第7章 输入输出系统(改).ppt

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1、第7章输入输出系统1第一节 主机与外设的连接 现现代代计计算算机机系系统统中中外外部部设设备备的的种种类类繁繁多多，各各类类外外部部设设备备不不仅仅结结构构和和工工作作原原理理不不同同，而而且且与与主主机机的的连连接接方方式式也也是是复复杂杂多多变变的。的。2一、输入输出接口 主主机机和和外外设设的的连连接接方方式式有有辐辐射射型型连连接接、总总线线型型连连接接等等。输输入入输输出出接接口口（I/O接接口口）是是主主机机和和外外设设之之间间的的交交接接界界面面，通通过过接接口口可可以以实实现现主主机机和和外外设设之之间间的的信信息息交交换。换。主机和外设之间进行信息交换为什么主机和外设之间进行

2、信息交换为什么一定要通过接口呢？这是因为主机和外设一定要通过接口呢？这是因为主机和外设各自具有自己的工作特点，它们在信息形各自具有自己的工作特点，它们在信息形式和工作速度上具有很大的差异，接口正式和工作速度上具有很大的差异，接口正是为了解决这些差异而设置的。是为了解决这些差异而设置的。31.接口的功能接口的功能实现主机和外设的通信联络控制实现主机和外设的通信联络控制 接接口口中中的的同同步步控控制制电电路路用用来来解解决决主主机机与外设的时间配合问题。与外设的时间配合问题。进行地址译码和设备选择进行地址译码和设备选择 任任何何一一个个计计算算机机系系统统都都配配备备有有多多种种外外设设，同同一

3、一种种外外设设也也可可能能配配备备多多台台，主主机机在在不不同同时时刻刻要要与与不不同同外外设设交交换换信信息息，当当CPU送送来来选选择择外外设设的的地地址址码码后后，接接口口必必须须对对地地址址进进行行译译码码以以产产生生设设备备选选择择信信息息，使使主主机机能和指定外设交换信息。能和指定外设交换信息。二、接口的功能和基本组成4实现数据缓冲实现数据缓冲 在在接接口口电电路路中中，一一般般设设置置有有一一个个或或几几个个数数据据缓缓冲冲寄寄存存器器，用用于于数数据据的的暂暂存存，以以避避免免因因速速度度不不一一致致而而丢丢失失数数据据。在在传传送送过过程程中中，先先将将数数据据送送入入数数据

4、据缓缓冲冲寄寄存存器器中中，然然后后再再送送到到输输出出设设备备或或主主机中去。机中去。数据格式的变换数据格式的变换 在在输输入入或或输输出出操操作作过过程程中中，为为了了满满足足主主机机或或外外设设的的各各自自要要求求，接接口口电电路路中中必必须须具具有有实实现现各各类类数数据据相相互互转转换换的的功功能能。例例如如：并并串串转转换换、串串并并转转换换、模模数数转转换换、数数模模转转换换以以及及二二进进制制数和数和ASCII码的相互转换等。码的相互转换等。5传递控制命令和状态信息传递控制命令和状态信息 当当CPU要要启启动动某某一一外外设设时时，通通过过接接口口中中的的命命令令寄寄存存器器向

5、向外外设设发发出出启启动动命命令令；当当外外设设准准备备就就绪绪时时，则则有有“准准备备好好”状状态态信信息息送送回回接接口口中中的的状状态态寄寄存存器器，为为CPU提提供供反反馈馈信信息息，告告诉诉CPU，外外设设已已经经具具备备与与主主机机交交换换数数据据的的条条件件。当当外外设设向向CPU提提出出中中断断请请求求和和DMA请请求求时时，CPU也也应应有有相相应应的响应信号反馈给外设。的响应信号反馈给外设。6 接接口口中中要要分分别别传传送送数数据据信信息息、控控制制信信息息和和状状态态信信息息，数数据据信信息息、控控制制信信息息和和状状态态信信息息都都通通过过数数据据总总线线来来传传送送

6、。大大多多数数计计算算机机都都把把外外部部设设备备的的状状态态信信息息视视为为输输入入数数据据，而而把把控控制制信信息息看看成成输输出出数数据据，并并在在接接口口中中分分设设各各自自相相应应的的寄寄存存器器，赋赋以以不不同同的的端端口口地地址址，各各种种信信息息分分时时地地使使用用数数据据总总线传送到各自的寄存器中去。线传送到各自的寄存器中去。2.接口的基本组成接口的基本组成7接口与主机、外设间的连接示意图 8 接接口口与与端端口口是是两两个个不不同同的的概概念念。端端口口是是指指接接口口电电路路中中可可以以被被CPU直直接接访访问问的的寄寄存存器器，若若干干个个端端口口加加上上相相应应的的控

