计算机组成原理第八章输入输出系统(三)课件
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《计算机组成原理》输入输出系统PPT课件
中断向量表： 集中存放系统中所有中断向量的存储区。 8086 PC机中，将存储器物理地址为0~3FFH的1024个单 元作为中断向量表，每个向量占用4个字节，可容纳256个 中断向量。
2020/2/27
24
类型号 0
中 断 类型号 8 向 量 表
类型号 255
2020/2/27
偏移地址 0000 : 0000
2020/2/27
15
程序查询方式的接口
②
①
④ ⑤
⑥
③
① CPU向接口写入控制字； ② 接口启动外设； ③ 外设开始准备数据，并提
供到外部数据总线； ④ 外设工作完成后，发回响
应信号给接口； ⑤ 接口接收数据到内部，并
设置就绪状态； ⑥ CPU读到就绪状态，执行
输入指令，读入数据；
2020/2/27
0000 : 03FF
中断类型号 每个中断向量 在中断向量表 中的序号，值 为0－255。
25
中断类型号与中断向量
中断类型号（n）4 ＝ 中断向量在表中的偏移地址 如：n＝8，则应从向量表20H~23H中取出中断向量
CPU使用向量中断的过程：
中断源提供 中断类型号n
CPU转向中断 服务程序执行
4
19
8.3.1 中断的基本概念
中断服务程序与中断时CPU正在运行的程序是相互独立的，相 互不传递数据。
2020/2/27
20
有关中断
中断处理过程是由硬件和软件结合来完成的。
为什么要使用中断？
解决速度问题，使CPU和I/O并行工作；
对意外情况(如磁盘损坏、运算溢出等)能够及时处理。
在实时控制领域中，及时响应外来信号的请求。
接口管理程序
2020/2/27
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类型号 0
中 断 类型号 8 向 量 表
类型号 255
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偏移地址 0000 : 0000
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程序查询方式的接口
②
①
④ ⑤
⑥
③
① CPU向接口写入控制字； ② 接口启动外设； ③ 外设开始准备数据，并提
供到外部数据总线； ④ 外设工作完成后，发回响
应信号给接口； ⑤ 接口接收数据到内部，并
设置就绪状态； ⑥ CPU读到就绪状态，执行
输入指令，读入数据；
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0000 : 03FF
中断类型号 每个中断向量 在中断向量表 中的序号，值 为0－255。
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中断类型号与中断向量
中断类型号（n）4 ＝ 中断向量在表中的偏移地址 如：n＝8，则应从向量表20H~23H中取出中断向量
CPU使用向量中断的过程：
中断源提供 中断类型号n
CPU转向中断 服务程序执行
4
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8.3.1 中断的基本概念
中断服务程序与中断时CPU正在运行的程序是相互独立的，相 互不传递数据。
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有关中断
中断处理过程是由硬件和软件结合来完成的。
为什么要使用中断？
解决速度问题，使CPU和I/O并行工作；
对意外情况(如磁盘损坏、运算溢出等)能够及时处理。
在实时控制领域中，及时响应外来信号的请求。
接口管理程序
计算机组成原理第8章 输入输出系统.ppt
2019年12月24日星期
二
25
8.1 主机与外设的连接
计算机组成原理
1. 程序查询方式
这种方式控制简单，但外设和主机不能同时 工作，各外设之间也不能同时工作，系统效率很 低，因此，仅适用于外设的数目不多，对I/O处理 的实时要求不那么高，CPU的操作任务比较单一， 并不很忙的情况。
2019年12月24日星期
二
8
8.1 主机与外设的连接
计算机组成原理
(5) 传递控制命令和状态信息
当CPU要启动某一外设时，通过接口中的控 制命令寄存器向外设发出启动命令；当外设准备 就绪时，则有状态信息送回接口中的状态寄存器， 为CPU 提供反馈信息，告诉CPU，I/O设备已经 具备和CPU交换数据的条件。当外设向CPU提出 中断请求和DMA请求时，CPU也有相应的响应信 号反馈给外设。
2019年12月24日星期
二
27
8.1 主机与外设的连接
计算机组成原理
2.
