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1、第第8/输出子系统输出子系统计算机组成原理计算机组成原理 本课件由电子科大成都学院计算机系制作本课件由电子科大成都学院计算机系制作。第第8章章 输入输入/输出子系统输出子系统n主要内容：主要内容：n8.1 I/O接口概述接口概述n8.2 I/O接口与中断方式接口与中断方式n8.3 I/O接口与接口与DMA方式方式 本课件由电子科大成都学院计算机系制作本课件由电子科大成都学院计算机系制作。CPU与外设之间数据交换（输入与外设之间数据交换（输入/输出）的控制输出）的控制方式有：方式有：（1）直接）直接程序控制方式程序控制方式 （2）中断控制方式）中断控制方式 （3）直接存储器存取（）直接存储器存取
2、（DMA）方式）方式。输入输入/输出数据的控制方式输出数据的控制方式 本课件由电子科大成都学院计算机系制作本课件由电子科大成都学院计算机系制作。8.2 I/O接口与中断方式接口与中断方式n一、中断的定义一、中断的定义n二、中断的应用二、中断的应用n三、中断请求与中断源三、中断请求与中断源n四、中断请求逻辑与屏蔽四、中断请求逻辑与屏蔽n五、中断判优五、中断判优n六、中断响应与中断处理六、中断响应与中断处理n七、中断控制器举例七、中断控制器举例 本课件由电子科大成都学院计算机系制作本课件由电子科大成都学院计算机系制作。本课件由电子科大成都学院计算机系制作本课件由电子科大成都学院计算机系制作。二、中
3、断方式的应用二、中断方式的应用n应用于中、低速应用于中、低速I/O设备管理，实现设备管理，实现CPU与外设并行工作，与外设并行工作，如键盘、打印机如键盘、打印机n故障处理故障处理n实时处理实时处理 本课件由电子科大成都学院计算机系制作本课件由电子科大成都学院计算机系制作。包括：包括：除法出错除法出错单步中断单步中断断点中断断点中断溢出中断等溢出中断等内部内部中断中断微微处处理理器器中中断断逻逻辑辑INTRIREQ0IREQ0IREQ1IREQ1IREQ2IREQ2：IREQ7IREQ7可屏蔽可屏蔽中断中断外部中断外部中断控制器控制器外部外部中断中断三、中断请求与中断源三、中断请求与中断源PC机
4、的中断源：机的中断源：本课件由电子科大成都学院计算机系制作本课件由电子科大成都学院计算机系制作。三、中断请求与中断源三、中断请求与中断源n模型机硬件中断源分为模型机硬件中断源分为:n内部中断源：包括掉电中断、溢出中断、校验错中断等。内部中断源：包括掉电中断、溢出中断、校验错中断等。n外部中断源，包括：外部中断源，包括：nIREQ0系统时钟，如日历钟；系统时钟，如日历钟；nIREQ1实时时钟，供实时处理用；实时时钟，供实时处理用；nIREQ2通信中断，组成多机系统或连网时用；通信中断，组成多机系统或连网时用；nIREQ3键盘；键盘；nIREQ4CRT显示器；显示器；nIREQ5硬盘；硬盘；nIR
5、EQ6软盘；软盘；nIREQ7打印机。打印机。本课件由电子科大成都学院计算机系制作本课件由电子科大成都学院计算机系制作。本课件由电子科大成都学院计算机系制作本课件由电子科大成都学院计算机系制作。五、中断判优五、中断判优n中断控制器可实现中断判优中断控制器可实现中断判优n具体方法具体方法n一般优先顺序为故障、一般优先顺序为故障、DMA请求、外设中断请求请求、外设中断请求 本课件由电子科大成都学院计算机系制作本课件由电子科大成都学院计算机系制作。六、中断响应与中断处理六、中断响应与中断处理n1中断响应方式与条件中断响应方式与条件n2获取中断服务程序的入口地址获取中断服务程序的入口地址n3中断响应过
6、程中断响应过程n4中断处理过程中断处理过程 本课件由电子科大成都学院计算机系制作本课件由电子科大成都学院计算机系制作。本课件由电子科大成都学院计算机系制作本课件由电子科大成都学院计算机系制作。2获取中断服务程序的入口地址获取中断服务程序的入口地址n(1)向量中断方式的概述向量中断方式的概述n中断向量中断向量:就是所有中断服务程序在主存中的入口地址及其就是所有中断服务程序在主存中的入口地址及其状态字的统称状态字的统称n中断向量表中断向量表:就是由所有的中断服务程序入口地址（包括状就是由所有的中断服务程序入口地址（包括状态字）组成的表格态字）组成的表格n向量地址向量地址:就是访问中断向量表的地址就
