计算机组成原理输入输出系统.ppt

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1、计算机组成原理计算机组成原理武汉科技大学武汉科技大学计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院第八章第八章 输入输出系统输入输出系统n本章内容本章内容8.1 外围设备的速度分级与信息交换方式外围设备的速度分级与信息交换方式8.2 程序查询方式程序查询方式8.3 程序中断方式程序中断方式8.4 DMA方式方式 8.5 通道方式通道方式8.6 通用通用I/O标准接口标准接口8.1 外围设备的速度分级与信息交换方式外围设备的速度分级与信息交换方式8.1.1 8.1.1 外围设备的外围设备的速度分级速度分级1.1.将将高速工作的处理机高速工作的处理机同同不同速度工作的外围设备不同速度工作的外围设备相连接

2、需解相连接需解决的问题决的问题处理机与外围设备在处理机与外围设备在时间上的同步时间上的同步(定时问题定时问题)2.2.输入输入/输出设备同输出设备同CPUCPU交换数据的过程交换数据的过程输入过程：输入过程：(1)CPU(1)CPU把一个地址值放在地址总线上，选择某一输入设备把一个地址值放在地址总线上，选择某一输入设备(2)CPU(2)CPU等候输入设备的等候输入设备的数据成为有效数据成为有效(3)CPU(3)CPU从数据总线读入数据，并存入一个相应的寄存器从数据总线读入数据，并存入一个相应的寄存器输出过程：输出过程：(1)CPU(1)CPU把一个地址值放在地址总线上，选择一个输出设备把一个地

3、址值放在地址总线上，选择一个输出设备(2)CPU(2)CPU把数据放到数据总线上把数据放到数据总线上(3)(3)输出设备认为输出设备认为数据有效数据有效，从而把数据取走，从而把数据取走数据何时有数据何时有效是关键效是关键数据何时有数据何时有效是关键效是关键目录目录3.CPU3.CPU与外围设备之间的定时方式与外围设备之间的定时方式(1)(1)速度极慢或简单的外围设备速度极慢或简单的外围设备无条件输入输出无条件输入输出(2)(2)慢速或中速的外围设备慢速或中速的外围设备异步定时、查询输入输出、中断异步定时、查询输入输出、中断CPU接收一批数据字的流程图接收一批数据字的流程图在在CPU和外设间用问

4、答信号进行定时，故称为和外设间用问答信号进行定时，故称为应答式应答式数据交换数据交换(3)(3)高速的外围设备高速的外围设备同步定时、同步定时、DMADMA输入输出输入输出外设以相等的时间间隔进行操作，外设以相等的时间间隔进行操作，CPUCPU也以等间隔的速率执行也以等间隔的速率执行输入输入/输出指令输出指令 ，故称为，故称为同步定时方式同步定时方式；一旦；一旦CPUCPU和外设发生同和外设发生同步，它们之间的数据交换便靠步，它们之间的数据交换便靠时钟脉冲来控制时钟脉冲来控制直接内存访问直接内存访问(DMA)(DMA)方式是更快的同步传送方式是更快的同步传送4.I/O对系统性能的影响对系统性能

5、的影响【例例1】假设有一个运行时间为假设有一个运行时间为100秒的基准程序，其中秒的基准程序，其中90秒是秒是CPU时间，剩下的是时间，剩下的是I/O占用的时间。如果在以后的占用的时间。如果在以后的5年里，年里，CPU的速度每年提高的速度每年提高50%但但I/O时间保持不变，那么时间保持不变，那么5年后运行年后运行程序要耗费多少时间？程序要耗费多少时间？I/O时间所占的比例是多少时间所占的比例是多少?解：解：耗费的时间耗费的时间=CPU时间时间+I/O时间时间目前，目前，I/O时间时间=100-90=10秒秒今后五年内今后五年内CPU时间、时间、I/O时间及其所占比例如下表：时间及其所占比例如

6、下表：第第n年后年后CPU时间时间I/O时间时间 耗费总时间耗费总时间I/O时间所占比例时间所占比例09010秒100秒10%190/1.5=60秒10秒70秒14%260/1.5=40秒10秒50秒20%340/1.5=27秒10秒37秒27%427/1.5=18秒10秒28秒36%518/1.5=12秒10秒22秒45%例子例子 假设幼儿园一个阿姨带假设幼儿园一个阿姨带1010个孩子，要给每个孩子分个孩子，要给每个孩子分2 2块水块水果糖。假设孩子们把果糖。假设孩子们把2 2块糖都吃完，那么她采用什么方法呢块糖都吃完，那么她采用什么方法呢?方法方法1 1：她先给孩子甲一块糖，盯着甲吃完，然

