第8章 输入输出系统.ppt

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1、第第8 8章章 输入输出系统输入输出系统本章内容：本章内容：vCPUCPU与与外设的数据交换方式外设的数据交换方式v程序查询方式程序查询方式v中断方式中断方式vDMADMA方式方式v通道方式通道方式8.1 外设的定时和数据交换方式外设的定时和数据交换方式v外围设备的定时方式外围设备的定时方式 首先分析输入首先分析输入/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)CPU1)CPU把一个地址值放在地址总线上，这一步将选择某一输入设备；把一个地址值放在地址总线上，这一步将选择某一输入设备；2)CPU2)CPU等候输入设备的数据成为等候输入设备的数据成为就绪

2、就绪；3)CPU3)CPU从数据总线读入数据，并放在一个相应的寄存器中。从数据总线读入数据，并放在一个相应的寄存器中。输出过程：输出过程：1)CPU1)CPU把一个地址值放在地址总线上，选择输出设备；把一个地址值放在地址总线上，选择输出设备；2)CPU2)CPU等候输出设备的状态成为等候输出设备的状态成为就绪就绪；3)CPU3)CPU把数据放在数据总线上，输出设备把数据取走。把数据放在数据总线上，输出设备把数据取走。问题的关键在于：输入时究竟什么时候输入设备数据成为问题的关键在于：输入时究竟什么时候输入设备数据成为就绪就绪?输出时什输出时什么时候输出设备的状态才成为么时候输出设备的状态才成为就

3、绪。就绪。很显然，由于输入输出设备本身的速很显然，由于输入输出设备本身的速度差异很大，对于不同速度的外围设备，需要有不同的定时方式。度差异很大，对于不同速度的外围设备，需要有不同的定时方式。CPUCPU与外围设备的定时有三种情况：与外围设备的定时有三种情况：简单外围设备：简单外围设备：CPUCPU和这类设备的数据交换和这类设备的数据交换不需要定时不需要定时，CPU认为它们始终认为它们始终处于就绪状态，例如：机械开关，处于就绪状态，例如：机械开关，CPUCPU认为输入设备的数据一定认为输入设备的数据一定就绪，因为只要根据开关的闭就绪，因为只要根据开关的闭/合就可以输入合就可以输入0/10/1信号

4、；例如信号；例如:显显示二极管，示二极管，CPUCPU认为输出设备的状态一定就绪，因为只要认为输出设备的状态一定就绪，因为只要CPU输输出出0/10/1信号，显示二级就可以灭信号，显示二级就可以灭/亮。亮。CPUCPU和这类设备的数据交换一般采用和这类设备的数据交换一般采用无条件传送方式无条件传送方式。慢速外围设备慢速外围设备 由于这类设备的速度和由于这类设备的速度和CPU的速度不在一个数量级上，如的速度不在一个数量级上，如打印机；或由于设备本身是在不规则时间间隔下操作的，如键打印机；或由于设备本身是在不规则时间间隔下操作的，如键盘，因此盘，因此CPU与这类设备之间的通常采用与这类设备之间的通

5、常采用异步定时方式异步定时方式。输入：输入：CPU首先查询外部设备的数据是否就绪，如果就绪则通首先查询外部设备的数据是否就绪，如果就绪则通过数据总线输入数据，否则循环等待直到数据就绪；或者由外过数据总线输入数据，否则循环等待直到数据就绪；或者由外部设备在数据就绪时通知部设备在数据就绪时通知CPU，CPU通过数据总线输入数据。通过数据总线输入数据。输出：输出：CPU首先查询外部设备的状态是否就绪，如果就绪则通首先查询外部设备的状态是否就绪，如果就绪则通过数据总线输出数据，否则循环等待直到外设就绪；或者由外过数据总线输出数据，否则循环等待直到外设就绪；或者由外部设备在状态就绪时通知部设备在状态就绪

6、时通知CPU，CPU通过数据总线输出数据。通过数据总线输出数据。CPU和这类设备的数据交换一般采用和这类设备的数据交换一般采用程序查询方式程序查询方式或者或者中中断方式断方式。高速的外围设备高速的外围设备 由于这类外设是以相等的时间间隔操作的，则由于这类外设是以相等的时间间隔操作的，则CPU可以用可以用等间隔的速率执行输入等间隔的速率执行输入/输出指令。因此输出指令。因此CPUCPU与这类设备之间的与这类设备之间的通常采用通常采用同步定时方式同步定时方式。例如外设外设的速度是例如外设外设的速度是2400B/s2400B/s，则，则CPUCPU每隔每隔1/24001/2400执行一执行一次输入指

