计算机组成原理复件 输入输出系统精选文档.ppt

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1、计算机组成原理复件 输入输出系统本讲稿第一页，共九十三页n为什么需要为什么需要I/OI/O接口（电路）？接口（电路）？q外部设备多种多样外部设备多种多样q工作原理、驱动方式、信息格式、以及工作速工作原理、驱动方式、信息格式、以及工作速度方面彼此差别很大度方面彼此差别很大q它们不能与它们不能与CPUCPU直接相连直接相连q必须经过中间电路再与系统相连必须经过中间电路再与系统相连q这部分电路被称为这部分电路被称为I/OI/O接口电路接口电路输入输出接口概述输入输出接口概述本讲稿第二页，共九十三页n什么是什么是I/OI/O接口（电路）？接口（电路）？qI/OI/O接口是位于系统与外设间、用来协助完成

2、接口是位于系统与外设间、用来协助完成数据传送和控制任务的逻辑电路数据传送和控制任务的逻辑电路qPCPC机系统板的可编程接口芯片、机系统板的可编程接口芯片、I/OI/O总线槽的总线槽的电路板（适配器）都是接口电路电路板（适配器）都是接口电路CPUCPU接口接口接口接口电路电路电路电路 I/OI/O设备设备设备设备本讲稿第三页，共九十三页接口主要功能接口主要功能接收接收CPUCPU送来的地址码，选择接口中的寄存器供送来的地址码，选择接口中的寄存器供CPUCPU访问。访问。1.1.寻址寻址2.2.数据缓冲数据缓冲实现主机与外设的速度匹配。缓冲深度与传送的数据量实现主机与外设的速度匹配。缓冲深度与传送

3、的数据量有关。有关。本讲稿第四页，共九十三页串串-并格式转换（串口）并格式转换（串口）3.3.预处理预处理传送控制命令与状态信息，实现传送控制命令与状态信息，实现I/OI/O传送控制方式。传送控制方式。数据通路寬度转换（并口）数据通路寬度转换（并口）电平转换电平转换4.4.控制功能控制功能本讲稿第五页，共九十三页主机与外部设备的连接方式大致可分为三类。主机与外部设备的连接方式大致可分为三类。本讲稿第六页，共九十三页本讲稿第七页，共九十三页1)1)辐射型辐射型(星型星型)连接连接 特点：各设备通路独立，具有较高的信息流量，且控制简特点：各设备通路独立，具有较高的信息流量，且控制简单。结构复杂，连

4、接线多，系统扩展不方便，灵活性差。单。结构复杂，连接线多，系统扩展不方便，灵活性差。2)2)总线型连接总线型连接 特点：成本低，结构简单，易于扩展。只有一组总特点：成本低，结构简单，易于扩展。只有一组总线时，信息交换速度较低，且总线控制逻辑较复杂。线时，信息交换速度较低，且总线控制逻辑较复杂。3)3)通道控制方式通道控制方式 特点：主机与通道间是辐射型连接，通道与外设之特点：主机与通道间是辐射型连接，通道与外设之间采用总线连接，既具有较高的信息交换速度，又有良间采用总线连接，既具有较高的信息交换速度，又有良好的可扩展性。但成本较高。好的可扩展性。但成本较高。本讲稿第八页，共九十三页I/OI/O

5、接口电路的基本结构接口电路的基本结构从编程角度看，接口内部主要包括从编程角度看，接口内部主要包括一个或多个一个或多个 CPUCPU可以进行读可以进行读/写操作的写操作的寄存器寄存器，又称为，又称为I/OI/O端口端口。各各I/OI/O端口由端口由端口地址区分端口地址区分。I/O端口端口1I/O端口端口2I/O端口端口3地址地址译码译码数据数据缓冲缓冲控制控制电路电路外外设设ABDBCBCPU本讲稿第九页，共九十三页接口电路的内部结构接口电路的内部结构nCPUCPU与外设主要有数据、状态和控制信息需要相互交与外设主要有数据、状态和控制信息需要相互交换，于是从应用角度看内部：换，于是从应用角度看内

6、部：数据寄存器数据寄存器q保存外设给保存外设给CPUCPU和和CPUCPU发往外设的数据发往外设的数据 状态寄存器状态寄存器q保存外设或接口电路的状态保存外设或接口电路的状态 控制寄存器控制寄存器q保存保存CPUCPU给外设或接口电路的命令给外设或接口电路的命令本讲稿第十页，共九十三页接口电路的外部特性接口电路的外部特性n面向面向CPUCPU一侧的信号：一侧的信号：q用于与用于与CPUCPU连接连接q主要是数据、地址和控制信号主要是数据、地址和控制信号n面向外设一侧的信号：面向外设一侧的信号：q用于与外设连接用于与外设连接q提供的信号五花八门提供的信号五花八门q功能定义、时序及有效电平等差异较