程序中断在信息交换方式中处于最重要的地 位，它不仅允许主机和外设同时并行工作，并且 允许一台主机管理多台外设。但是完成一次程序 中断需要许多辅助操作，可能使CPU应接不暇； 另外，对于一些高速外设，由于信息交换是成批 的，如果处理不及时，可能会造成信息丢失，因 此，它主要适用于中、低速外设。
任意两个连续的8位端口可作为1个16位端口 处理；四个连续的8位端口可作为1个32位端口处 理。因此，I/O地址空间最多能提供64K个8位端 口、32K个16位端口、16K个32位端口或总容量 不超过64KB的不同端口的组合。
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二
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8.1 主机与外设的连接
计算机组成原理
80x86的专用I/O指令IN和OUT有直接寻址和 间接寻址两种类型。直接寻址I/O端口的寻址范围 为00～FFH，至多为256个端口地址。这时程序 可以指定：
计算机组成原理第8章-输入输出系统
第八章输入输出系统8.1输入输出设备的编址方式8.2 总线结构8.2.1 概述总线是传送信息的通路，在计算机系统中使用的总线可分成3类：(1)计算机系统中各部件内部传送信息的通路。
例如：运算器内部寄存器与寄存器之间、寄存器与算术逻辑运算单元(ALU)之间的传送通路，通常称之为内部总线。
(2)计算机系统中各部件之间传送信息的通路。
例如CPU与主存储器之间，CPU与外设端口之间传送信息的通路，通常称之为“系统总线”。
(3)计算机多机系统内部各计算机之间传送信息的通路，通常称之为“机间总线”或“多机总线”。
本节中讨论的主要是CPU与外设接口之间的系统总线，又可称作输入输出总线，简称I／O总线。
提到总线，人们马上会想到它由许多条传输线构成，这些传输线的总条数称作总线的宽度，连接在一条总线上常常有多个设备或部件，因此常被称作共享总线或分时总线。
因为不管一条总线上连接了多少个设备，任何时候只能有两个设备利用总线进行通信，一是信息发送者，一是信息接收者。
于是就应该有一个部件来确定当前总线由哪两个设备来使用。
如果有多个部件申请使用总线时，还应该由它根据申请者的优先级别来确定使用总线的优先次序，所有这些功能要由总线控制逻辑来完成。
因此总线应该是由一定数量的传输线和总线控制器两部分构成。
总线控制器可以是集中式的，集中在某个部件内部，也可以是分散式的，分散在共享总线的多个部件中。
8.2.2总线的控制方式以集中式总线控制方式为例来说明常用的3种总线控制与仲裁方式。
1．串行链式查询方式采用串行链式查询方式来实现判优功能的连接图如图8－3所示。
从图8-3中可以看出，该总线上连接着多个部件，对各个部件来说，除了共享数据总线和地址总线外，还有3条控制线(构成控制总线)：总线请求信号线(BR)、总线忙信号线(BS)和总线认可信号线(BG)。
由于总线认可信号线对共享总线的多个部件来说形成了一条串行的链，故串行链式查询方式因此而得名。
计算机组成原理(本全PPT)
应用
用作固件存储，如BIOS、固件等。
外存储器
特点
容量大、价格低、速度慢、数据可长期保存。
分类
机械硬盘（HDD）和固态硬盘（SSD）。
外存储器
应用
作为计算机的主要存储设备。
特点
容量大、价格低、速度慢、数据可长期保存。
外存储器
分类
CD、DVD和蓝光光盘等。
应用
用于数据备份和存储。
高速缓存(Cache)
址和控制信号。
总线按照传输信号类型可以分为 数据总线、地址总线和控制总线。
总线按照连接部件可以分为内部 总线和外部总线，内部总线连接 计算机内部各部件，外部总线连
接计算机与外部设备。
主板的结构与功能
主板的结构包括
处理器插座、内存插槽、扩展插槽、硬盘接口、电源接 口等。
主板的功能包括
提供各部件之间的连接，实现数据传输和控制信号传递 ；保障系统的稳定性和可靠性；提供系统扩展能力。
I/O数据传输方式
优点
CPU可以执行其他任务，适用于高速I/O 设备。
VS
缺点
需要设置中断控制器，实现起来较为复杂 。
I/O数据传输方式
优点
CPU不直接参与数据传输，适用于大数据块 传输。
缺点
需要设置DMA控制器，成本较高。
I/O设备控制方式
要点一
优点
简单、易于实现。
要点二
缺点
CPU效率低下，适用于慢速I/O设备。
计算机组成原理(本全ppt)
• 计算机系统概述 • 中央处理器(CPU) • 存储器系统 • 输入输出系统(I/O) • 总线与主板 • 计算机系统性能评价与优化
01
计算机系统概述
计算机的发展历程
用作固件存储，如BIOS、固件等。
外存储器
特点
容量大、价格低、速度慢、数据可长期保存。
分类
机械硬盘（HDD）和固态硬盘（SSD）。
外存储器
应用
作为计算机的主要存储设备。
特点
容量大、价格低、速度慢、数据可长期保存。
外存储器
分类
CD、DVD和蓝光光盘等。
应用
用于数据备份和存储。
高速缓存(Cache)
址和控制信号。
总线按照传输信号类型可以分为 数据总线、地址总线和控制总线。
