第四章输入输出系统.ppt
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1、第四章第四章 输入输出系统输入输出系统 把处理机和主存储器之外的部分统称为输入输出系统,包括输入输出设备、输入输出接口和输入输出软件等。通常,把与处理机有关的,除了人以外的各种设备称为输入输出设备,或外围设备。本章主要内容:本章主要内容:4.1 输入输出原理输入输出原理4.2 中断系统中断系统4.3 通道处理机通道处理机4.4 输入输出处理机输入输出处理机 Page 4.1 输入输出原理输入输出原理 输入输出系统是计算机系统中最具多样性和复杂性的部分 输入输出系统最典型地反映了软件与硬件的相互结合 目前,输入输出系统的复杂性都隐藏在操作系统中主要内容:主要内容:4.1.1 输入输出系统的特点输
2、入输出系统的特点4.1.2 输入输出系统的组织方式输入输出系统的组织方式 4.1.3 基本输入输出方式基本输入输出方式 Page 4.1.1 输入输出系统的特点输入输出系统的特点 输入输出系统涉及到机、光、电、磁、声、自动控制等多种学科。用户无需了解输入输出系统和输入输出设备的具体细节就能使用输入输出设备,需要软件和硬件人员共同填补中间的复杂性。处理机的外部世界包括:本地和远程用户、系统操作员、操作控制台、输入输出设备、辅助存储器、其它处理机、各种通信设备和虚拟现实系统等。Page 处理机与外部的联系处理机与外部的联系 Page 1、异步性、异步性 输入输出设备通常不使用统一的中央时钟,各个设
3、备按照自己的时钟工作,但又要在某些时刻接受处理机的控制。处理机与外围设备之间,外围设备与外围设备之间能够并行工作。2、实时性、实时性 对于一般外部设备:可能丢失数据,或造成外围设备工作的错误。对于实时控制计算机系统:例如,工业过程控制,导弹、卫星的控制等,如果处理机提供的服务不及时,可能造成巨大的损失,甚至造成人身伤害。对于处理机本身的硬件或软件的错误:例如,电源故障、数据校验错、页面失效、非法指令、地址越界等,处理机也必须及时地给予处理。为不同类型的设备提供服务,必须具有与设备相配合的多种工作方式。Page 3、与设备无关性、与设备无关性 独立于具体设备的标准接口。例如,串行接口、并行接口、
4、SCSI(Small Computer System Interfice)接口等 计算机系统的使用者,在需要更换外围设备时,各种不同型号,不同生产厂家的设备都可以直接通过标准接口与计算机系统连接。处理机采用统一的硬件和软件对品种繁多的设备进行管理。某些计算机系统已经实现了即插即用技术。Page 4.1.2 输入输出系统的组织方式输入输出系统的组织方式针对异步性,采用自治控制的方法,针对实时性,采用层次结构的方法,针对与设备无关性,采用分类处理的方法1 1、自治控制、自治控制输入输出系统是一个独立于处理机之外的自治系统。处理机与外围设备之间要有恰当的分工。2 2、层次结构、层次结构最靠近处理机的
5、是输入输出处理机、输入输出通道等。中间层是标准接口。标准接口通过设备控制器与输入输出相连接。由设备控制器控制外围设备工作。Page 3 3、分类组织、分类组织面向字符的设备:主要是指工作速度比较低的机电类设备。例如,字符终端、打字机等。面向数据块的设备:主要指工作速度比较高的外围设备。例如,磁盘、磁带、光盘的辅助存储器,行式打印机等。I/I/O O系系统统层层次次结结构构 Page 4.1.3 基本输入输出方式基本输入输出方式对于工作速度、工作方式和工作性质不同的外围设备,基本输入输出方式有如下三种。1、程序控制输入输出方式、程序控制输入输出方式 又称为状态驱动输入输出方式、应答输入输出方式、
6、查询输入输出方式、条件驱动输入输出方式等。特点:(1)何时、何操作完全受CPU控制。(2)CPU要通过指令对设备进行测试才能知道设备的工作状态。设备空闲、准备就绪、正在忙碌等。(3)数据的输入和输出都要经过CPU。(4)用于连接低速外围设备,如终端、打印机等 Page 例如:一个处理机在一段时间内只能管理一台打印机。处理机执行指令的速度为1GIPS,字长32位,打印机每秒钟100个字符。处理机用一条指令就能向打印机传送4个字符。因此,处理机的实际利用率只有:100/(109 4)0.25 10-7,即4千万分之一。Page 一个处理机管理多台外围设备。处理机采用轮流循环测试方法,分时为各台外围
