计算机组成与结构PPT课件(全)第10章输入输出系统.ppt
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1、第十章第十章输入输出系统输入输出系统n一、一、输入输出系统概述输入输出系统概述n二、程序中断输入输出方式二、程序中断输入输出方式n三、三、DMA输入输出方式输入输出方式n四、通道控制方式和外围处理机方式四、通道控制方式和外围处理机方式n五、五、系统总线系统总线n六、六、外设接口外设接口一、一、输入输出系统概述输入输出系统概述 I/O系统包括外部设备和外部设备与系统包括外部设备和外部设备与主机之间的控制部件。其中后者又称为主机之间的控制部件。其中后者又称为设备控制器,也称为设备控制器,也称为接口接口或设备适配器,或设备适配器,它的作用是控制并实现主机与外设之间它的作用是控制并实现主机与外设之间的
2、数据传送。的数据传送。1.1I/O设备的编址及设备的编址及I/O接口的基本功接口的基本功能能 1.2I/O设备数据传送控制方式设备数据传送控制方式1.1I/O设备的编址及设备的编址及I/O接口基本功能接口基本功能n1、I/O接口功能接口功能n2、接口基本组成、接口基本组成n3、I/O设备编址设备编址n4、寻址方式、寻址方式n5、I/O接口类型接口类型1、I/O接口功能接口功能(1)进行地址译码和设备选择)进行地址译码和设备选择当当CPU送来选择外设的地址码后,接口必须对送来选择外设的地址码后,接口必须对地址进行译码以产生设备选择信息,使主机能地址进行译码以产生设备选择信息,使主机能和指定外设交
3、换信息。和指定外设交换信息。(2)实现数据缓冲和锁存)实现数据缓冲和锁存在输入过程中,先将数据送入数据缓冲寄在输入过程中,先将数据送入数据缓冲寄存器中,然后再送到输出设备或主机中去;在存器中,然后再送到输出设备或主机中去;在输出时,先将数据送入锁存器。输出时,先将数据送入锁存器。(3)数据格式的变换)数据格式的变换CPU出来的数据是并行的二进制信号,外出来的数据是并行的二进制信号,外设有的是串行或模拟信号。设有的是串行或模拟信号。(4)传递控制命令和状态信息)传递控制命令和状态信息 2、接口基本组成、接口基本组成CPU外外设设接接口口ABDBCBDB 控制命令控制命令 状态信息状态信息(1)数
4、据寄存器)数据寄存器数据端口数据端口实现数据缓冲与锁存实现数据缓冲与锁存(2)控制命令寄存器)控制命令寄存器控制端口控制端口(3)状态信息寄存器)状态信息寄存器状态端口状态端口保存状态信息,供保存状态信息,供CPU检测使用检测使用(4)控制逻辑电路)控制逻辑电路 地址译码与设备选择电路地址译码与设备选择电路中断控制逻辑电路中断控制逻辑电路读写控制电路读写控制电路3、I/O设备编址设备编址I/O设备编址原因设备编址原因:为了方便为了方便CPU对对I/O设备进行寻址和选择,必须给每一台设备进行寻址和选择,必须给每一台设备规定一些地址码(设备号或设备代设备规定一些地址码(设备号或设备代码)。码)。4