总线按照连接部件可以分为内部 总线和外部总线，内部总线连接 计算机内部各部件，外部总线连
接计算机与外部设备。
主板的结构与功能
主板的结构包括
处理器插座、内存插槽、扩展插槽、硬盘接口、电源接 口等。
主板的功能包括
提供各部件之间的连接，实现数据传输和控制信号传递 ；保障系统的稳定性和可靠性；提供系统扩展能力。
I/O数据传输方式
优点
CPU可以执行其他任务，适用于高速I/O 设备。
VS
缺点
需要设置中断控制器，实现起来较为复杂 。
I/O数据传输方式
优点
CPU不直接参与数据传输，适用于大数据块 传输。
缺点
需要设置DMA控制器，成本较高。
I/O设备控制方式
要点一
优点
简单、易于实现。
要点二
缺点
CPU效率低下，适用于慢速I/O设备。
计算机组成原理(本全ppt)
• 计算机系统概述 • 中央处理器(CPU) • 存储器系统 • 输入输出系统(I/O) • 总线与主板 • 计算机系统性能评价与优化
01
计算机系统概述
计算机的发展历程
计算机组成原理 第八章 输入输出系统
• 要求：不需要增加额外的 硬件电路。
• 应用： 适同在CPU不太忙 且传送速度要求不高时。
Байду номын сангаас开始
读取状态
数据准备好？
是
否
交换并处理一个数据
否 操作完成？
是 结束
2、程序中断方式
• 工作原理：在外设准备数据时， CPU执行与传送 数据无关的工作，外设在准备好数据后，主动向 CPU发送一个中断请求，当CPU执行完当前指令 后，停止当前程序的执行，自动转向中断服务程 序，在中断服务程序中，完成一个数据的传送， 之后中断返回至原来的断点处，继续执行。
基本概念——CPU和外围设备的定时
• CPU和外围设备的定时，分为三种情况：
◦ 慢速外围设备 ◦ 中速外围设备 ◦ 高速外围设备
基本概念——CPU和外围设备的定时
• 速度极慢或简单的外围设备：对于这类设备CPU 总是能足够快地作出响应，也可以说，CPU认为 输入的数据一直有效，在这种情况下，CPU只要 接受和发送数据就可以了。
基本概念——CPU和外围设备之间信息交换的方式
• CPU和外设之间信息交换的方式： ◦ 程序查询方式 ◦ 程序中断方式 ◦ 直接内存访问（DMA）方式 ◦ 通道方式
基本概念——CPU和外围设备之间信息交换的方式
1、程序查询方式
• 工作原理：CPU查询外设 已准备好后，才传送数据。
• 特点：CPU与外设间通过 程序同步，CPU被外设独 占，CPU效率低下。
• 特点：能独立地执行用通道指令编写的输入输出 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。
• 要求：需要具有特殊功能的处理器，某些应用中 称为输入输出处理器（IOP）。
• 应用： 适同在CPU不太忙 且传送速度要求不高时。
Байду номын сангаас开始
读取状态
数据准备好？
是
否
交换并处理一个数据
否 操作完成？
是 结束
2、程序中断方式
• 工作原理：在外设准备数据时， CPU执行与传送 数据无关的工作，外设在准备好数据后，主动向 CPU发送一个中断请求，当CPU执行完当前指令 后，停止当前程序的执行，自动转向中断服务程 序，在中断服务程序中，完成一个数据的传送， 之后中断返回至原来的断点处，继续执行。
基本概念——CPU和外围设备的定时
• CPU和外围设备的定时，分为三种情况：
◦ 慢速外围设备 ◦ 中速外围设备 ◦ 高速外围设备
基本概念——CPU和外围设备的定时
• 速度极慢或简单的外围设备：对于这类设备CPU 总是能足够快地作出响应，也可以说，CPU认为 输入的数据一直有效，在这种情况下，CPU只要 接受和发送数据就可以了。
基本概念——CPU和外围设备之间信息交换的方式
• CPU和外设之间信息交换的方式： ◦ 程序查询方式 ◦ 程序中断方式 ◦ 直接内存访问（DMA）方式 ◦ 通道方式
基本概念——CPU和外围设备之间信息交换的方式
1、程序查询方式
• 工作原理：CPU查询外设 已准备好后，才传送数据。
• 特点：CPU与外设间通过 程序同步，CPU被外设独 占，CPU效率低下。
• 特点：能独立地执行用通道指令编写的输入输出 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。
• 要求：需要具有特殊功能的处理器，某些应用中 称为输入输出处理器（IOP）。
计算机组成原理课件第08章
一、接口的功能和组成
1、总线连接方式的I/O接口电路 、总线连接方式的 接口电路 在总线结构的计算机系统中，每一台 I/O设备都是通过I/O接口挂到系统总线上 的。如图示：
数据线： 数据线：传送数据信息 ，其根数一般等于存储 字长的位数或字符的位 数。双向。 设备选择线： 设备选择线：传送设备 码，其根数取决于I/O指 令中设备码的位数。单 向。 命令线： 命令线：传输CPU向设 备发出的各种命令信号 ，其根数与命令信号多 少有关。单向总线。 状态线： 状态线：向主机报告I/O 设备状态的信号线。单 向总线。