7、大功能定义、时序及有效电平等差异较大本讲稿第十一页，共九十三页接口芯片的分类接口芯片的分类n接口电路核心部分往往是一块或数块大规模集成电接口电路核心部分往往是一块或数块大规模集成电路芯片（接口芯片）：路芯片（接口芯片）：n通用接口芯片通用接口芯片q支持通用的数据输入输出和控制的接口芯片支持通用的数据输入输出和控制的接口芯片n面向外设的专用接口芯片面向外设的专用接口芯片q针对某种外设设计、与该种外设接口针对某种外设设计、与该种外设接口n 面向系统的专用接口芯片面向系统的专用接口芯片q与与CPUCPU和系统配套使用，以增强其总体功能和系统配套使用，以增强其总体功能本讲稿第十二页，共九十三页接口电路

8、的可编程性接口电路的可编程性n许多接口电路具有多种功能和工作方式，可以通过许多接口电路具有多种功能和工作方式，可以通过编程的方法选定其中一种编程的方法选定其中一种n接口需要进行物理连接，还需要编写接口软件接口需要进行物理连接，还需要编写接口软件n接口软件有两类：接口软件有两类：q初始化程序段初始化程序段设定芯片工作方式等设定芯片工作方式等q数据交换程序段数据交换程序段管理、控制、驱动外设，负管理、控制、驱动外设，负责外设和系统间信息交换责外设和系统间信息交换本讲稿第十三页，共九十三页1 1数据信息流数据信息流 数据输入信息流经传送线送入接口中的输入端口数据输入信息流经传送线送入接口中的输入端口

9、(输入输入寄存器寄存器)，然后通过数据总线送入主机；，然后通过数据总线送入主机；数据输出信息流经数据总线送入接口中的输出端口数据输出信息流经数据总线送入接口中的输出端口(输出寄存器输出寄存器)，然后通过传送线送入输出设备并以某，然后通过传送线送入输出设备并以某种形式输出。种形式输出。2 2控制信息流控制信息流 由主机通过数据总线送入接口中的控制端口由主机通过数据总线送入接口中的控制端口(控制控制寄存器寄存器)。输入输入/输出接口的信息流输出接口的信息流本讲稿第十四页，共九十三页3 3状态信息流状态信息流 由状态口通过数据总线送入主机。由状态口通过数据总线送入主机。4 4联络信息流联络信息流 在

10、主机与接口之间，通过控制总线可做单向或双向流在主机与接口之间，通过控制总线可做单向或双向流动。动。5 5外设识别信息流外设识别信息流 通常由主机通过地址总线送入接口中的识别线路。通常由主机通过地址总线送入接口中的识别线路。本讲稿第十五页，共九十三页(a)(a)统一编址统一编址 这种编址的出发点是把接口中的每一个端口视为一个这种编址的出发点是把接口中的每一个端口视为一个存储器单元，并赋以相应的存储器地址。访存指令同样适存储器单元，并赋以相应的存储器地址。访存指令同样适合于合于I/OI/O端口。端口。优缺点优缺点:无需专门的无需专门的I/OI/O指令，简化了指令系统；但指令，简化了指令系统；但要占

11、用原本就有限的一部分存储空间。要占用原本就有限的一部分存储空间。外设的编址方式外设的编址方式本讲稿第十七页，共九十三页(b)(b)单独编址方式单独编址方式 这种编址的出发点是把所有外设的端口看作是一这种编址的出发点是把所有外设的端口看作是一个独立于存储器空间的个独立于存储器空间的I/OI/O空间。在这个空间。在这个I/OI/O空间内，空间内，每一端口都被分配给一个地址与之对应。每一端口都被分配给一个地址与之对应。优缺点：指令系统中必须设有专门的输入优缺点：指令系统中必须设有专门的输入/输出指令；输出指令；但不占用存储空间。但不占用存储空间。本讲稿第十八页，共九十三页端口地址译码的方法有多种，可

12、以灵活的进行设计。端口地址译码的方法有多种，可以灵活的进行设计。(1)(1)用门电路进行口地址译码用门电路进行口地址译码 (2)(2)用译码器进行口地址译码用译码器进行口地址译码 (3)(3)用比较器进行口地址译码用比较器进行口地址译码外设的识别外设的识别本讲稿第十九页，共九十三页I/OI/O地址的译码地址的译码nI/OI/O地址的译码方法与存储器地址的译码方法一样，但有地址的译码方法与存储器地址的译码方法一样，但有它的特点：它的特点：q每个接口电路通常占用少数几个每个接口电路通常占用少数几个I/OI/O地址。地址。qI/OI/O地址不象内存地址，不那么强调地址的连续性。地址不象内存地址，不那