7、是访问中断向量表的地址n(2)向量中断方式的工作机制：将各个中断服务程序的入口地向量中断方式的工作机制：将各个中断服务程序的入口地址组成中断向量表；在响应中断时，由硬件直接产生对应于址组成中断向量表；在响应中断时，由硬件直接产生对应于中断源的向量地址；按该地址访问中断向量表，从中读取中中断源的向量地址；按该地址访问中断向量表，从中读取中断服务程序的入口地址，由此转向中断服务程序，进行中断断服务程序的入口地址，由此转向中断服务程序，进行中断处理。这些工作通常在中断周期中由硬件直接实现。处理。这些工作通常在中断周期中由硬件直接实现。本课件由电子科大成都学院计算机系制作本课件由电子科大成都学院计算机
8、系制作。本课件由电子科大成都学院计算机系制作本课件由电子科大成都学院计算机系制作。3中断响应过程中断响应过程n为了能切换到中断处理程序，在中断周期需要完成经下为了能切换到中断处理程序，在中断周期需要完成经下4项操作：项操作：n（1）关中断关中断 为了保证本次中断响应过程不受干扰，在进入中断周期后，为了保证本次中断响应过程不受干扰，在进入中断周期后，首先关中断（如设首先关中断（如设TIEN=0），以禁止），以禁止CPU响应其它中断请求。响应其它中断请求。n（2）保存断点保存断点 程序计数器程序计数器PC保存了现行程序的后继指令的地址，称为保存了现行程序的后继指令的地址，称为断点。为了在完成中断处
9、理后能继续执行该程序，必须将断点压入堆栈断点。为了在完成中断处理后能继续执行该程序，必须将断点压入堆栈进行保存。进行保存。n（3）获取中断服务程序的入口获取中断服务程序的入口 被批准的中断源接口通过总线向被批准的中断源接口通过总线向CPU送送入向量地址，入向量地址，CPU根据该向量地址访问中断向量表，从中读取中断服务根据该向量地址访问中断向量表，从中读取中断服务程序的入口地址。程序的入口地址。n（4）转向程序运行状态转向程序运行状态 在中断周期结束时，通过微命令操作在中断周期结束时，通过微命令操作1FT，使，使中断周期切换到取指周期，以开始执行中断服务程序。中断周期切换到取指周期，以开始执行中
10、断服务程序。n以上操作是在中断周期中直接通过以上操作是在中断周期中直接通过CPU的硬件逻辑实现的，是的硬件逻辑实现的，是CPU的固的固有操作功能，并不需要编制程序实现，因此称为有操作功能，并不需要编制程序实现，因此称为中断隐指令中断隐指令操作。操作。本课件由电子科大成都学院计算机系制作本课件由电子科大成都学院计算机系制作。4中断处理过程中断处理过程 表表8-1 中断处理过程中断处理过程多重中断方式多重中断方式单级中断方式单级中断方式中断隐指令中断隐指令关中断关中断保存断点及保存断点及PSW取中断服务程序入口地址及新取中断服务程序入口地址及新PSW关中断关中断保存断点及保存断点及PSW取中断服务
11、程序入口地址取中断服务程序入口地址及新及新PSW中断服务程序中断服务程序保护现场保护现场送新屏蔽字送新屏蔽字开中断开中断服务处理（允许响应更高级别请求）服务处理（允许响应更高级别请求）关中断关中断恢复现场及原屏蔽字恢复现场及原屏蔽字开中断开中断返回返回保护现场保护现场服务处理服务处理恢复现场恢复现场开中断开中断返回返回 本课件由电子科大成都学院计算机系制作本课件由电子科大成都学院计算机系制作。本课件由电子科大成都学院计算机系制作本课件由电子科大成都学院计算机系制作。多重中断嵌套多重中断嵌套 本课件由电子科大成都学院计算机系制作本课件由电子科大成都学院计算机系制作。七、中断控制器举例七、中断控制
12、器举例n Intel 8259芯片是具有芯片是具有28脚的脚的可编程中断控制芯片，是微可编程中断控制芯片，是微机中广泛使用的中断控制器。机中广泛使用的中断控制器。具有中断源屏蔽、优先级判具有中断源屏蔽、优先级判别及中断类型号生成等功能。别及中断类型号生成等功能。右图为右图为8259外部的引脚信号。外部的引脚信号。n它内部有它内部有IRR、IMR、ISR等等主要寄存器。其内部结构如主要寄存器。其内部结构如下图所示。下图所示。本课件由电子科大成都学院计算机系制作本课件由电子科大成都学院计算机系制作。8259内部结构内部结构 本课件由电子科大成都学院计算机系制作本课件由电子科大成都学院计算机系制作。