CPU在任何瞬间只能接受一个中断源 CPU在任何瞬间只能接受一个中断源 的请求。 的请求。因此，当多个中断源提出中断请 求时，CPU必须对各中断源的请求进行排 队，且只能接受级别最高的中断源的请求 ，不允许级别低的中断源中断正在运行的 中断服务程序。此时，就可用MASK来改 变中断源的优先级别。 另外，CPU总是在统一的时间，即执 CPU总是在统一的时间， 总是在统一的时间 行每一条指令的最后时刻， 行每一条指令的最后时刻，查询所有设备 是否有中断请求。 是否有中断请求。 接口电路中D、INTR、MASK和中断 查询信号的关系如图示：
2、排队器 、 当多个中断源同时向CPU提出请求时，经 排队器的排队，只有优先级高的中断源排上 队，这样就能实现CPU按中断源优先级的高 低响应中断请求。 下图是设在各个接口电路中的排队电路— —链式排队器。
其中首尾相接的虚线部分组成的门电路是排 当各中断源均无中断请求时，各INTRi 为高电 队器的核心，由一个非门和一个与非门构成。 平，其INTP1 '、 INTP2' 、 INTP3 '……均为高电平 中断源优先级最高的是1号中断源。当多个中 。一旦某中断源提出中断请求,就迫使比其优先级 断源提出中断请求时，排队器输出端INTPi， 低的中断源之INTPi '变为低电平，封锁其发中断 只有一个为高电平，表示该中断源排上队。 请求。
计算机组成原理课件(第8章__输入输出系统)
1、定义 在这种方式中CPU需要根据外设的工作 状态来决定何时进行数据传送，它要 求CPU随时对接口状态进行查询，如果 接口尚未准备好，CPU必须等待，并进 行查询。如果已准备好，CPU才能进行 数据的输入输出，这就是程序查询方 式。
2、程序查询方式的数据传送过程 具体步骤： ①向外设发出命令字，请求数据传送； ②从外设状态字寄存器读入状态字； ③检查状态字中的各种约定标志，看数据交换是否 可以进行。 ④若外设就绪，则进行数据传送，否则，重复②、 ③两步，一直到该设备准备好交换数据，发出就 绪信号“READY”为止。 ⑤在数据传送的同时，CPU将I/O接口中的状态标志 复位
4．外围处理机方式 外围处理机(PPU)方式是通道方式的进一步发 展．由于PPU基本上独立于主机工作，它的结 构更接近一般处理机，甚至就是一般的微小型 计算机．在一些系统中，设置了多台PPU，分 别承担I／O控制、通信、维护诊断等任 务．从某种意义上说，这种系统已变成分布式 的多机系统
8.2 程序查询方式
2．程序中断方式
中断是外围设备用来“主动”通知 CPU ，准 备送出输入数据或接收输出数据的一种方 法．通常，当一个中断发生时， CPU 暂停它 的现行程序，而转向中断处理程序，从而可 以输入或输出一个数据．当中断处理完毕后， CPU 又返回到它原来的任务，并从它停止的 地方开始执行程序．这种方式和我们前述例 子的第二种方法相类似．可以看出，它节省 了 CPU宝贵的时间，是管理 I ／ O 操作的一个 比较有效的方法。中断方式一般适用于随机 出现的服务，并且一旦提出要求，应立即进 行．同程序查询方式相比，硬件结构相对复 杂一些，服务开销时间较大
8.3 程序中断方式
8.2.1 中断的基本概念 采用程序查询方式，当外设速度较低 时，CPU大量的时间用于无效的查 询．不能处理其他事务，也不能对其他 突发事件及时作出反应。如何使CPU既 能对突发事件作出及时响应，避免无效 的查询以提高效率呢?
2、程序查询方式的数据传送过程 具体步骤： ①向外设发出命令字，请求数据传送； ②从外设状态字寄存器读入状态字； ③检查状态字中的各种约定标志，看数据交换是否 可以进行。 ④若外设就绪，则进行数据传送，否则，重复②、 ③两步，一直到该设备准备好交换数据，发出就 绪信号“READY”为止。 ⑤在数据传送的同时，CPU将I/O接口中的状态标志 复位
4．外围处理机方式 外围处理机(PPU)方式是通道方式的进一步发 展．由于PPU基本上独立于主机工作，它的结 构更接近一般处理机，甚至就是一般的微小型 计算机．在一些系统中，设置了多台PPU，分 别承担I／O控制、通信、维护诊断等任 务．从某种意义上说，这种系统已变成分布式 的多机系统
8.2 程序查询方式
2．程序中断方式
中断是外围设备用来“主动”通知 CPU ，准 备送出输入数据或接收输出数据的一种方 法．通常，当一个中断发生时， CPU 暂停它 的现行程序，而转向中断处理程序，从而可 以输入或输出一个数据．当中断处理完毕后， CPU 又返回到它原来的任务，并从它停止的 地方开始执行程序．这种方式和我们前述例 子的第二种方法相类似．可以看出，它节省 了 CPU宝贵的时间，是管理 I ／ O 操作的一个 比较有效的方法。中断方式一般适用于随机 出现的服务，并且一旦提出要求，应立即进 行．同程序查询方式相比，硬件结构相对复 杂一些，服务开销时间较大
8.3 程序中断方式
8.2.1 中断的基本概念 采用程序查询方式，当外设速度较低 时，CPU大量的时间用于无效的查 询．不能处理其他事务，也不能对其他 突发事件及时作出反应。如何使CPU既 能对突发事件作出及时响应，避免无效 的查询以提高效率呢?