13、么强调地址的连续性。q部分译码时，可能中间地址线不连接，也有最低地址部分译码时，可能中间地址线不连接，也有最低地址线不连接的情况。线不连接的情况。q常采用门电路进行地址译码或线选译码常采用门电路进行地址译码或线选译码本讲稿第二十页，共九十三页q除采用译码器、门电路进行译码外，除采用译码器、门电路进行译码外，I/OI/O地址译码地址译码还经常采用可编程逻辑器件还经常采用可编程逻辑器件PLDPLD。q为了给系统一定的选择余地，有些接口电路采用数字为了给系统一定的选择余地，有些接口电路采用数字比较器、开关或跳线器等进行可选择的地址译码比较器、开关或跳线器等进行可选择的地址译码本讲稿第二十一页，共九十

14、三页IBM PC/ATIBM PC/AT主机板的主机板的I/OI/O译码电路译码电路接口芯片内部译码接口芯片内部译码A0A4DMA控制器控制器1中断控制器中断控制器1定时计数器定时计数器并行接口电路并行接口电路DMA页面寄存器页面寄存器中断控制器中断控制器2DMA控制器控制器2协处理器协处理器A5A6A7A8A9ALS138译码器译码器HLDAMASTERABCE1-E2-E3Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7本讲稿第二十二页，共九十三页 主机与外设的信息交换方式，经历了由低级到高级，主机与外设的信息交换方式，经历了由低级到高级，由简单到复杂，由集中控制到分散控制的发展过程，按其由简单到复杂，由

15、集中控制到分散控制的发展过程，按其发展的先后和主机与外设并行工作的程度，通常有以下四发展的先后和主机与外设并行工作的程度，通常有以下四种方式：种方式：1.1.程序查询方式程序查询方式2.2.程序中断方式程序中断方式3.DMA3.DMA方式方式4.4.通道方式通道方式主机与外设的信息交换方式主机与外设的信息交换方式本讲稿第二十三页，共九十三页接口分类接口分类1.1.按数据传送格式划分按数据传送格式划分（1 1）并行接口）并行接口 接口接口外外设设系系统统总总线线接口与系统总线、接口与外设均按并行方式传送数据。接口与系统总线、接口与外设均按并行方式传送数据。并并并并数据各位同时传送。数据各位同时传

16、送。（2 2）串行接口）串行接口适用于设备本身并行工作，距主机较近的场合。适用于设备本身并行工作，距主机较近的场合。并并串串接口与系统总线并行传送，接口与外设串行传送。接口与系统总线并行传送，接口与外设串行传送。数据逐位分时传送。数据逐位分时传送。适用于设备本身串行工作，或距主机较远，或需减少传适用于设备本身串行工作，或距主机较远，或需减少传送线的情况。送线的情况。本讲稿第二十四页，共九十三页2.2.按时序控制方式划分按时序控制方式划分（1 1）同步接口）同步接口接口与系统总线的信息传送由统一时序信号控制。接口与系统总线的信息传送由统一时序信号控制。（2 2）异步接口）异步接口接口与系统总线的

17、信息传送采用异步应答方式。接口与系统总线的信息传送采用异步应答方式。本讲稿第二十五页，共九十三页3.3.按按I/OI/O传送控制方式划分传送控制方式划分（1 1）程序查询方式）程序查询方式 特点：控制简单，硬件开销小；特点：控制简单，硬件开销小；CPUCPU与外设是串行与外设是串行工作的，系统效率低。工作的，系统效率低。适用场合：适用场合：CPUCPU不太忙且传送速度要求不太高的情不太忙且传送速度要求不太高的情况。况。本讲稿第二十六页，共九十三页（2 2）程序中断方式）程序中断方式 特点：特点：CPUCPU和外设可并行工作，提高了和外设可并行工作，提高了CPUCPU的效率，的效率，不仅适用于主

18、机和外设的数据处理，特别适用于对外界随不仅适用于主机和外设的数据处理，特别适用于对外界随机事件的处理，不适合于批量数据的高速传送。机事件的处理，不适合于批量数据的高速传送。适用场合：适用与适用场合：适用与CPUCPU较忙，传送速度不太高的系较忙，传送速度不太高的系统中，尤其适合实时控制及紧急事件的处理。统中，尤其适合实时控制及紧急事件的处理。本讲稿第二十七页，共九十三页（3 3）DMADMA方式方式 完全由硬件完成信息交换，信息传递从以完全由硬件完成信息交换，信息传递从以CPUCPU为中心，为中心，转为以内存为中心，转为以内存为中心，DMADMA控制器来实现内存和外设之间控制器来实现内存和外设

19、之间的信息交换，保证了的信息交换，保证了CPUCPU的高效率，对高速大批量数据传的高效率，对高速大批量数据传送特别有用。送特别有用。缺点：只能进行简单数据交换，电路结构复杂，硬缺点：只能进行简单数据交换，电路结构复杂，硬件开销大。件开销大。本讲稿第二十八页，共九十三页（4 4）通道方式）通道方式 主机、外设和通道间具有很强的并行工作能力，主机、外设和通道间具有很强的并行工作能力，大大减轻了大大减轻了CPUCPU的负担，显著提高了系统的运行效率。的负担，显著提高了系统的运行效率。也是一种直接存取传输控制，但比一般的也是一种直接存取传输控制，但比一般的DMADMA控制器要强得多。控制器要强得多。本