7、后再给第二块；她先给孩子甲一块糖，盯着甲吃完，然后再给第二块；然后给孩子乙，其过程与孩子甲完全一样。依次类推，直至到然后给孩子乙，其过程与孩子甲完全一样。依次类推，直至到 第第1010个孩子发完个孩子发完2 2块糖块糖方法方法2 2：每人发一块糖各自去吃，并约定谁吃完后就每人发一块糖各自去吃，并约定谁吃完后就 向她举手向她举手报告，再发第二块报告，再发第二块方法方法3 3：进行批处理：每人拿进行批处理：每人拿2 2块糖各自去吃，吃完块糖各自去吃，吃完2 2块糖后再块糖后再向她报告向她报告方法方法4 4：权力下放，把发糖的事交给另一个人分管，只是必要权力下放，把发糖的事交给另一个人分管，只是必要

8、时她才过问一下时她才过问一下8.1.2信息交换方式信息交换方式类似地，类似地，CPUCPU管理外围设备的方式分为管理外围设备的方式分为4 4种种1.1.程序查询方式程序查询方式 优点优点：CPUCPU和外围设备的操作能够同步，且硬件结构简单和外围设备的操作能够同步，且硬件结构简单缺点缺点：CPUCPU效率低，即使是轮询效率低，即使是轮询2.程序中断方式程序中断方式 优点：优点：节省了节省了CPU的时间，适用于随机出现的、实时性的服务的时间，适用于随机出现的、实时性的服务缺点：缺点：硬件结构比程序查询方式复杂一些，服务开销时间较大硬件结构比程序查询方式复杂一些，服务开销时间较大3.直接内存访问直

9、接内存访问(DMA)方式方式DMA控制器接管对总线的控制，数据交换不经过控制器接管对总线的控制，数据交换不经过CPU，直，直接在内存和外围设备之间，以高速进行数据传送接在内存和外围设备之间，以高速进行数据传送优点：优点：数据传送速度很高，仅受到内存访问时间的限制数据传送速度很高，仅受到内存访问时间的限制缺点：缺点：与中断方式相比，需要更多的硬件与中断方式相比，需要更多的硬件适用于内存和高速外围设备之间大批数据交换的场合适用于内存和高速外围设备之间大批数据交换的场合4.4.通道方式通道方式 通道通道一个具有特殊功能的处理器，也称一个具有特殊功能的处理器，也称输入输出处理器输入输出处理器(IOP)

10、(IOP)，可以实现对外围设备的统一管理和外围设备与内存之间，可以实现对外围设备的统一管理和外围设备与内存之间的数据传送的数据传送大大提高了大大提高了CPUCPU的工作效率，但以花费更多硬件为代价的工作效率，但以花费更多硬件为代价输入输入/输出控制方式输出控制方式主要由程序实现主要由程序实现程序程序查询查询方式方式程序程序中断中断方式方式DMADMA方式方式通道通道方式方式外围设备的输入外围设备的输入/输出控制方式输出控制方式主要由硬件实现主要由硬件实现8.2 程序查询方式程序查询方式(程序控制程序控制I/O方式方式)(2)从从I/O接口读入状态字接口读入状态字(3)检查状态字中的标志，判断可

11、否进行数据交换检查状态字中的标志，判断可否进行数据交换(4)若该设备没有准备就绪，重复若该设备没有准备就绪，重复(2)、(3)，直至其准备好，直至其准备好(5)从接口的数据缓冲器读取输入的数据或将数据输出至接口从接口的数据缓冲器读取输入的数据或将数据输出至接口的数据缓冲器；并将状态标志复位的数据缓冲器；并将状态标志复位目录目录(1)CPU向向I/O设备发出命令字，请求进行数据传送设备发出命令字，请求进行数据传送1 1、设备编址、设备编址n统一编址统一编址n独立编址独立编址2 2、输入输出指令、输入输出指令具有的具有的3 3个基本功能个基本功能3 3、程序查询方式的接口、程序查询方式的接口n设备

12、选择电路设备选择电路n数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器n设备状态标志设备状态标志4 4、程序查询输入、程序查询输入/输出方式输出方式n程序执行的动作程序执行的动作n程序查询流程图程序查询流程图用查询方式传送一批数据的程序流程图用查询方式传送一批数据的程序流程图设置计数值设置计数值设置内存缓冲区首址设置内存缓冲区首址启动外设启动外设传送一个数据传送一个数据修改内存地址修改内存地址结束结束I/OI/O传送传送修改计数器修改计数器准备好？准备好？传送完传送完？否否是是是是否否8.3 程序中断方式程序中断方式8.3.1 8.3.1 中断的基本概念中断的基本概念1.1.中断的概念中断的概念特点特点：CPUC