《计算机组成原理》8-输入输出系统
允许中断３
INTA &
&
&
允许中断４ &
&
&
&
1
1
1
1
INTR1
INTR2
INTR3
（ b） 串 行 优 先 链 中 断 排 队 线 路
INTR4
&
至下一级
≥1
INT
程序中断方式
2、中断的处理过程
✓ 软件排队的基本做法是：当CPU访问到 INT0
中
有中断请求时，则保留好中断断点后立
断 服
即进入软件排队程序的入口。从最高优
✓ 中断排队的实现 可以用硬件排队或软件排队两种方法来实现
➢ 硬件排队方式 硬件排队的基本特点是，优先级别高的中断源提出中 断请求后，就自动封锁优先级别较低的中断源的中断请求
➢ 软件排队方式 软件排队是通过编写查询程序实现的。
程序中断方式
2、中断的处理过程
➢ 硬排队方式 I N T R0
INTR1 1
程序直接控制方式
2、条件传送方式
✓ 通过程序查询接口中的状态来控制数据传送的方式，也被称为程序查询 方式。
✓ 程序查询方式中，在执行一次有效的数据传送操作之前，必须对外部设 备的状态进行查询，如果外部设备准备就绪，才能执行数据传送操作。
程序直接控制方式
2、条件传送方式
检查状态标记
N 准备就绪？ Y 执行数据传送
I/O接口
1、接口的概念
✓ 介于主机与外部设备之间的一种缓冲电路称为I/O接口电路，简称I/O接口
（Interface）
✓ 对于主机，I/O接口提供了外部设备的工作状态及数据；对于外部设备，I/O
计算机组成原理白中英第八章输入输出系统PPT课件
• 中断技术的出现，提供了一种以响应外部 异常事件而改变状态流程的有效手段，它 支持了多重程序的运行及多个用户同时共 享整个计算机资源，充分发挥了计算机的 高速处理和实时处理能力，以及自动处理 机内部故障的能力。
2020/8/18
15
程序中断方式——基本概念
• 中断的基本概念 – 中断问题的提出 – 中断类型 – 多重中断和单级中断 – 中断的功能
– 在选定的输入输出设备和CPU之间进行数据 交换。
2020/8/18
3
• 输入输出设备和CPU交换数据的过程：
– 输入过程：
• CPU把一个地址值放在地址总线上，这一步将选 择一个输入设备
• CPU等候输入设备的数据成为有效
• CPU从数据总线上读入数据，并放在一个相应的 寄存器中
– 输出过程：
7
启动
CPU接收外设 一批数据字的过程:
N
就绪?
Y
传送一个字
CPU发响应信号
2020/8/18
复位就绪
传送完? N Y
结束
8
基本概念——CPU和外围设备的定时
• 高速外围设备：CPU和这类设备之间通 常采用同步定时方式，一旦CPU和外设 发生同步，他们之间的数据交换用时钟 控制来进行。
1)同步定时方式 CPU以等间隔的速率执行I/O指令。 靠时钟脉冲控制进行。
主要由程序实现
主要由附加硬件实现
2020/8/18
11
程序查询方式——基本概念
• 程序查询方式：通过由I/O指令所编的程序，
来控制主机与外设之间的信息传送。
• 工作过程：先由主机通过启动指令启动外设
工作，启动后主机用测试指令不断查询外设工 作是否完成，一旦外设工作完成，就可进行数 据传送了。
2020/8/18
15
程序中断方式——基本概念
• 中断的基本概念 – 中断问题的提出 – 中断类型 – 多重中断和单级中断 – 中断的功能
– 在选定的输入输出设备和CPU之间进行数据 交换。
2020/8/18
3
• 输入输出设备和CPU交换数据的过程：
– 输入过程：
• CPU把一个地址值放在地址总线上，这一步将选 择一个输入设备
• CPU等候输入设备的数据成为有效
• CPU从数据总线上读入数据，并放在一个相应的 寄存器中
– 输出过程：
7
启动
CPU接收外设 一批数据字的过程:
N
就绪?