7、控制制逻逻辑辑电电路才组成接口。路才组成接口。通通常常，一一个个接接口口中中包包含含有有数数据据端端口口、命令端口和状态端口。命令端口和状态端口。存存放放数数据据信信息息的的寄寄存存器器称称为为数数据据端端口口，存存放放控控制制命命令令的的寄寄存存器器称称为为命命令令端端口口，存存放放状状态态信信息息的的寄寄存存器器称称为为状状态态端端口口。CPU通通过过输输入入指指令令可可以以从从有有关关端端口口中中读读取取信信息息，通过输出指令可以把信息写入有关端口。通过输出指令可以把信息写入有关端口。9 CPU对对不不同同端端口口的的操操作作有有所所不不同同，有有的的端端口口只只能能写写或或只只能能读读

8、，有有的的端端口口既既可可以以读读又又可可以以写写。例例如如：对对状状态态端端口口只只能能读读，可可将将外外设设的的状状态态标标志志送送到到CPU中中去去；对对命命令令端端口口只只能能写写，可可将将CPU的的各各种种控控制制命命令令发发送送给给外外设设。为为了了节节省省硬硬件件，在在有有的的接接口口电电路路中中，状状态态信信息息和和控控制制信信息息可可以以共共用用一一个个寄寄存存器器（端端口口），称称之之为为设设备备的的控控制制/状态寄存器。状态寄存器。10 为了能在众多的外设中寻找或挑选出为了能在众多的外设中寻找或挑选出要与主机进行信息交换的外设，就必须对要与主机进行信息交换的外设，就必须对

9、外设进行编址。外设识别是通过地址总线外设进行编址。外设识别是通过地址总线和接口电路中的外设识别电路来实现的，和接口电路中的外设识别电路来实现的，I/O端口地址就是主机与外设直接通信的端口地址就是主机与外设直接通信的地址，地址，CPU可以通过端口发送命令、读取可以通过端口发送命令、读取状态和传送数据。状态和传送数据。三、外设的识别与端口寻址11 I/O端口编址方式有两种：一种是端口编址方式有两种：一种是I/O映射方式，即把映射方式，即把I/O端口地址与存储器端口地址与存储器地址分别进行独立的编址；另一种是存地址分别进行独立的编址；另一种是存储器映射方式，即把端口地址与存储器储器映射方式，即把端口

10、地址与存储器地址统一编址。地址统一编址。独立编址独立编址 在这种编址方式中，主存地址空间在这种编址方式中，主存地址空间和和I/O端口地址空间是相对独立的，分别端口地址空间是相对独立的，分别单独编址。单独编址。CPU访问主存时，由主存读访问主存时，由主存读写控制线控制；访问外设时，由写控制线控制；访问外设时，由I/O读写读写控制线控制。控制线控制。1.端口地址编址方式端口地址编址方式12统一编址统一编址 在在这这种种编编址址方方式式中中，I/O端端口口地地址址和和主主存存单单元元的的地地址址是是统统一一编编址址的的，把把I/O接接口口中中的的端端口口作作为为主主存存单单元元一一样样进进行行访访问

11、，不设置专门问，不设置专门的的I/O指令。指令。13四、输入输出信息传送控制方式 主机和外设之间的信息传送控制方主机和外设之间的信息传送控制方式，经历了由低级到高级、由简单到复杂、式，经历了由低级到高级、由简单到复杂、由集中管理到各部件分散管理的发展过程，由集中管理到各部件分散管理的发展过程，按其发展的先后次序和主机与外设并行工按其发展的先后次序和主机与外设并行工作的程度，可以分为作的程度，可以分为4种。种。141.程序查询方式程序查询方式 程程序序查查询询方方式式是是一一种种程程序序直直接接控控制制方方式式，这这是是主主机机与与外外设设间间进进行行信信息息交交换换的的最最简简单单方方式式，输

12、输入入和和输输出出完完全全是是通通过过CPU执执行行程程序序来来完完成成的的。一一旦旦某某一一外外设设被被选选中中并并启启动动之之后后，主主机机将将查查询询这这个个外外设设的的某某些些状状态态位位，看看其其是是否否准准备备就就绪绪？若若外外设设未未准准备备就就绪绪，主主机机将将再再次次查查询询；若若外外设设已准备就绪，则执行一次已准备就绪，则执行一次I/O操作。操作。这这种种方方式式控控制制简简单单，但但外外设设和和主主机机不不能能同同时时工工作作，各各外外设设之之间间也也不不能能同同时时工工作作，系系统统效效率率很很低低，因因此此，仅仅适适用用于于外外设设的的数数目目不不多多，对对I/O处处

13、理理的的实实时时要要求求不不那那么么高高，CPU的的操操作作任任务务比较单一，并不很忙的情况。比较单一，并不很忙的情况。15 在主机启动外设后，无须等待查询，在主机启动外设后，无须等待查询，而是继续执行原来的程序，外设在做好输而是继续执行原来的程序，外设在做好输入输出准备时，向主机发中断请求，主机入输出准备时，向主机发中断请求，主机接到请求后就暂时中止原来执行的程序，接到请求后就暂时中止原来执行的程序，转去执行中断服务程序对外部请求进行处转去执行中断服务程序对外部请求进行处理，在中断处理完毕后返回原来的程序继理，在中断处理完毕后返回原来的程序继续执行。显然，程序中断不仅适用于外部续执行。显然，