7、令即可。次输入指令即可。CPUCPU和这类设备的数据交换一般采用和这类设备的数据交换一般采用DMADMA方式方式或或通道方式通道方式。vCPUCPU和外设的数据交换方式和外设的数据交换方式无条件方式：无条件方式：CPUCPU认为外设的输入数据始终有效，随时可以认为外设的输入数据始终有效，随时可以输入；或外设的状态始终有序，随时可以输出。输入；或外设的状态始终有序，随时可以输出。-程序查询方式程序查询方式CPU 和和 I/O 串行工作串行工作踏步等待踏步等待从从I/O接口中读接口中读 一个字到一个字到CPU从从CPU向主存向主存 写入一个字写入一个字CPU向向I/O发发 读指令读指令CPU读读I

8、/O状态状态检查状态检查状态 完成否完成否未准备就绪未准备就绪现行程序现行程序是是出错出错已准备就绪已准备就绪否否 CPUCPU通过执行程序不通过执行程序不断读取并测试外设的状断读取并测试外设的状态，如果外设处于就绪态，如果外设处于就绪状态，则状态，则CPU执行输入执行输入指令或输出指令与外设指令或输出指令与外设交换数据。否则交换数据。否则CPU必必须循环等待。须循环等待。中断方式中断方式 在查询方式中，在查询方式中，CPUCPU需要不断查询外部设备的状态，不能需要不断查询外部设备的状态，不能有效的利用有效的利用CPUCPU。为了提高。为了提高CPUCPU的利用率，于是产生了中断处理的利用率，

9、于是产生了中断处理技术。在中断系统中，技术。在中断系统中，CPUCPU与外设交换数据时，与外设交换数据时，CPUCPU不需要查询不需要查询外部设备的状态，当外设没有做好传送数据的准备时，外部设备的状态，当外设没有做好传送数据的准备时，CPUCPU可可以执行其他操作，当外设准备好后，向以执行其他操作，当外设准备好后，向CPUCPU发送中断请求，发送中断请求，CPUCPU暂停当前的程序，执行中断程序来完成数据传送，接着返回原暂停当前的程序，执行中断程序来完成数据传送，接着返回原来的程序继续执行。来的程序继续执行。DMADMA方式方式(直接内存访问方式直接内存访问方式)在中断处理中，数据传送需要在中

10、断处理中，数据传送需要CPUCPU执行中断程序来实现。执行中断程序来实现。对于高速外设仍不能满足需要。在大量数据传送过程中，利用对于高速外设仍不能满足需要。在大量数据传送过程中，利用专门的控制芯片完成数据输入输出，不需要专门的控制芯片完成数据输入输出，不需要CPUCPU参与，这种方参与，这种方式称为式称为DMADMA方式，专门的控制芯片称为方式，专门的控制芯片称为DMADMA控制器。控制器。通道方式通道方式 利用输入输出处理机完成对利用输入输出处理机完成对对外围设备的统一管理和外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。围设备与内存之间的数据传送。8.2 程序查询方式程序查询方式v

11、I/O 设备编址方式设备编址方式 统一编址统一编址 不统一编址不统一编址用取数、存数指令用取数、存数指令有专门的有专门的 I/O 指令指令v 输入输出指令输入输出指令 I/OI/O指令主要功能是用于控制设备的动作，如启动、关闭设备指令主要功能是用于控制设备的动作，如启动、关闭设备等；测试设备的状态，如等；测试设备的状态，如“忙忙”、“就绪就绪”等，传送数据。等，传送数据。输入输入 端口地址端口地址 CPU 的寄存器的寄存器输出输出 CPU 的寄存器的寄存器 端口地址端口地址IN AL,61H如如IN AL,nOUT 60H,AL如如OUT n,AL设备选择电路设备选择电路数据缓冲寄存器数据缓冲

12、寄存器QQ&数据线数据线准备就绪准备就绪启动命令启动命令地址线地址线SEL输入数据输入数据启动设备启动设备设备工作设备工作 结束结束就绪就绪忙忙10 10v 程序查询方式的接口程序查询方式的接口 1 1）设备选择电路）设备选择电路 2 2）数据缓冲寄存器）数据缓冲寄存器 3 3）设备状态标志）设备状态标志 CPU通过执行程序不断读取并测试外设的状态，如果外设通过执行程序不断读取并测试外设的状态，如果外设处于就绪状态，则处于就绪状态，则CPUCPU执行输入指令执行输入指令(in)(in)或输出指令或输出指令(out)(out)与外与外设交换数据。否则设交换数据。否则CPUCPU循环等待。循环等待