20、讲稿第二十九页，共九十三页总线总线1.1.定义：定义：一组能为多个部件分时共享的信息传送线路。一组能为多个部件分时共享的信息传送线路。2.2.特点：特点：分时、共享。分时、共享。通常作法：发送部件通过通常作法：发送部件通过OCOC组件或三态门分时发送信息，组件或三态门分时发送信息，由打入脉冲将信息送入指定接收部件。由打入脉冲将信息送入指定接收部件。3.3.实体：实体：一组传送线与相应控制逻辑一组传送线与相应控制逻辑CPUCPU内设置控制逻辑内设置控制逻辑设置总线控制器设置总线控制器本讲稿第三十页，共九十三页总线分类总线分类1.1.按功能划分按功能划分（1 1）CPUCPU内总线内总线 CPUC

21、PU芯片内寄存器与算逻部件之间互连的总线。（芯片内寄存器与算逻部件之间互连的总线。（ALUALU总线）总线）单组数据线单组数据线(单向、双向单向、双向)或多组数据线，或多种总线。或多组数据线，或多种总线。（2 2）部件内总线）部件内总线插件板内各芯片之间互连的总线。插件板内各芯片之间互连的总线。（局部总线、片级总线）（局部总线、片级总线）分为地址、数据、控制线。分为地址、数据、控制线。本讲稿第三十一页，共九十三页（3 3）系统总线）系统总线 计算机系统内各功能部件之间，或各插件板之间互连计算机系统内各功能部件之间，或各插件板之间互连的总线。的总线。（板级总线）（板级总线）分为地址、数据、控制线

22、。分为地址、数据、控制线。（4 4）外总线）外总线 计算机系统之间，或计算机系统与其他系统之间计算机系统之间，或计算机系统与其他系统之间互连的总线。互连的总线。（通信总线）（通信总线）分为数据线分为数据线(与地址复用与地址复用)、控制线。、控制线。本讲稿第三十二页，共九十三页2.2.按时序控制方式划分按时序控制方式划分（1 1）同步总线）同步总线由统一时序控制总线传送操作。由统一时序控制总线传送操作。时钟周期、同步脉冲时钟周期、同步脉冲在固定时钟周期内完成数据传送，由同步脉冲定时在固定时钟周期内完成数据传送，由同步脉冲定时打入。打入。例例.打入地址打入地址打入数据打入数据时钟时钟T1T3T2T

23、4地址地址读出数据读出数据本讲稿第三十三页，共九十三页 总线请求总线请求（2 2）异步总线）异步总线无固定时钟周期划分，总线周期时间由传送实际需要决定；无固定时钟周期划分，总线周期时间由传送实际需要决定；以异步应答方式控制总线传送操作。以异步应答方式控制总线传送操作。例例.(设备设备 CPU)CPU)总线批准总线批准 (CPU (CPU 设备设备)主同步主同步 (主主 从从)从同步从同步 (从从 主主)总线周期总线周期 总线传送总线传送（时间可变）（时间可变）（时间可变）（时间可变）总线权切换总线权切换本讲稿第三十四页，共九十三页（3 3）扩展同步总线）扩展同步总线以时钟周期为时序基础，允许总

24、线周期中的时钟数可变。以时钟周期为时序基础，允许总线周期中的时钟数可变。注意几个注意几个“周期周期”概念：概念：时钟周期：时钟周期：CPUCPU一步操作一步操作(一次内部数据通路传送一次内部数据通路传送)时间。时间。总线周期：总线周期：经过总线的一次数据传送经过总线的一次数据传送(访存访存)时间。时间。通常包含若干时钟周期。通常包含若干时钟周期。工作周期：工作周期：指令周期中的一个操作阶段。指令周期中的一个操作阶段。可包含多个总线周期。可包含多个总线周期。（模型机的一个总线周期只包含一个时钟周期。）（模型机的一个总线周期只包含一个时钟周期。）本讲稿第三十五页，共九十三页3.3.按数据传送格式划

25、分按数据传送格式划分（1 1）并行总线：）并行总线：同时传送各位信息。同时传送各位信息。（2 2）串行总线：）串行总线：分时逐位传送各位信息。分时逐位传送各位信息。CPUCPU内总线：同步、并行内总线：同步、并行系统总线：同步、异步、扩展同步、并行系统总线：同步、异步、扩展同步、并行外总线：异步、并行、串行外总线：异步、并行、串行本讲稿第三十六页，共九十三页对总线信号组成、信号引脚含义、信号电平等作统对总线信号组成、信号引脚含义、信号电平等作统一规定。一规定。便于灵活组成系统。便于灵活组成系统。电源、地址、数据、电源、地址、数据、控制控制时序：时钟、定时、应答时序：时钟、定时、应答总线标准总线

