计算机组成原理第8章 输入输出系统
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8.3.1 中断的基本概念
在中断传送方式下，外部设备具有申请CPU服务的主动权。当输 入设备将数据准备好或者输出设备准备好接收数据时，便可以向 CPU发中断请求，使CPU暂时停下当前正在执行的程序而和外部 设备完成一次数据传输。等输入/输出操作完成以后，CPU继续 执行原来的程序。
8.3 程序中断方式
本章给出计算机系统中信息传输过程中的 技术解决方案。
8.1 输入/输出系统概述
8.1.1 I/O8系.统1的功能和组成
状态信息
实现主机和外设 的联络控制
数据信息 需要交换 的信息
传送控制 命令和 状态信息
功能
进行地址 译码和设 备选择
控制信息
数据格式 的变换
实现数据 缓冲
8.1 输入/输出系统概述
8.3 程序中断方式
8.3.1 中断的基本概念
中断：由于系统中某些突发事件或异常情况的发生，而强迫CPU 暂停（或中断）正在执行的程序转去执行相应的服务，当中断服 务结束之后再回到原来被中断的地方继续执行原来的程序。
中断源：发出中断请求的来源。 中断源可以分为两大类：内部中断和外部中断。
8.3 程序中断方式
8.1.1 I/O系统的功能和组成
外设识别
主
外
机
数据或命令或状态
设Baidu Nhomakorabea
控制电路
8.1 输入/输出系统概述
8.1.2 I/O设备的寻址方式
统一编址方式又称存储器映射编址方式，即把每个I/O端口都当 成一个存储单元看待，I/O端口与存储器单元在同一个地址空间进行 编址。通常是在整个地址空间中划分出一小块连续的地址分配给I/O 端口，被I/O端口占用了的地址存储器不能再使用。
8.3 程序中断方式
8.3.1 中断的基本概念
有两个方面的原因： ①在查询方式下，CPU不断地读取和检测状态字，如果 状态表明外设未准备就绪，则CPU必须等待。这些过程占用 了CPU大量的工作时间，而CPU真正用于传送数据的时间却 很短，而且大多数外设的速度比CPU的工作速度慢得多，所 以程序查询方式的实质无异于让CPU降低有效的工作速度， 适应慢速的外设。
8.3.1 中断的基本概念
硬件故障处理
使CPU与I/O设备 实现并行工作
实现人机联系
实现实时处理
实现多道程序 和分时操作
8.3 程序中断方式
8.3.2 中断的工作过程
当外部设备处于就绪状态，即输入设备将 数据准备好或者输出设备准备好接收数据时， 便通过相应的硬件电路向CPU发送一个中断请 求信号，请求为之服务。
8.1 输入/输出系统概述
8.1.2 I/O设备的寻址方式
在独立编址方式中，主存地址空间和I/O端口地址空间是相对独 立的，分别单独编址。例如，在8086系统中，其主存地址范围是从 00000H～FFFFFH连续的1 MB，其I/O端口的地址范围从0000H～ FFFFH，它们互相独立，互不影响。CPU访问主存时，由主存读写 控制线控制；访问外设时，由I/O读写控制线控制，所以在指令系统 中必须设置专门的I/O指令。
读取外设状态字
程
外设准备就绪？
序 查
询
方
传送一次数据
式 的
工
修改传送数据
作
流
程
传送完否？
结束
8.2 程序查询方式
8.2.2 程序查询方式的接口
数
输 入 设 备
锁
据
存
缓
器
冲
器
三
R
态
DQ
缓 冲
器
地址 译码
8.2 程序查询方式
8.2.2 程序查询方式的接口
数
据
锁
存
器
地
输
址
出
译
设
码
备
R
QD
状 态 寄 存 器
8.2 程序查询方式
8.2.1 程序查询方式的工作原理
对于程序查询方式来说，一个数 据传送过程包括3个环节：
（1）CPU从接口读取状态字。 （2）CPU检测状态字的对应位是 否满足“就绪”条件，如果不满足， 则继续回到前一步读取状态字。 （3）如果状态字表明外设已处于 “就绪”状态，则传送数据。
启动外设
8.3 程序中断方式
8.3.3 中断处理
1 关中断
2 保护现场
中断 处理
3 开中断 4 执行中断服务程序
5 关中断和恢复现场
6 中断返回
8.3 程序中断方式
8.3.4 单级中断与多级中断
在单级中断系统中，所有的中断源都属于同一级，其优先 次序是离CPU近的优先级高。当响应某一中断请求时，执 行该中断源的中断服务程序，在此过程中，不允许其他中 断源打断中断服务程序。
