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1、第第10章章 输入输出输入输出(I/O)(I/O)系统系统 10.1 输入输出输入输出输入输出输入输出(I/O)(I/O)系统概述系统概述系统概述系统概述 输入输出系统包括外部设备（输入输出设备和辅存）输入输出系统包括外部设备（输入输出设备和辅存）及其主机（及其主机（CPU和存储器）之间的控制部件。和存储器）之间的控制部件。110.1.1 输入输出设备的编址及输入输出设备的编址及 设备控制器的基本功能设备控制器的基本功能 为了便于为了便于CPU对对I/O设备进行寻址和选择，必须给每一台外部设备一设备进行寻址和选择，必须给每一台外部设备一些地址码。些地址码。I/O寻址方法主要有两种：寻址方法主要
2、有两种：1.专用专用I/O指令指令 例如例如 IN OUT 2.统一编制统一编制 利用访问存储器的指令完成利用访问存储器的指令完成I/O功能。如功能。如MOV AL,2000H 其中其中2000是设备的地址。是设备的地址。设备控制器设备控制器(I/O接口接口)的基本功能：的基本功能：1.实现主机和外设之间的数据传送实现主机和外设之间的数据传送 2.实现数据缓冲实现数据缓冲 3.接收主机的命令，提供设备接口的状态接收主机的命令，提供设备接口的状态 4.按照数据传送的宽带实现数据宽度的变换按照数据传送的宽带实现数据宽度的变换(如串如串并转换并转换)5.控制中断或控制中断或DMA传送传送210.1.
3、2 I/O设备数据传送方式设备数据传送方式 1.程序直接控制方式程序直接控制方式 CPU无条件传送数据或不断地用一条测试指令询问外设，一旦外设准无条件传送数据或不断地用一条测试指令询问外设，一旦外设准备好则向备好则向CPU传送一次数据。传送一次数据。2.程序中断产生方式程序中断产生方式 通常通常CPU发启动外设命令，然后继续执行程序，当外设准备好后会提发启动外设命令，然后继续执行程序，当外设准备好后会提出中断请求出中断请求INTR，CPU在当前指令结束后会转去执行中断服务程序，完在当前指令结束后会转去执行中断服务程序，完成与外设的交换数据。成与外设的交换数据。3.直接存储器存取方式直接存储器存
4、取方式 在外设和主存直间开辟直接的数据通路在正常工作时，在外设和主存直间开辟直接的数据通路在正常工作时，CPU执行程序执行程序当外设完成输入输出的准备工作后，会占用总线一个工作周期和主存直接当外设完成输入输出的准备工作后，会占用总线一个工作周期和主存直接交换数据。如此重复直到所有数据交换完。交换数据。如此重复直到所有数据交换完。4.I/O通道方式通道方式 I/O通道是一个专用的设备，通道是一个专用的设备，能独立执行几条简单的通道命令能独立执行几条简单的通道命令，产生，产生相应的控制信号，实现向外设发出命令和传送数据。相应的控制信号，实现向外设发出命令和传送数据。5.外围处理机方式外围处理机方式
5、 将将I/O通道变成一个计算机通道变成一个计算机，它可以完成，它可以完成I/O控制、码制转换、格式控制、码制转换、格式处理数据块的检错纠错等操作。它基本上独立于主机工作。处理数据块的检错纠错等操作。它基本上独立于主机工作。310.2 程序中断输入输出方式程序中断输入输出方式10.2.1 中断的作用、产生和影响中断的作用、产生和影响中断中断有有I/O设备或其他预期的紧急事件引起，使设备或其他预期的紧急事件引起，使CPU暂停正在执行的暂停正在执行的程序，转到另一中断服务程序去为事件服务，处理完后返回原程序。程序，转到另一中断服务程序去为事件服务，处理完后返回原程序。1.中断可以使中断可以使CPU与
6、与I/O设备并行工作设备并行工作2.对硬件故障处理对硬件故障处理3.实现人机联系实现人机联系4.实现多道程序分时运行实现多道程序分时运行5.实现工业控制上的实时处理实现工业控制上的实时处理6.实现应用程序和操作系统的联系实现应用程序和操作系统的联系7.在多处理机系统中实现各处理机间的联系在多处理机系统中实现各处理机间的联系主机执行主程序主机执行主程序打印机打印机启动打印机启动打印机打印机准备打印机准备中断中断请求请求送数据送数据收数据收数据中断服中断服务程序务程序继续执行主程序继续执行主程序打印打印送数据送数据收数据收数据中断服中断服务程序务程序返回返回返回返回CPU响应响应中断请求中断请求C
