九章节输入输出原理.ppt

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1、九章节输入输出原理 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望本章主要内容o程序查询方式o程序中断方式o直接内存访问方式o通道方式o外围处理机方式2程序查询方式o数据传输完全依赖于程序控制oCPU与外设之间的操作能够同步o硬件结构简单o频繁的查询动作浪费了大量宝贵的CPU时间o最古老的一种方式，目前很少使用3查询方式CPU处理过程 启动设备 查询设备状态 传送数据 内存地址递增 传送量计数 关闭设备准备好传送完NNYY4程序中断方式o外围设备主动通知CPU，准

2、备数据传输o当中断发生时，CPU中断当前的工作，转向中断处理子程序，该程序用于数据传输。o提高了CPU的使用效率。o适合随机出现的服务o硬件结构相对复杂，服务开销时间大5直接内存访问DMA方式o用于成组交换数据的场合o中断方式不适合于成组数据交换o由硬件执行I/O交换的工作方式oDMA控制器从CPU接管总线控制，数据交换无须CPU干预，直接在内存以及外围设备之间进行，节约了中断开销o需要更多硬件6通道方式o分担CPU的I/O 处理的功能o通道是一个具有特殊功能的输入/输出处理器(IOP)o可以实现外围设备的统一管理和DMA操作o大大提高了CPU工作效率o花费更多的硬件代价7外围处理机方式(PP

3、U)oPPU方式是通道方式的进一步延伸；o独立于主机工作8信息交换方式o程序查询方式o程序中断方式o直接内存访问方式o通道方式o外围处理机方式9程序中断方式o中断基本概念o程序中断基本接口o中断仲裁方式o中断控制器10中断基本概念oCPU暂时中止现行程序的执行，转去执行为某个随机事件服务的中断处理子程序，处理完毕后自动恢复原程序的执行n保存断点，保护现场；n恢复现场，返回断点。n一条指令结束时切换。n保证程序的完整性。11中断意义o非正常的现象:运算溢出、除零、死循环或电压下降等o外部设备要求传送信息 中断技术赋于计算机应变能力，将有序的运行和无序的事件统一起来，大大增强了系统的处理能力12程

4、序中断处理示意图主程序A请求中断B请求中断C请求中断A中断服务子程序B中断服务子程序C中断服务子程序13中断程序与子程序o子程序调用是由主程序安排在特定位置上的，与主程序存在必然联系。o中断随机发生，可在程序任何一个位置切换，没有直接联系。14中断作用o实现主机和外部设备并行工作 使用中断技术后，CPU原来用于查询外设状态的时间被充分地利用起来了，其工作效率得到了显著的提高。主程序启动设备设备请求中断设备准备中断服务15两种控制方式中CPU运行轨迹16中断作用o故障处理n系统能在故障出现时发出中断信号，调用相应的处理程序，将故障的危害降到最低程度，并请求系统管理员排除故障。o实时处理n计算机在

5、现场测试和控制、网络通讯、人机对话时都具有强烈的实时性，中断技术能确保实时信号的处理。17中断的类型 中断 内中断 外中断(强迫中断)自愿中断本质属子程序调用 强迫中断 硬件故障 软件出错 不可屏蔽中断 可屏蔽中断 18中断优先级o多个设备同时产生中断请求，CPU必须采用一定的策略进行响应o优先级CPU响应并处理中断请求的先后次序o优先级高的先响应o优先级高的设备的中断请求可以中断CPU当前所服务的优先级低的服务程序19中断优先级oCPU设定优先级：优先级随执行程序而改变(如执行某设备的服务程序，CPU的优先级就与该设备的优先级一样)o凡是低于或者等于当前优先级的设备请求均要屏蔽oCPU在程序

6、开始执行时，就设置设备接口中的中断屏蔽触发器(INM)状态(如CPU当前优先级是3级(0为最高级)，则将3级以上的低优先级设备接口中的INM置“1”即屏蔽，其他置“0”)20划分优先级的一般规律o硬件故障中断属于最高级，o其次是程序错误中断o非屏蔽中断优于可屏蔽中断oDMA请求优先于I/O设备传送的中断请求o高速设备优于低速设备，输入设备的中断优于输出设备，实时设备优先于普通设备o同一优先等级中可以包括多台设备，这些设备中离计算机近的优先，形成了二维优先等级。21二维优先级示意图 22中断屏蔽o中断屏蔽技术可动态改变各设备的优先级。o响应优先级nCPU对各设备中断请求进行响应，并准备好处理的先