13、PU和外围设备的一些操作并行地进行，效率高和外围设备的一些操作并行地进行，效率高2.2.中断处理中断处理过程流程图过程流程图目录目录主程序主程序A A请求中断请求中断B B请求中断请求中断C C请求中断请求中断主程序主程序A A中断服务中断服务子程序子程序B B中断服务中断服务子程序子程序C C中断服务中断服务子程序子程序中断处理示意图中断处理示意图控制控制8.3.2 8.3.2 程序中断方式的基本程序中断方式的基本I/OI/O接口接口IMIR公用寄存器公用寄存器0 1BSEI数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器中断向量逻辑中断向量逻辑设备选择设备选择PCIR动作开始动作开始动作结束动作结束传送数据传

14、送数据动作开始动作开始数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器传送数据传送数据12345动作结束动作结束67PCIR8公用寄存器公用寄存器109接口接口设备设备CPUCPU0 1RD输入数据的控制过程输入数据的控制过程程序中断方式基本接口示意图程序中断方式基本接口示意图准备就绪的标志准备就绪的标志(RD)(RD)中断触发器中断触发器允许中断触发器允许中断触发器(EI)(EI)中断请求触发器中断请求触发器(IR)(IR)中断屏蔽触发器中断屏蔽触发器(IM)(IM)控制控制1.1.单级中断的概念单级中断的概念所有中断源都属所有中断源都属同一级同一级，通过，通过一条线一条线发中断申请，离发中断申请，离CPUCP

15、U近的优先权高；近的优先权高；不允许嵌套不允许嵌套；以；以链式查询链式查询方式识别中断源方式识别中断源8.3.38.3.3单级中断单级中断2.2.单级中断源的识别单级中断源的识别采用采用串行排队链法串行排队链法INTOINTO001010001010001011001011001000001000数数据据总总线线编编码码器器INTAINTAINTIINTIIRIR1 1IS IS1 1IRIR2 2IS IS2 2IRIR3 3IS IS3 31 12 23 34 45 56 6IRIR1 1IRIR2 2IRIR3 3中断优先中断优先级排队链级排队链中断向量中断向量产生逻辑产生逻辑3.3.中

16、断向量的产生中断向量的产生向量地址向量地址由一串布尔量序列表示的存储器的地址码由一串布尔量序列表示的存储器的地址码向量中断向量中断：CPUCPU识别出某中断源时，由识别出某中断源时，由硬件直接产生硬件直接产生一个与该一个与该中断源对应的向量地址，指出中断源设备的中断服务程序入口中断源对应的向量地址，指出中断源设备的中断服务程序入口有些计算机中的向量地址不是直接地址，而是个有些计算机中的向量地址不是直接地址，而是个“位移量位移量”还有些采用还有些采用向量地址转移向量地址转移的方法的方法1.1.多级中断的概念多级中断的概念根据各中断事件的根据各中断事件的轻重缓急轻重缓急程度不同将中断源分为程度不同

17、将中断源分为若干级若干级别别，每一中断级分配一个优先权；优先权高的中断级可打断优，每一中断级分配一个优先权；优先权高的中断级可打断优先权低的中断服务程序，以先权低的中断服务程序，以程序嵌套方式程序嵌套方式工作工作8.3.4 8.3.4 多级中断多级中断主程序主程序一级中断一级中断服务程序服务程序二级中断二级中断服务程序服务程序三级中断三级中断服务程序服务程序多级中断示意图多级中断示意图根据系统的配置不同分类：根据系统的配置不同分类：一维多级中断一维多级中断、二维多级中断二维多级中断(1)(1)中断请求寄存器中断请求寄存器、中断屏蔽寄存器中断屏蔽寄存器在多级中断中的作用在多级中断中的作用(2)(

18、2)不同级的中断源间可实现嵌套，但同一级内一般不允许嵌套不同级的中断源间可实现嵌套，但同一级内一般不允许嵌套(3)(3)多级中断系统由多级中断系统由硬件逻辑硬件逻辑识别中断源；在二维中断结构中，识别中断源；在二维中断结构中，先用先用中断优先级排队电路中断优先级排队电路确定优先响应的中断级，再通过确定优先响应的中断级，再通过链式链式查询的硬件逻辑查询的硬件逻辑确定具体的中断源确定具体的中断源采用了采用了独立请求方式与独立请求方式与链式查询方式相结合链式查询方式相结合的方法决定首先响应哪个中断源的方法决定首先响应哪个中断源(4)(4)和单级中断类似，多级中断中也使用和单级中断类似，多级中断中也使用

19、堆栈堆栈保存现场保存现场信息信息使用堆栈保存现场的好处使用堆栈保存现场的好处控制逻辑简单，先进后出原则；不需单独设置现场保护区控制逻辑简单，先进后出原则；不需单独设置现场保护区关于多级中断的说明关于多级中断的说明2.2.多级中断源的识别多级中断源的识别中断请求中断请求采用采用独立请求方式独立请求方式的逻辑结构的逻辑结构中断源识别的过程中断源识别的过程在二维多级中断中，还要进一步用在二维多级中断中，还要进一步用串行链式方式串行链式方式查询查询采用采用二维方式二维方式设计中断排队逻辑设计中断排队逻辑【例例2 2】二维中断系统如图，二维中断系统如图，请问：请问：(1)(1)在中断情况下，在中断情况下