14、程序中断不仅适用于外部设备的输入输出操作，也适用于对外界发设备的输入输出操作，也适用于对外界发生的随机事件的处理。生的随机事件的处理。完完成成一一次次程程序序中中断断还还需需要要许许多多辅辅助助操操作，主要适用于中、低速外设。作，主要适用于中、低速外设。2.程序中断方式程序中断方式16 DMA方式是在主存和外设之间开辟方式是在主存和外设之间开辟直接的数据通路，可以进行基本上不需要直接的数据通路，可以进行基本上不需要CPU介入的主存和外设之间的信息传送，介入的主存和外设之间的信息传送，这样不仅能保证这样不仅能保证CPU的高效率，而且能满的高效率，而且能满足高速外设的需要。足高速外设的需要。DMA

15、方式只能进行简单的数据传送方式只能进行简单的数据传送操作，在数据块传送的起始和结束时还需操作，在数据块传送的起始和结束时还需CPU及中断系统进行预处理和后处理。及中断系统进行预处理和后处理。3.直接存储器存取（直接存储器存取（DMA）方式方式17 I/O通道控制方式是通道控制方式是DMA方式的进一步方式的进一步发展，在系统中设有通道控制部件，每个通道发展，在系统中设有通道控制部件，每个通道挂若干外设，主机在执行挂若干外设，主机在执行I/O操作时，只需启操作时，只需启动有关通道，通道将执行通道程序，从而完成动有关通道，通道将执行通道程序，从而完成I/O操作。操作。通通道道是是一一个个具具有有特特

16、殊殊功功能能的的处处理理器器，它它能能独独立立地地执执行行通通道道程程序序，产产生生相相应应的的控控制制信信号号，实实现现对对外外设设的的统统一一管管理理和和外外设设与与主主存存之之间间的的数数据据传传送送。但但它它不不是是一一个个完完全全独独立立的的处处理理器器。它它要要在在CPU的的I/O指指令令指指挥挥下下才才能能启启动动、停停止止或或改改变变工工作作状状态态，是是从从属属于于CPU的的一一个个专专用用处处理器。理器。4.I/O通道控制方式通道控制方式18 一个通道执行输入输出过程全部由通一个通道执行输入输出过程全部由通道按照通道程序自行处理，不论交换信息道按照通道程序自行处理，不论交换

17、信息多少，只打扰多少，只打扰CPU两次（启动和停止时）。两次（启动和停止时）。因此，主机、外设和通道可以并行同时工因此，主机、外设和通道可以并行同时工作，而且一个通道可以控制多台不同类型作，而且一个通道可以控制多台不同类型的设备。的设备。目目前前，小小型型、微微型型机机大大多多采采用用程程序序查查询询方方式式、程程序序中中断断方方式式和和DMA方方式式；大、中型机多采用通道方式。大、中型机多采用通道方式。19 程程序序查查询询方方式式是是主主机机与与外外设设间间进进行行信信息息交交换换的的最最简简单单方方式式，程程序序查查询询方方式式的的核核心心问问题题在在于于需需要要不不断断地地查查询询I/

18、O设设备备是是否准备就绪。否准备就绪。第二节 程序查询方式及其接口201.程序查询的基本思想程序查询的基本思想 由由CPU执执行行一一段段输输入入输输出出程程序序来来实实现现主主机机与与外外设设之之间间数数据据传传送送的的方方式式叫叫做做程程序序直直接接控控制制方方式式。根根据据外外设设的的不不同同性性质质，这这种种传传送送方方式式又又可分为无条件传送和程序查询方式两种。可分为无条件传送和程序查询方式两种。为了保证数据传送的正确进行，就要求为了保证数据传送的正确进行，就要求CPU在程序中查询外设的工作状态。如果外设在程序中查询外设的工作状态。如果外设尚未准备就绪，尚未准备就绪，CPU就循环等待

19、，只有当外设就循环等待，只有当外设已作好准备，已作好准备，CPU才能执行才能执行I/O指令进行数据传指令进行数据传送，这就是程序查询方式。送，这就是程序查询方式。一、程序查询方式212.程序查询方式的工作流程程序查询方式的工作流程 预预置置传传送送参参数数。在在传传送送数数据据之之前前，由由CPU执执行行一一段段初初始始化化程程序序，预预置置传传送送参参数数。传传送送参参数数包包括括存存取取数数据据的的主主存存缓缓冲冲区区首首地地址址和和传传送送数数据的个数。据的个数。向向外外设设接接口口发发出出命命令令字字。当当CPU选选中中某某台台外外设设时时，执执行行输输出出指指令令向向外外设设接接口口

