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Chapter7&9总线技术&输入输出系统组织Chapter7总线技术1.总线概述1)总线的基本概念：一组可为多个功能部件共享的公共信息传送线路。2)总线上信息传输的特点：某一时刻只允许一个部件向总线发送信息，而多个部件可同时从总线商接收信息。3)总线的分类：①按总线所传送的信息类型：地址总线、数据总线、控制总线。②按总线一次传送数据的位数：串行总线、并行总线。③按总线操作的定时方式：同步总线、异步总线。2.总线的设计与实现总线仲裁的方法：集中式仲裁、计数器定时查询、独立请求方式。1)集中式仲裁——有专门的仲裁电路①链式查询：优点：只需很少几根线（2根）就能按一定优先次序实现总线控制，易扩充设备。缺点：对电路故障很敏感，优先级别低的设备很难获得请求。②计数器定时查询：优点：可以改变计数器的初始值，并改变优先次序，电路故障敏感度降低。缺点：增加了控制线（设备地址）数，控制较复杂。一般需要log2n根线。③独立请求方式：优点：响应速度快，优先次序控制灵活。缺点：控制线数量多，总线控制复杂。一般需要2n根线。2)分布式仲裁——无专门的仲裁电路Chapter9输入输出系统组织1.I/O接口的基本组成：3个寄存器组。2.接口的主要功能：1)实现数据缓冲，解决高速的主机与慢速外设之间的速度匹配问题。（数据缓冲，即实现速度匹配）2)对外设进行寻址，以选择指定的设备。（电平匹配与时序协调）3)实现数据格式的转换。（数据转换）4)实现主机与外设之间的通信联络控制。（交换控制/状态信息）3.主机与外设信息传送的控制方式软件方式：速度慢；硬件方式：速度快。4.程序中断传送方式1)中断的基本概念：中断的概念：处理机中止现行程序的执行，而转去执行处理更为紧迫事件的服务程序，待处理完毕后再自动返回执行原来的程序，这一过程称为中断。中断向量：中断源对应的中断服务程序的入口地址及其程序状态字PSW的集合。有些计算机中中断向量仅指服务程序入口地址。其中服务程序入口地址即为中断向量的地址。2)中断处理过程：①中断请求：中断源发中断请求信号的条件、中断请求信号的形成、中断请求信号的传送。②中断判优：优先级分配（排队）；从多个中断请求中选出优先级最高的（判优）。中断排队的原则：内部中断优先于外部中断；不可屏蔽的中断优先于可屏蔽中断；高速设备的中断优先于低速设备的中断；数据有效时间短的中断优先于数据有效时间长的中断。③中断响应:中断响应应完成的操作—执行中断隐指令.1)关中断2)保存断点地址和程序状态字（保存现场）3)获取中断服务程序入口地址中断隐指令：不是在程序中安排的，而是直接由硬件完成的类似于指令的操作。中断隐指令主要完成下列功能：(1)关中断：以便在保存现场过程中不允许响应新的中断请求，确保现场保存的正确性。(2)保存断点地址和程序状态字：即PC、PSW入栈。(3)形成中断服务程序入口地址：以便转入中断服务程序，完成中断处理任务。④中断服务1)保存现场2)中断处理程序3)恢复原来保存的现场⑤中断返回3)中断的分类：①按中断源分：内中断、外中断。②按中断服务程序入口地址的获取方式：向量中断、非向量中断。③按是否可屏蔽：可屏蔽中断、不可屏蔽中断。向量中断的概念：向量中断是指这样一种中断响应的方式：先将各个中断服务程序的中断向量组织成中断向量表；响应中断时，由硬件直接产生被响应的中断源的向量地址（或由中断源提供中断类型编码，据此CPU计算得到中断的向量地址）；根据向量地址访问中断向量表，从中读取服务程序入口地址和程序状态字PSW，将入口地址装到程序计数器（PC）中，将PSW装到程序状态寄存器（PSR）中；由此CPU转向执行中断服务。