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1、 计算机组成原理计算机组成原理 第七章第七章 输入输出系统输入输出系统1第七章第七章 输出输出/输入系统输入系统 计算机组成原理计算机组成原理 第七章第七章 输入输出系统输入输出系统2 现代电子计算机系统可以分为3个部分：运算处理子系统，I/O子系统和通信网络子系统。计算机的I/O系统包括I/O接口、I/O管理部件及有关软件。一个计算机系统的综合处理能力，系统的可扩展性、兼容性和性能价格比，都和I/O系统有密切关系。计算机组成原理计算机组成原理 第七章第七章 输入输出系统输入输出系统37.17.1信息交换的控制方式信息交换的控制方式信息交换的控制方式一般分为信息交换的控制方式一般分为5种类型种
2、类型。1.程序查询方式程序查询方式(Programmed Direct Control)这种方式又称为程序直接控制方式，是指信息交这种方式又称为程序直接控制方式，是指信息交换的控制完全由主机执行程序来实现。当主机执行到换的控制完全由主机执行程序来实现。当主机执行到某条指令时，发出询问信号，读取设备的状态，并根某条指令时，发出询问信号，读取设备的状态，并根据设备状态，决定下一步操作，这样要花费很多时间据设备状态，决定下一步操作，这样要花费很多时间用于查询和等待，效率大大降低。这种控制方式用于用于查询和等待，效率大大降低。这种控制方式用于早期的计算机。现在，除了在微处理器或微型机的特早期的计算机。
3、现在，除了在微处理器或微型机的特殊应用场合，为了求得简单而采用外，一般不采用了。殊应用场合，为了求得简单而采用外，一般不采用了。计算机组成原理计算机组成原理 第七章第七章 输入输出系统输入输出系统42.程序中断控制方式程序中断控制方式(Program Interrupt Transfer)在程序中断控制方式中，外部设备在完成了数据在程序中断控制方式中，外部设备在完成了数据传送的准备工作后，主动向传送的准备工作后，主动向CPU提出传送请求，提出传送请求，CPU暂停原执行的程序，转向信息交换服务。在这种方式暂停原执行的程序，转向信息交换服务。在这种方式下，下，CPU的效率得到提高，这是因为设备在数
4、据传送的效率得到提高，这是因为设备在数据传送准备阶段时，准备阶段时，CPU仍在执行原程序；此外，仍在执行原程序；此外，CPU不再不再像程序直接控制方式下那样被一台外设独占，它可以像程序直接控制方式下那样被一台外设独占，它可以同时与多台设备进行数据传送。这种方式的缺点是，同时与多台设备进行数据传送。这种方式的缺点是，在信息传送阶段，在信息传送阶段，CPU仍要执行一段程序控制，还没仍要执行一段程序控制，还没有完全摆脱对有完全摆脱对I/O操作的具体管理。操作的具体管理。计算机组成原理计算机组成原理 第七章第七章 输入输出系统输入输出系统53.直接内存访问方式直接内存访问方式(Direct Memor
5、y AccessDMA)DMA方式是一种完全由硬件进行成组信息传送的控方式是一种完全由硬件进行成组信息传送的控制方式。它具有程序中断控制方式的优点，即在设备准制方式。它具有程序中断控制方式的优点，即在设备准备数据阶段，备数据阶段，CPU与外设能并行工作。它降低了与外设能并行工作。它降低了CPU在在数据传送时的开销，这是因为数据传送时的开销，这是因为DMA接替了接替了CPU对对I/O中中间过程的具体干预，信息传送不再经过间过程的具体干预，信息传送不再经过CPU，而在内存，而在内存和外设之间直接进行，因此，称为直接内存访问方式。和外设之间直接进行，因此，称为直接内存访问方式。由于在数据传送过程中不
6、使用由于在数据传送过程中不使用CPU，也就不存在保护，也就不存在保护CPU现场，恢复现场，恢复CPU现场等繁琐操作，因此数据传送速现场等繁琐操作，因此数据传送速度很高。这种方式适用于磁盘机、磁带机等高速设备大度很高。这种方式适用于磁盘机、磁带机等高速设备大批量数据的传送。它的硬件开销比较大。批量数据的传送。它的硬件开销比较大。DMA接口中，接口中，中断处理逻辑还要保留。不同的是，中断处理逻辑还要保留。不同的是，DMA接口中的中断接口中的中断处理逻辑，仅用于故障中断和正常传送结束中断时的处处理逻辑，仅用于故障中断和正常传送结束中断时的处理。理。计算机组成原理计算机组成原理 第七章第七章 输入输出