20、，CPUCPU和设备的优先级如何考虑和设备的优先级如何考虑?请按降序排列请按降序排列各设备的中断优先级各设备的中断优先级(2)(2)若若CPUCPU现执行设备现执行设备B B的中断服务程序，的中断服务程序，IM2IM2，IM1IM1，IM0IM0的状的状态是什么态是什么?如果如果CPUCPU执行设备执行设备D D的中断服务程序，的中断服务程序，IM2IM2，IM1IM1，IM0IM0的状态又是什么的状态又是什么?(3)(3)每一级的每一级的IMIM能否对某个优先级的个别设备单独进行屏蔽能否对某个优先级的个别设备单独进行屏蔽?如如果不能，采取什么办法可达到目的果不能，采取什么办法可达到目的?(4

21、)(4)假如设备假如设备C C一提出中断请求，一提出中断请求，CPUCPU立即进行响应，如何调整立即进行响应，如何调整才能满足此要求才能满足此要求?【解解】(1)(1)在中断情况下，在中断情况下，CPUCPU的优先级最低；的优先级最低；各设备的各设备的优先次序是：优先次序是：ABCDEFGHICPUABCDEFGHICPU(2)(2)执行设备执行设备B B的中断服务程序时的中断服务程序时IMIM2 2IMIM1 1IMIM0 0=111=111 执行设备执行设备D D的中断服务程序时，的中断服务程序时，IMIM2 2IMIM1 1IMIM0 0=011=011(3)(3)每一级的每一级的IMI

22、M标志标志不能不能对某个优先级的个别设备进行对某个优先级的个别设备进行单独屏蔽单独屏蔽。可将接口中的可将接口中的EI(EI(中断允许中断允许)标志清标志清“0 0”，禁止设备发出中断请，禁止设备发出中断请求求(4)(4)要使设备要使设备C C的中断请求及时得到响应，的中断请求及时得到响应，可将设备可将设备C C从第从第2 2级取级取出来，单独放在第出来，单独放在第3 3级上级上，使第，使第3 3级的优先级最高，即令级的优先级最高，即令IMIM3 3=0=0即可即可？仍然采用仍然采用3级中断，只级中断，只是把是把C提到提到A的前面的前面(最靠最靠近近CPU)，是否满足要求，是否满足要求【例例3

23、3】参见例参见例2 2所示的系统所示的系统，只考虑，只考虑A A，B B，C C三个设备组成的单三个设备组成的单级中断结构，要求级中断结构，要求CPUCPU在执行完当前指令时对中断请求进行服务。在执行完当前指令时对中断请求进行服务。设：设：(1)CPU(1)CPU“中断批准中断批准”机构在响应一个新的中断之前，先要让机构在响应一个新的中断之前，先要让被中断程序的一条指令一定要执行完毕；被中断程序的一条指令一定要执行完毕；(2)T(2)TDCDC为查询链中每个为查询链中每个设备的延迟时间；设备的延迟时间；(3)T(3)TA A，T TB B，T TC C分别为设备分别为设备A A，B B，C C

24、的服务程的服务程序所需的执行时间；序所需的执行时间；(4)T(4)TS S,T,TR R为保存现场和恢复现场所需的时间；为保存现场和恢复现场所需的时间；(5)(5)主存工作周期为主存工作周期为T TMM。试问：就这个中断请求环境来说，系统试问：就这个中断请求环境来说，系统在什么情况下达到中断饱和在什么情况下达到中断饱和?【解解】参阅中断处理流程参阅中断处理流程8.58.5，并假设执行一条指令的时间也为，并假设执行一条指令的时间也为T TMM。如果三个设备同时发出中断请求，那么依次分别处理设备。如果三个设备同时发出中断请求，那么依次分别处理设备A A、设备设备B B、设备、设备C C的时间如下：

25、的时间如下：t tA A=2T=2TMM+T+TDC DC+T+TS S+T+TA A+T+TR Rt tB B=2T=2TM M+2T+2TDCDC+T+TS S+T+TB B+T+TR Rt tC C=2T=2TMM+3T+3TDCDC+T+TS S+T+TC C+T+TR R处理三个设备所需的总时间为：处理三个设备所需的总时间为：T=T=t tA A+t+tB B+t+tC CT T是达到中断饱和的最小时间，即是达到中断饱和的最小时间，即中断极限频率为：中断极限频率为：f=1/Tf=1/T其中其中2TM是取出指令是取出指令并执行指令的时间并执行指令的时间将将中断接口中断接口与与优先级判断

