计算机组成原理第八章 输入输出系统

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工作(忙) 结束 就绪 再启动 暫停 等待 启动 等待
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
复位就绪
传送完?
N
Y
结束
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。
当CPU接到中断请求后设备的优先级不是用查 询程序依排队次序来决定,而是用硬件排队 线路来代替软件排队。即用硬接线逻辑将设 备连在中断响应线INACK上,使优先级最高的 设备离CPU最近。
程序中断方式——中断结构
地址 数据线
CPU
控制线 IRQ
INACK
1# 设备
2# 设备
n# 设备
单线请求菊花链响应
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
中断问题的提出:
在程序查询方式中,CPU和外设的工作是串行
的,当CPU和外设交换信息时,就把CPU的控 制权交给了该设备,而CPU只能做测试等待, 直到外设工作完成。CPU的大部分工作时间被 浪费了。 假若CPU在启动外设工作后,设备释放对CPU 的控制权使CPU继续工作,当外设工作完成后 向CPU发中断请求信号,若CPU响应中断,则 停止正在执行的程序,转中断服务程序为该 程序服务,这样就能实现CPU和外设并行工作, 使CPU的效率充分发挥。
程序中断方式——中断结构
中断结构
中断请求的提出 中断请求的传送和中断的优先排队
程序中断方式——中断结构
中断请求的提出:
中断申请:由中断源向处理机发出的中断
请求,称为中断请求。中断源发中断请求 要满足两个条件: 外设工作已经完成。 该外设的中断没有被系统屏蔽。
程序中断方式——中断结构
式 I/O控制方式
主要由程序实现
主要由附加硬件实现
程序 查询方式
程序 中断方式
DMA方式
通道方式
PPU方式
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。
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。 2)DMA方式
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
外围处理机方式
基本概念——CPU和外围设备之间信息交换的方
判 优 逻 辑
IRQ2
INACK2 IRQ1 INACK1 1# 设备 2# 设备
n# 设备
多线请求判优响应
程序中断方式——中断结构
多线请求菊花连响应:如果系统中连接设备
较多,即设备数超过了系统的优先级数时, 把几个设备归到同一个优先级上,把同一优 先级的I/O设备挂在同一根公共请求线上。在 不同请求线上I/O设备中断优先级不同。
程序中断方式——中断响应及响应条件
单线请求中断查询的响应
在单线请求的中断结构中,中断响应即为
CPU进入中断周期状态,在该状态下由CPU 执行一条中断隐指令。 中断隐指令的功能: 关闭中断触发器。 保护断点值。 执行跳转操作。
程序中断方式——中断的基本接口
中断的基本接口:
工作标志触发器BS 就绪标志触发器RD
允许中断触发器EI
中断请求触发器IR
中断屏蔽触发器IM
程序中断方式——中断的基本接口
控制 0 BS 1
动作开始
IM
IR
EI
RD
动作结束
公用寄存器
数据缓冲寄存器
传送数据
PC
IR
中断向量逻辑
设备选择
CPU
程序中断方式——基本概念
按中断源是否提供向量地址分类: 向量中断:CPU响应中断后,由中断机构自动地 将向量地址通知处理机,由向量地址指明中断 向量位置并实现向量切换,不必经过处理程序 来查询中断源的中断功能,称为向量中断 。 非向量中断:是不能直接提供中断服务程序的 入口地址,而要采用软件查询措施最后找到服 务程序入口地址,然后再转入相应的中断服务 程序。
存储器
I/O控制器
状态位
外设
程序查询方式——程序流程图
设置计数值
修改计数器 设置内存缓冲区首址 否
传送完?
启动外设 是 结束I/O传送 准备好?

是 传送一个数据
程序查询 方式的程序 流程图
修改内存地址
程序中断方式
中断:是指CPU中止现行程序的执行,转而
执行另一个更紧迫事件的程序,一旦处理完 毕,自动返回原来被中断的程序。 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。

执行0#设备 中断服务程序 执行1#设备 中断服务程序
CPU
I/O I/O
否ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
有1#的 中断请求?


具有公共请求线的中 断请求传送方案
有n#的 中断请求?

执行n#设备 中断服务程序

恢复现场 软件查询中断源
程序中断方式——中断结构
单线请求菊花链响应:
各设备的中断请求仍公用一根请求线来传送,
强迫中断:是随机产生的。产生强迫中断的
中断源有四个方面:

内中断:由硬件故障及程序故障引起的中断。 外中断:是由系统配置的外部设备引起的中断。 正在执行着的现行程序所引起的中断。 处理机之间的中断。
自愿中断(程序自中断):事先在程序某初
设置断点,并借用中断处理方式保护现场, 引出一段服务程序。
第八章 输入输出系统
基本概念 程序查询方式 程序中断方式 DMA方式 通道方式 通用I/O标准接口
基本概念——输入输出系统的功能
输入输出系统的功能:
为了得到高效可靠的数据传输,选择输入输出设
备。 在选定的输入输出设备和CPU之间进行数据交换。
输入输出设备和CPU交换数据的过程: 输入过程:
在I/O程序中断中:
一般高速外设优先级高于低速外设的优先级;
输入设备的优先级高于输出设备的优先级。
程序中断方式——中断结构
排队判优的方法:
单线请求软件查询判优:所有的设备的中
断请求连到一根公用的中断请求线IRQ上。
程序中断方式——中断结构
保存断点和现场
IRQ
有0#的 中断请求?
程序中断方式——基本概念

