第5章 输入输出系统.

优
INTA1
先
权
01
IM 0
01
IR 0
INTR0
CPU
INTA 设备G
设备H
设备I
0
低
（5） 中断控制器集成芯片的优先排队(Intel 8259A)
INT
INTA
D0--D 7
A0 RD WR CS
CAS 0 CAS 1 CAS 2 SP/EN
数据缓冲
读/写 逻辑
级联缓冲 与比较器
中 优中 断 先断 服 级请 务 分求 寄 析寄 存 电存 器 路器
2 向量中断
3 （1） 有关的概念
4 . 中断向量
5
所有中断服务程序的入口地址和状态字在一起，称做
中断向量。
. 中断向量表
所有中断服务程序的入口地址（或包括服务程序的状态字） 组织成一维表，存放在一段连续的存储区。该存储区叫中断 向量表。
. 向量地址
存放某中断源的中断服务程序入口地址的单元地址叫向量 地址。
二、总线操作时序
1、同步控制方式
总线周期
时钟
T1
T2
T3
T4
地址
读命令
数据
（总线的同步控制方式）
2、异步控制方式
地址 MREQ
RD MSYN 数据 SSYN
主，请求 从，回答
主，请求 从，回答
主，请求 从，回答
不互锁 半互锁 全互锁
三、总线的仲裁
1、集中式仲裁 链式查询仲裁 计数器定时查询仲裁 独立请求仲裁
中断屏蔽寄存器
IREQ 0 IREQ 1
IREQ 2 IREQ 3 IREQ 4 IREQ 5
IREQ 6 IREQ 7
中断控制器8259A结构示意图
♦屏蔽技术的应用，
· 解决中断嵌套的问题。
在多重中断方式下，CPU响应某个中断源的请求后，应 禁止响应优先权小于或等于它的中断请求。而可以响应优先 权大于它的中断源的请求。
软件查询方法的程 序流程图见右边：
(响应中断)
保护断点和 现场
0号设备请求? No
1号设备请求? No
2号设备请求? No
3号设备请求? No 恢复断点 和现场
(返回主程序)
Yes
执行0号设备 中断服务程序
Yes
执行1号设备 中断服务程序
Yes
执行2号设备 中断服务程序
Yes
执行3号设备 中断服务程序
一、主机与外设的连接模式
1、单总线方式
系统总线
CPU
2、双总线方式
内存
设备 接口
（单总线结构）
系统总线
内存
总线
CPU
内存
设备 接口
（双总线结构）
设备 接口
设备 接口
3、三总线方式（高性能多总线结构）
系统总线
内存
总线
CPU
内存
IOP （通道）
I/O总线
设备 接口
（三总线结构）
设备 接口
4、 通道控制方式与输入输出处理机（IOP）方式
编码
CPU
INT INTA
I/O
I/O
链式优先排队（菊花链方式）
编码
INT INTA
I/O
I/O
链式优先排队（多重查询方式）
（4）二维结构的优先排队
01
IM 2
01
IR 2
INTR2
中断优先 排队电路
设备A
设备B
设备C
INTA2
高
与
中断控制 逻辑
01
IM 1
01
IR 1
INTR1
设备D
设备E
设备F
微机中有：PC总线 ISA总线 EISA总线 PCI总线 等
发送 部件
高位 1
0 1 1 0 1 0 1
低位
并行总线
发送部件
并—串 转换
传送数据 10110101
串行总线
接收 部件
接收部件
串—并 转换
三、接口的功能与分类
1、接口功能主要有4点： 寻址 数据缓冲 数据格式变换、电平转换 控制逻辑
2、接口分类 并行接口与串行接口 同步接口与异步接口 中断接口、DMA接口 等等
通常采用设置屏蔽码的办法。屏蔽掉优先权低的中断请求， 开放优先权高的请求。
·利用屏蔽技术，动态修改优先权。
中断响应优先权：指由硬件优先排队电路分配的各个中断
源在中断响应时的优先关系，一经确定，不易改变。
中断处理优先权：指利用屏蔽字，分配各中断源被处理时
的优先关系。可以通过修改屏蔽字的值，改变中断源的优先 关系。
地址空间
3FF
例： 独立编址方式
5.2 系统总线
一、总线信号组成
1、总线标准的制定应描述出总线的4个特性： 物理特性（机械特性） 电气特性 逻辑特性（功能特性） 时序特性
2、按逻辑特性分，系统总线分为4组： （1）电源线、地线 （2）地址线 （3） 数据线 （4）控制信号线
控制信号线通常包括： （1）复位信号（RESET） （2）同步定时信号 例：CPU时钟（CLOCK）、总线状态信号（S0，S1）、 刷新同步（REFESH）、机器周期同步（MCSYNC）等 （3）异步应答信号 主同步（MSYNC）、从同步（SSYNC） （4）总线控制权信号 总线请求（BREQ）、总线批准（BACK）、总线忙（BUSY） （5）中断请求与批准 信号 中断请求（IREQ1—IREQ7）、中断响应（INTA） （6）数据传送控制信号 存储器读（MEMR）、存储器写（MEMW）、 输入输出设备读（IOR）、输入输出设备写（IOW）
读取设备状态
N 准备好？ Y
传送数据
修改内存地址
数据量减1 N
传送完？ Y
关闭设备
0号采集器准备好?
