第10章

nullnull本章主要内容本章主要内容10.1 输入输出(I/O)系统概述 10.2 程序中断输入输出方式 10.3 DMA输入输出方式 10.4 通道控制方式和外围处理机方式 10.5 总线结构 10.6 外设接口 习MATCH_ word word文档格式规范word作业纸小票打印word模板word简历模板免费word简历 _1714001753407_1 10.1 输入输出(I/O)系统概述10.1 输入输出(I/O)系统概述 输入输出系统包括外部设备(输入输出设备和辅助存储器)及其与主机(CPU和存储器)之间的控制部件。后者称之为设备控制器，诸如磁盘控制器、打印机控制器等，有时也称为设备适配器或接口，其作用是控制并实现主机与外部设备之间的数据传送。10.1.1 输入输出设备的编址及设备控制器的基本功能10.1.1 输入输出设备的编址及设备控制器的基本功能 为了CPU便于对I/O设备进行寻址和选择，必须给众多的I/O设备进行编址，也就是给每一台设备 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 一些地址码，称为设备号或设备代码。 1. 设备的编制方式 统一编址法 单独编址法10.1.1 输入输出设备的编址及设备控制器的基本功10.1.1 输入输出设备的编址及设备控制器的基本功统一编址：又称存储器映像编址方式。将每一外设端口视为一个存储单元，统一编排地址，即外设和存储器使用的是同一个地址空间。这样，就可利用访内指令去访问I/O端口，而不需要专门的I/O 指令。CPU 采用存贮器读写控制信号(如MEMR、MEMW)，并经地址译码控制来确定是访问存贮器还是访问I/O 设备。 优点：简化指令系统，无需专门的I/O指令 缺点：I/O端口地址占用了一部分存储器地址空间；I/O指令码长，执行速度慢。10.1.1 输入输出设备的编址及设备控制器的基本功10.1.1 输入输出设备的编址及设备控制器的基本功10.1.1 输入输出设备的编址及设备控制器的基本功10.1.1 输入输出设备的编址及设备控制器的基本功单独编址法：又称独立编址方式。I/O 设备的地址空间和存贮器地址空间是两个独立的空间。CPU 使用专门的IN( 输入) 和OUT(输出) 等I/O指令来实现数据传送。工作时，CPU 对指令进行译码（例如：给出M/IO信号），区分是存储器读写操作还是I/O读写操作。 优点： 不占用存储器地址空间； 缺点： 需专门的I/O指令。10.1.1 输入输出设备的编址及设备控制器的基本功10.1.1 输入输出设备的编址及设备控制器的基本功10.1.1 输入输出设备的编址及设备控制器的基本功10.1.1 输入输出设备的编址及设备控制器的基本功2. 设备控制器(I/O接口)的基本功能是： (1) 实现主机和外围设备之间的数据传送控制。包括同步控制、设备选择和中断控制等。DMA设备还具有直接访问存储器功能，并给出存储器地址。 (2) 实现数据缓冲，以达到主机同外围设备之间的速度匹配。在接口电路中，一般设置一个或几个数据缓冲寄存器。在传送过程中，先将数据送入数据缓冲寄存器，然后再送到目的设备(输出)或主机(输入)。 (3) 接受主机的命令，提供设备接口的状态，并按照主机的命令控制设备。 10.1.1 输入输出设备的编址及设备控制器的基本功10.1.1 输入输出设备的编址及设备控制器的基本功3. 输入输出接口类型有： (1) 按照数据传送的宽度可分为并行接口和串行接口。在并行接口中，设备和接口是将一个字节(或字)的所有位同时传送。在串行接口中，设备和接口间的数据是一位一位串行传送的，而接口和主机之间是按字节或字并行传送。接口要完成数据格式的串—并变换。 (2) 按照数据传送的控制方式可分成程序控制输入输出接口，程序中断输入输出接口和直接存储器存取(DMA)接口等。 10.1.2 I/O设备数据传送控制方式 10.1.2 I/O设备数据传送控制方式 为保证CPU与外设能可靠地发送和接收数据，针对不同性能的外设应采用不同的信息交换方式 程序直接控制方式 程序中断方式 直接内存访问（DMA）方式 通道方式 适合数据传输率比较 低的外围设备 数据传输率 较高设备10.1.2 I/O设备数据传送控制方式10.1.2 I/O设备数据传送控制方式1. 