1、主機(jī)和外部設(shè)備信息交換高效培訓(xùn)教材學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握：I/O接口的基本功能與組成，同步總線與同步擴(kuò)展總線，異步總線（應(yīng)答關(guān)系）。直接程序控制方式。熟練掌握：中斷方式（定義、特點(diǎn)、應(yīng)用、中斷接口、中斷過(guò)程、向量中斷方式），DMA（定義、特點(diǎn)、應(yīng)用、DMA過(guò)程。理解：接口分類，系統(tǒng)總線的信號(hào)組成。了解：IOP。7.1 總線與接口7.1.1 主機(jī)與外部設(shè)備的連接方式7.1.2 系統(tǒng)總線的功能與分類7.1.3 接口的功能與分類7.2 I/O指令與直接程序控制方式7.2.1 I/O指令7.2.2 直接程序控制7.3 程序中斷方式7.3.1 中斷基本概念7.3.2 中斷接口模型7.3.3 中斷過(guò)程7.4 DMA

2、方式7.4.1 DMA基本概念7.4.2 DMA初始化及DMA傳送過(guò)程7.5 系統(tǒng)總線7.5.1 總線標(biāo)準(zhǔn)及信號(hào)組成7.5.2 總線的操作時(shí)序7.5.3 典型總線舉例不做要求7.1 總線與接口7.1.1 主機(jī)與外部設(shè)備的連接方式CPU主存接口接口I/O設(shè)備I/O設(shè)備圖1-1 常見(jiàn)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)外設(shè)經(jīng)I/O接口到系統(tǒng)總線上，再通過(guò)系統(tǒng)總線與主機(jī)相連。1、帶有IOP的總線連接方式CPU主存接口接口I/OI/OIOP即輸入輸出處理機(jī)，它的結(jié)構(gòu)和功能與CPU類似，有自己的指令系統(tǒng)，可以進(jìn)行信息的碼制轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)格式更換、字帶與字的裝配和拆卸、數(shù)據(jù)傳送的檢測(cè)與糾錯(cuò)等預(yù)處理操作。局部存儲(chǔ)器接口接口I/O

3、I/OIOP局部總線2、多總線連接方式CPU主存接口接口高速I/O高速I/O為提高信息的傳輸效率，在一些連接高速I/O設(shè)備的系統(tǒng)中，設(shè)備多組總線。系統(tǒng)總線控制器接口接口I/OI/O系統(tǒng)總線主機(jī)在傳統(tǒng)大型機(jī)中采用通道連接方式，即（P301）。7.1.2 系統(tǒng)總線的功能與分類總線是一組能為多個(gè)部件分時(shí)共享的公共的信息傳送線路，以及相關(guān)的總線協(xié)議和相應(yīng)的控制邏輯。1、總線的功能：是以共享、分時(shí)的方式為多個(gè)部件提供信息交換通路。幾個(gè)概念：（教材P302）（1）共享（2）分時(shí)（3）總線協(xié)議2、總線的分類：（1）按總線在系統(tǒng)中的作用劃分CPU內(nèi)部總線也稱CPU內(nèi)總線，用來(lái)連接CPU內(nèi)的各個(gè)寄存器與算術(shù)邏輯

4、運(yùn)算部件。部件內(nèi)總線也稱片級(jí)總線，用來(lái)連接插件板上的各個(gè)芯片，常稱為局部總線。系統(tǒng)總線也稱板級(jí)總線，用來(lái)連接計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)大功能部件。包括三總線：地址線、控制線、數(shù)據(jù)線。外總線也稱通訊總線，用來(lái)連接多個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，或連接計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與甚設(shè)備。（2）按數(shù)據(jù)傳送格式劃分并行總線有多根數(shù)據(jù)線，可同時(shí)傳送多個(gè)數(shù)據(jù)位，因而傳送速度快。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的總路線多采用并行總線。串行總線有一根數(shù)據(jù)線，串行逐位地傳送數(shù)據(jù)，傳送速度慢，但節(jié)省傳送線。外總線多采用串行總線，以降低通訊線路的成本，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。（3）按時(shí)序控制方式劃分定義典型作法特點(diǎn)適用范圍同步總線指總線傳送操作由統(tǒng)一的同步時(shí)序信號(hào)控制由CPU或?qū)ｉT

5、的系統(tǒng)時(shí)鐘提供統(tǒng)一時(shí)序，在固定的時(shí)鐘周期內(nèi)傳送數(shù)據(jù)，用同步脈沖定時(shí)將數(shù)據(jù)打入目的地。有嚴(yán)格的時(shí)鐘周期劃分，傳送操作所需的總線周期可能包含若干個(gè)固定的時(shí)鐘周期，控制簡(jiǎn)單，時(shí)間利用率低。適用于系統(tǒng)內(nèi)各部件之間的傳送時(shí)間差異較、傳送時(shí)間確定、傳送距離較短的場(chǎng)合。（3）按時(shí)序控制方式劃分定義典型作法特點(diǎn)適用范圍異步總線指根據(jù)各部件的實(shí)際需要，以異步應(yīng)答方式控制總線傳送操作。先由部件甲向部件乙發(fā)出傳送請(qǐng)求信號(hào)，然后啟動(dòng)總線傳送（讀傳送或?qū)憘魉停o(wú)固定的時(shí)鐘周期劃分，用異步應(yīng)答方式控制傳送，用于傳送操作的總線周期可長(zhǎng)可短，時(shí)間利用率很高，但控制較復(fù)雜。適用于各部件傳送速度差異較大，距離較長(zhǎng)、傳送時(shí)間不確