Yes
从0号采集器 输入一个数据
No 1号采集器准备好?
Yes
从1号采集器 输入一个数据
No
2号采集器准备好?
Yes
从2号采集器 输入一个数据
No
3号采集器准备好?
Yes
从3号采集器 输入一个数据
主
数组多路 通道
（IBM 370的通道结构）
IO总线
设备 控制器
设备 控制器
设备
设备 设备
二、总线类型与总线标准
总线是一组可以分时、共享 的公共信息传输线路。
1、按功能分类：内部总线、系统总线、外部总线
地址锁存器
地址总线
CPU 数据缓冲器
数据总线
总线控制器
控制总线
适
中 DMA 接口
主 存
断 控 制 器
控 制 器
I/O 设备
接口 配 器
I/O 设备
外 围
设
RAM ROM PIO CPU
CTC
部件内 总线
总线控制逻辑
系统总线
总线扩 展板
存储模块 扩展板
打印机 显示器接 接口板 口板
（局部总线与系统总线结构图）
外总线
2、 按数据传送格式分
并行总线 串行总线
3、按时序控制方式分
同步总线 异步总线
4、总线标准
2、中断请求信号的传送 （1） 多线请求 （2）单线请求 （3）二维结构方式 （4）混合方式
INT0
CPU
INTn
多线请求
INT0
CPU
INTn
INT
CPU
单线请求
INT0 INTi INTn
二维多线请求
三、优先权逻辑与屏蔽技术
优先权有两种类型： （1） CPU与中断源间的优先关系
（2）各个中断源之间的优先关系
故障中断 > DMA请求 > 外设中断请求 快速外设 > 慢速外设 输入设备 > 输出设备
♦进一步优先权处理方法：
对于同时请求的多个中断源，采用“优先排队”技术。如下：
（1）软件查询方法
CPU响应中断后， 进入一个公共的中断处 理程序，在该程序中， CPU用“查询I/O指 令”，依次测试各中断 源是否有中断请求，若 有请求，CPU就转入相 应的中断服务程序，； 没有，就继续往下查询。 可见，先查询到的中断 源优先权高。
可以用指令使TIEN =1，称“开中断”，例8086中的开中断
指令 STI；
可以用指令使TIEN =0，称“关中断”，例8086中的关中断
指令 CLI。
2、中断源之间的优先关系
♦分两种情况： （1）同时有多个中断源请求，优先响应谁？ （2）当A中断源的请求正在处理时，B中断源又提出请求， CPU是否响应？（也即 中断嵌套 的问题） ♦优先关系的基本原则：
通道本身 是一个专门 管理输入/ 输出的控制 器。
通道控制 器的进一步 发展，使之 成为一个处 理器，就是 IOP方式。
判定与分配
CPU
存 储 总 线
主存
选择通道
字节多路 通道
I/O总线
磁盘控 制器
磁盘控 制器
磁盘
磁盘 磁盘
IO总线
设备 控制器
设备 控制器
设备
设备 设备
特点：信 息传送的吞 吐量大，大 型计算机中 采用。
主要知识点：
1．主机与输入输出设备间传送数据的四种控制方式
程序查询、中断、DMA、通道
2．系统总线的结构，理解输入/输出接口的分类、功能及基本 组成。
3．中断处理的全过程，中断优先、中断屏蔽、中断嵌套、中 断向量的概念。
4．DMA方式的原理和工作过程
重点与难点：
程序中断的概念、中断系统的组成、中断处理的具体过程、 DMA方式的基本原理。
1、CPU与中断源间的优先关系
对于中断源的中断请求，CPU是否“有求必应”？ 不是的。
当CPU当前的优先权高于中断源的优先权时，CPU可以不 响应中断请求。反之，则必须响应。
CPU内部设有一个“中断允许触发器” TIEN， TIEN =1时， 允许CPU响应中断， TIEN =0时，不允许CPU响应中断。
四、中断服务程序入口的获取方式
1、 非向量中断
0
1
CPU响应中断后 ，产生一个
固定的地址，由此地址单元中读
取中断查询程序的入口地址，通
nn
过软件查询确定中断源，并转入
相应的中断服务程序。
JMP nn
查询 程序