13、2.Intel 8259的中断处理过程的中断处理过程8259对外部中断的处理过程如下：对外部中断的处理过程如下：（1）中断源通过）中断源通过IR0IR7提出中断请求，并进入中断请求提出中断请求，并进入中断请求寄存器寄存器IRR保存。保存。（2）若中断屏蔽寄存器）若中断屏蔽寄存器OCW1未使该中断请求屏蔽（对应未使该中断请求屏蔽（对应位为位为0时不屏蔽），该请求被送入优先级仲裁器时不屏蔽），该请求被送入优先级仲裁器PR比较；比较；否则不送入否则不送入PR比较。比较。（3）PR把新进入的请求与当前中断服务寄存器把新进入的请求与当前中断服务寄存器ISR中的正中的正在被处理的中断进行比较。如果新进入的
14、请求优先级较低，在被处理的中断进行比较。如果新进入的请求优先级较低，则则8259不向不向CPU提出请求。如果新进入的请求优先级较提出请求。如果新进入的请求优先级较高，则高，则8259使使INT引脚输出高电平，向引脚输出高电平，向CPU提出请求。提出请求。本课件由电子科大成都学院计算机系制作本课件由电子科大成都学院计算机系制作。2.Intel 8259的中断处理过程（续）的中断处理过程（续）（4）如果）如果CPU内部的标志寄存器中的内部的标志寄存器中的IF（中断允许标志）（中断允许标志）为为0，CPU不响应该请求。若不响应该请求。若IF=1，CPU在执行完当前指在执行完当前指令后，从令后，从CP
15、U的的INTA引脚上向引脚上向8259发出两个负脉冲。发出两个负脉冲。（5）其中，其中，第二个第二个INTA负脉冲到达负脉冲到达8259时，时，8259将中断类将中断类型码送到数据总线上，型码送到数据总线上，CPU将其保存在将其保存在“内部暂存器内部暂存器”中。中。（6）CPU把程序状态字把程序状态字PSW入栈、把入栈、把PSW中的中的IF和和TF清清0、把、把CS和和IP入栈，以保存断点。入栈，以保存断点。（7）根据内部暂存器中的中断类型码，查找中断向量表，）根据内部暂存器中的中断类型码，查找中断向量表，获得该中断所对应的中断向量，即中断服务程序入口地址。获得该中断所对应的中断向量，即中断服
16、务程序入口地址。本课件由电子科大成都学院计算机系制作本课件由电子科大成都学院计算机系制作。本课件由电子科大成都学院计算机系制作本课件由电子科大成都学院计算机系制作。8.3 I/O接口与接口与DMA方式方式n8.3.1 DMA方式的概念方式的概念n8.3.2 DMA传送方式与过程传送方式与过程n8.3.5 DMA控制器举例控制器举例 本课件由电子科大成都学院计算机系制作本课件由电子科大成都学院计算机系制作。8.3.1 DMA方式的概念方式的概念n1.DMA方式的定义方式的定义nDMA方式是直接依靠硬件在主存与方式是直接依靠硬件在主存与I/O设备之间传送数据设备之间传送数据的一种工作方式，在数据传
17、送期间不需要的一种工作方式，在数据传送期间不需要CPU执行程序执行程序进行干预，又称直接存储器存取（进行干预，又称直接存储器存取（Direct Memory Access）。）。本课件由电子科大成都学院计算机系制作本课件由电子科大成都学院计算机系制作。8.3.1 DMA方式的概念方式的概念n2.DMA的特点的特点n与直接程序传送方式相比，与直接程序传送方式相比，DMA方式可以响应随机请求方式可以响应随机请求n与中断方式相比，与中断方式相比，DMA方式仅需占用系统总线，不需要方式仅需占用系统总线，不需要切换程序切换程序nDMA操作与操作与CPU运行是怎样实现并行工作的？运行是怎样实现并行工作的？
18、本课件由电子科大成都学院计算机系制作本课件由电子科大成都学院计算机系制作。本课件由电子科大成都学院计算机系制作本课件由电子科大成都学院计算机系制作。8.3.2 DMA传送方式传送方式n1.单字传送方式单字传送方式n每次传送一个字节或一个字每次传送一个字节或一个字n2.成组连续传送方式成组连续传送方式n进行成组连续的批量传送进行成组连续的批量传送 本课件由电子科大成都学院计算机系制作本课件由电子科大成都学院计算机系制作。8.3.2 DMA传送方式传送方式nDMA操作分为哪几个阶段？操作分为哪几个阶段？n（1）n（2）n（3）本课件由电子科大成都学院计算机系制作本课件由电子科大成都学院计算机系制作