13、。检查状态标记检查状态标记交换数据交换数据准备就绪准备就绪?是是否否测测试试指指令令转转移移指指令令传传送送指指令令打打印印机机 状态寄存器状态寄存器CPUCPU数据总线数据总线控制总线控制总线地址总线地址总线0:忙忙1:空闲空闲端口地址：端口地址：61H61H设设打印机打印机控制器的数据寄存器端口地址为控制器的数据寄存器端口地址为62H(62H(图图中未给出），待打印的字符在中未给出），待打印的字符在BLBL中，则处理器通中，则处理器通过查询状态寄存器输出过查询状态寄存器输出待打印待打印数据的程序如下：数据的程序如下：INPUT:IN AL,61H INPUT:IN AL,61H ；读状态寄

14、存器；读状态寄存器 AND AL,01H AND AL,01H ；测试最低位；测试最低位 JZ INPUT JZ INPUT ；继续读入；继续读入 OUT BL,62H OUT BL,62H ；输出待打印数据；输出待打印数据BUSY多个设备程序查询流程图多个设备程序查询流程图8.3 中断方式中断方式v中断的基本概念中断的基本概念 在在CPUCPU正正常常运运行行程程序序时时，由由于于内内部部或或外外部部某某个个非非预预料料事事件件的的发发生生，使使CPUCPU暂暂停停正正在在运运行行的的程程序序，而而转转去去执执行行处处理理引引起起中中断断事事件件的的程程序序，然然后后再再返返回回被被中中断断

15、了了的的程程序序，继继续续执执行行。这这个个过过程程就就是是中中断断。中中断断适适合合随随机机出出现现的的请请求求，例例如如输输入入输输出出设设备备的的请请求。求。主主程程序序主主程程序序中断请求中断请求中断返回中断返回中断服务中断服务子程序子程序I/OI/O中断的产生中断的产生以打印机为例以打印机为例发发中中断断请请求求 空闲空闲接收接收数据数据接收接收数据数据准备准备发发中中断断请请求求打印打印打印打印打印机打印机执行主程序执行主程序继续执行主程序继续执行主程序继续执行主程序继续执行主程序响响应应中中断断中中断断返返回回响响应应中中断断中中断断返返回回 启动启动打印机打印机传送传送数据数据

16、传送传送数据数据CPUCPU 与打印机并行工作与打印机并行工作v中断的过程中断的过程 能向能向CPUCPU发出中断请求的中断源很多，而且中断请求又是随机的，但发出中断请求的中断源很多，而且中断请求又是随机的，但CPUCPU对中断的响应和处理必须经过以下几个过程：对中断的响应和处理必须经过以下几个过程：1)1)中断请求：外设通过中断请求输入中断请求：外设通过中断请求输入线线INTRINTR给出中断请求给出中断请求。2)2)中断判优：对于一个复杂的系统同一时刻会出现多个中断请求。对每一个中断判优：对于一个复杂的系统同一时刻会出现多个中断请求。对每一个中断请求设置一个中断优先权。当多个中断请求同时出

17、现时，中断请求设置一个中断优先权。当多个中断请求同时出现时，CPU按中断优按中断优先级的高低，通过中断请求应答线先级的高低，通过中断请求应答线INTAINTA对优先级别最高的中断给予响应。对优先级别最高的中断给予响应。3)3)中断响应：中断响应：CPU在每一条指令执行结束之后，在每一条指令执行结束之后，即转入即转入公操作公操作时才受理设备时才受理设备的中断请求，这样才不致于使当前指令的执行受到干扰。的中断请求，这样才不致于使当前指令的执行受到干扰。每当一条指令执行每当一条指令执行完毕，完毕，CPU便检查外设的中断请求信号，若中断请求信号为便检查外设的中断请求信号，若中断请求信号为1 1，并且，

18、并且CPUCPU内部内部的中断管理部件的的中断管理部件的中断屏蔽触发器中断屏蔽触发器为为0 0时，时，(为为1 1时时CPUCPU不响应外设的中断不响应外设的中断)则则CPUCPU通过通过INTAINTA引腿给出中断响应输出信号，转入中断周期。引腿给出中断响应输出信号，转入中断周期。4)4)保存断点：为了在中断服务结束之后，能返回中断的主程序继续执行原保存断点：为了在中断服务结束之后，能返回中断的主程序继续执行原来的程序，中断之前来的程序，中断之前CPUCPU要将执行的下一条指令的地址，即要将执行的下一条指令的地址，即程序程序计数器计数器PCPC的的值和值和状态寄存器状态寄存器推入堆栈。推入堆