7、系统输入输出系统64.通道方式通道方式(Channel Control)通道方式利用了通道方式利用了DMA技术，再加上软件，形成一技术，再加上软件，形成一种新的控制方式。通道是一种简单的处理机，它有指种新的控制方式。通道是一种简单的处理机，它有指令系统，能执行程序。它的独立工作的能力比令系统，能执行程序。它的独立工作的能力比DMA强，强，能对多台不同类型的设备统一管理，对多个设备同时能对多台不同类型的设备统一管理，对多个设备同时传送信息。传送信息。计算机组成原理计算机组成原理 第七章第七章 输入输出系统输入输出系统75.外围处理机方式外围处理机方式(Peripheral Processor U
8、nitPPU)外围处理机的结构更接近于一般的处理机，甚至外围处理机的结构更接近于一般的处理机，甚至就是一般小型通用计算机。它可完成就是一般小型通用计算机。它可完成I/O通道所要完通道所要完成的成的I/O控制，还可完成码制变换、格式处理、数据控制，还可完成码制变换、格式处理、数据块的检错、纠错等操作。它可具有相应的运算处理块的检错、纠错等操作。它可具有相应的运算处理部件、缓冲部件，还可形成部件、缓冲部件，还可形成I/O程序所必须的程序转程序所必须的程序转移等操作。它可简化设备控制器，而且可用它作为移等操作。它可简化设备控制器，而且可用它作为维护、诊断、通信控制、系统工作情况显示和人机维护、诊断、
9、通信控制、系统工作情况显示和人机联系的工具。联系的工具。外围处理机基本上独立于主机工作。在多数系外围处理机基本上独立于主机工作。在多数系统中，设置多台外围处理机，分别承担统中，设置多台外围处理机，分别承担I/O控制、通控制、通信、维护诊断等任务。有了外围处理机后，计算机信、维护诊断等任务。有了外围处理机后，计算机系统结构有了质的飞跃，由功能集中式发展为功能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。分散的分布式系统。计算机组成原理计算机组成原理 第七章第七章 输入输出系统输入输出系统8 计算机组成原理计算机组成原理 第七章第七章 输入输出系统输入输出系统9 7.27.2程序查
10、询方式程序查询方式 程序查询方式又叫程序控制程序查询方式又叫程序控制I/O方式。在这种方式中，方式。在这种方式中，数据在数据在CPU和外围设备之间的传送完全靠计算机程序控制，和外围设备之间的传送完全靠计算机程序控制，是在是在CPU主动控制下进行的。当执行主动控制下进行的。当执行I/O时，时，CPU暂停执暂停执行主程序，转去执行行主程序，转去执行I/O的服务程序，根据服务程序中的的服务程序，根据服务程序中的I/O指令进行数据传送。指令进行数据传送。计算机组成原理计算机组成原理 第七章第七章 输入输出系统输入输出系统101.设备编址设备编址 用程序实现用程序实现I/O传送的机器，根据其结构特点，外
11、围传送的机器，根据其结构特点，外围设备有两种不同的编址方法：统一编址法和单独编址法。设备有两种不同的编址方法：统一编址法和单独编址法。所谓统一编址法，是将所谓统一编址法，是将I/O设备中的控制寄存器、数据寄设备中的控制寄存器、数据寄存器、状态寄存器等也和内存单元一样看待，将它们和存器、状态寄存器等也和内存单元一样看待，将它们和内存单元一起编排地址。这样就可用访问内存的指令内存单元一起编排地址。这样就可用访问内存的指令(读读/写指令写指令)去访问去访问I/O设备的某个寄存器，因而不需要专门设备的某个寄存器，因而不需要专门的的I/O指令组。比如，用访问存储器的读指令组。比如，用访问存储器的读/写指
12、令就能实写指令就能实现现I/O设备与设备与CPU之间的数据传送。又如，比较指令可以之间的数据传送。又如，比较指令可以用来比较用来比较I/O设备中某个寄存器的值，以此判断设备中某个寄存器的值，以此判断I/O操作操作的执行情况。的执行情况。计算机组成原理计算机组成原理 第七章第七章 输入输出系统输入输出系统11 图图7.2(a)所示的是统一编址的单总线结构，所有的所示的是统一编址的单总线结构，所有的I/O设备、内存和设备、内存和CPU共用一条总线。其中地址总线传送共用一条总线。其中地址总线传送CPU要访问内存的地址或要访问内存的地址或I/O设备的地址；数据总线传送数据、设备的地址；数据总线传送数据