5、、寻址方式、寻址方式 (1)独立)独立I/O方式方式该地址与内存地址无关,该地址与内存地址无关,CPU使用专使用专用用I/O指令访问外设。指令访问外设。端口地址的两种编码方式:端口地址的两种编码方式:优优:专门的:专门的I/O指令,与访存分开;指指令,与访存分开;指令执行快;不占内存地址空间。令执行快;不占内存地址空间。缺缺:需专用指令、寻址方式少。:需专用指令、寻址方式少。全编码全编码n条地址线,条地址线,2n个外设个外设位编码位编码n条地址线,条地址线,n个外设个外设 (2)存储器统一寻址方式)存储器统一寻址方式把外设端口与存储器统一进行编址,把外设端口与存储器统一进行编址,不需要专门的不
6、需要专门的I/O指令。指令。优优:访存指令可访问端口,寻址类型:访存指令可访问端口,寻址类型多。多。缺缺:占用存储器空间;速度慢。:占用存储器空间;速度慢。问题问题:地址空间的分配:地址空间的分配 用地址码的高位来区分内存与外设用地址码的高位来区分内存与外设 规定部分地址为外设地址规定部分地址为外设地址IBMPC设备地址码设备地址码 I/O设备设备占用地址数占用地址数地址码(地址码(16进制)进制)硬盘控制器硬盘控制器 软盘控制器软盘控制器 彩色图形显示器彩色图形显示器 异步通信控制器异步通信控制器 16 8 16 8 320-32FH 3F0-3F7H 3D0-3DFH 3F8-3FFHIB
7、MPC等系列机设置有专门的等系列机设置有专门的IO指令,设指令,设备的编址可达备的编址可达512个,部分设备的地址码如上表个,部分设备的地址码如上表所示。所示。从表中可见,每一台设备占用了若干个从表中可见,每一台设备占用了若干个地址码分别表示相应的设备控制器中的寄存器地址码分别表示相应的设备控制器中的寄存器地址。地址。2004上半年高级程序员试题上半年高级程序员试题若某个计算机系统中,内存地址与若某个计算机系统中,内存地址与I/O地地址统一编址,访问内存单元和址统一编址,访问内存单元和I/O是靠是靠_来区分。来区分。A.数据总线上输出的数据数据总线上输出的数据B.不同的地址代码不同的地址代码C
8、.内存与内存与I/O使用不同的地址总线使用不同的地址总线D.不同的指令不同的指令B2003程序员试题程序员试题n_的的说说法是正确的。法是正确的。A内存地址不能作内存地址不能作为为接口地址接口地址B内存地址可以作内存地址可以作为为接口地址接口地址C接口地址不可用作外存地址接口地址不可用作外存地址D接口地址可用作内存地址接口地址可用作内存地址B5、I/O接口类型接口类型 (1)按数据传送的宽度可分为并行)按数据传送的宽度可分为并行接口和串行接口。接口和串行接口。并行接口中,外设和接口之间是按并行接口中,外设和接口之间是按字节或字来传送数据;串行接口中,外字节或字来传送数据;串行接口中,外设与接口
9、之间是一位一位来传送数据。设与接口之间是一位一位来传送数据。(2)按功能选择的灵活性分为可编)按功能选择的灵活性分为可编程接口和不可编程接口。程接口和不可编程接口。(3)按通用性可分为通用接口与专)按通用性可分为通用接口与专用接口。用接口。2001程序员试题程序员试题RS一一232-C是是_。现在不少打印机。现在不少打印机,扫描仪和数字相扫描仪和数字相机等设备都通过机等设备都通过USB接口与主机相连接口与主机相连,它是它是_,此此类应用中的传送速率可达类应用中的传送速率可达_。它支持。它支持_通信通信,并完全支持并完全支持_。(51):A.Modem专用接口专用接口B.打印机接口打印机接口C.
