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Collegeofcomputerscience,SWPUComputerScience计算机组成原理主讲：颜俊华第十四讲：I/O计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU主要内容总线的基本概念接口的基本概念中断方式及其接口组成和设计方法DMA方式及其接口组成和设计方法计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU概述I/O接口：指主机和外设交接的部分I/O接口位于系统总线和外设之间接口外设系统总线计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU主机与外部设备连接方式单总线方式多总线连接结构高性能多总线结构通道方式和I/O处理机方式计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU总线定义：一组能为多个部件分时共享的信息传送线路特点：分时、共享实体：一组传送线和相应的控制逻辑广义上讲：总线是一组传送线路及相关的协议，连接到总线的各部件必须遵守协议，才能有序分时共享该总线。CPU内设置控制逻辑设置总线控制器计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU总线总线周期：一次总线操作所需要的时间总线位宽：总线上能同时传输的数据位数总线工作频率：协调总线上各种操作的时钟频率，总线工作频率越高总线工作速度越快总线带宽：单位时间内总线上可传输的数据量主设备：获得总线控制权的设备从设备：被主设备访问的设备计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU总线总线协议：要实现分时共享，必须定义相应的规则，称为总线协议。包括：信号线定义数据格式时序关系信号电平控制逻辑计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU总线总线分类系统总线：计算机系统内各功能部件（如CPU、存储器等）之间，或各插件板之间互连的总线。地址总线数据总线控制总线计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU接口功能使用接口的原因：一台机器通常配有多台设备，它们各自有其编号，通过接口可以实现对设备的选择I/O设备种类繁多，速度不一，通过接口可实现数据缓冲，达到速度匹配I/O设备可能串行传送数据，而CPU都是并行传送，通过接口可实现数据串并格式转换I/O设备的电平与CPU的电平不同，通过接口可实现电平转换计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU接口功能CPU启动I/O设备工作，要向设备发控制信号，可通过接口传送控制命令I/O设备需及时报告CPU其工作状态，通过接口可监视设备工作状态，并保存状态信息，供CPU查询综上所述，接口具有的功能寻址数据传送与缓冲数据类型、格式变换主机与外设间数据、控制命令和状态信息的交换计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU接口分类按数据传送格式划分并行接口接口与系统总线、接口与外设均按照并行方式传送数据适用于设备本身并行工作，距主机较近的场合串行接口接口与系统总线并行传送，接口与外设串行传送适用于设备本身串行工作，或距主机较远，或需减少传送线的情况计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU接口分类按时序控制方式划分同步接口异步接口按I/O传送控制方式划分直接程序传送接口中断接口DMA接口计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU接口分类按是否可编程控制可编程接口不可编程接口按所连接总线分类ISA总线接口EISA总线接口MCA总线接口STD总线接口计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU接口的编址与存储器统一编址将I/O接口中的寄存器与内存单元统一编址，访问I/O接口如同访问内存特点：操作灵活，不用专用I/O指令，但需要占用部分内存地址空间I/O端口单独编址设置单独I/O地址空间分时共享地址总线，设置专用信号区分访问存储器还是I/O特点：不占用存储地址空间，需用专用I/O指令，灵活性差计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPUI/O指令I/O指令输入（IN）指令输出（OUT）指令通道指令IOP指令计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU主机与外设交换信息控制方式立即程序传送方式主机对I/O接口的访问（读/写）不需要任何条件，随时可以进行（要求主机与外设是同步的）。即在传送信息时，外设已准备好。特点：程序简单，硬件省；主机与外设要同步（外设准备好），否则出错。程序查询传送方式主机对I/O接口访问（或传送数据）前，需要查询外设的状态，已准备好，传送数据，否则，CPU等待。计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU特点：传送可靠，CPU与I/O设备串行工作，CPU利用率低（外设准备时好）中断传送方式CPU暂时中止现行程序的执行，转去执行为某个随机事态服务的中断处理程序。处理完毕后自动恢复原程序的执行。特点：主机与I/O并行工作。CPU启动I/O后，继续执行程序。当I/O准备就绪时，向CPU发出中断请求信号，CPU在适当时候响应该请求。提高了CPU的效率。主机与外设交换信息控制方式计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPUDMA方式主存和高速外设之间直接实现数据传送特点：主机与I/O并行工作，主存和I/O之间有直接数据通路。CPU启动I/O后，不必查询I/O是否准备好，当I/O准备就绪后，发出DMA请求，此时CPU不直接参与I/O和主存间的信息交换，只是把外部总线的使用权暂时交赋予DMA，仍然可以完成自身内部的操作，故不必中断现行程序，只需暂停一个存取周期访存，CPU效率更高。主机与外设交换信息控制方式计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU中断方式及其接口中断基本概念定义实质与特点实质程序切换方法：保存断点，保护现场；恢复现场，返回断点。