13、、指令和状态信息；控制总线传送定时信号和各种控制信号。指令和状态信息；控制总线传送定时信号和各种控制信号。计算机组成原理计算机组成原理 第七章第七章 输入输出系统输入输出系统12 在图在图7.2(b)所示的机器结构中，内存地址和所示的机器结构中，内存地址和 I/O设备的设备的地址是分开的。当访问内存时，由内存读、内存写两条地址是分开的。当访问内存时，由内存读、内存写两条控制线控制；当访问控制线控制；当访问I/O设备时，由设备时，由I/O读、读、I/O写两条控写两条控制线控制，这种方法将为单独编址法。制线控制，这种方法将为单独编址法。计算机组成原理计算机组成原理 第七章第七章 输入输出系统输入输
14、出系统137.2.1 程序查询程序查询I/O方式方式 其基本思想是，其基本思想是，CPU要执行一段要执行一段I/O程序，则用其程序，则用其中一条指令查询设备状态，如果设备的数据传送没有准中一条指令查询设备状态，如果设备的数据传送没有准备好，就重复执行询问指令，一直等到设备准备好为止。备好，就重复执行询问指令，一直等到设备准备好为止。计算机组成原理计算机组成原理 第七章第七章 输入输出系统输入输出系统14 程序查询方式是利用程序程序查询方式是利用程序控制来实现控制来实现CPU和和I/O设备之设备之间的数据传送的方法。程序执间的数据传送的方法。程序执行的动作如下：行的动作如下：先向先向I/O设备发
15、出命令字，设备发出命令字，请求进行数据传送；请求进行数据传送；从从I/O接口读入状态字；接口读入状态字；检查状态字中的标志，看检查状态字中的标志，看看数据交换是否可以进行；看数据交换是否可以进行；假如这个设备没有准备就假如这个设备没有准备就绪，则重复进行第绪，则重复进行第步、第步、第步，步，一直到这个设备准备好交换数据，一直到这个设备准备好交换数据，发出准备就绪信号发出准备就绪信号“Ready”为止；为止；CPU从从I/O接口的数据缓接口的数据缓冲寄存器输入数据，或者将数据冲寄存器输入数据，或者将数据从从CPU输出至接口的数据缓冲寄输出至接口的数据缓冲寄存器中。与此同时，存器中。与此同时，CP
16、U将接口将接口中的状态标志复位。中的状态标志复位。计算机组成原理计算机组成原理 第七章第七章 输入输出系统输入输出系统15 为为 此此 在在 实实际际应应用用中中做做如如下下改改进进：CPU在在执执行行主主程程序序的的过过程程中中可可周周期期性性地地调调用用各各I/O设设备备查查询询子子程程序序，依依次次测测试试各各I/O设设备备的的状状态态触触发发器器“Ready”。如如果果某某设设备备的的Ready为为“0”，则则 依依次次测测试试下下一一个个设设 备备。图图 7.4所所示示的的是是典典型型的的程程序序查查询询流流程图。程图。计算机组成原理计算机组成原理 第七章第七章 输入输出系统输入输出
17、系统16设备服务子程序的主要功能是：设备服务子程序的主要功能是：实现数据传送。输入时，由实现数据传送。输入时，由I/O指令将设备的指令将设备的数据送到数据送到CPU的某寄存器中，再由访内指令把寄存器的某寄存器中，再由访内指令把寄存器中的数据存入内存某单元；输出时，其过程正好相反。中的数据存入内存某单元；输出时，其过程正好相反。修改内存地址，为下一次数据传送做准备。修改内存地址，为下一次数据传送做准备。修改传送字节数，以便修改传送长度。修改传送字节数，以便修改传送长度。进行状态分析或其他控制功能。进行状态分析或其他控制功能。.计算机组成原理计算机组成原理 第七章第七章 输入输出系统输入输出系统1
18、7图图7.5 用用SKP询问询问I/O设备的示意图设备的示意图 程序查询方式的优点是简单、经济，程序查询方式的优点是简单、经济，CPU 和和I/O设备接口只需配设备接口只需配备少量的硬设备。它的缺点是系统效率低，为了询问备少量的硬设备。它的缺点是系统效率低，为了询问I/O设备是否有设备是否有数据传送，数据传送，CPU要周期性地停止主程序运行而转向查询子程序。如果要周期性地停止主程序运行而转向查询子程序。如果有很多设备，查询程序所花费的时间是相当长的。有很多设备，查询程序所花费的时间是相当长的。计算机组成原理计算机组成原理 第七章第七章 输入输出系统输入输出系统18 7.2.2 程序查询方式的接
19、口程序查询方式的接口 程序查询方式的程序查询方式的接口电路包括设备选接口电路包括设备选择电路、数据缓冲寄择电路、数据缓冲寄存器、设备状态位和存器、设备状态位和有关逻辑部件等。有有关逻辑部件等。有的计算机采用统一编的计算机采用统一编址，访问接口中的数址，访问接口中的数据缓冲寄存器和设备据缓冲寄存器和设备状态字寄存器就像访状态字寄存器就像访问主存的存储单元一问主存的存储单元一样。有的计算机不采样。有的计算机不采用统一编址，也没有用统一编址，也没有设备状态字寄存器，设备状态字寄存器，设备状态用分散的触设备状态用分散的触发器表示发器表示.计算机组成原理计算机组成原理 第七章第七章 输入输出系统输入输出