19、栈。5)5)关闭中断：为了在中断服务过程中，关闭中断：为了在中断服务过程中，CPUCPU不再被新的中断源的中断请求所不再被新的中断源的中断请求所打扰，将打扰，将中断屏蔽触发器中断屏蔽触发器置置1 1。6)6)中断地址的形成：中断地址是中断服务子程序入口地址，即运行服务程中断地址的形成：中断地址是中断服务子程序入口地址，即运行服务程序在内存中的起始地址。序在内存中的起始地址。7)7)转入中断服务处理程序。转入中断服务处理程序。8)8)保护现场：中断服务子程序运行过程时，若要使用保护现场：中断服务子程序运行过程时，若要使用CPU中的某些通用寄中的某些通用寄存器，为了在中断服务结束之后能使原来的程序

20、继续运行，必须恢复中存器，为了在中断服务结束之后能使原来的程序继续运行，必须恢复中断响应之前程序使用的断响应之前程序使用的CPU各通用寄存器中的数据。为此，在中断处理之各通用寄存器中的数据。为此，在中断处理之前，必须把前，必须把中断处理将要使用的寄存器的数据压入堆栈中断处理将要使用的寄存器的数据压入堆栈加以保护，这个过加以保护，这个过程称为保存现场。程称为保存现场。10)10)恢复现场：恢复现场：将原来推入堆栈的通用寄存器的数据弹出，恢复响应中断之将原来推入堆栈的通用寄存器的数据弹出，恢复响应中断之前的程序的运行状态。前的程序的运行状态。12)12)恢复断点：恢复恢复断点：恢复程序程序计数器计

21、数器PCPC以及以及状态寄存器状态寄存器的内容，使处理器从被中的内容，使处理器从被中断的主程序的下一条指令继续运行。断的主程序的下一条指令继续运行。9)9)执行中断服务处理程序：为提出中断请求的设备服务执行中断服务处理程序：为提出中断请求的设备服务13)13)返回主程序继续执行返回主程序继续执行11)11)开放中断：为了在中断服务结束之后，开放中断：为了在中断服务结束之后，CPU能够响应新的中断源的中断能够响应新的中断源的中断请求，将请求，将中断屏蔽触发器中断屏蔽触发器置置0 0。中断判优中断判优关闭中断关闭中断形成中断地址形成中断地址CPU主主程程序序响应中断响应中断开放中断开放中断主主程程

22、序序中断处理过程中断处理过程中断请求中断请求外部设备外部设备中断请求中断请求外部设备外部设备保护现场保护现场执行中断服务程序执行中断服务程序恢复现场恢复现场保存断点保存断点恢复断点恢复断点中断结束中断结束中断服务子程序中断服务子程序v程序中断方式的基本接口程序中断方式的基本接口 中断由外设接口的状态和中断由外设接口的状态和CPUCPU两方面来控制：两方面来控制：外设部分：外设部分：准备就绪触发器准备就绪触发器(RD)(RD)：一旦设备做好一次数据的接收或发送，使：一旦设备做好一次数据的接收或发送，使RDRD标志标志置置“1 1”。在中断方式中该标志称为。在中断方式中该标志称为中断触发器中断触发

23、器。允许中断触发器允许中断触发器(EI)(EI)：EIEI为为“1 1”时，设备可以向时，设备可以向CPUCPU发出中断请求；发出中断请求；EIEI为为“0 0”时，不能向时，不能向CPUCPU发出中断请求。设置发出中断请求。设置EIEI标志的目的，就是通过软件标志的目的，就是通过软件来控制是否允许某设备发出中断请求。来控制是否允许某设备发出中断请求。CPUCPU部分：部分：中断请求触发器中断请求触发器(IR)(IR)：它用来暂存中断请求线上由设备发出的中断请求：它用来暂存中断请求线上由设备发出的中断请求信号。当信号。当IRIR标志为标志为“1 1”时，表示设备发出了中断请求。时，表示设备发出

24、了中断请求。中断屏蔽触发器中断屏蔽触发器(IM)(IM)：它决定：它决定CPUCPU是否受理外设的中断。是否受理外设的中断。IMIM标志为标志为“0 0”时，时，CPUCPU可以受理外界的中断请求，反之，可以受理外界的中断请求，反之，IMIM标志为标志为“1 1”时，时，CPUCPU不受理不受理外界的中断。外界的中断。程序中断方式的基本程序中断方式的基本接口的动作过程参看动画接口的动作过程参看动画8.48.4v单级中断单级中断 根据计算机系统对中断处理的策略不同，可分为单级中断根据计算机系统对中断处理的策略不同，可分为单级中断系统和多级中断系统。系统和多级中断系统。单级中断的概念单级中断的概念