中断类型: 按中断处理方法分类: 程序中断:主机响应中断请求后 ,通过执 行一段程序来处理有关的事宜。 简单中断:主机响应中断请求后,不需要 执行服务程序,而是让出一个或几个主存 周期,使I/O设备和主存直接交换数据 。
程序中断方式——基本概念
按中断源分类:
开关------CPU认为输入数据一直有效; 显示二极管------输出一定准备就绪。
基本概念——CPU和外围设备的定时
慢速或中速的外围设备:CPU与这类设备之
间的数据交换通常采用异步定时方式。 在这种情况下,CPU和外设之间用问答信号 进行定时的方式叫做应答式数据交换。
采用异步定时方式 设备状态:
中断请求的传送和中断的优先排队: 中断源的优先权 几种排队判优的方法
单线请求软件查询判优
单线请求菊花链响应
多线请求判优响应
多线请求菊花链响应
程序中断方式——中断结构
中断源的优先权:
在各种类型的中断请求中:
一般是故障引起的中断最优先; 其次是简单中断及I/O程序中断。
1 控制 10 0 BS 1 2
动作开始
IM 7
IR
EI 5 9
RD
4
动作结束
6
3
公用寄存器
8 PC IR
数据缓冲寄存器
传送数据
中断向量逻辑
设备选择
程序中断方式——中断结构
中断过程: 中断过程由中断请求、中断响应、状态保存、
中断屏蔽、中断处理、恢复和返回组成。 中断源: 中断源是引起中断的事件及发生中断请求的 来源。 中断结构:是指处理机与设备、设备与设备之间 在中断系统中互相连接的关系。
中断响应:I/O设备提出中断请求后,CPU中
止现行程序的执行,转去为某个设备服务的 过程,称为中断响应。 中断响应的条件: 中断源有中断请求 CPU允许接受中断请求 CPU响应中断的时间
程序中断方式——中断响应及响应条件
中断响应:在中断响应的过程中,处理机
从一个程序切换到另一个程序,这时应注 意: 关键性硬件状态的保存 中断请求设备的识别 提高响应速度
程序中断方式——中断结构
多线请求判优响应:每一各设备分配一个优
先级,每一个设备都通过各自的中断请求线, 将中断请求信号传送到CPU,在CPU内设置有 判有逻辑,接受各中断请求信号。并且给每 一个设备设一根中断响应线传送中断响应信 号。
程序中断方式——中断结构
IRQn
INACKn
IRQ CPU INVEC
特点:这种方式控制简单,但是主机和外设是 串行工作的。当外设速度很慢时,主机大量时 间被消耗在测试等待中,使主机不能充分发挥 效率。
程序查询方式——基本概念
CPU需要不断监测状态
位以确定是否该做下
CPU
一 个 I/O 操 作 。 由 于
CPU 比 I/O 设 备 快 得 多 , 所以轮询就要浪费大 量的CPU时间。
程序中断方式——中断结构
数据线
CPU IRQ INACK INVEC
2
IRQ0 INACK0 IRQ1 INACK1 IRQ2
1# 设备
2# 设备
3# 设备
4# 设备
5# 设备
6# 设备
7# 设备
8# 设备
9# 设备
INACK2
中断判优逻辑
程序中断方式——中断响应及响应条件
中断响应及响应条件
程序中断方式——基本概念
多级中断和单级中断:
单级中断:在执行中断的过程中,如果
只能为本次中断服务,不允许打断服务 程序,只有在服务程序完成后,才能响 主程序 应新的请求,称为单级中断。 第1中断 多级中断:如在一次服务程序执行中, 服务程序 允许优先级高的中断级别低的中断服务 程序,在保存断点和现场后,转去响应 优先级别更高的中断程序,并执行新的 中断服务程序。
程序中断方式——中断的基本接口
中断请求触发器(IR):暂存中断请求
线上由设备发出的中断请求信号。当IR 为“1”时,表示设备发出了中断请求。 中断屏蔽触发器(IM):是CPU是否受理 中断或批准中断的标志。IM为“0”时, CPU可以受理外界的中断请求,反之, CPU 不受理外界的中断。
程序中断方式——中断的基本接口
接口
设备
程序中断方式——中断的基本接口
各个触发器的具体功能: 准备就绪标志(RD):一旦设备做好一次数据
的接受和发送,便发出一个设备动作完毕信号, 使RD标志置“1”。 允许中断触发器(EI):可以用程序指令来置 位。EI为1时,某设备可以向CPU发出中断请求; EI为0时,不能向CPU发出中断请求。这意味着 某中断源被禁止。
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: CPU把一个地址值放在地址总线上,这一步将选 择一个输出设备 CPU把数据放在数据总线上 输出设备认为数据有效,从而把数据取走。
第2中断 服务程序
根据系统的配置不同,多级中断可分为一维
多级中断和二维多级中断。 一维多级中断是指每一级中断里只有一个中 断源,而二维多级中断是指每一级中断里又 有多个中断源。
程序中断方式——基本概念
中断功能: 引入中断系统后,可使CPU和I/O设备并行工作,
从而大大提高了CPU的工作效率。 利用中断来处理故障,提高了机器的可靠性。 利用中断进行实时处理。实时处理是指在某个 事件或现象出现的实际时间内及时地进行处理, 而不是积压起来再进行批处理。 利用中断进行人机对话。 实现多道程序的运行,需要借助于中断系统。
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。 常用的有:机械开关,显示二极管等。
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