26、标准为何制定总线标准为何制定总线标准系统总线信号组成系统总线信号组成数传控制：数传控制：M M读读/写、写、IOIO读读/写写中断请求、响应中断请求、响应总线请求、响应总线请求、响应复位复位本讲稿第三十七页，共九十三页程序查询传送方式程序查询传送方式本讲稿第三十八页，共九十三页“就绪（就绪（ReadyReady）”的含义的含义n在输入场合：在输入场合：q“就绪就绪”说明输入接口已准备好送往说明输入接口已准备好送往CPUCPU的数据，的数据，正等着正等着CPUCPU来读取来读取q该状态也可用接口中数据缓冲器已该状态也可用接口中数据缓冲器已“满满”来描述来描述n在输出场合：在输出场合：q“就绪就绪

27、”说明输出接口已做好准备，等待接收说明输出接口已做好准备，等待接收CPUCPU要输要输出的数据出的数据q该状态也可用接口数据缓冲器已该状态也可用接口数据缓冲器已“空空”、或者用接口、或者用接口（外设）（外设）“闲闲”或或“不忙不忙”来描述来描述本讲稿第三十九页，共九十三页程序查询传送方式程序查询传送方式nCPUCPU先了解（查询）外设的工作状态，在外设就绪（可先了解（查询）外设的工作状态，在外设就绪（可以交换信息的情况下）实现数据的输入或输出以交换信息的情况下）实现数据的输入或输出n对多个外设的情况，则对多个外设的情况，则CPUCPU按一定顺序依次查询（轮按一定顺序依次查询（轮询）。先查询的外

28、设将优先进行数据交换询）。先查询的外设将优先进行数据交换n查询传送的特点是：工作可靠，适用面宽，但传查询传送的特点是：工作可靠，适用面宽，但传送效率低送效率低本讲稿第四十页，共九十三页n（1 1）预置参数：设定数据传送长度；设置数据缓冲区）预置参数：设定数据传送长度；设置数据缓冲区首地址；首地址；n（2 2）向外设发出命令，启动外设开始工作，并请求进）向外设发出命令，启动外设开始工作，并请求进行数据交换；行数据交换；n（3 3）从外设读取反映外设当前工作进程的状态字；）从外设读取反映外设当前工作进程的状态字；n（4 4）检查状态字中的标志，看外设能否进行数据交换；）检查状态字中的标志，看外设能

29、否进行数据交换；n（5 5）如果外设没有准备就绪，则重复上述（）如果外设没有准备就绪，则重复上述（3 3）和（）和（4 4），一直到这个外设准备就绪，发出准备就绪信号为止；），一直到这个外设准备就绪，发出准备就绪信号为止；n（6 6）CPUCPU从外设输入数据，或将数据输出给外设，完从外设输入数据，或将数据输出给外设，完成数据交换；同时，成数据交换；同时，CPUCPU将状态字中的外设就绪状态信号将状态字中的外设就绪状态信号标志清除。标志清除。程序查询工作过程程序查询工作过程本讲稿第四十一页，共九十三页n 1 1、外设状态寄存器外设状态寄存器n 2 2、数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器n 3 3、地

30、址译码器地址译码器n 4 4、控制逻辑控制逻辑查询接口电路查询接口电路本讲稿第四十二页，共九十三页程序中断方式程序中断方式本讲稿第四十三页，共九十三页n 当计算机执行正常程序时，系统中出现某些异常情当计算机执行正常程序时，系统中出现某些异常情况或特殊请求，这些情况和请求可能来自计算机内部，况或特殊请求，这些情况和请求可能来自计算机内部，也可能来自计算机外部；一旦有上述事件发生，计算也可能来自计算机外部；一旦有上述事件发生，计算机执行正常程序的状态被中断，就是说，机执行正常程序的状态被中断，就是说，CPUCPU要暂停它要暂停它正在执行的程序，而转去处理所发生的事件（通常就是正在执行的程序，而转去

31、处理所发生的事件（通常就是执行一段特殊程序，被称为中断服务程序）；执行一段特殊程序，被称为中断服务程序）；CPUCPU处理完处理完毕后，自动返回到原来被中断了的程序继续运行。毕后，自动返回到原来被中断了的程序继续运行。概念概念本讲稿第四十四页，共九十三页n（1 1）类似：）类似：正常程序：正常程序：主程序主程序 中断服务程序：中断服务程序：子程序子程序n（2 2）区别：）区别：（A A）子程序的执行是程序员事先安排好的；）子程序的执行是程序员事先安排好的；中断服务程序的执行则是由随机的中断事件引起中断服务程序的执行则是由随机的中断事件引起的，比如电源掉电、请求的，比如电源掉电、请求I/OI/O