20、系统191.设备选择电路设备选择电路 对对于于接接到到总总线线上上的的每每个个设设备备，已已预预先先给给定定了了设设备备地地址址码码。CPU执执行行I/O指指令令时时，需需要要把把指指令令中中的的设设备备地地址址送送到到地地址址总总线线上上，用用以以指指示示CPU要要选选择择的的设设备备。每每个个设设备备接接口口电电路路都都有有一一个个设设备备选选择择电电路路，用用它它判判别别地地址址总总线线上上呼呼叫叫的的设设备备是是不不是是本本设设备备。如如果果是是，则则本本设设备备就就进进入入工工作作状状态态，否否则则不不予予理理睬睬。设设备备选选择择电电路路实实际际上上是是设设备备地址的译码器地址的译
21、码器。2.数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器 当当进进行行输输入入操操作作时时，用用数数据据缓缓冲冲寄寄存存器器来来存存放放从从I/O设设备备读读出出的的数数据据，然然后后送送往往CPU；当当进进行行输输出出操操作作时时，用用数数据据缓缓冲冲寄寄存存器器来来存放存放CPU送来的数据，以便需要时经过送来的数据，以便需要时经过I/O设备输出。设备输出。3.设备状态位设备状态位 设设备备状状态态位位是是接接口口中中的的标标志志触触发发器器，如如“忙忙”、“准准备备就就绪绪”、“错错误误”等等，用用来来标标志志设设备备的的工工作作状状态态，以以便便接接口口对对外外设设进进行行监监视视。一一旦旦CPU用用程程
22、序序询询问问I/O设设备备时时，就就可可将将状状态态位位信信息息取取至至CPU进进行分析。行分析。计算机组成原理计算机组成原理 第七章第七章 输入输出系统输入输出系统207.3 程序中断方式程序中断方式 7.3.1 中断的基本概念中断的基本概念 中中断断(Interrupt)的的概概念念是是在在20世世纪纪50年年代代中中期期提提出出的的，目目前前，它它不不仅仅在在I/O过过程程中中，而而且且在在多多道道程程序序、分分时时操操作作、实实时时处处理理、人人机机联联系系、事事故故处处理理、程程序序的的监监视视和和跟跟踪踪、目目态态程程序序和和操操作作系系统统的的联联系系以以及及多多处处理理机机系系
23、统统中中各机的联系等方面都起着重要作用。各机的联系等方面都起着重要作用。从从更更广广泛泛的的含含义义上上来来理理解解，所所谓谓中中断断是是指指计计算算机机由由任任何何非非寻寻常常的的或或非非预预期期的的急急需需处处理理的的事事件件引引起起CPU暂暂时时中中断断现现行行程程序序的的执执行行，而而转转向向运运行行另另一一服服务务程程序序，去去处处理理这这些事件，等处理完后又返回原程序，这一整个执行过程。些事件，等处理完后又返回原程序，这一整个执行过程。计算机组成原理计算机组成原理 第七章第七章 输入输出系统输入输出系统211.CPU与与I/O设备并行工作设备并行工作 引入中断系统后，可实现引入中断
24、系统后，可实现CPU与与I/O设备的并行运行，大大提高设备的并行运行，大大提高了计算机的效率了计算机的效率。图图7.7 CPU与打印机并行工作与打印机并行工作 计算机组成原理计算机组成原理 第七章第七章 输入输出系统输入输出系统222.提高了机器的可靠性提高了机器的可靠性 在在计计算算机机工工作作时时，当当运运行行的的程程序序发发生生错错误误，或或者者硬硬设设备备出出现现某某些些故故障障时时，机机器器中中断断系系统统可可以以自自动动进进行行处处理理，避避免免某某些些偶偶然然故故障障引引起起的计算错误或停机，提高了机器的可靠性。的计算错误或停机，提高了机器的可靠性。3.便于实现人机联系便于实现人
25、机联系 在在计计算算机机工工作作过过程程中中，人人要要随随机机地地干干预预机机器器，如如抽抽查查计计算算的的中中间间结结果果、了了解解机机器器的的工工作作状状态态、给给机机器器下下达达临临时时性性的的命命令令等等。在在没没有有中中断断系系统统的的机机器器里里，这这些些工工作作几几乎乎是是无无法法完完成成的的。利利用用中中断断系系统统实现人机通信是很方便、很有效的。实现人机通信是很方便、很有效的。4.实现多道程序实现多道程序 计计算算机机实实现现多多道道程程序序运运行行是是提提高高机机器器效效率率的的有有效效手手段段。多多道道程程序序的的切切换换运运行行需需借借助助于于中中断断系系统统。在在一一