软件判优是指通过软件来安排各中断源的优先级别， 但是也要借助于简单的硬件电路实现，如下图所示。
CPU D0～D7
INTR
并行 I/O端
口
≥1
中断 请求 寄存 器
8.3 程序中断方式
8.3.2 中断的工作过程
硬件判优是指利用专门的硬件电路或中断控制器来安排 各中断源的优先级。
菊花链法的基本思想是将所有的中断源构成一个链，各 中断源在链中的前后顺序是根据中断源优先级的高低来排列 的，排在链前面的高优先级的中断会自动封锁后边低优先级 的中断。
8.3 程序中断方式
8.3.2 中断的工作过程
8.3 程序中断方式
8.3.2 中断的工作过程
8.3 程序中断方式
8.3.2 中断的工作过程
（1）断点保护。为了在中断处理结束后能正 确地返回到中断处，在响应中断时，必须把当前 的程序计数器的内容（断点）保存起来。
（2）根据前面得到的中断类型码计算出中断 服务子程序的入口地址。
8.3 程序中断方式
8.3.2 中断的工作过程
一个计算机系统包含多个中断源。由于中断产生的随机性， 使得有可能在某一时刻有多个中断源向CPU发出中断请求，但是 CPU在任意时刻只能响应并处理一个中断。
中断优先级判定的方法一般有两种：软件判优和硬件判优。
8.3 程序中断方式
8.3.2 中断的工作过程
8.3 程序中断方式
8.3.1 中断的基本概念
有两个方面的原因： ②用程序查询方式工作时，如果一个系统有多个外设， 那么CPU只能轮流对每个外设进行查询，而这些外设的工作 速度各不相同。这时CPU显然不能很好地满足各个外设随机 性地对CPU提出的输入/输出服务要求，所以不具备实时性。 可见，在实时系统以及多个外设的系统中，采用程序查询方 式进行数据传送往往是不合适的。
8.1 输入/输出系统概述
8.1.3 输入/输出方式
程序查 询方式
程序中 断方式
DMA方式
通道方式
8.2 程序查询方式
8.2.1 程序查询方式的工作原理
用程序查询方式传送 时，CPU通过执行程序不 断地读取并测试外设的状 态，如果外设处于准备好 状态 （输入设备）或者 空闲状态（输出设备）， 则CPU执行输入指令或输 出指令与外设交换信息。
在中断传送方式下，外部设备具有申请CPU服务的主动权。当输 入设备将数据准备好或者输出设备准备好接收数据时，便可以向 CPU发中断请求，使CPU暂时停下当前正在执行的程序而和外部 设备完成一次数据传输。等输入/输出操作完成以后，CPU继续 执行原来的程序。
8.3 程序中断方式
本章给出计算机系统中信息传输过程中的 技术解决方案。
8.1 输入/输出系统概述
8.1.1 I/O8系.统1的功能和组成
状态信息
实现主机和外设 的联络控制
数据信息 需要交换 的信息
传送控制 命令和 状态信息
功能
进行地址 译码和设 备选择
控制信息
数据格式 的变换
实现数据 缓冲
8.1 输入/输出系统概述
8.3 程序中断方式
8.3.1 中断的基本概念
中断：由于系统中某些突发事件或异常情况的发生，而强迫CPU 暂停（或中断）正在执行的程序转去执行相应的服务，当中断服 务结束之后再回到原来被中断的地方继续执行原来的程序。
中断源：发出中断请求的来源。 中断源可以分为两大类：内部中断和外部中断。
8.3 程序中断方式
8.1.1 I/O系统的功能和组成
外设识别
主
外
机
数据或命令或状态
设Baidu Nhomakorabea
控制电路
8.1 输入/输出系统概述
8.1.2 I/O设备的寻址方式
统一编址方式又称存储器映射编址方式，即把每个I/O端口都当 成一个存储单元看待，I/O端口与存储器单元在同一个地址空间进行 编址。通常是在整个地址空间中划分出一小块连续的地址分配给I/O 端口，被I/O端口占用了的地址存储器不能再使用。
8.3 程序中断方式
8.3.1 中断的基本概念
有两个方面的原因： ①在查询方式下，CPU不断地读取和检测状态字，如果 状态表明外设未准备就绪，则CPU必须等待。这些过程占用 了CPU大量的工作时间，而CPU真正用于传送数据的时间却 很短，而且大多数外设的速度比CPU的工作速度慢得多，所 以程序查询方式的实质无异于让CPU降低有效的工作速度， 适应慢速的外设。
8.3.1 中断的基本概念
硬件故障处理