Y
传送一个字
CPU发响应信号
2020/8/18
复位就绪
传送完? N Y
结束
8
基本概念——CPU和外围设备的定时
• 高速外围设备：CPU和这类设备之间通 常采用同步定时方式，一旦CPU和外设 发生同步，他们之间的数据交换用时钟 控制来进行。
1)同步定时方式 CPU以等间隔的速率执行I/O指令。 靠时钟脉冲控制进行。
主要由程序实现
主要由附加硬件实现
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11
程序查询方式——基本概念
• 程序查询方式：通过由I/O指令所编的程序，
来控制主机与外设之间的信息传送。
• 工作过程：先由主机通过启动指令启动外设
工作，启动后主机用测试指令不断查询外设工 作是否完成，一旦外设工作完成，就可进行数 据传送了。
计算机组成原理第八章输入输出系统(三)课件
❖ CPU和DMAC轮流（分时）使用总线，没有 使用权的申请、出让、归还这一类问题（透 明的DMA方式）；适用于CPU工作周期比内 存存取周期长得多的情况，以便在两次CPU 访问内存之间有一段空闲给DMAC使用。
❖ 实际是将CPU工作周期一分为二，CPU和 DMA各DMA传送和CPU同时发挥最高效率， 但控制逻辑复杂。也存在资源浪费。
❖ （3）I/O设备有DMA请求时，存储器正处于 “忙”（R/W）状态——必须等CPU存取结 束后才能进行DMA访内。
8.3.3 基本的DMA控制器 一、DMA控制器的基本组成——P.289图8.12 1、寄存器组：五个主要寄存器 （1）DMA传送的内存地址寄存器； （2）数据缓冲寄存器； （3）DMA传送的数据字数寄存器； （4）外围设备地址寄存器，存放I/O设备的设
❖ 8.3.2 DMA传送方式
❖ ——CPU和DMAC访存冲突的裁决方式。
❖ 常用的方式有以下三种：
一、停止CPU访问内存
外设要求传送一批数据时，由DMAC发请求信 号，要求CPU出让总线使用权；之后DMAC 独占内存进行批量的数据传送；一批数据传 送完毕后，DMAC才把总线控制权交还给 CPU。
命令；
存储
周期
存储器时序
DMA请求 CPU
DMA 周期
热启动
1）（字计数器）+1→字计数器；
2）清DMA请求标志触发器；
3） （内存地址计数器）+1→内存地址计数 器，未传完转2（1）（发生总线使用权转 让），否则接下。
（4）传送结束由DMA控制器中的中断机构 发DMA中断请求。
3、DMA结束处理
是
归还总线使用权
DMA传送数据的流程图
1、DMA传送前的预处理
计算机组成原理输入输出系统
2007.7.2
计算机组成原理
23
(7)判断传送是否结束。如果传送个数计数器 不为0，则转第(3)步，继续传送，直到传送个数计 数器为0，表示传送结束。
程序查询方式的工作流程如图8-5所示，其程 序查询的核心部分在图中用虚线框框出，真正传送 数据的操作由输入或输出指令完成。
程序查询方式使CPU处于忙等的状态，不利 于CPU资源的充分利用，所以人们提出中断方式。
2007.7.2
计算机组成原理
10
因此在大、中型计算机系统中，采用了I/O通道 的方式来进行数据交换。
图8-3表示了具有通道结构的计算机系统。
CPU
内存
通 I/O 道
图8-3 I/O通过通道与主机交换信息
2007.7.2
计算机组成原理
11
通道是用来负责管理I/O设备以及实现主存与 I/O设备之间交换信息的部件，可视为一种具有特殊 功能的处理器。通道有专用的通道指令，它能独立
设备控制器能将设备生成的各种形式的二进 制代码转换成电信号，并根据输入信号的要求对设 备进行控制。设备控制器是设备与计算机连接的部 件，是外部设备的一个组成部分。
I/O接口负责交换主机和I/O设备的状态信息， 使主机与I/O设备的速度相匹配，实现主机与I/O设 备之间的数据交换，并且实现数据格式的变换。
2007.7.2
计算机组成原理
1
本章要点：
I/O系统的任务和功能 计算机的I/O方式 计算机的I/O设备及其工作原理
2007.7.2
计算机组成原理
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8.1 I/O系统
计算机的输入输出系统（I/O系统）由I/O接口、 I/O管理部件以及有关的I/O软件组成，其主要作用 是实现计算机系统的输入输出功能。I/O系统具体要 解决的问题是：怎样在主机和外部设备之间建立一 个高效、可靠的信息传输“通路”；如何对外设进 行编址，使CPU方便地寻找到要访问的外设；I/O接 口、管理部件如何协调完成主机和外部设备之间的 数据交换等等。