26、道道程程序序的的运运行行中中，可可以以由由I/O中中断断系系统统切切换换到到另另外外一一道道程程序序运运行行，也也可可以以通通过过分分配配给给每每道道程程序序一一个个固定时间片，利用时钟定时发送中断进行程序切换。固定时间片，利用时钟定时发送中断进行程序切换。计算机组成原理计算机组成原理 第七章第七章 输入输出系统输入输出系统235.实现实时处理实现实时处理 所谓实时处理，是指在某个事件或现象出现时及时地进行处所谓实时处理，是指在某个事件或现象出现时及时地进行处理，而不是集中起来再进行批处理。理，而不是集中起来再进行批处理。6.实现目态程序和操作系统的联系实现目态程序和操作系统的联系 在在现现代
27、代计计算算机机中中，用用户户程程序序往往往往可可以以安安排排一一条条“访访问问管管理理程程序序”指指令令来来调调用用操操作作系系统统的的管管理理程程序序，这这种种调调用用是是通通过过中中断断来来实实现现的的。通通常常称称机机器器在在执执行行用用户户程程序序时时为为目目态态，称称机机器器执执行行管管理理程程序序时为管态。通过中断可以实现目态和管态之间的变换。时为管态。通过中断可以实现目态和管态之间的变换。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 在在多多处处理理机机系系统统中中，处处理理机机和和处处理理机机间间的的信信息息交交流流和和任任务务切切换换都是通过中断来实现的都是通
28、过中断来实现的。计算机组成原理计算机组成原理 第七章第七章 输入输出系统输入输出系统247.3.2 CPU响应中断的条件响应中断的条件CPU要响应中断必须满足如下要响应中断必须满足如下3个条件：个条件：中断源有中断请求；中断源有中断请求；CPU允许接受中断请求；允许接受中断请求；一一般般情情况况下下，都都要要等等到到一一条条指指令令执执行行完完毕毕后后才才能能响响 应应中断，除非遇到特殊的长指令才允许中途打断它们。中断，除非遇到特殊的长指令才允许中途打断它们。引引起起中中断断的的事事件件，或或者者发发出出中中断断请请求求的的来来源源统统称称为为中中断断源源。CPU停停止止执执行行现现行行程程序
29、序，转转去去处处理理中中断断请请求求称称为为中中断断响响应应。若若CPU进进入入可可中中断断方方式式，即即允允许许接接受受中中断断请请求求，则则称称为为“开开中中断断”，否否则则，CPU处处于于不不可可中中断断状状态态，称称为为“关关中中断断”，或或称称为为禁禁止止中中断断。中中断断请请求求、中中断断允允许许、禁禁止止和中断的响应都是由硬件实现的。和中断的响应都是由硬件实现的。计算机组成原理计算机组成原理 第七章第七章 输入输出系统输入输出系统251.中断源的种类中断源的种类 由外围设备引起的中断，要求由外围设备引起的中断，要求CPU介入介入I/O操作。例如，慢速设备的缓冲寄存器准备好接收或操
30、作。例如，慢速设备的缓冲寄存器准备好接收或发送数据；信息块传送的前、后处理；设备的启动发送数据；信息块传送的前、后处理；设备的启动或非数据控制动作或非数据控制动作(如磁带、磁盘定位如磁带、磁盘定位)的完成；的完成；I/O的任一环节出错等。的任一环节出错等。由运算器产生的中断，由运算器产生的中断，由存储器产生的中断，由存储器产生的中断，控制器产生的中断，控制器产生的中断，过程控制产生的中断，过程控制产生的中断，时钟定时中断。时钟定时中断。电源故障中断。电源故障中断。计算机组成原理计算机组成原理 第七章第七章 输入输出系统输入输出系统26 发发生生在在主主机机内内部部的的中中断断称称为为内内中中断
31、断。内内中中断断有有强强迫迫中中断断和和自自愿愿中中断断两两种种。强强迫迫中中断断产产生生的的原原因因有有硬硬件件故故障障和和软软件件出出错错等等。强强迫迫中中断断是是在在CPU没没有有事事先先预预料料的的情情况况下下发发生生的的，此此时时CPU不不得得不不停停下下现现行行的的工工作。作。自自愿愿中中断断是是出出于于计计算算机机系系统统管管理理的的需需要要，自自愿愿地地进进入入中断。中断。上述中断类型如下所示：上述中断类型如下所示：计算机组成原理计算机组成原理 第七章第七章 输入输出系统输入输出系统272.中断源的建立中断源的建立 为为了了记记录录中中断断事事件件是是否否发发生生，利利用用了了