使CPU与I/O设备 实现并行工作
实现人机联系
实现实时处理
实现多道程序 和分时操作
8.3 程序中断方式
8.3.2 中断的工作过程
当外部设备处于就绪状态，即输入设备将 数据准备好或者输出设备准备好接收数据时， 便通过相应的硬件电路向CPU发送一个中断请 求信号，请求为之服务。
8.1 输入/输出系统概述
8.1.2 I/O设备的寻址方式
在独立编址方式中，主存地址空间和I/O端口地址空间是相对独 立的，分别单独编址。例如，在8086系统中，其主存地址范围是从 00000H～FFFFFH连续的1 MB，其I/O端口的地址范围从0000H～ FFFFH，它们互相独立，互不影响。CPU访问主存时，由主存读写 控制线控制；访问外设时，由I/O读写控制线控制，所以在指令系统 中必须设置专门的I/O指令。
读取外设状态字
程
外设准备就绪？
序 查
询
方
传送一次数据
式 的
工
修改传送数据
作
流
程
传送完否？
结束
8.2 程序查询方式
8.2.2 程序查询方式的接口
数
输 入 设 备
锁
据
存
缓
器
冲
器
三
R
态
DQ
缓 冲
器
地址 译码
8.2 程序查询方式
8.2.2 程序查询方式的接口
数
据
锁
存
器
地
输
址
出
译
设
码
备
R
QD
状 态 寄 存 器
8.2 程序查询方式
8.2.1 程序查询方式的工作原理
对于程序查询方式来说，一个数 据传送过程包括3个环节：
（1）CPU从接口读取状态字。 （2）CPU检测状态字的对应位是 否满足“就绪”条件，如果不满足， 则继续回到前一步读取状态字。 （3）如果状态字表明外设已处于 “就绪”状态，则传送数据。
启动外设
8.3 程序中断方式
8.3.3 中断处理
1 关中断
2 保护现场
中断 处理
3 开中断 4 执行中断服务程序
5 关中断和恢复现场
6 中断返回
8.3 程序中断方式
8.3.4 单级中断与多级中断
在单级中断系统中，所有的中断源都属于同一级，其优先 次序是离CPU近的优先级高。当响应某一中断请求时，执 行该中断源的中断服务程序，在此过程中，不允许其他中 断源打断中断服务程序。
软件判优是指通过软件来安排各中断源的优先级别， 但是也要借助于简单的硬件电路实现，如下图所示。
CPU D0～D7
INTR
并行 I/O端
口
≥1
中断 请求 寄存 器
8.3 程序中断方式
8.3.2 中断的工作过程
硬件判优是指利用专门的硬件电路或中断控制器来安排 各中断源的优先级。
菊花链法的基本思想是将所有的中断源构成一个链，各 中断源在链中的前后顺序是根据中断源优先级的高低来排列 的，排在链前面的高优先级的中断会自动封锁后边低优先级 的中断。
8.3 程序中断方式
8.3.2 中断的工作过程
8.3 程序中断方式
8.3.2 中断的工作过程
8.3 程序中断方式
8.3.2 中断的工作过程
（1）断点保护。为了在中断处理结束后能正 确地返回到中断处，在响应中断时，必须把当前 的程序计数器的内容（断点）保存起来。
（2）根据前面得到的中断类型码计算出中断 服务子程序的入口地址。
8.3 程序中断方式
8.3.2 中断的工作过程
一个计算机系统包含多个中断源。由于中断产生的随机性， 使得有可能在某一时刻有多个中断源向CPU发出中断请求，但是 CPU在任意时刻只能响应并处理一个中断。
中断优先级判定的方法一般有两种：软件判优和硬件判优。
8.3 程序中断方式
8.3.2 中断的工作过程
8.3 程序中断方式
8.3.1 中断的基本概念
有两个方面的原因： ②用程序查询方式工作时，如果一个系统有多个外设， 那么CPU只能轮流对每个外设进行查询，而这些外设的工作 速度各不相同。这时CPU显然不能很好地满足各个外设随机 性地对CPU提出的输入/输出服务要求，所以不具备实时性。 可见，在实时系统以及多个外设的系统中，采用程序查询方 式进行数据传送往往是不合适的。
8.1 输入/输出系统概述
8.1.3 输入/输出方式
程序查 询方式
程序中 断方式
DMA方式
通道方式
8.2 程序查询方式
8.2.1 程序查询方式的工作原理
用程序查询方式传送 时，CPU通过执行程序不 断地读取并测试外设的状 态，如果外设处于准备好 状态 （输入设备）或者 空闲状态（输出设备）， 则CPU执行输入指令或输 出指令与外设交换信息。