向量中断的处理过程：①各中断源提出中断请求，经判优后传给CPU②若CPU允许中断，则发出中断回答信号。③优先级编码电路形成优先级最高的中断请求的中断向量地址存入中断向量地址寄存器VAR。④保护断点和程序状态字，即PC、PSW入栈。（保存现场）⑤根据VAR中断向量地址，从向量表中取出对应的中断服务程序入口地址和PSW送入PC和PSR。⑥转入中断服务程序，进行中断服务。⑦中断返回，将保存的断点和状态字弹回PC和PSR。（恢复现场）④、⑤两步在中断服务程序中：1)识别中断源、设屏蔽字、保存现场、开中断2)中断服务3)关中断、恢复现场、清中断请求、清屏蔽字、开中断4)中断返回4)中断禁止与中断屏蔽：中断禁止：在CPU中设置一个中断允许触发器（只一个），触发器为“1”，表示CPU处于开中断状态，允许响应中断；触发器为“0”，表示CPU处于关中断状态，不允许响应中断。（开/关中断）中断屏蔽：为每个中断源设置一个中断屏蔽触发器（可有多个），若该触发器为“１”，则其所对应的中断源被屏蔽，不能被响应中断；若为“０”，则其所对应的中断源未被屏蔽，可以被响应中断。（屏蔽字:设置屏蔽字，封锁同级与低级中断。）5)多重中断（中断嵌套）的实现方法——例题多重中断的处理原则：若新的中断的优先级高于原中断的优先级，CPU响应新的中断；否则，CPU不予响应，必须待原中断处理完毕且返回主程序后，再响应新的中断。6)中断的特点：中断的优点：CPU和外设并行工作，一定程度上提高了CPU的效率中断的缺点：中断处理过程中需花额外的时间保存、恢复现场，因此和高速外设速度不匹配。另外，不适用于数据量交换较大的外设。5.DMA传送方式：1)DMA方式的基本概念：DMA方式的实质是以主存为中心，采用硬件手段在主存与I/O设备之间建立直接的数据传送通路，由DMA控制器（DMAC）取得总线控制权，控制主存与I/O设备之间的数据传送，在传送过程中不需要CPU的干预。DMA方式主要用于高速外设成批地与主存交换信息。例如在微机中硬盘与主存之间的信息传送。2)DMA传送方式：①CPU暂停方式②周期挪用方式（周期窃取方式）：外设每准备好一次数据传送，由DMAC向CPU发出总线请求，CPU响应后让出一个或几个主存周期，DMA控制器取得总线控制权，控制设备与主存之间的一次数据传送。③DMA与CPU交替访存方式3)DMA传送的过程：①预处理阶段：CPU执行初始化程序，传送初始参数。（AR、WC、DAR，启动被选设备，数据的传送方向（入/出）送入控制寄存器DMAC）②数据传送阶段（以周期挪用方式为例）：被启动的设备每准备好一次数据传送，向DMAC发DMA请求，由DMAC向CPU发出总线请求，请求总线的控制权；CPU响应后让出一个或几个主存周期，由DMAC控制设备与主存之间的信息传送；每传送一个数据，修改WC和AR后交回总线控制权。③传送后处理阶段（结束处理）：当WC减至“0”时，表示一批数据传送结束，DMA控制器向CPU发出中断请求信号。CPU响应后，通过执行相应的中断服务程序进行结束处理。AR：地址寄存器WC:传输量计数器（字计数器）CSR:控制/状态寄存器DAR：设备地址寄存器DMAC：DMA控制器4)程序中断与DMA方式的比较：1、程序中断是以CPU为中心，采用软硬件结合的技术手段，控制设备与主机之间的数据传送。而DMA方式是以主存为中心，采用硬件手段，控制设备与主存间直接进行数据传送。2、程序中断需要进行程序切换，所以需要保存与恢复现场。而DMA方式由DMA控制器直接控制数据传送。在数据传送期间，不需要CPU干预，所以不需保存与恢复现场。3、程序中断适合于慢速外设；DMA适合于快速外设。