CPU發出中斷請求，進行通道結束處理工作。40通道的功能執行通道指令，組織外圍設備和內存進行數據傳輸，按I/O指令要求啟動外圍設備，向CPU報告中斷等，具體有以下五項任務： (1)接受CPU的I/O指令，按指令要求與指定的外圍設備進行通信。 (2)從內存選取屬于該通道程序的通道指令，經譯碼后向設備控制器和設備發送各種命令。 (3)組織外圍設備和內存之間進行數據傳送，并根據需要提供數據緩存的空間，以及提供數據存入內存的地址和傳送的數據量。 (4)從外圍設備得到設備的狀態信息，形成并保存通道

22、本身的狀態信息，根據要求將這些狀態信息送到內存的指定單元，供CPU使用。(5)將外圍設備的中斷請求和通道本身的中斷請求，按次序及時報告CPU。 418.5通道方式通道工作過程 在一般用戶程序中，通過調用通道來完成一次數據輸入輸出的過程如圖1所示CPU執行用戶程序和管理程序，通道處理機執行通道程序的時間關系如圖所示。 428.5通道方式主要過程分為如下三步進行：1在用戶程序中使用訪管指令進入管理程序，由CPU通過管理程序組織一個通道程序，并啟動通道。 2通道處理機執行CPU為它組織的通道程序完成指定的數據輸入輸出工作 3通道程序結束后向CPU發中斷請求。CPU響應這個中斷請求后，第二次進入操作系

23、統，調用管理程序對輸入輸出中斷請求進行處理。438.5通道方式通道的種類 選擇通道 選擇通道每次只能從所連接的設備中選擇一臺IO設備的通道程序，此刻該通道程序獨占了整個通道。連接在選擇通道上的若干設備，只能依次使用通道與主存傳送數據數據傳送以成組（數據塊）方式進行，每次傳送一個數據塊，因此，傳送速率很高。選擇通道多適合于快速設備（磁盤），這些設備相鄰字之間的傳送空閑時間極短。448.5通道方式字節多路通道（Byte Multiplexor Channel） 是一種簡單的共享通道，在時間分割的基礎上，服務于多臺低速和中速面向字符的外圍設備。字節多路通道包括多個子通道，每個子通道服務于一個設備控制

24、器，可以獨立地執行通道指令。每個子通道都需要有字符緩沖寄存器、IO請求標志控制寄存器、主存地址寄存器和字節計數寄存器。而所有于通道的控制部分是公共的，由所有子通道所共享。通常，每個通道的有關指令和參量存放在主存固定單元中。當通道在邏輯上與某一設備連通時，將這些指令和參量取出來，送入公共控制部分的寄存器中使用。字節多路通道要求每種設備分時占用一個很短的時間片，不同的設備在各自分得的時間片內與通道建立傳輸連接，實現數據的傳送。458.5通道方式數組多路通道（Block Multiplexor Channel）數組多路通道把字節多路通道和選擇通道的特點結合起來。它有多個子通道，既可以執行多路通道程序

25、，象字節多路通道那樣，所有子通道分時共享總通道；又可以用選擇通道那樣的方式傳送數據。數組多路通道和字節多路通道的比較（見書）468.5通道方式發展輸入輸出處理機（IOP） 輸入輸出處理機（IOP）不是一臺獨立的計算機，而是計算機系統中的一個部件。IOP可以和CPU并行工作，提供高速的DMA處理能力，實現數據的高速傳送。此外，有些IOP還提供數據的變換、搜索和字裝配分拆能力。8位和16位微機中使用的Intel 8089 IO處理器就是這種通道型IO處理器478.5通道方式外圍處理機 外圍處理機結構更接近于一般處理機，或者就是選用已有的通用機。外圍機基本上是獨立于主處理機工作的，應用于大型高效率的

26、計算機系統中。488.6通用I/O接口標準本節僅作介紹（具體內容在后續課程詳細講解）并行I/O接口SCSI小型計算機系統接口的簡稱，它是一個高速智能接口，可以混接各種磁盤、光盤、磁 帶機、打印機、掃描儀、條碼閱讀器以及通信設備 498.6通用I/O接口標準串行接口標準IEEE1394IEEE 1394是一種高速串行I/O標準接口。各被連接裝置的關系是平等的，不用PC介入也能自成系統。這意味著1394在家電等消費類設備的連接應用方面有很好的前景。(1)數據傳送的高速性 (2)數據傳送的實時性 (3)體積小易安裝，連接方便508.6通用I/O接口標準51本 章 小 結各種外圍設備的數據傳輸速率相差很大。如何保證主機與外圍設備在時間上同步，則涉及外圍設備的定時問題。在計算機系統中，CPU對外圍設備的管理方式有：程序查詢方式；程序中斷方式；DMA方式；通道方式。