6、定的場(chǎng)合。（3）按時(shí)序控制方式劃分定義典型作法特點(diǎn)適用范圍擴(kuò)展同步總線采用以同步方式為基礎(chǔ)，部分 引入異步控制的做法，使異步事件同步化。以時(shí)鐘周期為時(shí)間基準(zhǔn)，總線周期所包含的時(shí)鐘周期數(shù)可以根據(jù)需要而變化。周期長(zhǎng)度不固定，時(shí)間利用率高，控制簡(jiǎn)單。為廣義上的同步總線范疇。備注：CPU內(nèi)總線和局部總線采用同步總線，系統(tǒng)總線采用擴(kuò)展同步總線或異步總線，外總線則多為異步總線。7.1.3 接口的功能與分類接口是兩個(gè)部件之間的交接部分，或稱界面。（硬件接口、軟件接口、軟硬接口）I/O接口是指主機(jī)和外設(shè)之間的硬件接口。1、I/O接口的基本功能（1）尋址（2）數(shù)據(jù)緩沖（3）預(yù)處理（4）控制功能（具體內(nèi)容見(jiàn)教材P

7、304頁(yè)）3、I/O接口的分類：（1）按數(shù)據(jù)傳送格式劃分并行接口是指接口與系統(tǒng)總線之間、接口與外設(shè)之間均按并行方式傳送數(shù)據(jù)。串行接口是指接口與外設(shè)之間采取串行方式傳送數(shù)據(jù)，接口與系統(tǒng)總線之間仍按并行方式進(jìn)行傳送。（2）按傳送控制方式劃分（P306）直接程序傳送接口指接口與CPU之間的信息傳送采用直接程序控制方式。即CPU在其程序中訪問(wèn)接口，查詢?cè)O(shè)備的狀態(tài)，以決定等待還是執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送操作，中斷接口是指接口與CPU之間的采用中斷方式進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，即接口向CPU申請(qǐng)中斷，CPU響應(yīng)后執(zhí)行中斷服務(wù)程序，與接口進(jìn)行信息交換。DMA接口是指接口與主存之間采用DMA方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。傳送控制功能主要由DMA控制

8、器承擔(dān)。7.2 I/O指令與直接程序控制方式實(shí)現(xiàn)主機(jī)與外設(shè)之間的信息傳送，采取I/O傳送控制方式，也稱為信息交換方法。在一般的系統(tǒng)中采用直接程序控制方式、程序中斷方式和DMA方式。在大型系統(tǒng)中可采用通道方式或IOP方式。7.2.1 I/O指令I(lǐng)/O指令的基本功能是實(shí)現(xiàn)各種信息的輸入/輸出。這里的信息包括要交換的數(shù)據(jù)、主機(jī)的命令、設(shè)備的狀態(tài)等。不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或CPU，在I/O指令的格式和功能方面存在較大的差異。（1）隱式I/O指令，即用通用的傳送指令代替專用的I/O指令。（2）專用I/O指令（顯式指令），該I/O接口分配單獨(dú)的端口地址，在I/O指令中以直接或間接方式給出接口的端口地址，以訪問(wèn)接

9、口中的相應(yīng)寄存器。（3）有的系統(tǒng)所設(shè)置的I/O指令不僅用于數(shù)據(jù)的輸入/輸出，還可在指令中向外設(shè)發(fā)出有關(guān)控制命令，或直接根據(jù)外設(shè)的狀態(tài)進(jìn)行判斷和轉(zhuǎn)移。1、輸入指令格式：IN 寄存器號(hào)，輸入端口號(hào)功能：將端口地址送入接口進(jìn)行譯碼，取出被選中的接口寄存器的內(nèi)容，輸入CPU的寄存器中。端口地址采用兩種方法獲得：（1）直接I/O端口尋址（2）間接I/O端口尋址2、輸出指令格式：OUT 輸入端口號(hào)，寄存器號(hào)功能：將直接或間接獲得的端口地址送入進(jìn)行曲譯碼，并將CPU寄存器的內(nèi)容輸出到被選中的接口寄存器中。（1）直接I/O端口尋址（2）間接I/O端口尋址7.2.2 直接程序控制方式1、定義：當(dāng)CPU所運(yùn)行的程