10、通用串通用串行数据接口行数据接口D.通用并行数据接口通用并行数据接口(52):A.通用串行总线通用串行总线B.通用并行总线通用并行总线C.SCSI接接口口D.通用卡式接口通用卡式接口(53):A.56KbpsB.1.5MbpsC.12MbpsD.100Mbps(54):A.同步方式同步方式B.异步方式异步方式C.同步或异同步或异步方式步方式D.数据压缩方式数据压缩方式(55):A.模拟信号输入、输出模拟信号输入、输出B.局域网接口局域网接口C.无驱动程无驱动程序工作方式序工作方式D.即插即用技术即插即用技术CACCD1.2I/O设备数据传送控制方式设备数据传送控制方式 通常把通常把I/O设备数
11、据传送控制方式分为五种。设备数据传送控制方式分为五种。1、程序直接控制方式(查询法)、程序直接控制方式(查询法)完全通过程序来控制主机和外围设备之间的完全通过程序来控制主机和外围设备之间的信息传送通常的办法是在用户的程序中安排信息传送通常的办法是在用户的程序中安排一段由输入输出指令和其他指令所组成的程一段由输入输出指令和其他指令所组成的程序段直接控制外围设备的工作。序段直接控制外围设备的工作。传送时传送时,首先启动设备首先启动设备,发出启动命令发出启动命令,接着接着CPU等待外围设备完成接收或发送数据的准等待外围设备完成接收或发送数据的准备工作备工作,在等待时间内在等待时间内,CPU不断地用一
12、条测不断地用一条测试指令检测外围设备工作状态标志触发器。试指令检测外围设备工作状态标志触发器。一旦测试到标志触发器已置成一旦测试到标志触发器已置成“完成完成”状态状态,即可进行数据传送。即可进行数据传送。优点:控制方式简单。优点:控制方式简单。缺点:缺点:CPU利用率低。利用率低。仅仅适合于传输率高的外设。仅仅适合于传输率高的外设。启动外设启动外设外设工作完成?外设工作完成?N NY Y入入/出操作出操作 2、程序中断传送方式、程序中断传送方式 外设与外设与CPU可同步工作,当外设可同步工作,当外设准备好数据后向准备好数据后向CPU发出中断请求,发出中断请求,CPU接到请求后停止正在运行的程序
13、,接到请求后停止正在运行的程序,转去执行中断服务程序,完成后返回转去执行中断服务程序,完成后返回到原程序处。到原程序处。这种方式提高了这种方式提高了CPU的利用率,的利用率,但是成批交换数据的外设,用这种方但是成批交换数据的外设,用这种方式会造成信息丢失,可用式会造成信息丢失,可用DMA方式方式来解决。来解决。程序程序并行操作并行操作主机主机外设外设空闲空闲启动启动等待等待工作工作程序程序交换数据交换数据中断:中断:主机主机程序程序外设外设空闲空闲启动启动工作工作程序程序请求请求中断程序中断程序交换数据交换数据 3、DMA方式方式 直接存储器存取方式简称直接存储器存取方式简称DMA,基本思,基
14、本思想是在外设和主存之间开辟直接的数据传送想是在外设和主存之间开辟直接的数据传送通道。在不需要通道。在不需要CPU干预也不需要软件介入干预也不需要软件介入的情况下在两者之间进行的高速数据传送方的情况下在两者之间进行的高速数据传送方式。这项工作是由式。这项工作是由I/O系统中的系统中的DMA控制器控制器来完成。来完成。DMA仍有缺点:对外设的管理和某些仍有缺点:对外设的管理和某些操作的控制仍需操作的控制仍需CPU来承担。外设数量增多,来承担。外设数量增多,多个多个DMA同时使用,会引起访问主机冲突。同时使用,会引起访问主机冲突。4、I/O通道控制方式通道控制方式 在大型计算机系统中,所连接的在大