25、 单级中断系统是中断结构中最基本的形式。在单级中断系单级中断系统是中断结构中最基本的形式。在单级中断系统中，所有的中断源都属于同一级，所有中断源触发器排成一统中，所有的中断源都属于同一级，所有中断源触发器排成一行，其行，其优先次序是离优先次序是离CPU近的优先权高近的优先权高。当响应某一中断请求。当响应某一中断请求时，执行该中断源的中断服务程序。在此过程中，时，执行该中断源的中断服务程序。在此过程中，不允许其他不允许其他中断源再打断中断服务程序中断源再打断中断服务程序，即使优先权比它高的中断源也不，即使优先权比它高的中断源也不能再打断。能再打断。在单级中断系统中，所有的在单级中断系统中，所有的

26、I/OI/O设备通过一条公共线向设备通过一条公共线向CPUCPU的的INTRINTR引脚发送中断请求信号，引脚发送中断请求信号，CPUCPU响应中断后，通过响应中断后，通过INTAINTA引引脚发送中断脚发送中断响应响应信号，采用串行排队链法信号，采用串行排队链法(称为菊花链法称为菊花链法)来实来实现具有公共请求线的中断源判优识别。现具有公共请求线的中断源判优识别。INTP1INTP2INTP3INTP4INTR1INTR2INTR3INTR4 1&1&1&1&INTR1设备设备 1#、2#、3#、4#优先级按优先级按 降序排列降序排列INTR1=1 有请求有请求 即即 INTR1=0屏蔽了屏

27、蔽了 优先级低优先级低 的中断源的中断源单级中断源的识别单级中断源的识别 在具有公共请求线的中断源判优系统中，在具有公共请求线的中断源判优系统中，CPUCPU如何实现中断源的识别是必如何实现中断源的识别是必须要解决的问题。在单极中断中，常常采用串行排队链法。须要解决的问题。在单极中断中，常常采用串行排队链法。1INTP11INTP21INTP31INTP4&INTR1INTR2INTR3INTR4INTR1INTR2INTR3INTR4 1&1&1&1&INTP1INTP2INTP3INTP4INTR2INTR1INTR1INTR21&INTP2屏蔽了屏蔽了 没有没有 发送中断请求发送中断请求

28、 优先级高优先级高 的中断源的中断源中断地址产生中断地址产生1INTP11INTP21INTP31INTP4&INTR1INTR2INTR3INTR4INTR1INTR2INTR3INTR4 1&1&1&1&INTP1INTP2INTP3INTP4INTR2INTR1INTR1INTR21&INTP2数据总线数据总线1100向量地址向量地址排队器输出排队器输出 显示器服务程序显示器服务程序 打印机服务程序打印机服务程序 JMP 400JMP 400 JMPJMP 300 300 JMP 200JMP 200主存主存12H13H14H200300向量地址向量地址入口地址入口地址入口地址入口地址中

29、断向量地址中断向量地址形成部件形成部件 设备设备编码器编码器1 0 0 0000100100 1 0 000010011 在串行排队链法中，由中断优先级排队链对优先级最高的中断源的中断在串行排队链法中，由中断优先级排队链对优先级最高的中断源的中断请求给予响应，同时利用编码器产生该设备对应的唯一的编码，该编码也称请求给予响应，同时利用编码器产生该设备对应的唯一的编码，该编码也称为为向量地址向量地址。根据中断源的向量地址，得到中断处理子程序的入口地址。中断处理子根据中断源的向量地址，得到中断处理子程序的入口地址。中断处理子程序的入口地址称为程序的入口地址称为中断向量中断向量。1 1、排队器输出中断

30、源的唯一向量地址、排队器输出中断源的唯一向量地址2 2、将向量地址装入、将向量地址装入CPUCPU的程序计数器的程序计数器PCPC，读取跳转指令，读取跳转指令到指令寄存器到指令寄存器IRIR3 3、执行跳转指令，执行跳转指令，将跳转指令中的地址码将跳转指令中的地址码(中断向量中断向量)送程序计数器送程序计数器PCPC4 4、程序转入中断处理子程序。、程序转入中断处理子程序。显示器服务程序显示器服务程序 打印机服务程序打印机服务程序 JMP 400JMP 400 JMPJMP 300 300 JMP 200JMP 200主存主存12H13H14H200300向量地址向量地址排队器输出排队器输出中