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命令；
存储
周期
存储器时序
DMA请求 CPU
DMA 周期
热启动
1）（字计数器）+1→字计数器；
2）清DMA请求标志触发器；
3） （内存地址计数器）+1→内存地址计数 器，未传完转2（1）（发生总线使用权转 让），否则接下。
（4）传送结束由DMA控制器中的中断机构 发DMA中断请求。
3、DMA结束处理
❖ 8.3.2 DMA传送方式
❖ ——CPU和DMAC访存冲突的裁决方式。
❖ 常用的方式有以下三种：
一、停止CPU访问内存
外设要求传送一批数据时，由DMAC发请求信 号，要求CPU出让总线使用权；之后DMAC 独占内存进行批量的数据传送；一批数据传 送完毕后，DMAC才把总线控制权交还给 CPU。
周期挪用时的两种情况：内存争用与否；有冲 突则DMA优先，但影响CPU效率——
可以用指令预取的办法降低争访的几率。
既实现了I/O传送，又较好地发挥了CPU和内存
的效率。请求、响应及总线使用权频繁转换
会使效率下降。
内存工作 时间
t
CPU控制并 使用内存
DMA控制 并使用内存
周期挪用方式的示意图
三、DMA与CPU交替访问内存
（1）输入设备送一个字到DMA控制器的数 据缓冲寄存器，同时设备控制器以READY信 号置DMA控制器中DMA请求触发器为1；
（2）CPU响应DMA请求并在CPU当前存储
周期结束后，由DMA占用下一个存储周期
（——叫做DMA周期）进行写操作：1）
（内存地址计数器）→MAR；2）（接口数
据缓冲寄存器）→MDR；3）发出“写内存”
用多路DMA控制器控制光盘、软盘、打印机三 个设备同时工作。光盘以20 s的间隔向控制 器发DMA请求，软盘以90 s的间隔向控制器 发DMA请求，打印机以180 s的间隔发DMA 请求。请画出多路DMA控制器的工作时空图。
设DMAC每完成一次DMA传送需时3 s。
解答：该DMAC工作时空图如下。
3 s
2、结构图——以IBM4300系统为例，P.295图 8.19。
3、通道的基本功能——请看P295。
二、CPU对通道的管理——P.296。
三、通道对设备控制器的管理——P.296。
8.4.2 通道的类型
一、选择通道 连接多个高速外设以成组方式与主机交换信 息，但某段时间只允许一个设备工作。
二、数组多路通道
DMA响应插入点
中断响应插入点
❖ （3）二者的优先权不同： DMA方式优先权 比中断方式高（实现方法）；
❖ （4）CPU的利用率不同：DMA方式下CPU 与设备的并行程度比程序中断方式高；
❖ （5）应用不同：DMA只是对数据传送进行 控制，而中断具有I/O之外的作用；且， DMA方式的实现也要借助于中断系统的功 能——DMA传送结束的中断请求。
内存工作
t
时间
CPU控制并 使用内存
DMA控制 并使用内存
DMA与CPU交替访问的示意图
❖ 例1：解释周期挪用，分析周期挪用可能出现 的几种情况。
❖ 解答：解释名词。
❖ 周期挪用可能会出现三种情况：
❖ （1）I/O设备有DMA请求时，CPU正在进行 自身的操作，并不需要访内；
❖ （2）访内冲突——I/O设备的DMA请求优先 ；
❖ （2）控制外设与主存的数据交换
❖ 字节多路、选择、数组多路
备码或表示设备信息存储区的寻址信息； （5）控制与状态寄存器。 2、中断控制逻辑 3、DMA请求标志触发器 4、传输线
系统总线
①
⑩ 中断请求
数据线
地址线
MAR MDR
内存
CPU
中断机构 溢出信号
内存地址计数器 +1
⑤
⑨⑧
⑧
HOLD
控制/状态逻辑
字计数器
+1
HLDA ⑥
D⑦MA响D应0MAD请M1求A请④求数据缓冲寄存器
控制简单，但CPU可能因无法访存而处于暂停
状态。——指令Cache和数据Cache的作用。
内存工作
t
时间
CPU控制并 使用内存
DMA控制 并使用内存
CPU暂停访问内存的示意图
二、周期挪用（窃取）
CPU按程序访问内存，一旦I/O设备有DMA请 求，则由DMAC挪用一个存取周期；也有总 线使用权的交换。
❖ 在选择通道的基础上，当通道处于为A设备服 务的非数据传送期（如寻址），可转而为B设 备服务。
三、字节多路通道
❖ 连接多台低速外设，同时以字节方式与主机 交换数据。
❖P.303 第5题
❖ 通道的功能是（1）——，（2）——。 按通道的工作方式分，通道有——通 道、——通道和——通道三种类型。
❖ （1）接收CPU的I/O指令