26、优先级判断等功能集于一身等功能集于一身8.3.5 8.3.5 中断控制器中断控制器(8259)(8259)82598259的中断优先级的选择方式的中断优先级的选择方式(1)(1)完全嵌套方式完全嵌套方式固定优先级方式，固定优先级方式，IRIR0 0的优先级最高，的优先级最高，IRIR7 7的最低的最低(2)(2)轮换优先级方式轮换优先级方式A A：优先级自动轮换：优先级自动轮换(3)(3)轮换优先级方式轮换优先级方式B B：指定轮换方式：指定轮换方式(4)(4)查询方式查询方式：由：由CPUCPU查询查询82598259的中断状态寄存器的中断状态寄存器82598259提供的屏蔽方式提供的屏蔽方

27、式(1)(1)简单屏蔽方式简单屏蔽方式：提供：提供8 8位屏蔽字位屏蔽字(2)(2)特殊屏蔽方式特殊屏蔽方式允许来自低优先级的外设中断请求去中断高优先级的服务允许来自低优先级的外设中断请求去中断高优先级的服务程序程序1.1.中断类型中断类型中断中断 通常称为通常称为外部中断外部中断，由，由CPUCPU的外部硬件信号引发；分为：的外部硬件信号引发；分为：(1)(1)可屏蔽中断：可屏蔽中断：INTRINTR引脚、引脚、IFIF标志标志(2)(2)非屏蔽中断：非屏蔽中断：NMINMI引脚；不能被禁止引脚；不能被禁止 异常异常 通常称为通常称为异常中断异常中断，由指令执行引发的；分为：，由指令执行引发

28、的；分为：(1)(1)执行异常：执行异常：CPUCPU执行一条指令过程中出现错误、故障等引发执行一条指令过程中出现错误、故障等引发(2)(2)执行软件中断指令：执行软件中断指令：执行执行INT nINT n指令指令PentiumPentium共有共有256256种种中断和异常；中断和异常；中断向量号中断向量号(0-255)(0-255)异常中断的优先级高于外部中断异常中断的优先级高于外部中断8.3.68.3.6PentiumPentium中断机制中断机制2.2.中断服务子程序进入过程中断服务子程序进入过程中断向量号检索表中断向量号检索表实模式为实模式为中断向量表中断向量表IVTIVT；保护模式

29、为；保护模式为中断描述符表中断描述符表IDTIDTCPUCPU识别中断类型取得中断向量号的途径：识别中断类型取得中断向量号的途径：(1)(1)指令给出指令给出，如软件中断指令，如软件中断指令INT nINT n(2)(2)外部提供外部提供：INTRINTR和和NMINMI的中断向量号的获取方法的中断向量号的获取方法(3)CPU(3)CPU识别错误、故障现象，识别错误、故障现象，自动指定自动指定向量号向量号CPUCPU由中断类型号获取中断服务子程序入口地址的方法由中断类型号获取中断服务子程序入口地址的方法(1)(1)实模式下使用实模式下使用中断向量表中断向量表(2)(2)保护模式下使用保护模式下

30、使用中断描述符表中断描述符表3.3.中断处理过程中断处理过程(1)(1)当中断处理的当中断处理的CPUCPU控制权转移涉及到控制权转移涉及到特权级改变特权级改变时，必须把时，必须把当前的当前的SSSS和和ESPESP的内容压入系统堆栈予以保存的内容压入系统堆栈予以保存(2)(2)标志寄存器标志寄存器EFLAGSEFLAGS的内容也压入堆栈的内容也压入堆栈(3)(3)清除标志触发器清除标志触发器TFTF和和IFIF(4)(4)当前的代码段寄存器当前的代码段寄存器CSCS和指令指针和指令指针EIPEIP也压入此堆栈也压入此堆栈(5)(5)如果中断发生伴随有错误码，则错误码也压入此堆栈如果中断发生伴

31、随有错误码，则错误码也压入此堆栈(6)(6)完成上述中断现场保护后，获取的中断服务子程序入口地址完成上述中断现场保护后，获取的中断服务子程序入口地址(段，偏移段，偏移)分别装入分别装入CSCS和和EIPEIP，开始执行中断服务子程序，开始执行中断服务子程序(7)(7)中断服务子程序最后的中断服务子程序最后的IRETIRET指令使中断返回；保存在堆栈中指令使中断返回；保存在堆栈中的中断现场信息被恢复，并由中断点继续执行原程序的中断现场信息被恢复，并由中断点继续执行原程序8.4 DMA(Direct Memory Access)方式方式8.4.1 DMA8.4.1 DMA的基本概念的基本概念 1.