31、断向量地址中断向量地址形成部件形成部件000100110 1 0 0000100PCIR13JMP 300300CPU例：例：参见前面所示的参见前面所示的串行排队链构成的单级中断系统串行排队链构成的单级中断系统，IR1IR1IR3IR3分别对应分别对应设备设备A A，B B，C C。假假设：设：(1)CPU(1)CPU在响应一个新的中断之前，先要让被中断的程序的一条指令一定要在响应一个新的中断之前，先要让被中断的程序的一条指令一定要执行完毕；执行完毕；(2)TDC(2)TDC为查询链中每个设备的延迟时间；为查询链中每个设备的延迟时间；(3)TA(3)TA，TBTB，TCTC分别为设备分别为设备

32、A A，B B，C C的服务程序所需的执行时间；的服务程序所需的执行时间；(4)TS,TR(4)TS,TR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TMTM。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?答：假设执行一条指令的时间为答：假设执行一条指令的时间为TMTM。如果三个设备同时发出中断请求，那。如果三个设备同时发出中断请求，那么依次分别处理设备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：的时间如下：tAtA=2TM+TDC+T

33、S+TA+TR=2TM+TDC+TS+TA+TR tBtB=2TM+2TDC+TS+TB+TR=2TM+2TDC+TS+TB+TR tCtC=2TM+3TDC+TS+TC+TR=2TM+3TDC+TS+TC+TR 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=tA+tB+tCtA+tB+tC T T是达到中断饱和的最小时间，即中断极限频率为：是达到中断饱和的最小时间，即中断极限频率为：f=1/Tf=1/Tv多级中断多级中断 多级中断系统是指计算机系统中有相当多的中断源，根据各中断事件多级中断系统是指计算机系统中有相当多的中断源，根据各中断事件的轻重缓急程度不同而分成的轻重缓急

34、程度不同而分成若干级别若干级别，每一中断级分配给一个，每一中断级分配给一个优先权优先权。优。优先权高的中断级可以打断优先权低的中断服务程序。根据系统的配置的不先权高的中断级可以打断优先权低的中断服务程序。根据系统的配置的不同，多级中断可分为一维多级中断和二维多级中断。同，多级中断可分为一维多级中断和二维多级中断。同级设备的优先级同级设备的优先级用串行排队链法确用串行排队链法确定优先级定优先级系统为每一级中断配有一个中断请系统为每一级中断配有一个中断请求触发器保存外设的中断请求，一求触发器保存外设的中断请求，一个系统若有个系统若有n n级中断，在级中断，在CPU中就有中就有n n个中断请求触发器

35、，总称为个中断请求触发器，总称为中断请中断请求寄存器求寄存器 系统为每一级中断配有一个中断屏蔽触发系统为每一级中断配有一个中断屏蔽触发器决定是否响应外设的中断请求，一个系器决定是否响应外设的中断请求，一个系统若有统若有n n级中断，在级中断，在CPU中就有中就有n n个中断屏个中断屏蔽触发器，总称为蔽触发器，总称为中断屏蔽寄存器中断屏蔽寄存器 例：参见前面所示的二维中断系统。请问：例：参见前面所示的二维中断系统。请问：(1)(1)在中断情况下，在中断情况下，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。答：在中断情况下

36、，答：在中断情况下，CPUCPU的优先级最低。各设备的优先次序是：的优先级最低。各设备的优先次序是：ABC DEFGHICPUABC DEFGHICPU。(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，IMIM2 2，IMIM1 1，IMIM0 0的状态是的状态是什么什么?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，IMIM2 2，IMIM1 1，IMIM0 0的状态的状态又是什么又是什么?答：执行设备答：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

37、备D D的中的中断服务程序时，断服务程序时，IMIM2 2IMIM1 1IMIM0 0=011=011。(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?答：每一级的答：每一级的IMIM标志不能对某个优先级的个别设备进行单独屏标志不能对某个优先级的个别设备进行单独屏蔽。可将接口中的蔽。可将接口中的EI(EI(中断允许中断允许)标志清标志清“0 0”，它禁止设备发出，它禁止设备发出中断请求。中断请求。例：某机器有例：某机器有5 5级中断，级中断，L0L0，L1L1，L

38、2L2，L3L3，L4L4，中断响应的优先，中断响应的优先次序为：次序为：L0L0最高，最高，L4L4最低，各级中断处理程序的中断级屏蔽值最低，各级中断处理程序的中断级屏蔽值如何设定如何设定，“0 0”表示允许中断，表示允许中断，“1 1”表示屏蔽中断。表示屏蔽中断。中断处理程序中断处理程序中断处理级屏蔽位中断处理级屏蔽位L0L0级级L1L1级级L2L2级级L3L3级级L4L4级级L0L0中断处理程序中断处理程序1 11 11 11 11 1L1L1中断处理程序中断处理程序0 01 11 11 11 1L2L2中断处理程序中断处理程序0 00 01 11 11 1L3L3中断处理程序中断处理程