7、后次序，这种次序往往在硬件线路上已固定，不便于变动。o处理优先级。nCPU实际对各中断请求处理的先后次序。如果不使用屏蔽技术，响应的优先次序就是处理的优先次序。23中断屏蔽方式24中断屏蔽位oCPU响应中断后，正在执行中断服务子程序时，可能有另外一个设备也发出中断请求，为了不发生混乱，中断管理部件中必须有一个中断屏蔽寄存器。o设置1为设置屏蔽，否则取消屏蔽。25屏蔽码o通过控制各设备接口的屏蔽触发器状态，达到改变处理次序的目的。CPU送往各设备接口屏蔽触发器状态信息的集合，称为屏蔽码26单级中断与多级中断o当几个设备同时产生中断请求时，CPU响应即优先级高的中断请求。o但当CPU正在处理低优先

8、级设备时，出现了高优先级设备的中断请求，那是不是一定要中断运行中的程序呢？o出于对系统硬件、软件开销的权衡，有两种解决方式，即单级中断处理和多重中断处理。27单级中断o所有中断源均属同一级，离CPU近的优先级高。o当 CPU正在处理某个中断时，不允许其它设备再中断CPU的程序，即使优先级高的设备也不能打断，只能等到中断处理完毕后，CPU才响应其它中断。28多级中断o优先级高的中断级可以打断优先级低的中断服务程序，以实现中断程序的嵌套。主程序 A B C29同时中断请求的处理方法(ABCCPU)30信息交换的中断过程o数据就绪，发出中断请求oCPU响应中断，暂停当前主程序，并自动转移到该设备中断

9、服务子程序o中断服务子程序结束以后，CPU回到原来的主程序31中断处理过程32中断处理中的问题o中断时机o保存现场o中断屏蔽o中断过程由软硬件结合完成33中断识别o非向量中断n将服务程序入口组织在查询程序中；n响应时执行查询程序查询中断源，转入相应服务程序。o向量中断n将服务程序入口(中断向量)组织在中断向量表中；响应时由硬件直接产生相应向量地址，按地址查表，取得服务程序入口，转入相应服务程序。34中断识别o程序识别o单线查询法 o中断向量法 35程序识别36单线查询法 37中断向量法 38DMA方式oDMA基本概念oDMA传输方式o基本DMA控制器39DMA基本概念o中断方式每传送一个字或一

10、个字节的数据就要执行一次中断服务程序，数据传送时仍然要占用CPU的时间，不适合于高速传输的系统。oDMA在外设与主存之间建立一个由硬件管理的数据通路，使CPU不介入传送时的操作，数据也不经过CPU。减少了CPU的开销，效率提高。CPU主存DMA接口接口40内存争用oDMA方式进行数据传送时，CPU仍执行主程序，此时DMA控制逻辑与CPU可能同时要访问主存，引起主存使用权的冲突。o如何处理这种冲突呢？n停止CPU使用主存nDMA与CPU交替使用主存n周期挪用法41停止CPU使用主存o当DMA传送数据时，CPU停止工作，把主存使用权交给DMA控制逻辑。o在DMA传送数据过程中，CPU处于等待状态o

11、在这批数据传送结束后，DMA再交还主存使用权o方法简单42DMA与CPU交替使用主存o每个CPU工作周期分成两个时间段，一段用于 DMA访问主存，一段用于CPU访问主存。oCPU和DMA都能访问主存，没有主存使用权移交过程，所以这种方式的效率较高，但是硬件投资较大，而且要求 CPU工作周期比存储周期长很多。CPU周期DMA访内CPU访内43周期挪用法oDMA要求访问主存时，CPU暂停一一个个或或多多个个存存储储周周期期。一个数据传送结束后，CPU继续运行。oCPU现场并没有变动，只是延缓了对指令的执行，这种技术称为周期挪用周期挪用，或称周期窃取。o如发生访存冲突，则DMA优先访问。M1 M2

12、存储周期 M3DMA挪用传送数据外设准备数据44DMA主要操作过程（准备阶段）o主机通过指令向DMA接口发送必要的传送参数，并启动 DMA工作。这些参数的作用是1.指出数据传送的方向，即指出是主机将数据传送给设备，还是由设备传给主机。2.指出数据块在主存的首地址。3.指出数据在外设存储介质上的地址。4.指出数据的传送量。45DMA主要操作过程（传送阶段）o从宏观上看DMA接口连续传送一批数据。从微观上看，每传送一个数据，发一次DMA请求，经历一个循环操作。循环操作的主要内容有：1.设备准备好一个数据的传送后，接口向主机发出DMA请求。2.CPU中DMA控制逻辑响应DMA请求，将主存使用权让给D