19、。本课件由电子科大成都学院计算机系制作本课件由电子科大成都学院计算机系制作。8.1 I/O接口概述接口概述n1.I/O接口的定义接口的定义n2.I/O接口的作用接口的作用n3.I/O接口的形式接口的形式n4.I/O接口的分类接口的分类n5.I/O接口技术的发展接口技术的发展 本课件由电子科大成都学院计算机系制作本课件由电子科大成都学院计算机系制作。什么是什么是I/O接口（电路）？接口（电路）？n位于主机与外设之间的芯片、模块或电路。位于主机与外设之间的芯片、模块或电路。1.I/O接口的定义接口的定义 本课件由电子科大成都学院计算机系制作本课件由电子科大成都学院计算机系制作。为什么需要接口电路为
20、什么需要接口电路?n微机的外部设备多种多样微机的外部设备多种多样n工作原理、驱动方式、信息格式、以及工作速度方面彼工作原理、驱动方式、信息格式、以及工作速度方面彼此差别很大此差别很大n它们不能与它们不能与CPU直接相连直接相连,必须经过中间电路再与系统必须经过中间电路再与系统相连相连n这部分电路被称为这部分电路被称为I/O接口电路接口电路2.I/O接口的作用接口的作用 本课件由电子科大成都学院计算机系制作本课件由电子科大成都学院计算机系制作。I/O接口的基本功能接口的基本功能nI/O接口（即输入接口（即输入/输出接口）位于系统总线与外设之间，输出接口）位于系统总线与外设之间，负责控制和管理一个
21、或多个外设，并负责这些设备与主机负责控制和管理一个或多个外设，并负责这些设备与主机间的数据交换。其基本功能包括：间的数据交换。其基本功能包括：n1寻址：接口逻辑通常都包括一系列寄存器，寻址就是寻址：接口逻辑通常都包括一系列寄存器，寻址就是选择其中一个特定寄存器。选择其中一个特定寄存器。n2数据传送与缓冲：通过设置数据缓冲寄存器，提供数数据传送与缓冲：通过设置数据缓冲寄存器，提供数据缓冲，实现速度匹配。缓存容量称为缓冲深度。据缓冲，实现速度匹配。缓存容量称为缓冲深度。n3数据格式变换、电平转换等预处理，如串并转换数据格式变换、电平转换等预处理，如串并转换n4控制逻辑：接收控制逻辑：接收CPU命令
22、，经过解释发出具体的操作命令，经过解释发出具体的操作命令给外设；同时收集外设和接口自身的状态信息。命令给外设；同时收集外设和接口自身的状态信息。本课件由电子科大成都学院计算机系制作本课件由电子科大成都学院计算机系制作。I/O接口的形式接口的形式n可以是主板上的一个电路模块，也可以是一块芯片，或可以是主板上的一个电路模块，也可以是一块芯片，或者以板卡的形式插在主板上。者以板卡的形式插在主板上。3.I/O接口的形式接口的形式 本课件由电子科大成都学院计算机系制作本课件由电子科大成都学院计算机系制作。4.I/O接口的分类接口的分类n通用接口通用接口n专用接口专用接口 本课件由电子科大成都学院计算机系
23、制作本课件由电子科大成都学院计算机系制作。5.I/O接口技术的发展接口技术的发展 P213n1.I/O接口技术的发展方向接口技术的发展方向n（1）硬件方面：）硬件方面：I/O接口的公共逻辑发展为芯片组；专接口的公共逻辑发展为芯片组；专用接口采用专用芯片设计技术，发展趋向智能化。用接口采用专用芯片设计技术，发展趋向智能化。n（2）软件方向：逐渐演变为多层架构设计，包括设备控软件方向：逐渐演变为多层架构设计，包括设备控制程序、设备驱动程序和用户制程序、设备驱动程序和用户I/O操作程序。操作程序。n2I/O接口技术的标准化接口技术的标准化n包括包括EIA制定的制定的RS系列标准、系列标准、CCITT制定的制定的V系列和系列和X系系列标准以及列标准以及IEEE制定的制定的802系列标准等。系列标准等。n各接口标准都涉及通信方向的电气特性、机械特性、功各接口标准都涉及通信方向的电气特性、机械特性、功能特性和规程特性等。能特性和规程特性等。本课件由电子科大成都学院计算机系制作本课件由电子科大成都学院计算机系制作。本章总结本章总结n本章不但介绍了接口的功能、分类及其发展本章不但介绍了接口的功能、分类及其发展n还重点介绍了中断方式的接口和还重点介绍了中断方式的接口和DMA方式接口的组成方案。方式接口的组成方案。The End!The End!