39、序0 00 00 01 11 1L4L4中断处理程序中断处理程序0 00 00 00 01 1例：如果现在要求中断处理的次序为：例：如果现在要求中断处理的次序为：L1-L3-L0-L4-L2,L1-L3-L0-L4-L2,各级中断处理程序的中断级屏蔽值如何设定，各级中断处理程序的中断级屏蔽值如何设定，“0 0”表示允许表示允许中断，中断，“1 1”表示屏蔽中断。表示屏蔽中断。中断处理程序中断处理程序中断处理级屏蔽位中断处理级屏蔽位L0L0级级L1L1级级L2L2级级L3L3级级L4L4级级L0L0中断处理程序中断处理程序1 10 01 10 01 1L1L1中断处理程序中断处理程序1 11 1

40、1 11 11 1L2L2中断处理程序中断处理程序0 00 01 10 00 0L3L3中断处理程序中断处理程序1 10 01 11 11 1L4L4中断处理程序中断处理程序0 00 01 10 01 1中断控制器中断控制器8259A8259A 在多级中断中，由于中断源比较多，为了以在多级中断中，由于中断源比较多，为了以较快的中断响较快的中断响应时间决定响应哪一级中断和哪一个中断源，应时间决定响应哪一级中断和哪一个中断源，常采用专用芯片常采用专用芯片的中断源判优识别。的中断源判优识别。INTELINTEL的的8259A8259A中断控制器是一个集成电路芯片，它将中断中断控制器是一个集成电路芯片

41、，它将中断接口与优级判断等功能汇集于一身，常用于微型机系统，其特接口与优级判断等功能汇集于一身，常用于微型机系统，其特点主要有：点主要有：v管理和控制管理和控制80 x8680 x86的外部中断请求的外部中断请求v实现中断判优实现中断判优v提供向量地址提供向量地址v屏蔽中断输入屏蔽中断输入v使用单片使用单片8259A8259A可以管理可以管理8 8级中断。级中断。v采用级联方式，最多可管理采用级联方式，最多可管理6464级中断级中断8259A8259A内部结构内部结构内部总线内部总线 缓冲器缓冲器读读/写写逻逻 辑辑级联缓冲级联缓冲器器/比较器比较器优先权优先权比较器比较器(PR)(PR)中断

42、中断服务服务寄存寄存器器(ISR)(ISR)中断中断 请求请求 寄存寄存 器器(IRR)(IRR)中断屏蔽寄存器中断屏蔽寄存器 （IMRIMR）控制逻辑控制逻辑INTINTAD7D0A0RDWRCSCAS0CAS1CAS2SP/ENIR0IR1IR2IR3IR4IR5IR6IR7内部总线内部总线中断请求寄存器中断请求寄存器IRRIRR：接收外部的中断请求，接收外部的中断请求，IRRIRR有有8 8位，它位，它们分别和引腿们分别和引腿IRIR7 7IRIR0 0相对应。接收来自某一引腿的中断请相对应。接收来自某一引腿的中断请求后，求后，IRRIRR寄存器中的对应位便置寄存器中的对应位便置1 1，

43、也就是对这一中断请求，也就是对这一中断请求作了锁存。作了锁存。中断优先级裁决器：中断优先级裁决器：把新进入的中断请求和当前正在处理的把新进入的中断请求和当前正在处理的中断比较决定哪一个优先级更高，从而为中断比较决定哪一个优先级更高，从而为CPUCPU是否为本次中是否为本次中断请求作出响应提供依据。断请求作出响应提供依据。中断屏蔽寄存器中断屏蔽寄存器IMRIMR：IMRIMR有有8 8位，一个中断请求能否进入中位，一个中断请求能否进入中断优先裁决器要根据的对应位是否为断优先裁决器要根据的对应位是否为0 0来决定，如果为来决定，如果为0 0，该，该中断请求可以进入中断请求可以进入中断优先级裁决器，

44、反之该中断请求被屏中断优先级裁决器，反之该中断请求被屏蔽。蔽。中断服务寄存器的中断服务寄存器的ISRISR：ISRISR有有8 8位，如果位，如果CPUCPU为某个引腿的中为某个引腿的中断请求提供服务，则相应位被置断请求提供服务，则相应位被置1 1，即存放当前正在处理的，即存放当前正在处理的中断请求的。中断请求的。IRIR0 0IRIR1 1IRIR2 2IRIR4 4IRIR3 3IRIR6 6IRIR5 5IRIR7 70 01 10 00 00 00 01 10 0IRRIRRIMRIMR000000ISRISR优先优先级裁级裁决器决器1110INTINTA108259A工作过程工作过程