32、具具有有存存储储功功能能的的触触发发器器，一一般般称称为为中中断断触触发发器器。当当一一个个中中断断源源有有中中断断请请求求时时，其其相相应应的的中中断断触触发发器器置置成成“1”状状态态。此此时时，该该中中断断源源向向CPU发发出出中中断断请请求信号。求信号。多多位位中中断断触触发发器器构构成成一一个个中中断断寄寄存存器器，其其中中每每一一位位对对应应一一种种中中断断请请求求源源。这这每每一一位位称称为为一一个个中中断断位位，中中断断寄寄存存器器的的内内容容称称为为中中断断字字或或中中断断码码。CPU在在进进行行中中断断处处理理时时，根根据据中中断断字字和和中中断位确定中断源，以便用相应的服
33、务程序来处理。断位确定中断源，以便用相应的服务程序来处理。3.中断的分级与中断优先权中断的分级与中断优先权 在在设设计计中中断断系系统统时时，要要把把全全部部中中断断源源按按中中断断性性质质和和处处理理的的轻轻重重缓缓急急进进行行排排队队并并给给予予优优先先权权。所所谓谓优优先先权权是是指指有有多多个个中中断断同同时发生时，对中断响应的优先次序。时发生时，对中断响应的优先次序。计算机组成原理计算机组成原理 第七章第七章 输入输出系统输入输出系统284.禁止中断和中断屏蔽禁止中断和中断屏蔽(1)禁止中断禁止中断 产产生生中中断断源源后后，由由于于某某种种条条件件的的存存在在，CPU不不能能中中止
34、止现现行行程程序序的的执执行行，称称为为禁禁止止中中断断。一一般般在在CPU内内部部设设有有一一个个“中中断断允允许许”触触发发器器。只只有有该该触触发发器器置置“1”状状态态，才才允允许许中中断断源源等等待待CPU响响应应；如如果果该该触触发发器器被被清清除除，则则不不允允许许所所有有中中断断源源申申请请中中断断。前前者者称称为为允允许许中中断断，后后者者称称为为禁禁止止中中断。断。“中中断断允允许许”触触发发器器通通过过“开开中中断断”、“关关中中断断”指指令令来置位或复位。来置位或复位。(2)中断屏蔽中断屏蔽 当当产产生生中中断断请请求求后后，用用程程序序方方式式有有选选择择地地封封锁锁
35、部部分分中中断，而允许其余的中断仍得到响应，称为中断屏蔽。断，而允许其余的中断仍得到响应，称为中断屏蔽。实实现现方方法法是是为为每每一一个个中中断断源源设设置置一一个个中中断断屏屏蔽蔽触触发发器器来来屏屏蔽蔽该该设设备备的的中中断断请请求求。具具体体来来说说，用用程程序序方方法法将将该该触触发发器器置置“1”，则则对对应应的的设设备备中中断断被被封封锁锁，若若将将其其置置“0”，则则允许该设备的中断请求得到响应。允许该设备的中断请求得到响应。计算机组成原理计算机组成原理 第七章第七章 输入输出系统输入输出系统297.3.3 中断处理中断处理 一一旦旦CPU响响应应中中断断的的条条件件得得到到满
36、满足足，CPU便便开开始始响响应应中中断断，转转入中断服务程序，进行中断处理。入中断服务程序，进行中断处理。按照中断处理方式可以把中断分为简单中断和程序中断两种。按照中断处理方式可以把中断分为简单中断和程序中断两种。程程序序中中断断。如如果果主主机机在在响响应应中中断断请请求求后后，是是通通过过执执行行一一段段服服务务程程序序来来处处理理有有关关事事项项的的，则则称称为为程程序序中中断断，简简称称为为中中断断。这这种种方方式式要要求求CPU响响应应中中断断后后，暂暂停停原原程程序序的的执执行行，并并将将断断点点(主主程程序序返返回回地地址址)和和现现场场情情况况(如如程程序序状状态态字字以以及
37、及有有关关寄寄存存器器内内容容)保保存存起起来来，然然后后转转入入中中断断服服务务程程序序的的执执行行。程程序序中中断断主主要要用用于于中中、慢慢速速I/O设备的数据传送以及要求进行复杂处理的场合。设备的数据传送以及要求进行复杂处理的场合。简简单单中中断断。在在DMA方方式式的的 I/O过过程程中中，主主机机响响应应中中断断后后不不要要执执行行服服务务程程序序，而而是是让让出出一一个个或或几几个个存存取取周周期期供供I/O设设备备与与主主存存直直接接交交换换数数据据。此此时时，CPU可可以以暂暂停停运运行行，也也可可以以执执行行非非访访问问内内存存储储器器操操作作。这这种种中中断断只只是是暂暂