10、序需要進(jìn)行I/O傳送時(shí)，該程序直接使用I/O指令訪問(wèn)I/O接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。2、兩種情況：一是CPU不需了解設(shè)備的狀態(tài)，直接用I/O指令與接口交換數(shù)據(jù)。二是CPU啟動(dòng)外設(shè)后需要查詢等待，直到外設(shè)準(zhǔn)備好才能進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。3、程序查詢方式按照啟動(dòng)、查詢、等待、交換的步驟進(jìn)行。7.3 程序中斷方式7.3.1 中斷基本概念1、中斷方式：定義：中斷方式是指CPU在執(zhí)行程序的過(guò)程中，若因出現(xiàn)某種隨機(jī)事件而收到中斷請(qǐng)求，遇暫時(shí)停止現(xiàn)行程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)去執(zhí)行下一段中斷服務(wù)程序，以處理該事件，并在處理完畢后自動(dòng)恢復(fù)原程序的執(zhí)行。特點(diǎn)：程序切換（程序轉(zhuǎn)移）和隨機(jī)性。7.3.1 中斷基本概念1、中斷方式：定義：中斷

11、方式是指CPU在執(zhí)行程序的過(guò)程中，若因出現(xiàn)某種隨機(jī)事件而收到中斷請(qǐng)求，遇暫時(shí)停止現(xiàn)行程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)去執(zhí)行下一段中斷服務(wù)程序，以處理該事件，并在處理完畢后自動(dòng)恢復(fù)原程序的執(zhí)行。特點(diǎn)：程序切換（程序轉(zhuǎn)移）和隨機(jī)性。2、中斷方式應(yīng)用范圍：（1）處理中、低速I/O操作，實(shí)現(xiàn)主機(jī)與外設(shè)的并行工作（2）處理故障（3）進(jìn)行實(shí)時(shí)處理（4）使用軟中斷（5）實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話（6）實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信3、怎樣組織中斷方式？采用模塊化的思想，將現(xiàn)行程序（主程序）與中斷處理程序（中斷子程序）分開(kāi)組織。主程序主要完成初始化中斷接口、開(kāi)中斷、啟動(dòng)I/O等工作，以便在主程序的執(zhí)行過(guò)程中能響應(yīng)隨機(jī)提出的中斷請(qǐng)求。中斷處理程序則需針對(duì)系統(tǒng)中

12、各中斷源的情況事先編寫(xiě)，并存放在主存儲(chǔ)器中。獲取中斷服務(wù)程序的入口地址主要通過(guò)非向量中斷和向量中斷兩種方式實(shí)現(xiàn)。（1）非向量中斷方式：將各個(gè)中斷服務(wù)程序的入口地址編寫(xiě)在一個(gè)查詢程序中。當(dāng)CPU響應(yīng)中斷時(shí)，按固定地址轉(zhuǎn)入查詢程序執(zhí)行，查找并確定中斷源，再由查詢程序切換到相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。（2）向量中斷方式：將各中斷服務(wù)程序的入口地址（中斷向量）組織在中斷向量表中。當(dāng)CPU響應(yīng)中斷時(shí)，由硬件直接產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于中斷源的向量地址，按該地址訪問(wèn)向量表，取得服務(wù)程序的入口，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。參見(jiàn)P315頁(yè)圖7-7 中斷接口組成模型。1、寄存器選擇邏輯：作用是對(duì)接口中的寄存器尋址。選擇邏輯對(duì)系統(tǒng)總線送來(lái)

13、的地址譯碼形成一組選擇信號(hào)，選中某個(gè)寄存器供CPU訪問(wèn)。2、命令字寄存器：作用是傳送CPU命令。3、狀態(tài)字寄存器：作用是反映設(shè)備和接口的運(yùn)行狀態(tài)。7.3.2 中斷接口模型4、數(shù)據(jù)緩沖寄存器：暫時(shí)存放主機(jī)與外設(shè)需要交換的數(shù)據(jù)，起到數(shù)據(jù)緩沖的作用。5、控制邏輯：6、公用的中斷控制器：7.3.3 中斷過(guò)程1、中斷請(qǐng)求將中斷請(qǐng)求信號(hào)傳送到CPU可采用兩類傳送模式：?jiǎn)为?dú)請(qǐng)求和公共請(qǐng)求。2、中斷判優(yōu)與屏蔽（1）現(xiàn)行程序與中斷請(qǐng)求之間的判優(yōu)（2）中斷請(qǐng)求之間的判優(yōu)3、中斷響應(yīng)（1）發(fā)中斷響應(yīng)信號(hào)、查詢中斷源（2）關(guān)中斷（3）保存斷點(diǎn)（4）取中斷向量4、中斷處理（1）保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)（2）送新屏蔽字并開(kāi)中斷（3）進(jìn)行具體中斷服務(wù)（4）關(guān)中斷并恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)（5）開(kāi)中斷并返回7.4 DMA方式7.4.1 DMA基本概念1、DMA方式定義：是指直接依靠硬件在主存和I/O設(shè)備之間傳送數(shù)據(jù)，傳送期間不需要CPU程序干預(yù)。特點(diǎn)：具有隨機(jī)性具有更高的并行性傳送速度快、傳送操作簡(jiǎn)單。2、DMA應(yīng)用（1）用于磁盤等高速外存的數(shù)據(jù)塊傳送（2）用于高速通信設(shè)備的數(shù)據(jù)幀傳送（3）用于高速數(shù)據(jù)采集（4）用于動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器刷新（5）實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話（