20、发发出出命命令令字字启启动动外外设设，为为接接收收数数据据或或发发送送数数据据做做应应有有的的操操作准备。作准备。从从外外设设接接口口取取回回状状态态字字。CPU执执行行输输入入指指令令，从从外外设设接接口口中中取取回回状状态态字字并并进进行行测测试试，判判断数据传送是否可以进行。断数据传送是否可以进行。22 查查询询外外设设标标志志。CPU不不断断查查询询状状态态标标志志。如如果果外外设设没没有有准准备备就就绪绪，CPU就就踏踏步步进进行行等等待待，一一直直到到这这个个外外设设准准备备就就绪绪，并发出并发出“外设准备就绪外设准备就绪”信号为止。信号为止。传传送送数数据据。只只有有外外设设准准

21、备备好好，才才能能实实现现主主机机与与外外设设间间的的一一次次数数据据传传送送。输输入入时时，CPU执执行行输输入入指指令令，从从外外设设接接口口的的数数据据缓缓冲冲寄寄存存器器中中接接收收数数据据；输输出出时时，CPU执执行行输输出出指指令令，将将数数据据写写入入外外设设接接口口的的数数据缓冲寄存器中。据缓冲寄存器中。23 修修改改传传送送参参数数。每每进进行行一一次次数数据据传传送送之之后后必必须须要要修修改改传传送送参参数数，其其中中包包括括主主存缓冲区地址加存缓冲区地址加1，传送个数计数器减，传送个数计数器减1。判判断断传传送送是是否否结结束束。如如果果传传送送个个数数计计数数器器不不

22、为为0，则则转转第第步步，继继续续传传送送，直到传送个数计数器为直到传送个数计数器为0，表示传送结束。，表示传送结束。24 程程序序查查询询方方式式是是最最简简单单、经经济济的的I/O方方式式，只只需需很很少少的的硬硬件件。通通常常接接口口中中至至少少有有两两个个寄寄存存器器，一一个个是是数数据据缓缓冲冲寄寄存存器器，即即数数据据端端口口，用用来来存存放放与与CPU进进行行传传送送的的数数据据信信息息；另另一一个个是是供供CPU查查询询的的设设备备状状态态寄寄存存器器，即即状状态态端端口口，这这个个寄寄存存器器由由多多个个标标志志位位组组成成，其其中中最最重重要要的的是是“外外设设准准备备就就

23、绪绪”标标志志。当当CPU得得到到这这位位标标志志后后就就进进行行判判断断，以以决决定定下下一一步步是是继继续续循循环环等等待待还还是是进进行行I/O传传送送。也也有有些些计计算算机机仅仅设设置置状状态态标标志志触触发发器器，其其作作用用与与设设备备状状态态寄寄存存器器相同。相同。二、程序查询方式接口25 中中断断是是现现代代计计算算机机有有效效合合理理地地发发挥挥效效能能和和提提高高效效率率的的一一个个十十分分重重要要的的功功能能。CPU中中通通常常设设有有处处理理中中断断的的机机构构中中断断系系统统，以以解解决决各各种种中中断断的的共共性性问问题题。本本节节主主要要分分析析中中断断系系统统

24、的的功功能能，特特别别强强调调I/O中断。中断。第三节 中断系统和程序中断方式261.中断的提出中断的提出 程程序序查查询询方方式式虽虽然然简简单单，但但却却存存在在着着下列明显的缺点：下列明显的缺点：在在查查询询过过程程中中，CPU长长期期处处于于踏踏步等待状态，使系统效率大大降低；步等待状态，使系统效率大大降低；CPU在在一一段段时时间间内内只只能能和和一一台台外外设交换信息，其他设备不能同时工作；设交换信息，其他设备不能同时工作；不不能能发发现现和和处处理理预预先先无无法法估估计计的的错错误和异常情况。误和异常情况。一、中断的基本概念27 程程序序中中断断方方式式的的思思想想是是：CPU

25、在在程程序序中中安安排排好好在在某某一一时时刻刻启启动动某某一一台台外外设设，然然后后CPU继继续续执执行行原原来来程程序序，不不需需要要象象查查询询方方式式那那样样一一直直等等待待外外设设的的准准备备就就绪绪状状态态。一一旦旦外外设设完完成成数数据据传传送送的的准准备备工工作作时时，便便主主动动向向CPU发发出出一一个个中中断断请请求求，请请求求CPU为为自自己己服服务务。在在可可以以响响应应中中断断的的条条件件下下，CPU暂暂时时中中止止正正在在执执行行的的程程序序，转转去去执执行行中中断断服服务务程程序序为为中中断断请请求求者者服服务务，在在中中断断服服务务程程序序中中完完成成一一次次主