15、型计算机系统中,所连接的I/O设备设备数量多,输入数量多,输入/输出频繁,要求整体的速度快,输出频繁,要求整体的速度快,单纯依靠主单纯依靠主CPU采取中断和采取中断和DMA等控制方等控制方式已不能满足要求,因此引入式已不能满足要求,因此引入I/O通道。通道。I/O通道有自己的指令系统,并能实现通道有自己的指令系统,并能实现指令所控制的功能,所以指令所控制的功能,所以I/O通道已经具备通道已经具备处理机的功能。但是其指令较简单,一些复处理机的功能。但是其指令较简单,一些复杂的功能仍需要杂的功能仍需要CPU来完成,所以,来完成,所以,I/O通通道是不完整的处理机。道是不完整的处理机。MMCPUCH
16、CUDCUDCHCUDCUDDCHCUDD 5、外围处理机方式、外围处理机方式外围处理机简称外围处理机简称PPU,功能:可完成,功能:可完成I/O通道能完成的通道能完成的I/O控制,还能完成一些控制,还能完成一些复杂的操作。复杂的操作。外围处理机基本上独立于主机,使得外围处理机基本上独立于主机,使得计算机系统结构有了质的飞跃,由功能集计算机系统结构有了质的飞跃,由功能集中式发展为功能分散的分布式系统中式发展为功能分散的分布式系统。MMCPU处理机CUDCUD处理机CUDCUDD处理机CUDD二、二、程序中断输入输出方式程序中断输入输出方式 2.1中断的基本知识中断的基本知识2.2中断处理中断处
17、理2.3程序中断设备接口的组成程序中断设备接口的组成2.4中断与子程序的区别中断与子程序的区别2.1中断的基本知识中断的基本知识1、中断的定义、中断的定义 中断是指中断是指CPU对系统中或系统外发生对系统中或系统外发生异步事件的响应。异步事件的响应。异步事件是指无一定时序关系的随机异步事件是指无一定时序关系的随机发生事件。发生事件。2、中断的作用、中断的作用(1)CPU与与I/O设备同步工作设备同步工作(2)硬件故障处理)硬件故障处理(3)实现人机联系)实现人机联系(4)实现多道程序和分时操作)实现多道程序和分时操作(5)实现实时处理)实现实时处理(6)实现应用程序和操作系统的联系)实现应用程
18、序和操作系统的联系(7)多处理机系统各处理机间的联系)多处理机系统各处理机间的联系 3、中断的基本类型、中断的基本类型 (1)自愿中断和强迫中断自愿中断和强迫中断(2)程序中断和简单中断程序中断和简单中断(3)内中断和外中断内中断和外中断(4)向量中断和非向量中断向量中断和非向量中断(5)单重中断和多重中断单重中断和多重中断 4、中断源、中断源 定义:引起中断的事件称为中断定义:引起中断的事件称为中断源。源。中中断断触触发发器器:引引起起中中断断时时,先先把把中中断断保保存存在在设设备备控控制制器器的的中中断断触触发发器器中中,即即置置1 1,当当中中断断触触发发器器为为1 1时时,向向CPU
19、发出中断请求信号。发出中断请求信号。每个中断源都有一个中断触发器每个中断源都有一个中断触发器。5、中断的分级与中断优先权、中断的分级与中断优先权 优先权:多个中断同时发生时,对优先权:多个中断同时发生时,对各个中断响应的优先次序。按中断性质各个中断响应的优先次序。按中断性质和处理的轻重缓急对所有的中断赋予优和处理的轻重缓急对所有的中断赋予优先权。先权。中断级:把所有的中断按不同的类中断级:把所有的中断按不同的类别分为若干级,称为中断级。别分为若干级,称为中断级。分配优先权时分配优先权时必须要考虑数据传输必须要考虑数据传输率和服务程序的要求。率和服务程序的要求。6、禁止中断和中断屏蔽、禁止中断和
20、中断屏蔽 禁止中断禁止中断定义定义:产生中断后,由于某种条件的:产生中断后,由于某种条件的限制,限制,CPU不能中止现行程序的执行,称不能中止现行程序的执行,称为禁止中断。为禁止中断。实现实现:CPU中设置一个中断允许触发中设置一个中断允许触发器,当触发器为器,当触发器为1时,允许时,允许CPU响应中断。响应中断。中断允许触发器通过开中断、关中断中断允许触发器通过开中断、关中断指令来置位、复位,进入中断服务程序后指令来置位、复位,进入中断服务程序后自动关中断。自动关中断。中断屏蔽中断屏蔽 定义定义:产生中断请求后,用程序方产生中断请求后,用程序方式有选择地封锁部分中断,允许其余中式有选择地封锁