32、数据传送、现场报警等。数据传送、现场报警等。与子程序调用的比较与子程序调用的比较本讲稿第四十五页，共九十三页（B B）子程序的执行往往与主程序有关；）子程序的执行往往与主程序有关；中断服务程序可能与被中断的程序毫无关系。中断服务程序可能与被中断的程序毫无关系。（C C）有可能出现多个中断事件同时请求的情况，此时，）有可能出现多个中断事件同时请求的情况，此时，主机就需要进行判优，进而决定为哪一个请求服务。主机就需要进行判优，进而决定为哪一个请求服务。子程序不存在此种情况。子程序不存在此种情况。与子程序调用的比较与子程序调用的比较本讲稿第四十六页，共九十三页1 1、主机与外部设备并行工作、主机与外

33、部设备并行工作2 2、实现实时处理、实现实时处理3 3、硬件故障处理、硬件故障处理4 4、实现多道程序和分时操作、实现多道程序和分时操作中断的作用中断的作用本讲稿第四十七页，共九十三页查询：查询：查询：查询：程序程序并行操作并行操作主机主机主机主机外设外设空闲空闲启动启动等待等待工作工作工作工作程序程序交换数据交换数据中断：中断：中断：中断：主机主机主机主机程序程序外设外设空闲空闲空闲空闲启动启动工作工作工作工作程序程序程序程序请求请求中断程序中断程序中断程序中断程序交换数据交换数据程序程序程序程序本讲稿第四十八页，共九十三页（1 1）概念：能够引起概念：能够引起CPUCPU中断的原因就是中断

34、源。中中断的原因就是中断源。中断源是指形成这个原因的设备、部件或条件。断源是指形成这个原因的设备、部件或条件。（2 2）种类：种类：输入输出设备。系统中的外部设备都可以设计成为以输入输出设备。系统中的外部设备都可以设计成为以中断方式与主机进行数据的交换，从而作为系统的中中断方式与主机进行数据的交换，从而作为系统的中断源。断源。故障与错误。系统运行中会出现诸如电源掉电、运算故障与错误。系统运行中会出现诸如电源掉电、运算出错、非法指令等问题，它们也常采用中断方式请求出错、非法指令等问题，它们也常采用中断方式请求CPUCPU立即处理。立即处理。中断源中断源本讲稿第四十九页，共九十三页 实时时钟。系统

35、中的时钟定时电路是必不可少的，若实时时钟。系统中的时钟定时电路是必不可少的，若定时时间到，时钟电路就可以通过中断告知主机。定时时间到，时钟电路就可以通过中断告知主机。程序调试和软件中断。程序调试中常常采用设置中断程序调试和软件中断。程序调试中常常采用设置中断断点的方法来观察程序运行是否正确；有些机器的指断点的方法来观察程序运行是否正确；有些机器的指令系统设计有软件中断指令，利用中断机制实现操作令系统设计有软件中断指令，利用中断机制实现操作系统的功能调用以及调试程序。需要说明一点，这类系统的功能调用以及调试程序。需要说明一点，这类中断是由程序员事先安排好的，和调用子程序的作用中断是由程序员事先安

36、排好的，和调用子程序的作用一样，与上述由外部硬件产生的中断有些不同。一样，与上述由外部硬件产生的中断有些不同。中断源中断源本讲稿第五十页，共九十三页（1 1）按中断源是在主机之内还是外分：）按中断源是在主机之内还是外分：（A A）内部中断）内部中断 内部中断是指中断源来自主机内部，如运算内部中断是指中断源来自主机内部，如运算出错、程序调试和软件中断等；出错、程序调试和软件中断等；（B B）外部中断）外部中断 外部中断来自主机之外，如外部设备、实时外部中断来自主机之外，如外部设备、实时时钟和硬件故障产生的中断等。时钟和硬件故障产生的中断等。中断的分类中断的分类本讲稿第五十一页，共九十三页（2 2

37、）按中断对）按中断对CPUCPU的打扰情况分：的打扰情况分：（A A）程序中断）程序中断 CPUCPU要用专门的中断服务程序为中断源服务，并且要用专门的中断服务程序为中断源服务，并且在服务前要进行断点和现场的保护，在服务后要进行现在服务前要进行断点和现场的保护，在服务后要进行现场和断点恢复的中断。这种中断就是一般所说的中断，场和断点恢复的中断。这种中断就是一般所说的中断，是大多数中低速外设以及内中断常用的中断方式。是大多数中低速外设以及内中断常用的中断方式。中断的分类中断的分类本讲稿第五十二页，共九十三页（B B）简单中断）简单中断 当这种中断发生时，相应的请求源只是请求当这种中断发生时，相应