26、主机机与与外外设设之之间间的的数数据据传传送送，传传送送完完成成后后，CPU仍仍返返回回原原来的程序，从断点处继续执行。来的程序，从断点处继续执行。28程序中断方式示意图 29 中中断断的的处处理理过过程程实实际际上上是是程程序序的的切切换换过过程程，即即从从现现行行程程序序切切换换到到中中断断服服务务程程序序，再再从从中中断断服服务务程程序序返返回回到到现现行行程程序序。CPU每每次次执执行行中中断断服服务务程程序序前前总总要要保保护护断断点点、保保护护现现场场，执执行行完完中中断断服服务务程程序序返返回回现现行行程程序序之之前前又又要要恢恢复复现现场场、恢恢复复断断点点。这这些些中中断断的

27、的辅辅助助操作都将会限制数据传送的速度。操作都将会限制数据传送的速度。中中断断系系统统是是计计算算机机实实现现中中断断功功能能的的软软、硬硬件件总总称称。一一般般在在CPU中中配配置置中中断断机机构构，在在外外设设接接口口中中配配置置中中断断控控制制器器，在在软软件件上上设设计计相应的中断服务程序。相应的中断服务程序。30 程程序序中中断断是是指指：计计算算机机执执行行现现行行程程序序的的过过程程中中，出出现现某某些些急急需需处处理理的的异异常常情情况况和和特特殊殊请请求求，CPU暂暂时时中中止止现现行行程程序序，而而转转去去对对随随机机发发生生的的更更紧紧迫迫的的事事件件进进行行处处理理，在

28、在处处理理完完毕毕后后，CPU将将自自动动返返回回原原来来的的程程序继续执行。序继续执行。2.程序中断与调用子程序的区别程序中断与调用子程序的区别31 从从表表面面上上看看起起来来，计计算算机机的的中中断断处处理理过过程程有有点点类类似似于于调调用用子子程程序序的的过过程程，这这里里现现行行程程序序相相当当于于主主程程序序，中中断断服服务务程程序序相相当当于于子子程程序序。但是，它们之间却有着本质上的区别：但是，它们之间却有着本质上的区别：子子程程序序的的执执行行是是由由程程序序员员事事先先安安排排好好的的（由由一一条条调调用用子子程程序序指指令令转转入入），而而中中断断服服务务程序的执行则是

29、由随机的中断事件引起的；程序的执行则是由随机的中断事件引起的；子子程程序序的的执执行行受受到到主主程程序序或或上上层层子子程程序序的的控控制制，而而中中断断服服务务程程序序一一般般与与被被中中断断的的现现行行程序毫无关系；程序毫无关系；不不存存在在同同时时调调用用多多个个子子程程序序的的情情况况，而而有有可可能能发发生生多多个个外外设设同同时时请请求求CPU为为自自己己服服务务的情况。的情况。32自愿中断和强迫中断自愿中断和强迫中断 自自愿愿中中断断又又称称程程序序自自中中断断，它它不不是是随随机机产产生生的的中中断断，而而是是在在程程序序中中安安排排的的有有关关指指令令，这这些些指指令令可可

30、以以使使机机器器进进入入中中断断处处理理的的过过程程，如如：80 x86指指令令系系统统中中的的软软中中断指令断指令INT n。强强迫迫中中断断是是随随机机产产生生的的中中断断，不不是是程程序序中中事事先先安安排排好好的的。当当这这种种中中断断产产生生后后，由由中中断断系系统统强强迫迫计计算算机机中中止止现现行行程程序序并并转转入中断服务程序。入中断服务程序。3.中断的基本类型中断的基本类型33程序中断和简单中断程序中断和简单中断 程程序序中中断断就就是是我我们们前前面面提提到到的的中中断断，主主机机在在响响应应中中断断请请求求后后，通通过过执执行行一一段段中中断断服服务务程程序序来来处处理理

31、更更紧紧迫迫的的任任务务，它它需需要要占占用用一一定定的的CPU时间。时间。简简单单中中断断就就是是外外设设与与主主存存间间直直接接进进行行信信息息交交换换的的方方法法，即即DMA方方式式。这这种种中中断断不不去去执执行行中中断断服服务务程程序序，故故不不破破坏坏现现行行程程序序的的状状态态。主主机机发发现现有有简简单单中中断断请请求求（也也就就是是DMA请请求求）时时，让让出出一一个个或或几几个个存存取取周周期期供供外外设设与与主主存存交交换换信信息息，然然后后继继续续执执行行程程序序。简简单单中中断断是是早早期期对对DMA方方式式的的一一种种叫叫法法，为为避避免免误误解解，现现在在一一般般