38、停停一一个个或或几几个个存存取取周周期期，不不破破坏坏被被中中断断的的程程序序现现场场，因因此此，不不需需要要进进行行现现场场保保护护工工作作。这这种种中中断断称称为为简简单单中断，一般称为中断，一般称为DMA。计算机组成原理计算机组成原理 第七章第七章 输入输出系统输入输出系统301中断处理步骤中断处理步骤 计计算算机机对对中中断断的的处处理理各各具具特特色色，就就其其多多数数而而论论，中中断断处处理理过过程程如如图图7.8所所示。示。关关中中断断。进进入入不不可可再再次次响响应应中中断断的的状状态态。因因为为接接下下去去要要保保存存断断点点，保保存存现现场场。在在保保存存现现场场过过程程中
39、中，即即使使有有更更高高级级的的中中断断源源申申请请中中断断，CPU也也不不应应该该响响应应，否否则则，如如果果把把现现场场保保存存不不完完整整，在在中中断断服服务务程程序序结结束束之之后后，也也就就不不能能正正确确地地恢恢复复现现场场并并继继续续执执行行现现行程序了。行程序了。保保存存断断点点和和现现场场。为为了了在在中中断断处处理理结结束束后后能能正正确确地地返返回回到到中中断断点点，在在响响应应中中断断时时，必必须须把把当当前前的的程程序序计计数数器器PC中中的的内内容容(即即断点断点)保存起来。保存起来。计算机组成原理计算机组成原理 第七章第七章 输入输出系统输入输出系统31 对现场信
40、息的处理有两种方式：一种是由硬件对现对现场信息的处理有两种方式：一种是由硬件对现场信息进行保存和恢复；另一种是由软件即中断服务程场信息进行保存和恢复；另一种是由软件即中断服务程序对现场信息保存和恢复。序对现场信息保存和恢复。对于由硬件保存现场信息的方式，各种不同的机器对于由硬件保存现场信息的方式，各种不同的机器有不同的方案。有的机器把断点保存在主存固定的单元，有不同的方案。有的机器把断点保存在主存固定的单元，中断屏蔽码也保存在固定单元中；有的机器则不然，它中断屏蔽码也保存在固定单元中；有的机器则不然，它在每次响应中断后把在每次响应中断后把CPUCPU中程序状态字和指令计数器内容中程序状态字和指
41、令计数器内容相继压入堆栈，再从指定的两个主存单元分别取出新的相继压入堆栈，再从指定的两个主存单元分别取出新的指令计数器内容和指令计数器内容和CPUCPU中程序状态字来代替，称为交换新、中程序状态字来代替，称为交换新、旧状态字方式。旧状态字方式。计算机组成原理计算机组成原理 第七章第七章 输入输出系统输入输出系统32 判别中断条件，转向中断服务程序。在多个中判别中断条件，转向中断服务程序。在多个中断条件同时请求中断的情况下，本次实际响应的只能是断条件同时请求中断的情况下，本次实际响应的只能是优先权最高的那个中断源，所以，需进一步判别中断条优先权最高的那个中断源，所以，需进一步判别中断条件，并转入
42、相应的中断服务程序入口。件，并转入相应的中断服务程序入口。开中断。因为接下去就要执行中断服务程序，开中断。因为接下去就要执行中断服务程序，因此开中断允许更高级中断请求得到响应，实现中断嵌因此开中断允许更高级中断请求得到响应，实现中断嵌套。套。执行中断服务程序。执行中断服务程序。退出中断。退出中断。在退出时，又应进入不可中断状态，即关中断，恢在退出时，又应进入不可中断状态，即关中断，恢复现场，恢复断点，然后开中断，返回原程序执行。复现场，恢复断点，然后开中断，返回原程序执行。计算机组成原理计算机组成原理 第七章第七章 输入输出系统输入输出系统332.判别中断条件判别中断条件(1)查询法查询法 这
43、这是是最最简简单单的的实实现现方方法法。如如图图7.9所所示示，每每一一个个中中断断源源都都附附带带一一个个标标志志，该该标标志志置置位位代代表表相相应应中中断断源源请请求求中中断断，因因此此，判判别别中中断断条条件件只只需需用用测测试试指指令令按按一一定定优优先先次次序序检检查查这这些些标标志志，先先遇遇到到的的第第一一个个“1”标标志志即即优优先先得得到到服服务务，在在此此之之前前，遇遇到到“0”标标志志均均跳跳过过而而继继续续检检查查下一个下一个。图图7.9 中断请求逻辑图中断请求逻辑图 计算机组成原理计算机组成原理 第七章第七章 输入输出系统输入输出系统34 图图7.10 查询中断执行
44、过程流程图查询中断执行过程流程图 这种软件查询这种软件查询方法适用于低速和方法适用于低速和中速设备。它的优中速设备。它的优点是中断条件标志点是中断条件标志的优先级可用程序的优先级可用程序任意改变，灵活性任意改变，灵活性好。缺点是设备多好。缺点是设备多时速度太慢。时速度太慢。计算机组成原理计算机组成原理 第七章第七章 输入输出系统输入输出系统35(2)串行排队链法与向量中断串行排队链法与向量中断 串行排队链法是由硬件实现的具有公共请求线的判优选择方式，串行排队链法是由硬件实现的具有公共请求线的判优选择方式，其逻辑线路如图其逻辑线路如图7.11所示。所示。图图7.11 串行排队链判优识别及中断向量