38、的请求源只是请求CPUCPU的正常程序暂停一下，通常称为总线请求或的正常程序暂停一下，通常称为总线请求或DMADMA请求。请求。暂停的目的是把主存和接口的数据通路让给请求源使用暂停的目的是把主存和接口的数据通路让给请求源使用（即总线使用权），使得能在主存和请求源之间直接进（即总线使用权），使得能在主存和请求源之间直接进行一次数据传送，当这次传送结束后，请求源立即把这行一次数据传送，当这次传送结束后，请求源立即把这个使用权归还给个使用权归还给CPUCPU。接着运行刚才暂停的程序，这个。接着运行刚才暂停的程序，这个暂停时间通常一次一个存取周期。暂停时间通常一次一个存取周期。中断的分类中断的分类本讲

39、稿第五十三页，共九十三页 （3 3）按寻找中断服务程序入口的实现方法区分：）按寻找中断服务程序入口的实现方法区分：（A A）向量中断（矢量中断）：中断服务程序入口由）向量中断（矢量中断）：中断服务程序入口由中断源自己提供。中断源自己提供。（B B）非向量中断：入口由）非向量中断：入口由CPUCPU查询得到。查询得到。中断的分类中断的分类本讲稿第五十四页，共九十三页n中断的工作过程分为六个阶段：中断的工作过程分为六个阶段：n1 1、中断请求、中断请求n2 2、中断判优、中断判优n3 3、中断响应、中断响应n4 4、中断识别、中断识别n5 5、中断服务、中断服务n6 6、中断返回、中断返回中断工作

40、过程中断工作过程本讲稿第五十五页，共九十三页（1 1）中断请求是中断源向）中断请求是中断源向CPUCPU发出中断请求信号，要求发出中断请求信号，要求CPUCPU为它服务的过程。为它服务的过程。（2 2）何时？基本条件两个：）何时？基本条件两个：（A A）外设本身工作已经完成）外设本身工作已经完成 （B B）外设被允许中断）外设被允许中断1 1、中断请求、中断请求本讲稿第五十六页，共九十三页（3 3）硬件支持：）硬件支持：中断请求电路，基本组成是两个触发器：中断请求电路，基本组成是两个触发器：（A A）一个反映外设工作是否完成，其形成与程序查询的）一个反映外设工作是否完成，其形成与程序查询的准备

41、就绪状态标志一样；准备就绪状态标志一样；（B B）另一个反映外设是否允许采用中断方式，即中断）另一个反映外设是否允许采用中断方式，即中断屏蔽功能。只有当外设工作完成而且被允许中断时，相屏蔽功能。只有当外设工作完成而且被允许中断时，相应中断源才可以通过这个请求电路形成中断请求信号。应中断源才可以通过这个请求电路形成中断请求信号。本讲稿第五十七页，共九十三页（1 1）中断优先级有两个方面的含义：）中断优先级有两个方面的含义：（A A）一是中断请求与一是中断请求与CPUCPU现行程序优先级的问题；现行程序优先级的问题；（B B）另一含义是各中断源之间，谁更迫切的问题。另一含义是各中断源之间，谁更迫切

42、的问题。2 2、中断判优、中断判优本讲稿第五十八页，共九十三页（2 2）方法：）方法：（A A）软件）软件 （B B）硬件：为了得到较高的效率，一般采用硬件判优）硬件：为了得到较高的效率，一般采用硬件判优方法。判优逻辑随着判优方案的不同可有不同的结构，方法。判优逻辑随着判优方案的不同可有不同的结构，其组成部分既可能在设备接口之中，也可能在其组成部分既可能在设备接口之中，也可能在CPUCPU内部，内部，也可能这两部分都有。其作用是决定也可能这两部分都有。其作用是决定CPUCPU的响应并且找出的响应并且找出最高优先请求者，如果确定接收这个请求的话，就由最高优先请求者，如果确定接收这个请求的话，就由

43、CPUCPU发出中断响应信号发出中断响应信号INTAINTA （C C）软硬件结合。软硬件结合。本讲稿第五十九页，共九十三页（1 1）CPUCPU响应最高优先级的中断请求，并且在适当时会向响应最高优先级的中断请求，并且在适当时会向中断源提供一个应答的响应信号，表明主机承认了它的中断源提供一个应答的响应信号，表明主机承认了它的请求，这就是中断响应。在采用硬件向量中断的方式中，请求，这就是中断响应。在采用硬件向量中断的方式中，通常，通常，CPUCPU还要利用它告知中断接口电路向还要利用它告知中断接口电路向CPUCPU提供一个提供一个中断向量。中断向量。3 3、中断响应、中断响应本讲稿第六十页，共九

44、十三页（2 2）响应条件：）响应条件：（A A）一条指令执行结束时刻一条指令执行结束时刻 （B B）中断允许：中断允许：(a)(a)可屏蔽中断（可屏蔽中断（Maskable InterruptMaskable Interrupt）：计算机中）：计算机中断系统对一般外设的中断请求就采用受中断标志位控断系统对一般外设的中断请求就采用受中断标志位控制的方法；制的方法；(b)(b)非屏蔽中断（非屏蔽中断（Non-Maskable InterruptNon-Maskable Interrupt）：而）：而对必须立刻响应的中断请求，如电源掉电、机器故障等，对必须立刻响应的中断请求，如电源掉电、机器故障等，