32、很少使用这个名词。很少使用这个名词。34内中断和外中断内中断和外中断 内内中中断断是是指指由由于于CPU内内部部硬硬件件或或软软件件原原因因引引起起的的中中断断，如如单单步步中中断断、溢溢出出中中断等。断等。外外中中断断是是指指CPU以以外外的的部部件件引引起起的的中中断断。通通常常，外外中中断断又又可可以以分分为为不不可可屏屏蔽蔽中中断断和和可可屏屏蔽蔽中中断断两两种种。不不可可屏屏蔽蔽中中断断优优先先级级别别较较高高，常常用用于于应应急急处处理理，如如掉掉电电、主主存存读读写写校校验验错错等等；而而可可屏屏蔽蔽中中断断级级别别较较低，常用于一般低，常用于一般I/O设备的数据传送。设备的数据

33、传送。35向量中断和非向量中断向量中断和非向量中断 向向量量中中断断是是指指那那些些中中断断服服务务程程序序的的入入口口地地址址是是由由中中断断事事件件自自己己提提供供的的中中断断。中中断断事事件件在在提提出出中中断断请请求求的的同同时时，通通过过硬硬件件向向主主机机提提供供中中断断服服务务程程序序入入口口地地址址，即即向量地址。向量地址。非非向向量量中中断断的的中中断断事事件件不不能能直直接接提提供中断服务程序的入口地址。供中断服务程序的入口地址。36单重中断和多重中断单重中断和多重中断 单单重重中中断断在在CPU执执行行中中断断服服务务程程序序的过程中不能被再打断。的过程中不能被再打断。多

34、多重重中中断断在在执执行行某某个个中中断断服服务务程程序序的的过过程程中中，CPU可可去去响响应应级级别别更更高高的的中中断断请请求求，又又称称为为中中断断嵌嵌套套。多多重重中中断断表表征征计计算算机机中中断断功功能能的的强强弱弱，有有的的计计算算机机能能实实现现8级以上的多重中断。级以上的多重中断。371.CPU响应中断的条件响应中断的条件CPU接收到中断请求信号接收到中断请求信号 首首先先中中断断源源要要发发出出中中断断请请求求，同同时时CPU还要接收到这个中断请求信号。还要接收到这个中断请求信号。CPU允许中断允许中断 CPU允允许许中中断断，即即开开中中断断。CPU内内部部有有一一个个

35、中中断断允允许许触触发发器器（EINT），只只有有当当EINT=1时时，CPU才才可可以以响响应应中中断断源源的的中中断断请请求求；如如EINT=0，CPU处处于于不不允允许许中中断断状状态态，即即使使中中断断源源有有中中断断请请求求，CPU也不响应。也不响应。二、中断响应和中断处理38 通通常常，中中断断允允许许触触发发器器由由开开中中断断指指令令来来置置位位，由由关关中中断断指指令令或或硬硬件件自自动动使使其其复复位。位。一条指令执行完毕一条指令执行完毕 这这是是CPU响响应应中中断断请请求求的的时时间间限限制制条条件件。一一般般情情况况下下，CPU在在一一条条指指令令执执行行完完毕毕且且

36、没没有有更更紧紧迫迫的的任任务务时时才才能能响响应应中中断断请求。请求。39 软软件件的的方方法法由由中中断断隐隐指指令令控控制制进进入入一一个个中中断断总总服服务务程程序序，在在那那里里判判优优、寻寻找找中中断断源源并并且且转转入入相相应应的的中中断断服服务务程程序序。这这种种方方法法方方便便、灵灵活，硬件极简单，但效率是比较低的。活，硬件极简单，但效率是比较低的。对对于于硬硬件件向向量量中中断断法法，当当CPU响响应应某某一一中中断断请请求求时时，硬硬件件能能自自动动形形成成并并找找出出与与该该中中断断源源对应的中断服务程序的入口地址。对应的中断服务程序的入口地址。当当中中断断源源向向CP

37、U发发出出中中断断请请求求信信号号之之后后，CPU进进行行一一定定的的判判优优处处理理。若若决决定定响响应应这这个个中中断断请请求求，则则向向中中断断源源发发出出中中断断响响应应信信号号INTA。中中断断源源接接到到INTA信信号号后后就就通通过过自自己己的的向向量量地地址址形形成成部部件件向向CPU发发送送向向量量地地址址，CPU接接收收该该向向量地址之后就可转入相应的中断服务程序。量地址之后就可转入相应的中断服务程序。2.进入中断服务程序进入中断服务程序40向量中断过程 41向量地址通常有两种情况：向量地址通常有两种情况：向量地址是中断服务程序的入口地址向量地址是中断服务程序的入口地址 如

38、如果果向向量量地地址址就就是是中中断断服服务务程程序序的的入入口口地地址址，则则CPU不不需需要要再再经经过过处处理理就就可可以以进进入入相相应应的中断服务程序。的中断服务程序。向量地址是中断向量表的指针向量地址是中断向量表的指针 如如果果向向量量地地址址是是中中断断向向量量表表的的指指针针，则则向向量量地地址址指指向向一一个个中中断断向向量量表表，从从中中断断向向量量表表的的相相应应单单元元中中再再取取出出中中断断服服务务程程序序的的入入口口地地址址，此此时时中中断断源源给给出出的的向向量量地地址址是是中中断断服服务务程程序序入入口地址的地址口地址的地址。42 中中断断现现场场指指的的是是发