32、1.特点：特点：完全由完全由硬件执行硬件执行的的I/OI/O交换；交换；DMADMA控制器控制器从从CPUCPU完全接完全接管对总线的控制；管对总线的控制；数据交换数据交换不经过不经过CPUCPU；DMADMA方式一般用于方式一般用于高高速传送成组数据速传送成组数据2.2.主要优点：主要优点：速度快速度快且且有利于有利于CPUCPU效率效率的发挥的发挥3.DMA3.DMA的基本操作的基本操作(1)(1)外围设备发出外围设备发出DMADMA请求请求 (2)CPU(2)CPU响应响应请求，改成请求，改成DMADMA操作方式，操作方式，DMADMA控制器接管总线控制器接管总线(3)(3)由由DMAD

33、MA控制器对内存寻址、数据传送个数的计数，并执行数控制器对内存寻址、数据传送个数的计数，并执行数据据传送传送的操作的操作 (4)(4)向向CPUCPU报告报告DMADMA操作的操作的结束结束目录目录注：注：传送前预处理和传传送前预处理和传送后处理均由管理程序送后处理均由管理程序承担承担DMADMA控制器与控制器与CPUCPU分时使用内存分时使用内存的三种方法：的三种方法：1.1.停止停止CPUCPU访问内存访问内存DMADMA传送过程中，传送过程中，CPUCPU基本处于基本处于不工作不工作或者说或者说保持保持状态状态8.4.2 DMA传送方式传送方式优点：优点：控制控制简单简单，适用于数据，适

34、用于数据传输率很高传输率很高的设备进行成组传送的设备进行成组传送缺点：缺点：在在DMADMA控制器访内阶段，控制器访内阶段，内存的效能内存的效能没有充分发挥没有充分发挥内存工作时间内存工作时间CPUCPU控制并控制并使用内存使用内存n停止停止CPUCPU访问内存访问内存CPUCPU不工作不工作DMADMA工作工作DMADMA控制并控制并使用内存使用内存DMADMA不工作不工作DMADMA不工作不工作t t2.2.周期挪用周期挪用I/OI/O设备有设备有DMADMA请求时，可请求时，可挪用挪用一个或几个内存周期一个或几个内存周期 I/OI/O设备要求设备要求DMADMA传送时可能遇到的两种情况：

35、传送时可能遇到的两种情况：(1)(1)I/OI/O访内与访内与CPUCPU访内访内没有冲突没有冲突，即，即I/OI/O设备挪用一二个内存周设备挪用一二个内存周期对期对CPUCPU执行程序没有任何影响执行程序没有任何影响(2)(2)I/OI/O设备与设备与CPUCPU产生访内冲突产生访内冲突，此时，此时I/OI/O设备访内优先设备访内优先在在CPUCPU执行访内指令过程中插入执行访内指令过程中插入DMADMA请求，挪用一二个内存周期请求，挪用一二个内存周期DMADMA控制并使控制并使用内存用内存内存工作时间内存工作时间CPUCPU控制并使控制并使用内存用内存nCPUCPU周期挪用方式周期挪用方式

36、t t优点优点：实现了：实现了I/OI/O传送，又较好地发挥了内存和传送，又较好地发挥了内存和CPUCPU的效率的效率缺点缺点：I/OI/O设备每次周期挪用都有设备每次周期挪用都有申请申请、建立建立和和归还归还总线控制权总线控制权的过程，所以传送一个字对的过程，所以传送一个字对DMADMA控制器来说一般要控制器来说一般要2 25 5个内存个内存周期周期应用应用：适用于：适用于I/OI/O设备读写周期大于内存存储周期的情况设备读写周期大于内存存储周期的情况3.DMA3.DMA与与CPUCPU交替访内交替访内(透明的透明的DMADMA方式方式)适用于适用于CPUCPU的工作周期比内存存取周期长很多

37、的情况的工作周期比内存存取周期长很多的情况内存工作时间内存工作时间DMADMA控制并控制并使用内存使用内存CPUCPU控制并使控制并使用内存用内存nDMADMA与与CPUCPU交替访内交替访内C C1 1C C1 1C C2 2C C2 2t t特点：特点：对对DMADMA传送来讲效率很高；传送来讲效率很高；DMADMA传送对传送对CPUCPU来讲是透来讲是透明的；对总线而言，相当于用明的；对总线而言，相当于用C C1 1，C C2 2控制的多路转换器；控制的多路转换器；但但要要求求CPUCPU周期比存储周期长很多，且硬件逻辑更加复杂周期比存储周期长很多，且硬件逻辑更加复杂一个一个CPU周期分

38、为周期分为C1和和C2两个分周期两个分周期1.DMA1.DMA控制器的基本组成控制器的基本组成DMADMA控制器控制器：采用：采用DMADMA方式的外设与系统总线之间的接口电路方式的外设与系统总线之间的接口电路DMADMA控制器的基本逻辑结构控制器的基本逻辑结构 (1)(1)内存地址计数器内存地址计数器存放内存中要交换的数据的存放内存中要交换的数据的地址地址(2)(2)字计数器字计数器记录传送数据块的记录传送数据块的长度长度(多少字数多少字数)(3)(3)数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器暂存暂存每次传送的数据每次传送的数据(一个字一个字)(4)“DMA(4)“DMA请求请求”标志标志设备准备好一个