A. 指令周期 B. 机器周期
C. 存储周期 D. 总线周期
第12题、下列陈述中正确的是( )。
A. 在DMA周期内，CPU不能执行程序
B. 中断发生时，CPU首先执行入栈指令将程 序计数器内容保护起来
C. DMA传送方式中，DMA控制器每传送一 个数据就窃取一个指令周期
D. 输入输出操作的最终目的是要实现CPU与 外设之间的信息传输。
❖ 8.3.4 选择型和多路型DMA控制器
❖ ——实际使用的DMAC
❖ 1、选择型DMA控制器
❖ 物理上连接多个设备，而某一时间段内只能 为一个设备服务——逻辑上连接一个设备。
P.291图8.14 选择型DMA控制器
系统总线
内 存
CPU
字计数器 内存地址寄存器
数据缓冲寄存器
状态控制寄存器 选
设备地址寄存器 择 线
❖ P.304 第16题：比较通道、DMA、中断三种 基本I/O方式的异同点。 解答（DMA与中断的比较）： （1）实现I/O的方法不同； （2）CPU响应中断与响应DMA请求的时机 不同（下图）； ——为什么作如此安排？
取指令 取源操作数 取目的操作 机器周期 机器周期 数机器周期 执行周期
指令周期
❖ 优点：速度快；
❖ 缺点：硬件线路复杂。
三、DMA控制器的基本操作
❖ （请看P.286）：
❖ 外设发出DMA请求；
❖ CPU响应请求——交出总线控制权；
❖ DMAC对内存寻址，对数据传送个数进行计 数，并执行数据传送操作；
❖ 向CPU报告DMA操作的结束——交还总线控 制权。
❖ 四、DMA操作中的软硬件分工 软件：负责数据传送前的准备工作，结束后 的处理工作； 硬件：负责数据传送。
光盘
软盘
打印机
20 40 60 80 100 120 140 160 180 t s 90
EX2的DMA控制器服务时空图
8.4 通道方式
8.4.1 通道的功能
一、功能
1、定义：一种具有特定功能的处理器，有自己 的指Байду номын сангаас和程序，专门负责数据I/O的控制与管 理。它与CPU分时使用主存，实现CPU内部 运算与I/O设备并行工作。
CPU响应DMA的中断请求后，停止原运行程 序转去执行DMA中断服务程序以完成DMA 结束处理工作。
——因此DMA接口应保留中断功能。
——由该过程体会周期挪用方式每传一个字 的“附加操作”及透明DMA的优点。
有关的书后习题——P.303~ P.304
第4题、采用DMA方式传送数据时，每传送 一个数据就要占用一个（ ）的时间。
❖ CPU和DMAC轮流（分时）使用总线，没有 使用权的申请、出让、归还这一类问题（透 明的DMA方式）；适用于CPU工作周期比内 存存取周期长得多的情况，以便在两次CPU 访问内存之间有一段空闲给DMAC使用。
❖ 实际是将CPU工作周期一分为二，CPU和 DMA各DMA传送和CPU同时发挥最高效率， 但控制逻辑复杂。也存在资源浪费。
是
归还总线使用权
DMA传送数据的流程图
1、DMA传送前的预处理
❖ CPU用程序为DMA传送做准备——（中断初 始化及）对DMAC的初始化：
（1）设备地址→DAR（设备地址寄存器）
（2）内存中DMA缓冲区首地址→内存地址 计数器
（3）传送数据的字数→字计数器
（4）启动设备
2、DMA数据传送
❖ DMA控制器代替CPU管理I/O设备进行数据 传送：（以输入过程为例）
设备选择
标志
一结个束字信传号送③ ③ 数据 设备控制器
设
备
简单的DMA控制器组成框图
②启动设备
二、DMA数据传送过程（周期挪用方式）
❖ （参看P.290图8.13）
DMA传送
DMA请求
开始
DMA响应
传送前预处理
数据传送
发送内存地址 传送一个字数据
修改地址指针和字计数器
传送后处理 结束
检测传送 否
是否结束？
8.3 DMA方式
8.3.1 DMA方式的基本概念
一、DMA方式的定义
❖ （请看P.286）：是一种完全由硬件执行I/O 交换的工作方式。在这种方式中，DMA控制 器从CPU完全接管对总线的控制，数据交换 不经过CPU，而直接在内存和I/O设备之间进 行。DMA方式一般用于高速传送成组数据。
二、DMA方式的特点
❖ （3）I/O设备有DMA请求时，存储器正处于 “忙”（R/W）状态——必须等CPU存取结 束后才能进行DMA访内。
8.3.3 基本的DMA控制器 一、DMA控制器的基本组成——P.289图8.12 1、寄存器组：五个主要寄存器 （1）DMA传送的内存地址寄存器； （2）数据缓冲寄存器； （3）DMA传送的数据字数寄存器； （4）外围设备地址寄存器，存放I/O设备的设