39、发生生中中断断时时CPU的的主主要要状状态态，其其中中最最重重要要的的是是断断点点，另另外外还还有有一一些些通通用用寄寄存存器器的的状状态态。但但仅仅保保存存这这一一、二个寄存器的内容是不够的。二个寄存器的内容是不够的。3.中断现场的保护和恢复中断现场的保护和恢复43 在在中中断断服服务务程程序序开开始始时时，应应由由软软件件去去保保存存那那些些硬硬件件没没有有保保存存，而而在在中中断断服服务务程程序序中中又又可可能能用用到到的的寄寄存存器器（如如某某些些通通用用寄寄存存器器）的的内内容容，在中断返回之前，这些内容还应该被恢复。在中断返回之前，这些内容还应该被恢复。软软、硬硬件件保保护护现现场

40、场往往往往是是和和向向量量中中断断结结合合在在一一起起使使用用的的。先先把把断断点点和和程程序序状状态态字字自自动动压压入入堆堆栈栈，这这就就是是保保护护旧旧现现场场；接接着着根根据据中中断断源源送送来来的的向向量量地地址址自自动动取取出出中中断断服服务务程程序序入入口口地地址址和和新新的的程程序序状状态态字字，这这就就是是建建立立新新现现场场；最最后后由由一一些些指指令令实实现现对对必必要要的的通通用用寄寄存存器器的的保保护护。恢复现场则是保护现场的逆处理。恢复现场则是保护现场的逆处理。441.中断嵌套中断嵌套 中中断断嵌嵌套套的的层层次次可可以以有有多多层层，越越在在里里层层的的中中断断请

41、请求求越越急急迫迫，优优先先级级越越高高，因因此此优优先得到先得到CPU的服务。的服务。要要使使计计算算机机具具有有多多重重中中断断的的能能力力，首首先先要要能能保保护护多多个个断断点点，而而且且先先发发生生的的中中断断请请求求的的断断点点，先先保保护护后后恢恢复复；后后发发生生的的中中断断请请求求的的断断点点，后后保保护护先先恢恢复复。堆堆栈栈的的先先进进后后出出特特点点正正好好满满足足多多重重中中断断这这一一先先后后次次序序的的需需要要。同同时时，在在CPU进进入入某某一一中中断断服服务务程程序序之之后后，系系统统必必须须处处于于开开中中断断状状态态，否否则则中中断断嵌嵌套套是是不可能实现

42、的。不可能实现的。三、多重中断与中断屏蔽45 中中断断源源发发出出中中断断请请求求之之后后，这这个个中中断断请请求求并并不不一一定定能能真真正正送送到到CPU去去，在在有有些些情情况况下下，可可以以用用程程序序方方式式有有选选择择地地封封锁锁部分中断，这就是中断屏蔽。部分中断，这就是中断屏蔽。如如果果给给每每个个中中断断源源都都相相应应地地配配备备一一个个中中断断屏屏蔽蔽触触发发器器（MASK），则则每每个个中中断断请请求求信信号号在在送送往往判判优优电电路路之之前前，还还要要受受到到屏屏蔽蔽触触发发器器的的控控制制。当当MASK=1，表表示示对对应应中中断断源源的的请请求求被被屏屏蔽蔽，可可

43、见见中中断断请请求求触发器和中断屏蔽触发器是成对出现的。触发器和中断屏蔽触发器是成对出现的。2.中断屏蔽中断屏蔽46 用用程程序序设设置置的的方方法法将将屏屏蔽蔽寄寄存存器器中中的的某某一一位位置置“1”，则则对对应应的的中中断断请请求求被被封封锁锁，无无法法去去参参加加排排队队判判优优；若若屏屏蔽蔽寄寄存存器器中中的的某某一一位位置置“0”，才才允允许许对对应应的的中中断请求送往断请求送往CPU。47中断屏蔽寄存器的作用 48 这这里里所所说说的的中中断断全全过过程程指指的的是是从从中中断断源源发发出出中中断断请请求求开开始始，CPU响响应应这这个个请请求求，现现行行程程序序被被中中断断，转

44、转至至中中断断服服务务程程序序，直直到到中中断断服服务务程程序序执执行行完完毕毕，CPU再再返返回回原来的程序继续执行的整个过程。原来的程序继续执行的整个过程。中中断断全全过过程程分分为为5个个阶阶段段：中中断断请请求求，中中断断判判优优，中中断断响响应应，中中断断处处理，理，中断返回中断返回。其其中中中中断断处处理理就就是是执执行行中中断断服服务务程程序序，这是中断系统的核心。，这是中断系统的核心。四、中断全过程49中断处理过程 50 中中断断处处理理过过程程基基本本上上由由3部部分分组组成成，第第一一部部分分为为准准备备部部分分，其其基基本本功功能能是是保保护护现现场场，对对于于非非向向量

