1、1,第7章輸入輸出系統(tǒng),2,第一節(jié) 主機(jī)與外設(shè)的連接,現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中外部設(shè)備的種類繁多，各類外部設(shè)備不僅結(jié)構(gòu)和工作原理不同，而且與主機(jī)的連接方式也是復(fù)雜多變的。,3,一、 輸入輸出接口,主機(jī)和外設(shè)的連接方式有輻射型連接、總線型連接等。輸入輸出接口（I/O接口）是主機(jī)和外設(shè)之間的交接界面，通過(guò)接口可以實(shí)現(xiàn)主機(jī)和外設(shè)之間的信息交換。 主機(jī)和外設(shè)之間進(jìn)行信息交換為什么一定要通過(guò)接口呢？這是因?yàn)橹鳈C(jī)和外設(shè)各自具有自己的工作特點(diǎn)，它們?cè)谛畔⑿问胶凸ぷ魉俣壬暇哂泻艽蟮牟町?，接口正是為了解決這些差異而設(shè)置的。,4,1.接口的功能 實(shí)現(xiàn)主機(jī)和外設(shè)的通信聯(lián)絡(luò)控制 接口中的同步控制電路用來(lái)解決主機(jī)與外設(shè)的時(shí)間配

2、合問題。 進(jìn)行地址譯碼和設(shè)備選擇 任何一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都配備有多種外設(shè)，同一種外設(shè)也可能配備多臺(tái)，主機(jī)在不同時(shí)刻要與不同外設(shè)交換信息，當(dāng)CPU送來(lái)選擇外設(shè)的地址碼后，接口必須對(duì)地址進(jìn)行譯碼以產(chǎn)生設(shè)備選擇信息，使主機(jī)能和指定外設(shè)交換信息。,二、 接口的功能和基本組成,5,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖 在接口電路中，一般設(shè)置有一個(gè)或幾個(gè)數(shù)據(jù)緩沖寄存器，用于數(shù)據(jù)的暫存，以避免因速度不一致而丟失數(shù)據(jù)。在傳送過(guò)程中，先將數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)緩沖寄存器中，然后再送到輸出設(shè)備或主機(jī)中去。 數(shù)據(jù)格式的變換 在輸入或輸出操作過(guò)程中，為了滿足主機(jī)或外設(shè)的各自要求，接口電路中必須具有實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換的功能。例如：并串轉(zhuǎn)換、串并轉(zhuǎn)換、模數(shù)

3、轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換以及二進(jìn)制數(shù)和ASCII碼的相互轉(zhuǎn)換等。,6,傳遞控制命令和狀態(tài)信息 當(dāng)CPU要啟動(dòng)某一外設(shè)時(shí)，通過(guò)接口中的命令寄存器向外設(shè)發(fā)出啟動(dòng)命令；當(dāng)外設(shè)準(zhǔn)備就緒時(shí)，則有“準(zhǔn)備好”狀態(tài)信息送回接口中的狀態(tài)寄存器，為CPU提供反饋信息，告訴CPU，外設(shè)已經(jīng)具備與主機(jī)交換數(shù)據(jù)的條件。當(dāng)外設(shè)向CPU提出中斷請(qǐng)求和DMA請(qǐng)求時(shí)，CPU也應(yīng)有相應(yīng)的響應(yīng)信號(hào)反饋給外設(shè)。,7,接口中要分別傳送數(shù)據(jù)信息、控制信息和狀態(tài)信息，數(shù)據(jù)信息、控制信息和狀態(tài)信息都通過(guò)數(shù)據(jù)總線來(lái)傳送。大多數(shù)計(jì)算機(jī)都把外部設(shè)備的狀態(tài)信息視為輸入數(shù)據(jù)，而把控制信息看成輸出數(shù)據(jù)，并在接口中分設(shè)各自相應(yīng)的寄存器，賦以不同的端口地址，各種信息