程序直接控制方式就是完全通过程序来控制主机和外围设备之间的信息传送。通常的办法是在用户的程序中安排一段由输入输出指令和其他指令所组成的程序段直接控制外围设备的工作。 程序直接控制方式又分为无条件传送和条件传送两种方式。10.1.2 I/O设备数据传送控制方式10.1.2 I/O设备数据传送控制方式无条件传送方式 　无条件传送适用于数据传送不太频繁的情况，(机械开关、数码显示器).所谓无条件，就是假设外设已处于就绪状态，数据传送时，程序不必再去查询外设的状态，而直接执行I/O指令进行数据传输。这种方式是最简单的传送方式，程序编制与接口电路 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 都较为简单。 10.1.2 I/O设备数据传送控制方式 10.1.2 I/O设备数据传送控制方式程序查询方式 程序查询方式即条件传送方式。CPU通过执行程序不断读取并测试外设的状态，当输入设备处于准备好状态或输出设备处于空闲状态时，CPU执行输入或输出指令与外设交换数据。查询方式接口电路除了数据端口外，还应有传送状态信息的端口。 特点：只要CPU启动I/O设备，CPU便不断查询I/O的准备情况，终止了原程序的执行程序查询方式程序查询方式操作流程图　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　10.1.2 I/O设备数据传送控制方式10.1.2 I/O设备数据传送控制方式2. 程序中断传送方式 在程序中断传送方式中，通常在程序中安排一条指令，发出START信号启动外围设备，然后机器继续执行程序。当外围设备完成数据传送的准备后，便向CPU发“中断请求”(INT)信号。CPU接到请求后若可以停止正在运行的程序，则在一条指令执行完后(非流水线计算机)，转去执行“中断服务程序”，完成传送数据工作，通常传送一个字或一个字节。传送完毕仍返回原来的程序。 程序中断方式大大提高了计算机系统的工作效率。10.1.2 I/O设备数据传送控制方式10.1.2 I/O设备数据传送控制方式3. 直接存储器存取方式 直接存储器存取简称DMA，该方式的基本思想是在外围设备和主存之间开辟直接的数据传送通路。在正常工作时，所有工作周期均用于执行CPU的程序。当外围设备完成输入或输出数据的准备工作后，占用总线一个工作周期，和主存直接交换数据。这个周期过后，CPU又继续控制总线，执行原程序。如此重复，直到整个数据块的数据传送完毕。10.1.2 I/O设备数据传送控制方式10.1.2 I/O设备数据传送控制方式4. I/O通道控制方式 通道能独立地执行用通道命令编写的输入输出控制程序，产生相应的控制信号送给由它管辖的设备控制器，继而完成复杂的输入输出过程。 5. 外围处理机方式 输入输出处理机通常称作外围处理机,简称PPU。这种外围处理机的结构更接近一般处理机，甚至就是一般小型通用计算机或微机。它可完成I/O通道所要完成的I/O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部件、缓冲部件，还可形成I/O程序所必需的程序转移手段。10.2 程序中断输入输出方式10.2 程序中断输入输出方式10.2.1 中断的作用、产生和影响 1、中断定义 在计算机连续执行指令的过程中出现了不可预知的事件，需要CPU暂停执行原来的程序转而处理当前的事件，处理完毕后，CPU回到原来的地方去执行后续指令。10.2.1 中断的作用、产生和影响10.2.1 中断的作用、产生和影响2. 中断的作用 (1) CPU与I/O设备并行工作 (2) 硬件故障处理 (3) 实现人机联系 (4) 实现多道程序和分时操作 (5) 实现实时处理 (6) 实现应用程序和操作系统(管态程序)的联系 (7) 多处理机系统各处理机间的联系10.2.1 中断的作用、产生和影响10.2.1 中断的作用、产生和影响3. 有关中断的产生和响应的概念 (1) 中断源 引起中断的事件，即发出中断请求的来源，称为中断源。 ① 中断源的种类 I/O设备、定时钟等来自处理机外部设备的中断，又叫外中断。 处理器硬件故障或程序“出错”引起的中断，又叫内中断。 由“Trap”指令产生的软中断，这是在程序中预先安排好的。而前面两种中断则是随机发生的。