45、量中中断断方方式式则则需需要要确确定定中中断断源源，最最后后开开放放中中断断，允允许许更更高高级级的的中中断断请求打断低级的中断服务程序；请求打断低级的中断服务程序；第第二二部部分分为为处处理理部部分分，即即真真正正执执行行具具体的为某个中断源服务的中断服务程序；体的为某个中断源服务的中断服务程序；第第三三部部分分为为结结尾尾部部分分，首首先先要要关关中中断断，以以防防止止在在恢恢复复现现场场过过程程中中被被新新的的中中断断请请求求打打断断，接接着着恢恢复复现现场场，然然后后开开放放中中断断，以以便便返返回回原原来来的的程程序序后后可可响响应应其其他他的的中中断断请请求求。中中断断服服务务程程

46、序序的的最最后后一一条条指指令令一一定定是是中断返回指令中断返回指令。51 DMA方方式式是是为为了了在在主主存存与与外外设设之之间间实实现现高高速速、批批量量数数据据交交换换而而设设置置的的。DMA方方 式式 的的 数数 据据 传传 送送 直直 接接 依依 靠靠 硬硬 件件（DMA控控制制器器）来来实实现现，不不需需要要执执行行任任何程序。何程序。第四节 DMA方式及其接口52 1.DMA方式的特点方式的特点 无无论论程程序序查查询询还还是是程程序序中中断断方方式式，主主要要的的工工作作都都是是由由CPU执执行行程程序序完完成成的的，这这需需要要花花费费时时间间，因此不能实现高速外设与主机的

47、信息交换。因此不能实现高速外设与主机的信息交换。DMA方方式式是是在在外外设设和和主主存存之之间间开开辟辟一一条条“直直接接数数据据通通道道”，在在不不需需要要CPU干干预预也也不不需需要要软软件件介介入入的的情情况况下下在在两两者者之之间间进进行行的的高高速速数数据据传传送送方方式式。在在DMA传传送送方方式式中中，对对数数据据传传送送过过程程进进行行控控制制的的硬硬件件称称为为DMA控控制制器器。当当外外设设需需要要进进行行数数据据传传送送时时，通通过过DMA控控制制器器向向CPU提提出出DMA传传送送请请求求，CPU响响应应之之后后将将让让出出系系统统总总线线，由由DMA控控制器接管总线

48、进行数据传送。制器接管总线进行数据传送。一、DMA方式的基本概念53 DMA方式具有下列特点：方式具有下列特点：它它使使主主存存与与CPU的的固固定定联联系系脱脱钩钩，主主存既可被存既可被CPU访问，又可被外设访问；访问，又可被外设访问；在在数数据据块块传传送送时时，主主存存地地址址的的确确定定、传传送数据的计数等都由硬件电路直接实现；送数据的计数等都由硬件电路直接实现；主主存存中中要要开开辟辟专专用用缓缓冲冲区区，及及时时供供给给和和接收外设的数据；接收外设的数据；DMA传传送送速速度度快快，CPU和和外外设设并并行行工工作，提高了系统的效率。作，提高了系统的效率。DMA在在传传送送开开始始

49、前前要要通通过过程程序序进进行行预预处理，结束后要通过中断方式进行后处理。处理，结束后要通过中断方式进行后处理。54 中中断断方方式式是是程程序序切切换换，需需要要保保护护和和恢恢复复现现场场；而而DMA方方式式除除了了开开始始和和结结尾时，不占用尾时，不占用CPU的任何资源。的任何资源。对对中中断断请请求求的的响响应应时时间间只只能能发发生生在在每每条条指指令令执执行行完完毕毕时时；而而对对DMA请请求求的的响响应应时时间间可可以以发发生生在在每每个个机机器器周周期期结结束束时。时。2.DMA和中断的区别和中断的区别55 中中断断传传送送过过程程需需要要CPU的的干干预预；而而DMA传传送送

50、过过程程不不需需要要CPU的的干干预预，故故数数据据传传输输速速率率非非常常高高，适适合合于于高高速速外外设设的的成组数据传送。成组数据传送。DMA请求的优先级高于中断请求。请求的优先级高于中断请求。中中断断方方式式具具有有对对异异常常事事件件的的处处理理能能力力，而而DMA方方式式仅仅局局限限于于完完成成传传送送数数据据块的块的I/O操作。操作。56 DMA方方式式一一般般应应用用于于主主存存与与高高速速外外设设间间的的简简单单数数据据传传送送。高高速速外外设设如如磁磁盘盘、磁磁带带、光光盘盘等等辅辅助助存存储储器器以以及及其其他他带带有有局局部存储器的外设、通信设备等。部存储器的外设、通信