时间：一条指令结束时切换。保证程序的完整性。计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU特点中断分类中断方式及其接口随机性随机发生的事态（按键、故障）有意调用,随机请求与处理的事态（调用打印机）随机插入的事态（软中断指令插入程序任何位置）由硬件请求信号引发中断（1）硬件中断与软中断由软中断指令引发中断（2）内中断与外中断中断源来自主机内部中断源来自主机外部计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU中断方式及其接口（3）可屏蔽中断与非屏蔽中断可通过屏蔽字屏蔽该类请求；关中断时不响应该类请求。该类请求与屏蔽字无关；请求的响应与开/关中断无关。由硬件提供服务程序入口地址（4）向量中断与非向量中断由软件提供服务程序入口地址计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU中断典型应用管理中、低速I/O操作处理故障实时处理人机对话多机通信中断系统的组成软件：服务程序、中断向量表硬件：中断方式及其接口中断系统的硬、软界面接口方面：请求、传递、判优逻辑CPU方面：响应逻辑计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU中断全过程（外中断）中断请求的提出与传递如何产生中断请求中断方式及其接口“完成”标志为1外设工作完成：CPU允许请求：“屏蔽”标志为0先“屏蔽”，后请求先请求，后“屏蔽”完成请求触发器屏蔽CP有效请求完成请求触发器屏蔽CP请求有效请求计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU如何传送中断请求？中断方式及其接口1）使用单独请求线CPU请求请求I/OI/O2）使用公共请求线CPU公共请求I/OI/O计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU中断判优优先顺序：CPU现行程序与外设请求的判优中断方式及其接口故障、DMA、外中断（输入、输出）1）CPU设置允许中断标志=1，开中断=0，关中断（模型机采用）为现行程序赋予优先级＜外设请求优先级，响应2）CPU设置程序状态字的优先级字段≥外设请求优先级，不响应计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU各外设请求的判优中断方式及其接口1）软件判优由程序查询顺序确定优先级。例.中断控制器判优可灵活修改优先级。2）硬件判优中断控制器(如8259)集中解决请求信号的接收、屏蔽、判优、编码等问题。计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU中断方式及其接口8259D7～D0中断屏蔽寄存器中断号寄存器中断请求寄存器中断服务寄存器优先级裁决器INTINTAIRQ0IRQ7IRR：0001010070IMR：00000100ISR：00001000不发INT00010100700000000000001000发INT优先级高优先级低计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU中断响应响应条件：外设有请求，且未被屏蔽；CPU开中断；一条指令（非停机指令）结束；无故障、DMA等优先级更高的请求。如何获取中断服务程序的入口地址中断请求8259（未屏蔽的请求判优,生成相应中断号）公共请求INTCPU（CPU响应后，取回中断号，转入相应服务程序。）中断源的序号中断方式及其接口计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU中断方式及其接口1）非向量中断将服务程序入口组织在查询程序中；CPU响应时执行查询程序，查询中断源，转入相应服务程序。2）向量中断将服务程序入口(中断向量)组织在中断向量表中；CPU响应时由硬件直接产生相应向量地址，按地址查表，取得服务程序入口，转入相应服务程序。中断向量：服务程序入口地址、服务程序状态字中断向量表：存放中断向量的表向量地址：访问向量表的地址（指向中断向量的首址）计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU中断方式及其接口例1.计算机向量表M按字编址。一个入口地址16位，占一个编址单元。（从主存2#单元开始安排）向量地址2#向量表入口地址0入口地址13#0号中断源1号中断源(单元地址)=中断号+2计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU中断方式及其接口例2.IBMPC向量表M按字节编址。一个入口地址32位，占4个编址单元。（从主存0#单元开始安排）0#向量表入口偏移0入口基址04#0号中断源1号中断源入口偏移1入口基址1向量地址=中断号×4计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU响应过程中断方式及其接口向量中断方式：发响应信号INTA，进入中断周期关中断，保存断点获得中断号，转换为向量地址，查向量表取中断向量，转中断服务程序CPU执行中断隐指令（硬件完成）计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU中断处理中断方式及其接口CPU执行中断服务程序。（1）单级中断：CPU响应后只处理一个中断源的请求，处理完毕后才能响应新的请求。（2）多重中断：在某次中断服务过程中，允许响应处理更高级别的中断请求。计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU中断方式及其接口单级中断流程：保护现场具体服务处理恢复现场开中断、返回外中断：数据传送禁止同级或更低级别的请求，开放更高级别的请求多重中断流程：开中断、返回保护现场送新屏蔽字、开中断具体服务处理关中断恢复现场及原屏蔽字计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU屏蔽技术的应用中断接口组成寄存器选择：对接口寄存器寻址命令字寄存器：接收CPU向外设发送的命令字，转换为相应操作命令字送外设。中断方式及其接口动态改变优先级实现多重中断（屏蔽高级，开放低级）（屏蔽同、低级，开放高级）计算机组成原理CollegeofComputerScience,SWPU状态字寄存器：反映设备和接口的运行状态状态字格式