7、设备服务。程序控制输入输出方式的优点:灵活性很好。可以很容易地改变各台外围设备的优先级。程序控制输入输出方式的缺点:实现处理机与外围设备并行工作困难。Page 2、中断输入输出方式、中断输入输出方式定义:当出现来自系统外部,机器内部,甚至处理机本身的任何例外的,或者虽然是事先安排的,但出现在现行程序的什么地方是事先不知道的事件时,CPU暂停执行现行程序,转去处理这些事件,等处理完成后再返回来继续执行原先的程序。特点:(1)CPU与外围设备能够并行工作。(2)能够处理例外事件。例如,电源掉电、非法指令、地址越界、数据溢出、数据校验错、页面失效等。(3)数据的输入和输出都要经过CPU。(4)灵活性
8、好。(5)用于连接低速外围设备。作用已经远远超出了为外围设备服务的范畴,成为现代计算机系统中非常重要的一个组成部分。Page 3、直接存储器访问(、直接存储器访问(DMA)方式方式 直接存储器服务方式又称为DMA(Direct Memory Access)方式,这种输入输出方式主要用来连接高速外围设备。例如,磁盘存储器,磁带存储器等。Page DMA方式具有如下特点:(1)外围设备访问请求直接发往主存储器。(2)不需要CPU做保存现场和恢复现场等工作。(3)在DMA控制器中,需要设置数据寄存器、设备状态或控制寄存器、主存地址寄存器、设备地址寄存器和数据交换个数计数器。(4)在DMA方式开始和结
9、束时,需要处理机进行管理。在DMA方式开始之前对DMA控制器进行初始化。传送主存缓冲区首地址、设备地址、数据块的长度等,并启动设备开始工作。在DMA方式结束之后,向CPU申请中断,对数据缓冲区进行后处理。(5)在DMA方式中,数据的传送过程不需要CPU的干预。Page DMA方式的工作流程如下:对于输入设备:对于输入设备:从设备读一个字节到DMA控制器中的数据缓冲寄存器中。若一个字还没有装配满,则返回到上面;若校验出错,则发中断申请;若一个字已经装配满,则将数据送入主存数据寄存器。把主存地址送入主存地址寄存器,并且将地址增值至下一个字地址。把DMA控制器内的数据交换个数计数器减1。若交换个数为
10、0,则DMA数据传送过程全部结束,否则返回到上面继续进行。Page 对于输出设备:对于输出设备:把主存地址送入主存地址寄存器,并启动主存储器,同时将主存地址增值至下一个字地址。将主存数据寄存器中的读出数据送入DMA控制器的数据寄存器。把数据写到输出介质上(可能要逐个字符输出)。把DMA控制器内的数据交换个数计数器中的内容减1。若交换个数为0,则DMA数据传送过程结束,否则返回到上面继续进行。Page 目前使用的目前使用的DMA方式实际上有如下三种:方式实际上有如下三种:(1)周期窃取方式。在每一条指令执行结束时,CPU测试有没有DMA服务申请。周期窃取方式不需要使用程序来完成数据的输入或输出,
11、只借用一个CPU的周期来完成DMA流程。优点:硬件结构简单,比较容易实现。缺点:数据输入或输出过程种实际上占用了CPU的时间。(2)直接存取方式:整个DMA工作流程全部在DMA控制器中用硬件完成。优点与缺点正好与周期窃取方式相反。(3)数据块传送方式。在设备控制器中设置一个比较大的数据缓冲存储器。设备控制器与主存储器之间的数据交换以数据块为单位,并采用中断方式进行。Page 4.2、中断系统、中断系统比编程I/O效率高,比DMA效率低(从存储器到I/O模块或从I/O模块到存储器的每个数据字必须经过CPU传送)1、中断处理需硬件支持和软件支持 Page PSW:程程序状态字序状态字PC:程序程序
12、计数器计数器 Page 确定哪一个设备发生中断,多个中断出现时,CPU确定处理哪个中断1).设备识别,4种技术:多条中断线 p228 图4.12 提供CPU和I/O模块间的多条中断线,在每根线上必须采用其他3种技术中的一种软件轮询 CPU检测到一个中断时,转移到中断服务程序,轮询每一个I/O模块来确定哪个模块产生中断(采用单独的命令线形式/读可寻址的状态寄存器信息)Page Page 菊花链(硬件轮询+中断向量)硬件查询所有的I/O模块共享一个公共中断请求线,中断应答线是通过模块的菊花链。CPU检测到中断时,发出中断应答,正在请求的模块接收该应答,放置矢量在数据线上作为响应。该矢量作为指针指向
13、合适的设备服务程序,即矢量中断。Page 总线仲裁I/O模块在引发中断请求线前必须首先获得总线控制权,一次只有一个模块引发这条线.2).确定处理哪个中断方法采用优先级 p221 图4.7轮询次序决定优先级 (软件轮询)模块次序决定优先级 (菊花链电路中)Page 2、中断屏蔽 p230 在各中断服务程序开头,用软件设置自己的中断屏蔽字,改变实际服务顺序1)每个或每级中断源设置一个中断屏蔽位的方法例1:p230 p231图4.14,表4.22)改变处理机优先级方法例2:p232 第六段开始 图4.15 Page 高低“1”对应中断源不能请求中断服务;“0”对应中断源可以请求中断服务 Page 4
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