45、产生逻辑线路串行排队链判优识别及中断向量产生逻辑线路 计算机组成原理计算机组成原理 第七章第七章 输入输出系统输入输出系统36 图图中中下下半半部部分分由由门门1门门6组组成成一一个个串串行行的的优优先先链链，称称做做排排队队链链。IRi是是从从各各设设备备来来的的中中断断请请求求信信号号，优优先先顺顺序序从从高高到到低低，依依次次是是：IR1、IR2、IR3。若若要要扩扩充充中中断断源源，则则可可根根据据其其优优先先权权的的高高低低串串接接于于优优先先链链的的左左端端和和右右端端。图图的的上上半半部部分分是是一一个个编编码码电电路路，它它将将产产生生请请求求中中断断的设备中优先权最高的设备码
46、的设备中优先权最高的设备码(中断向量中断向量)经总线送往经总线送往CPU。图图中中，IS1、IS2、IS3为为IR1、IR2、IR3对对应应的的中中断断排排队队选选中中信信号号。INTA是是由由CPU送送来来的的取取中中断断设设备备码码信信号号。为为中中断断排排队队输输入入信信号号，为为中中断断排排队队输输出出信信号号。总总线线标标号号由由下下而而上上为为第第0位位至至第第5位位。当当没没有有更更高高优优先先权权的的请请求求时时，=0，门门1的的输输出出为为高高电电平平，即即IS1=1；若若此此时时中中断断请请求求信信号号IR1为为高高(即即有有中中断断请请求求)，且且INTA为为高高电电平平
47、，则则IR1被被选选中中，此此时时，为为低低，使使得得IS2、IS3全全为为低低电电平平，则则IR2、IR3中中断断请请求求被被封封锁锁。这这时时向向CPU发发出出中中断断请请求求，并并由由译译码码电电路路将将设设备备码码(001010)2送总线。送总线。CPU从总线取走该设备码，并执行其中断服务程序。从总线取走该设备码，并执行其中断服务程序。计算机组成原理计算机组成原理 第七章第七章 输入输出系统输入输出系统37 若若此此时时IR1无无中中断断请请求求，则则为为高高电电平平，IR1为为低低电电平平，经经过过门门2和和门门3，使使IS2为为高高电电平平。如如果果IS2为为高高电电平平，则则被被
48、选选中中。否否则则，将将顺顺序序选选择择请求中断的中断源优先权最高者。请求中断的中断源优先权最高者。使使用用上上述述中中断断判判优优方方式式时时，可可以以采采用用不不同同的的转转向向中中断断服服务务程程序序入入口口地地址址的的方方法法。一一种种是是在在中中断断总总控控程程序序中中设设一一条条专专门门接接收收中中断断指指令令INTA，得得到到设设备备号号后后，再再由由主主存存的的跳跳跃跃表表产产生生中中断断服服务务程程序序入入口口地地址址。另另一种是目前应用更广泛的方法，叫做向量中断。一种是目前应用更广泛的方法，叫做向量中断。向向量量中中断断方方式式是是为为每每一一个个中中断断源源设设置置一一个
49、个中中断断向向量量的的方方式式。中中断断向向量量包包括括了了该该中中断断源源的的中中断断服服务务程程序序入入口口地地址址。它它完完全全由由硬硬件件直直接接产产生生中中断断响响应应信信号号，经经过过中中断断排排队队和和编编码码逻逻辑辑，由由被被选选中中的的设设备备直直接接送送回回中断向量。中断向量。计算机组成原理计算机组成原理 第七章第七章 输入输出系统输入输出系统38(3)独立请求法独立请求法独独立立请请求求方方式式优优先先排排队队线线路路如如图图7.12所所示示。其其中中每每个个中中断断请请求求信信号号保保存存在在“中中断断请请求求”触触发发器器中中，经经“中中断断屏屏蔽蔽”触触发发器器控控
50、制制后后，产产生生来来自自中中断断请请求求触触发发器器的的请请求求信信号号IR1、IR2、IR3、IR4。而而IR1、IR2、IR3、IR4是是经经过过优优先先排排队队后后送送给给CPU的的中中断断请请求求信信号号。IR1的的优优先先权权最最高高，IR2、IR3、IR4 的的优优先先权权依依次次降降低低。具具有有较较高高优优先先权权的的中中断断请请求求自自动动封封锁锁比比它它优优先先权权低低的的所所有有中中断断请请求求。编编码码电电路路根根据据排排队队的的中中断断源源输输出出信信号号IRi产产生生一一个个预预定定的的地地址址码，转向中断服务程序入口地址。码，转向中断服务程序入口地址。这这种种方