7、PU响应响应410.2 程序中断输入输出方式程序中断输入输出方式2.有关中断的概念有关中断的概念中断源中断源引起中断的事件，即中断的来源。引起中断的事件，即中断的来源。中断源分为中断源分为外部中断外部中断:(I/O设备、定时器等设备、定时器等)来自来自CPU外部的中断。外部的中断。随机产生随机产生内部中断内部中断:(处理器硬件故障、程序出错、溢出、处理器硬件故障、程序出错、溢出、0做除数、非法指令等做除数、非法指令等)来来自自CPU内部的中断。内部的中断。随机产生随机产生软中断：由软中断：由事先安排好事先安排好的陷阱指令产生。的陷阱指令产生。中断触发器中断触发器中断源引起中断时，记录在设备的中
8、断触发器中。中断源引起中断时，记录在设备的中断触发器中。中断的分级及优先权中断的分级及优先权在设计系统时，多个中断源要按中断性质和处理的轻重缓急进行排队，并在设计系统时，多个中断源要按中断性质和处理的轻重缓急进行排队，并给予不同的优先权，当中断源很多时，还可以分成若干级。给予不同的优先权，当中断源很多时，还可以分成若干级。禁止中断和中断屏蔽禁止中断和中断屏蔽CPU内部设有一个中断触发器，为内部设有一个中断触发器，为0时时CPU不响应中断，关中断状态，不响应中断，关中断状态，DI指令可实现。为指令可实现。为1 时时CPU响应中断，开中断状态响应中断，开中断状态EI指令可实现。指令可实现。非屏蔽中
9、断非屏蔽中断对于外设提出的中断请求，对于外设提出的中断请求，CPU必须响应的中断。必须响应的中断。可屏蔽中断可屏蔽中断CPU处于关中断状态时，就不响应外部中断。外设的中断处于关中断状态时，就不响应外部中断。外设的中断请求也可以根据情况被部分屏蔽。请求也可以根据情况被部分屏蔽。510.2 程序中断输入输出方式程序中断输入输出方式10.2.2 中断处理中断处理1.中断处理过程中断处理过程2.判别中断源判别中断源(1)查询法查询法(2)由硬件设置排队链由硬件设置排队链(3)3.多重中断处理多重中断处理(4)在处理某一中断过程中在处理某一中断过程中又发生了新的中断请求，又发生了新的中断请求，从而中断当
10、前中断服务从而中断当前中断服务程序，转去为新的中断程序，转去为新的中断源访问源访问关中断关中断(硬件实现硬件实现)保存断点、保存现场保存断点、保存现场判别中断条件转入中判别中断条件转入中断服务程序断服务程序开中断开中断执行中断服务程序执行中断服务程序关中断关中断恢复断点、恢复现场恢复断点、恢复现场开中断开中断返回返回610.2 程序中断输入输出方式程序中断输入输出方式10.2.3 中断程序设备接口的组成和工作原理中断程序设备接口的组成和工作原理 程序中断设备接口，一般由设备选择器、中断控制和工作状态逻辑、程序中断设备接口，一般由设备选择器、中断控制和工作状态逻辑、中断排队控制逻辑、设备码回送逻
11、辑和数据缓冲寄存器等组成。中断排队控制逻辑、设备码回送逻辑和数据缓冲寄存器等组成。710.3 DMA输入输出方式输入输出方式 DMA 是是I/O设备与主机存储器之间组成的直接数据通路，用于高速设备与主机存储器之间组成的直接数据通路，用于高速I/O设备与主存设备与主存之间之间的成组数据传送。的成组数据传送。10.3.1 DMA三种工作方式三种工作方式 1.CPU 暂停方式暂停方式 主机相应主机相应DMA请求后，让出存储总线，直到一组数据传送完毕后，请求后，让出存储总线，直到一组数据传送完毕后，DMA控制器才把总线控制权交还给控制器才把总线控制权交还给CPU。2.CPU周期窃取方式周期窃取方式 D
12、MA控制器与主存之间传送一个数据，占用控制器与主存之间传送一个数据，占用(窃取窃取)一个一个CPU周期，即周期，即暂停工作一个周期，然后继续执行程序。暂停工作一个周期，然后继续执行程序。3.直接访问存储器工作方式直接访问存储器工作方式 这是标准这是标准DMA方式，如果传送数据时方式，如果传送数据时CPU正好不占用存储总线，则对正好不占用存储总线，则对CPU不产生任何影响，如果不产生任何影响，如果DMA和和CPU同时需要访问存储器，则同时需要访问存储器，则DMA优优先于先于CPU。810.3 DMA输入输出方式输入输出方式10.3.2 DMA控制器组成控制器组成CPU主存主存DMA控制逻辑外设地
13、址寄外设地址寄存器存器ADR数据缓冲寄数据缓冲寄存器存器DBR字数计数器字数计数器WC主存地址寄存器主存地址寄存器MAR控制状态寄存器控制状态寄存器CSRI/O设备设备中断控制逻辑中断控制逻辑DMA请求请求DMA响应响应总线总线910.3 DMA输入输出方式输入输出方式10.3.3 DMA数据传送过程数据传送过程1010.4 通道控制方式和外围处理机方式通道控制方式和外围处理机方式 10.4.1 I/O通道的种类通道的种类 10.4.2 I/O处理机和外围处理机处理机和外围处理机11程序直接控程序直接控制制中断中断DMAI/O通道通道并行性并行性效率效率复杂度复杂度1210.5 总线结构总线结构 10.5.1 总线类型总线类型 10.5.2 总线组成总线组成10.5.3 微机总线微机总线13