10.2.1 中断的作用、产生和影响10.2.1 中断的作用、产生和影响② 中断触发器 当中断源发生引起中断的事件时，先将它保存在设备控制器的“中断触发器”中，即将“中断触发器”置“1”。当中断触发器为“1”时，向CPU发出“中断请求”信号。10.2.1 中断的作用、产生和影响10.2.1 中断的作用、产生和影响(2) 中断的分级与中断优先权 在设计中断系统时，要把全部中断源按中断性质和处理的轻重缓急进行排队并给予优先权。所谓优先权是指有多个中断同时发生时，对各个中断响应的优先次序。 当中断源数量很多时，中断字就会很长；同时也由于软件处理的方便，一般把所有中断按不同的类别分为若干级，称为中断级，在同一级中还可以有多个中断源。首先按中断级确定优先次序，然后在同一级内再确定各个中断源的优先权。 10.2.1 中断的作用、产生和影响10.2.1 中断的作用、产生和影响(3) 禁止中断和中断屏蔽 ① 禁止中断 产生中断源后，由于某种条件的存在，CPU不能中止现行程序的执行，称为禁止中断。 ② 中断屏蔽 当产生中断请求后，用程序方式有选择地封锁部分中断，而允许其余部分中断仍得到响应，称为中断屏蔽。 10.2.2 中断处理10.2.2 中断处理1. 中断处理过程 不同计算机对中断的处理各具特色，就其多数而论，中断处理过程如下: (1) 关中断，进入不可再次响应中断的状态，由硬件自动实现。 (2) 保存断点和现场 (3) 判别中断源，转向中断服务程序。 (4) 开中断。开中断将允许更高级中断请求得到响应，实现中断嵌套。 (5) 执行中断服务程序。 (6) 退出中断。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。 进入中断时执行的关中断、保存断点等操作一般是由硬件实现的，它类似于一条指令，但它与一般的指令不同，不能被编写在程序中。因此，常常称为“中断隐指令”。 null10.2.2 中断处理10.2.2 中断处理2. 判别中断源 可以有软件和硬件两种方法来确定中断源。 (1) 查询法 由测试程序按一定优先排队次序检查各个设备的“中断触发器”(或称为中断标志)，当遇到第一个“1”标志时，即找到了优先进行处理的中断源，通常取出其设备码，根据设备码转入相应的中断服务程序。 (2) 串行排队链法 由硬件确定中断源。10.2.2 中断处理10.2.2 中断处理3. 多重中断处理 多重中断是指在处理某一个中断过程又发生了新的中断请求，从而中断该服务程序的执行，又转去进行新的中断处理。这种重叠处理中断的现象又称为中断嵌套。一般情况下，在处理某级中的某个中断时，与它同级的或比它低级的新中断请求应不能中断它的处理，而在处理完该中断返回主程序后，再去响应和处理这些新中断。而比它优先级高的新中断请求却能中断它的处理。10.3 DMA输入输出方式10.3 DMA输入输出方式 DMA是I/O设备与主存储器之间由硬件组成的直接数据通路，用于高速I/O设备与主存之间的成组数据传送。数据传送是在DMA控制器控制下进行的，由DMA控制器给出当前正在传送的数据字的主存地址，并统计传送数据的个数以确定一组数据的传送是否已结束。在主存中要开辟连续地址的专用缓冲器，用来提供或接收传送的数据。在数据传送前和结束后要通过程序或中断方式对缓冲器和DMA控制器进行预处理和后处理。10.3.1 DMA三种工作方式10.3.1 DMA三种工作方式1. CPU暂停方式 主机响应DMA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CPU。 2. CPU周期窃取方式 DMA控制器与主存储器之间传送一个数据，占用(窃取)一个CPU周期，即CPU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 这是 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的DMA工作方式，如传送数据时CPU正好不占用存储总线，则对CPU不产生任何影响。如DMA和CPU同时需要访问存储总线，则DMA的优先级高于CPU。 在DMA传送数据过程中，不能占用或破坏CPU硬件资源或工作状态，否则将影响CPU的程序执行。nullnullnullnullnullnullnullnull