39、数据字后使该标志设备准备好一个数据字后使该标志置置“1”1”，通过，通过“控制控制/状态状态”逻辑发出逻辑发出DMADMA请求；得到请求；得到CPUCPU的响的响应信号时，将其应信号时，将其复位复位(5)“(5)“控制控制/状态状态”逻辑逻辑由控制和时序电路以及状态标志等组由控制和时序电路以及状态标志等组成，用于成，用于修改修改内存地址计数器和字计数器，指定内存地址计数器和字计数器，指定传送类型传送类型(输入输入或输出或输出)，并对，并对“DMADMA请求请求”信号和信号和CPUCPU响应信号进行响应信号进行协调和同协调和同步步(6)(6)中断机构中断机构字计数器溢出时字计数器溢出时(全全0)

40、0)，向，向CPUCPU提出中断提出中断报告报告8.4.3基本的基本的DMA控制器控制器2.DMA2.DMA数据传送过程数据传送过程(1)(1)传送前预处理：传送前预处理：由由CPUCPU执行输入输出指令完成执行输入输出指令完成测试测试设备状态；送入设备状态；送入设备号设备号并并启动设备启动设备；装入；装入内存首地址内存首地址、数据块长度、指定数据传送方向数据块长度、指定数据传送方向(2)(2)正式传送正式传送：以：以停止停止CPUCPU访内方式访内方式为例为例DMADMA传送数据的流程图传送数据的流程图请求、响应和传送过程请求、响应和传送过程(3)(3)传送后处理传送后处理由由CPUCPU进

41、行一些进行一些DMADMA的的结束处理结束处理工作工作基本基本DMADMA控制器与系统的连接方式：控制器与系统的连接方式：(1)(1)公用的公用的DMADMA请求方式请求方式(2)(2)独立的独立的DMADMA请求方式请求方式1.1.选择型选择型DMADMA控制器控制器物理上物理上可连接多个设备，而可连接多个设备，而逻辑上逻辑上只允许连接一个设备只允许连接一个设备内部结构：内部结构：在简单在简单DMADMA控制器基础上增加一个控制器基础上增加一个设备号寄存器设备号寄存器工作原理工作原理从预置直到数据块传送结束，只为所选设备服务；从预置直到数据块传送结束，只为所选设备服务；数据传送以数据传送以数

42、据块为单位数据块为单位进行进行适用场合：适用场合：数据传输率很高数据传输率很高以至接近内存存取速度的设备以至接近内存存取速度的设备2.2.多路型多路型DMADMA控制器控制器在在逻辑上也允许逻辑上也允许多个外围设备同时工作，各设备以多个外围设备同时工作，各设备以字节交字节交叉方式叉方式通过通过DMADMA控制器进行数据传送控制器进行数据传送内部结构内部结构、操作过程操作过程适用场合：适用场合：适合于同时为多个适合于同时为多个慢速外围设备慢速外围设备服务服务多路型多路型DMADMA分为分为链式多路型和独立请求多路型链式多路型和独立请求多路型DMADMA8.4.4 选择型和多路型选择型和多路型DM

43、A控制器控制器(1)(1)中中断断方方式式通通过过程程序序实实现现数数据据传传送送；而而DMADMA方方式式不不使使用用程程序序，直接靠直接靠硬件硬件来实现来实现(2)CPU(2)CPU对对中中断断的的响响应应是是在在执执行行完完一一条条指指令令之之后后；而而对对DMADMA的的响响应则可以在指令执行过程中的任何应则可以在指令执行过程中的任何两个存储周期之间两个存储周期之间(3)(3)中中断断方方式式不不仅仅具具有有数数据据传传送送能能力力，而而且且还还能能处处理理异异常常事事件件；DMADMA只能进行只能进行数据传送数据传送(4)(4)中中断断方方式式必必须须切切换换程程序序，要要进进行行C

44、PUCPU现现场场的的保保护护和和恢恢复复操操作作；DMADMA仅仅挪用挪用了一个或几个存储周期，不改变了一个或几个存储周期，不改变CPUCPU现场现场(5)DMA(5)DMA请请求求的的优优先先权权比比中中断断请请求求高高，CPUCPU优优先先响响应应DMADMA请请求求，是为了避免是为了避免DMADMA所连接的高速外设丢失数据所连接的高速外设丢失数据DMADMA与程序中断的区别与程序中断的区别【例例4 4】下图中假设有磁盘、磁带、打印机三个设备同时工作。下图中假设有磁盘、磁带、打印机三个设备同时工作。磁盘以磁盘以30s30s的间隔向控制器发的间隔向控制器发DMADMA请求，磁带以请求，磁带