13、MA。DMA送来主存单元地址、读或写命令。若是写命令，DMA还送来数据。3.DMA挪用一个周期对主存进行读写操作。周期挪用结束后给DMA接口应答信号。4.DMA接口接到应答信号，撤除DMA请求，将主存数据缓冲区地址指示器加 1，指向下一个数据要传送的单元地址，字数计数器减1。5.DMA接口控制逻辑判断数据是否全部传送完。若传送完毕，则进入结束阶段；若没传完则又开始下一个循环操作。46DMA主要操作过程（结束阶段）oDMA在两种情况下都进入结束阶段。o正常结束，一批数据传送完毕；o非正常结束，DMA发生了故障，也要进入结束阶段o不论是哪一种情况进入结束阶段，DMA都向主机发出中断请求，CPU执行

14、服务程序，查询DMA接口状态，根据状态进行不同处理。47一个数据块的传送过程DMA请求DMA响应 传送一个字DMA结束NY传送完?修改地址指针和字计数器发送内存地址48DMA与程序中断的区别o中断通过程序实现数据传送，而DMA靠硬件来实现。o中断时机为两条指令之间的公操作，DMA响应时机为两个存储周期之间。o中断不仅具有数据传送能力，还能处理异常事件。DMA只能进行数据传送。oDMA仅挪用了一个存储周期，不改变CPU现场。oDMA请求的优先权比中断请求高。CPU优先响应DMA请求，是为了避免DMA所连接的高速外设丢失数据。oDMA利用了中断技术49通道方式o通道的功能o通道类型50动机o随着设

15、备数量的增加，DMA控制器增加，成本也相应增加。必须找出一种方法使DMA技术被更多的设备共享。oDMA接口的起始准备仍需CPU执行一段程序完成。高速设备的信息是成批传送的，一批数据包含了相当多的数据块，每一数据块都要使DMA接口初始化。数据块连续频繁地传送，其占用CPU的时间就不可忽视了。51通道方式o设置一种专用的输入输出处理机(通道)，分担主机对输入输出管理的全部或大部分工作。不仅能管理高速设备，还能管理低速设备。o吸取了DMA硬件技术，并增加了软件管理。它设有专用的通道指令。o一个主机可以连接多个通道，一个通道可以管理多个设备控制器。而一个设备控制器又可以控制多台设备。这样就形成了一个较

16、完整的 IO系统，并具有明显的层次性。52通道功能1.根据CPU要求，组织设备与系统连接和通信；2.选取通道指令，通过设备控制器向设备发出操作命令；3.指出数据在设备中的位置和在主存缓冲区内的位置，组织设备与主存间的数据传输。4.检查设备和设备控制器的工作状态。向CPU反映设备、设备控制器及通道本身的状态信息。5.将外设和通道本身的中断请求，按次序及时报告CPU。6.设备控制器介于通道与设备之间，是通道对外部设备实行具体控制的机构。53通道分类o根据设备共享通道的情况及信息传送速度的要求，通道分为3类：n字节多路通道n选择通道n数组多路通道。54第9章o查询方式基本原理o中断方式基本原理oDM

17、A方式基本原理o通道方式基本原理55总复习56第一章 重点内容oo计算机发展简史oo计算机分类、应用oo计算机硬件系统oo计算机软件系统oo计算机系统层次结构57第二章重点内容o二进制表示以及进制转换运算o2X、X/2、X/64的求解方法o真值、原码、补码、移码、反码的编码方法。n熟练掌握o纠错码和检错码n奇偶校验熟练掌握n海明计算oBCD码 机器数 校验码概念58第三章重点内容o原码补码一位乘法运算o无符号位乘法器的电路实现o先行进位电路CLA74182原理o利用74182及74181电路构造多级先行进位电路o浮点数加减法运算59第四章重点o存储器的分类和技术指标o存储器的分级结构及相关特点

18、o半导体读写存储器组成、工作原理及特点o半导体只读存储器分类及特点oDRAM刷新原理及方法60第四章重点o存储器译码方式o存储器扩展方式,与CPU的连接(重点)o高速存储器(双端口存储器,相联存储器基本概念,交叉编址)o高速缓冲存储器的组成及工作原理(重点)61第五章重点o指令系统基本概念o指令基本格式o指令系统寻址方式62第六章重点内容oCPU的功能（控制器的功能）o指令周期基本概念o常用指令的指令周期及其数据通路流程o时序产生器和控制方式基本原理o微程序控制器工作原理o微程序设计基本概念o硬布线控制器基本概念63第七章重点o总线基本概念o总线的仲裁o影响总线性能的基本因素64第八章重点oI/O设备的特点oI/O接口的功能o常用设备65第九章重点内容o查询方式基本原理o中断方式基本原理oDMA方式基本原理o通道方式基本原理66祝各位考出好成绩！祝各位考出好成绩！谢谢！谢谢！67