45、则采用不受中断标志位控制。则采用不受中断标志位控制。本讲稿第六十一页，共九十三页（3 3）中断屏蔽与中断允许中断屏蔽与中断允许 概念：对中断的允许或禁止的控制。概念：对中断的允许或禁止的控制。软硬结合和内外结合的方法。不同的计算机可能在软硬结合和内外结合的方法。不同的计算机可能在具体措施上有差异，但基本的思想是相同的。具体措施上有差异，但基本的思想是相同的。（A)A)中断屏蔽中断屏蔽:外部中断请求电路设置中断屏蔽触发外部中断请求电路设置中断屏蔽触发器控制某一个中断源能否产生中断请求信号。器控制某一个中断源能否产生中断请求信号。一般计算机中都有实现中断屏蔽的指令和相应的硬件一般计算机中都有实现中

46、断屏蔽的指令和相应的硬件电路。电路。本讲稿第六十二页，共九十三页 在外部中断源的接口，一般都设立中断屏蔽触发器，在外部中断源的接口，一般都设立中断屏蔽触发器，通常这个触发器的状态可由通常这个触发器的状态可由CPUCPU用指令改变。例如当这用指令改变。例如当这个触发器为个触发器为“1”1”时，表示不允许该中断源发出中断时，表示不允许该中断源发出中断请求，否则为允许。请求，否则为允许。IBMPCIBMPC，82598259可编程中断控制器，有中断屏蔽寄存器，可编程中断控制器，有中断屏蔽寄存器，82598259可接收来自外设的可接收来自外设的8 8个各自独立的中断请求，信号分个各自独立的中断请求，信

47、号分别为别为IRQ0IRQ7IRQ0IRQ7，IRQ0IRQ0优先级最高，中断源优先级最高，中断源0707对应对应于中断类型号于中断类型号08H0FH08H0FH，（其中，（其中IRQ3IRQ3和和IRQ5IRQ5未用）。未用）。本讲稿第六十三页，共九十三页8259A的内部结构D7D0-INTAINT中中断断请请求求寄寄存存器器中断屏蔽寄存器中断屏蔽寄存器数据数据总线总线缓冲器缓冲器IR0IR7读读/写写控制控制逻辑逻辑级联级联缓冲器缓冲器比较器比较器-RD-WRA0-CSCAS0CSA1CAS2-SP/-EN优优先先权权判判别别电电路路中中断断服服务务寄寄存存器器控制逻辑控制逻辑本讲稿第六十

48、四页，共九十三页 (B)(B)中断允许：中断允许：CPUCPU内部设置中断标志位用于控制全内部设置中断标志位用于控制全部可屏蔽中断的响应。部可屏蔽中断的响应。在大多数计算机在大多数计算机CPUCPU内，都设置一个中断触发器，由内，都设置一个中断触发器，由这个触发器的状态来决定这个触发器的状态来决定CPUCPU对中断请求是否响应。对中断请求是否响应。能使中断触发器置能使中断触发器置“1”1”的指令，一般称为开中断的指令，一般称为开中断指令，表示系统允许中断；能使中断触发器置指令，表示系统允许中断；能使中断触发器置“0”0”的指的指令，一般称为关中断指令，表示系统禁止中断。令，一般称为关中断指令，

49、表示系统禁止中断。用户在适当时可以用这些指令来对中断的能与否进行用户在适当时可以用这些指令来对中断的能与否进行选择和控制。选择和控制。本讲稿第六十五页，共九十三页例如例如8088/8086 CPU8088/8086 CPU中，其程序状态字中，其程序状态字PSWPSW寄存器中就寄存器中就有有IFIF位（第位（第1010位），开中断指令位），开中断指令STISTI可以使可以使IFIF位置为位置为“1”1”，达到允许中断的目的，关中断指令，达到允许中断的目的，关中断指令CLICLI可以使可以使IFIF位清位清“0”0”，达到禁止中断的目的。，达到禁止中断的目的。本讲稿第六十六页，共九十三页（1 1）

50、中断源的识别）中断源的识别 （A A）识别的主体：）识别的主体：WHOWHO：CPUCPU识别识别 （B B）与中断优先级的判定密切相关：中断优先级的判定）与中断优先级的判定密切相关：中断优先级的判定是解决这一问题的前提和基础。是解决这一问题的前提和基础。（C C）目的：使）目的：使CPUCPU转入相应的服务程序。转入相应的服务程序。4 4、中断识别、中断识别本讲稿第六十七页，共九十三页（2 2）方法：）方法：（A A）软件查询法：采用与程序查询传送方式一样的方法，用软件）软件查询法：采用与程序查询传送方式一样的方法，用软件查询程序段检测中断请求的标志，同时还可以实现中断判优。查询程序段检测中