21、部分中断,允许其余中断得到响应。断得到响应。实现实现:为每个中断源设置一个中断:为每个中断源设置一个中断屏蔽触发器来屏蔽该设备的中断请求。屏蔽触发器来屏蔽该设备的中断请求。触发器置触发器置1 1时,相应的设备中断被封锁;时,相应的设备中断被封锁;置置0 0时,相应的设备中断允许得到响应。时,相应的设备中断允许得到响应。有些中断是不允许被屏蔽的,这些有些中断是不允许被屏蔽的,这些中断称为非屏蔽中断,即非屏蔽中断的中断称为非屏蔽中断,即非屏蔽中断的优先权最高。优先权最高。2.2中断处理中断处理 1、中断处理过程、中断处理过程 关中断、保存断点等关中断、保存断点等操作一般是由硬件来实现,操作一般是由
22、硬件来实现,类似一条指令,称为中断类似一条指令,称为中断隐指令。隐指令。中断服务程序中断服务程序:为处:为处理意外情况或有意安排的理意外情况或有意安排的任务而编写的程序称为任务而编写的程序称为“中断服务程序中断服务程序”。保存其余的处理器保存其余的处理器状态信息(现场)状态信息(现场)执行中断程序执行中断程序取回处理器状态取回处理器状态信息信息(恢复现场恢复现场)取回原取回原PSW和和PC软件软件完成完成设备控制器设备控制器/系统系统硬件发出中断请求硬件发出中断请求处理器结束当前处理器结束当前指令的执行指令的执行处理器发出中断处理器发出中断认可(响应)信号认可(响应)信号处理器将处理器将PSW
23、和和PC压入系统堆栈压入系统堆栈处理器装入中断程处理器装入中断程序入口地址到序入口地址到PC硬件硬件完成完成中断隐指令中断隐指令 保存断点和现场:保存断点和现场:为了在中断处理结束后为了在中断处理结束后能正确地返回到中断点能正确地返回到中断点,在响应中断时在响应中断时,必须把必须把当前的程序计数器当前的程序计数器PC中的内容中的内容(即断点即断点)保存起保存起来。来。现场信息一般指的是程序状态字现场信息一般指的是程序状态字,中断屏蔽中断屏蔽寄存器和寄存器和CPU中某些寄存器的内容。中某些寄存器的内容。对现场信息的处理有两种方式对现场信息的处理有两种方式:一种是由硬一种是由硬件对现场信息进行保存
24、和恢复件对现场信息进行保存和恢复;另一种是由软另一种是由软件即中断服务程序对现场信息保存和恢复。件即中断服务程序对现场信息保存和恢复。对硬件保存现场信息的方式。对硬件保存现场信息的方式。有的机器把有的机器把断点等保存在主存固定的单元断点等保存在主存固定的单元;有的机器每次有的机器每次响应中断后把处理机状态字和程序计数器内容响应中断后把处理机状态字和程序计数器内容相继压入堆栈相继压入堆栈,再从指定的两个主存单元分别取再从指定的两个主存单元分别取出新的程序计数器内容和处理机状态字来代替出新的程序计数器内容和处理机状态字来代替,称为交换新称为交换新,旧状态字方式。旧状态字方式。判别中断源判别中断源:
25、转向中断服务程序。:转向中断服务程序。在多个中断源在多个中断源同时请求中断的情况下同时请求中断的情况下,本次实际响应的只能是本次实际响应的只能是优先权最高的那个中断源优先权最高的那个中断源.所以需进一步判别中所以需进一步判别中断源断源,并转入相应的中断服务程序入口。并转入相应的中断服务程序入口。开中断开中断.:因为接下去就要执行中断服务程序:因为接下去就要执行中断服务程序,开中开中断将允许更高级中断请求得到响应断将允许更高级中断请求得到响应,实现中断嵌实现中断嵌套。套。执行中断服务程序执行中断服务程序:不同中断源的中断服务程序:不同中断源的中断服务程序是不同的是不同的,实际有效的中断处理工作是
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