45、以45s45s的间隔的间隔发发DMADMA请求，打印机以请求，打印机以150s150s间隔发间隔发DMADMA请求。根据传输速率，请求。根据传输速率，磁盘优先权最高，磁带次之，打印机最低，图中假设磁盘优先权最高，磁带次之，打印机最低，图中假设DMADMA控制控制器每完成一次器每完成一次DMADMA传送所需的时间是传送所需的时间是5s5s。若采用多路型。若采用多路型DMADMA控制器，请画出控制器，请画出DMADMA控制器服务三个设备的工作时间图控制器服务三个设备的工作时间图【解解】说明：说明：T T1 1间隔中控制器首先为打印机服务，因为此时只有打印间隔中控制器首先为打印机服务，因为此时只有打

46、印机有请求。机有请求。T T2 2间隔前沿磁盘、磁带同时有请求，首先为优先权间隔前沿磁盘、磁带同时有请求，首先为优先权高的磁盘服务，然后为磁带服务，每次服务传送一个字节。在高的磁盘服务，然后为磁带服务，每次服务传送一个字节。在150s150s时间阶段中，为打印机服务只有一次时间阶段中，为打印机服务只有一次(T(T1 1)，为磁盘服务四，为磁盘服务四次次(T(T2 2，T T4 4，T T6 6，T T7 7)，为磁带服务三次，为磁带服务三次(T(T3 3，T T5 5，T T8 8)。从图上看。从图上看到，到，DMADMA尚有空闲时间，说明控制器还可容纳更多设备尚有空闲时间，说明控制器还可容纳

47、更多设备8.5 通道方式通道方式通道通道是具有特殊功能的是具有特殊功能的处理器处理器，负责对设备的统一管理；，负责对设备的统一管理；它有自己的它有自己的指令和程序指令和程序专门负责数据输入输出的专门负责数据输入输出的传输控制传输控制进一步进一步提高了提高了CPUCPU的效率的效率 CPUCPU只负责只负责“数据处理数据处理”功能，功能，而将而将“传输控制传输控制”功能下放给通道功能下放给通道实现了实现了CPUCPU内部运算与内部运算与I/OI/O设备的设备的并行工作并行工作通道与通道与CPUCPU分时分时使用内存使用内存 一个主机可连多个通道；每个通道又可连多台一个主机可连多个通道；每个通道又

48、可连多台I/OI/O设备，这些设备，这些设备可以是不同种类、具有不同速度设备可以是不同种类、具有不同速度 增强了增强了主机与通道操作的并行能力主机与通道操作的并行能力以及以及各通道之间各通道之间、同一通同一通道的各设备之间的并行道的各设备之间的并行操作能力；同时也为用户提供了增减外操作能力；同时也为用户提供了增减外围设备的围设备的灵活灵活性性目录目录8.5.1 通道的功能通道的功能1.1.通道的功能通道的功能(1)(1)通道的结构通道的结构典型的具有通道的计算机系统的结构典型的具有通道的计算机系统的结构具有两种类型总线具有两种类型总线逻辑结构上，逻辑结构上，I/OI/O系统一般具有四级连接：系

49、统一般具有四级连接：CPUCPU与存储器与存储器通道通道I/OI/O模块模块外外围设备；通道与；通道与I/O模模块间采用采用统一一的的标准接口准接口CPUCPU启动启动通道后，通道通道后，通道自动自动去内去内存取通道指令并执行，存取通道指令并执行，直到数直到数据交换结束向据交换结束向CPUCPU发出中断请求，进行通道结束处理工作发出中断请求，进行通道结束处理工作MMUMMU通道与通道与CPUCPU同时要求访存时，同时要求访存时，通道优先权高于通道优先权高于CPUCPU；多个通道有访存请求时，多个通道有访存请求时，选择通道优先权高于多路通道选择通道优先权高于多路通道(2)(2)通道的基本功能通道

50、的基本功能执行通道指令，组织外围设备和内存进行数据传输，按执行通道指令，组织外围设备和内存进行数据传输，按I/OI/O指令要求启动外围设备，向指令要求启动外围设备，向CPUCPU报告中断等报告中断等2.CPU2.CPU对通道的管理对通道的管理通过执行通过执行I/OI/O指令指令以及处理来自通道的以及处理来自通道的中断中断来实现来实现两种来自两种来自通道的中断通道的中断数据传送结束中断数据传送结束中断；故障中断故障中断管态：管态：CPUCPU运行操作系统的管理程序的状态运行操作系统的管理程序的状态目态目态：CPUCPU执行目的程序时的状态执行目的程序时的状态大型计算机的大型计算机的I/OI/O指