45、优先级优先级低低优先级低，不予响应优先级低，不予响应IMRIMR为为1 1，屏蔽该中断，屏蔽该中断11优先级高给予响应，从优先级高给予响应，从INT引腿送出中断信号引腿送出中断信号8.4 DMA8.4 DMA方式方式考虑外设与接口的数据传输方式：考虑外设与接口的数据传输方式：1)1)查询方式：查询方式：CPU通过程序读取接口的状态寄存器，查询外通过程序读取接口的状态寄存器，查询外设是否处于就绪状态，在该方式中设是否处于就绪状态，在该方式中CPUCPU的绝大部分时间在循环的绝大部分时间在循环等待，利用率极低。等待，利用率极低。传输一个字符的过程中，传输一个字符的过程中，CPUCPU全程干预。全程

46、干预。2)2)中断方式：当外设准备就绪后，发送中断请求给中断方式：当外设准备就绪后，发送中断请求给CPU，要，要求求CPU提供服务，在该方式中，提供服务，在该方式中，CPUCPU的利用率得到了极大的提的利用率得到了极大的提高。高。在传输一个字符的过程中，在传输一个字符的过程中，CPUCPU要进行中断响应和中断返要进行中断响应和中断返回两次干预。回两次干预。虽然中断技术使得虽然中断技术使得CPU的利用率得到了极大的提高，但是的利用率得到了极大的提高，但是对于大量数据的成批传输，该方式仍显不足。例如一次传递对于大量数据的成批传输，该方式仍显不足。例如一次传递1M1M字节的文件，字节的文件，CPUC

47、PU要进行要进行100100万次的中断服务，每次中断服务都万次的中断服务，每次中断服务都要经过中断响应，保存断点，保存现场，处理服务子程序和中要经过中断响应，保存断点，保存现场，处理服务子程序和中断返回等过程，使断返回等过程，使CPUCPU的利用率大幅下降。的利用率大幅下降。vDMADMA的基本概念的基本概念 为了进一步提高为了进一步提高CPUCPU的利用率，人们提出了直接内存访文的利用率，人们提出了直接内存访文技术，即技术，即Direct Memory AccessDirect Memory Access,简称简称DMADMA技术。技术。在在DMADMA方式下，外部设备利用专门的接口电路直接

48、和内存方式下，外部设备利用专门的接口电路直接和内存进行高速的数据交换，不需要进行高速的数据交换，不需要CPUCPU的干预。这样在进行数据传的干预。这样在进行数据传输时就不需要像中断那样要进行保护断点之类的一系列操作，输时就不需要像中断那样要进行保护断点之类的一系列操作，使使CPUCPU的利用率得到大幅度的提高。的利用率得到大幅度的提高。利用利用DMADMA方式进行数据传输时，当然要利用系统中的数据方式进行数据传输时，当然要利用系统中的数据总线，地址总线和控制总线，但是系统的总线是由总线，地址总线和控制总线，但是系统的总线是由CPUCPU管理控管理控制的。因此用制的。因此用DMADMA方式进行数

49、据传输的时候，接口电路需要向方式进行数据传输的时候，接口电路需要向CPU发送总线请求，申请发送总线请求，申请CPUCPU让出总线，即把总线控制权交给让出总线，即把总线控制权交给控制控制DMADMA传输的接口电路。传输的接口电路。这种能够控制系统总线完成外设与内存之间大量数据交换这种能够控制系统总线完成外设与内存之间大量数据交换的接口电路就是的接口电路就是DMADMA控制器。控制器。vDMADMA传送方式传送方式1)1)停止停止CPUCPU访问内存。访问内存。当外围设备要求传送一批数据时，由当外围设备要求传送一批数据时，由DMADMA控制器控制器发一个总发一个总线请求信号给线请求信号给CPUCP

50、U，要求，要求CPUCPU放弃地址线、数据线和控制线的使放弃地址线、数据线和控制线的使用权。用权。DMADMA控制器控制器获得总线控制权后，开始进行数据传送。在获得总线控制权后，开始进行数据传送。在一批数据传送完后，一批数据传送完后，DMADMA控制器控制器通知通知CPUCPU可以使用内存，并把总可以使用内存，并把总线控制权还给线控制权还给CPUCPU。优点：控制简单。优点：控制简单。缺点：缺点：I/OI/O设备准备数据慢，主存很多时间处于等待，使用效率不高。设备准备数据慢，主存很多时间处于等待，使用效率不高。内存工作时间内存工作时间CPUCPU控制控制 内存内存DMADMA控制控制 内存内存