如图：以1号单元作为固定地址， 该单元中安排一条转移指令，转到地 址为nn的查询程序去。
非向量中断法的优点是：简单、易实现，成本低。 缺点是响应的速度慢。
特点： （1）CPU主动的不断查询外设状态； （2）数据的输入/输出都必须经过CPU； （3）CPU 与设备间是串行工作，所以CPU的使用效率低。
二、程序控制流程
直接程序传送方式的 程序流程图见右边的图。
三、程序查询方式的接口 电路
地址
IOW
译码
系 IOR
统
总
命令/状态寄存器
设
线
备
数据缓冲寄存器
启动设备
No
程
序
流
(程序直接控制方式的顺序查询程序流程)
5.4 程序中断方式及接口
主
一、么叫程序中断
应
中
断
在程序执行过程中，由于某个随机
事件的请求，暂停现程序的执行，转
中
去执行一段处理此随机事件的程序，
断 请
处理完后又回到原程序继续执行，这
求
服
务
程
返
序
回
一过程叫“程序中断”。
2、程序中断的特点： （1）当数据传送“准备好”时由设备主动向CPU提出中断请求； （2）CPU与设备是并行工作的； （3）一般用于低速设备的数据传送。
2、分布式仲裁
四、总线带宽
各功能总线组中的信号线数，即总线一次操 作可以传输的数据位数，位数越多则一次传输的 信息也越多。
5.3 直接程序传送方式及接口
一、基本原理
通过CPU执行一段程序，控制外部设备与主机之间的数据传 送的整个过程。CPU在执行程序时需要不断查询外部设备的状 态，如果设备的数据传送没有准备好，CPU就反复查询；只有 当设备准备好（READY），CPU才能用I/O指令传送一个数据。
3、接口的主要部件组成：
数据缓冲器
设备地址识别线路
设备状态寄存器
主机命令字寄存器
数据格式转换
控制逻辑
0000
0000
7FFF 8000
FFFF
主存地址 空间
I/O 地址空间
例：统一编址方式
4、I/O接口（I/O设备） 的编址方式
主存地址 空间
（1） 统一编址方式 （2） 独立编址方式 FFFF
000 I/O
(程序中断方式的 固定优先级查询流程)
（2） 并行优先排队逻辑
每个中断源提供独立的中断请求信号给CPU。
INTR 0
INTR 1
INTR 2
特点：
响应的 速度快；
但硬件 成本高。
适用于 具有多请
求线的计 INTR ’0
算机系统。
INTR’1
INTR’2
（具有独立请求线的并行排优逻辑）
（3） 链式优先排队逻辑
（2） 向量中断
响应中断时，由硬件直接产生对应于中断源的向量地址，据此访问
中断向量表，从中读取服务程序入口地址，由此转向服务程序。
中断类型号 0型
1型
向量地址
0000 0001 0002 0003 0004
； ； 0023 0024 ； ； 007F 0080 ; ;
中断向量表 偏移量 .... 段地址 ....
5.1 概述
输入输出系统包括： （1）硬件部分：外部设备、接口、系统总线
系统总线是连接主机与外设的信息载体； 接口是控制主机与外设间信息传送控制方式的电 路 （2）软件部分： 设备控制程序是指在一些设备控制器中由微处理 器执行的程序； 设备驱动程序是指“操作系统”中一组对外设的 驱动程序。 用户I/O程序：简单统一的界面实现设备控制
3、 中断分类
中断
自愿中断
（程序中安排，通过中断指令引起）
内中断
外中断
（强迫中断）
强迫中断
外设的请求 人工干预
硬件故障
软件故障
如“溢出中断”
二、 中断请求信号的提出与传送 1、中断请求信号的提出
IRQ Q
IRQ DC
TD TM
IRQ INT
TM Q
IRQ DC
屏
IRQ 0
蔽
寄
存
器
IRQ 7
中断控制器 TD
专用区
255型
03FF
中断向量表一例
五、中断响应 1、 CPU响应中断的条件 （1）有中断请求信号产生而且没有被屏蔽； （2）CPU处于开中断状态； （3）在一条指令执行结束时响应中断。 2、 CPU的中断响应过程