4、分時(shí)地使用數(shù)據(jù)總線傳送到各自的寄存器中去。,2.接口的基本組成,8,接口與主機(jī)、外設(shè)間的連接示意圖,9,接口與端口是兩個(gè)不同的概念。端口是指接口電路中可以被CPU直接訪問的寄存器，若干個(gè)端口加上相應(yīng)的控制邏輯電路才組成接口。 通常，一個(gè)接口中包含有數(shù)據(jù)端口、命令端口和狀態(tài)端口。 存放數(shù)據(jù)信息的寄存器稱為數(shù)據(jù)端口，存放控制命令的寄存器稱為命令端口，存放狀態(tài)信息的寄存器稱為狀態(tài)端口。CPU通過(guò)輸入指令可以從有關(guān)端口中讀取信息，通過(guò)輸出指令可以把信息寫入有關(guān)端口。,10,CPU對(duì)不同端口的操作有所不同，有的端口只能寫或只能讀，有的端口既可以讀又可以寫。例如：對(duì)狀態(tài)端口只能讀，可將外設(shè)的狀態(tài)標(biāo)志送到C

5、PU中去；對(duì)命令端口只能寫，可將CPU的各種控制命令發(fā)送給外設(shè)。為了節(jié)省硬件，在有的接口電路中，狀態(tài)信息和控制信息可以共用一個(gè)寄存器（端口），稱之為設(shè)備的控制/狀態(tài)寄存器。,11,為了能在眾多的外設(shè)中尋找或挑選出要與主機(jī)進(jìn)行信息交換的外設(shè)，就必須對(duì)外設(shè)進(jìn)行編址。外設(shè)識(shí)別是通過(guò)地址總線和接口電路中的外設(shè)識(shí)別電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，I/O端口地址就是主機(jī)與外設(shè)直接通信的地址，CPU可以通過(guò)端口發(fā)送命令、讀取狀態(tài)和傳送數(shù)據(jù)。,三、 外設(shè)的識(shí)別與端口尋址,12,I/O端口編址方式有兩種：一種是I/O映射方式，即把I/O端口地址與存儲(chǔ)器地址分別進(jìn)行獨(dú)立的編址；另一種是存儲(chǔ)器映射方式，即把端口地址與存儲(chǔ)器地址統(tǒng)一編

6、址。 獨(dú)立編址 在這種編址方式中，主存地址空間和I/O端口地址空間是相對(duì)獨(dú)立的，分別單獨(dú)編址。CPU訪問主存時(shí)，由主存讀寫控制線控制；訪問外設(shè)時(shí)，由I/O讀寫控制線控制。,1.端口地址編址方式,13,統(tǒng)一編址 在這種編址方式中，I/O端口地址和主存單元的地址是統(tǒng)一編址的，把I/O接口中的端口作為主存單元一樣進(jìn)行訪問，不設(shè)置專門的I/O指令。,14,四、 輸入輸出信息傳送控制方式,主機(jī)和外設(shè)之間的信息傳送控制方式，經(jīng)歷了由低級(jí)到高級(jí)、由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由集中管理到各部件分散管理的發(fā)展過(guò)程，按其發(fā)展的先后次序和主機(jī)與外設(shè)并行工作的程度，可以分為4種。,15,1.程序查詢方式,程序查詢方式是一種程序直接

7、控制方式，這是主機(jī)與外設(shè)間進(jìn)行信息交換的最簡(jiǎn)單方式，輸入和輸出完全是通過(guò)CPU執(zhí)行程序來(lái)完成的。一旦某一外設(shè)被選中并啟動(dòng)之后，主機(jī)將查詢這個(gè)外設(shè)的某些狀態(tài)位，看其是否準(zhǔn)備就緒？若外設(shè)未準(zhǔn)備就緒，主機(jī)將再次查詢；若外設(shè)已準(zhǔn)備就緒，則執(zhí)行一次I/O操作。 這種方式控制簡(jiǎn)單，但外設(shè)和主機(jī)不能同時(shí)工作，各外設(shè)之間也不能同時(shí)工作，系統(tǒng)效率很低，因此，僅適用于外設(shè)的數(shù)目不多，對(duì)I/O處理的實(shí)時(shí)要求不那么高，CPU的操作任務(wù)比較單一，并不很忙的情況。,16,在主機(jī)啟動(dòng)外設(shè)后，無(wú)須等待查詢，而是繼續(xù)執(zhí)行原來(lái)的程序，外設(shè)在做好輸入輸出準(zhǔn)備時(shí)，向主機(jī)發(fā)中斷請(qǐng)求，主機(jī)接到請(qǐng)求后就暫時(shí)中止原來(lái)執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷

8、服務(wù)程序?qū)ν獠空?qǐng)求進(jìn)行處理，在中斷處理完畢后返回原來(lái)的程序繼續(xù)執(zhí)行。顯然，程序中斷不僅適用于外部設(shè)備的輸入輸出操作，也適用于對(duì)外界發(fā)生的隨機(jī)事件的處理。 完成一次程序中斷還需要許多輔助操作，主要適用于中、低速外設(shè)。,2.程序中斷方式,17,DMA方式是在主存和外設(shè)之間開辟直接的數(shù)據(jù)通路，可以進(jìn)行基本上不需要CPU介入的主存和外設(shè)之間的信息傳送，這樣不僅能保證CPU的高效率，而且能滿足高速外設(shè)的需要。 DMA方式只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)傳送操作，在數(shù)據(jù)塊傳送的起始和結(jié)束時(shí)還需CPU及中斷系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)處理和后處理。,3.直接存儲(chǔ)器存?。―MA）方式,18,I/O通道控制方式是DMA方式的進(jìn)一步發(fā)展，在系統(tǒng)

9、中設(shè)有通道控制部件，每個(gè)通道掛若干外設(shè)，主機(jī)在執(zhí)行I/O操作時(shí)，只需啟動(dòng)有關(guān)通道，通道將執(zhí)行通道程序，從而完成I/O操作。 通道是一個(gè)具有特殊功能的處理器，它能獨(dú)立地執(zhí)行通道程序，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)外設(shè)的統(tǒng)一管理和外設(shè)與主存之間的數(shù)據(jù)傳送。但它不是一個(gè)完全獨(dú)立的處理器。它要在CPU的I/O指令指揮下才能啟動(dòng)、停止或改變工作狀態(tài)，是從屬于CPU的一個(gè)專用處理器。,4. I/O通道控制方式,19,一個(gè)通道執(zhí)行輸入輸出過(guò)程全部由通道按照通道程序自行處理，不論交換信息多少，只打擾CPU兩次（啟動(dòng)和停止時(shí)）。因此，主機(jī)、外設(shè)和通道可以并行同時(shí)工作，而且一個(gè)通道可以控制多臺(tái)不同類型的設(shè)備。 目前，

10、小型、微型機(jī)大多采用程序查詢方式、程序中斷方式和DMA方式；大、中型機(jī)多采用通道方式。,20,程序查詢方式是主機(jī)與外設(shè)間進(jìn)行信息交換的最簡(jiǎn)單方式，程序查詢方式的核心問題在于需要不斷地查詢I/O設(shè)備是否準(zhǔn)備就緒。,第二節(jié) 程序查詢方式及其接口,21,1.程序查詢的基本思想 由CPU執(zhí)行一段輸入輸出程序來(lái)實(shí)現(xiàn)主機(jī)與外設(shè)之間數(shù)據(jù)傳送的方式叫做程序直接控制方式。根據(jù)外設(shè)的不同性質(zhì)，這種傳送方式又可分為無(wú)條件傳送和程序查詢方式兩種。 為了保證數(shù)據(jù)傳送的正確進(jìn)行，就要求CPU在程序中查詢外設(shè)的工作狀態(tài)。如果外設(shè)尚未準(zhǔn)備就緒，CPU就循環(huán)等待，只有當(dāng)外設(shè)已作好準(zhǔn)備，CPU才能執(zhí)行I/O指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，這就

11、是程序查詢方式。,一、 程序查詢方式,22,2.程序查詢方式的工作流程,預(yù)置傳送參數(shù)。在傳送數(shù)據(jù)之前，由CPU執(zhí)行一段初始化程序，預(yù)置傳送參數(shù)。傳送參數(shù)包括存取數(shù)據(jù)的主存緩沖區(qū)首地址和傳送數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。 向外設(shè)接口發(fā)出命令字。當(dāng)CPU選中某臺(tái)外設(shè)時(shí)，執(zhí)行輸出指令向外設(shè)接口發(fā)出命令字啟動(dòng)外設(shè)，為接收數(shù)據(jù)或發(fā)送數(shù)據(jù)做應(yīng)有的操作準(zhǔn)備。 從外設(shè)接口取回狀態(tài)字。CPU執(zhí)行輸入指令，從外設(shè)接口中取回狀態(tài)字并進(jìn)行測(cè)試，判斷數(shù)據(jù)傳送是否可以進(jìn)行。,23,查詢外設(shè)標(biāo)志。CPU不斷查詢狀態(tài)標(biāo)志。如果外設(shè)沒有準(zhǔn)備就緒，CPU就踏步進(jìn)行等待，一直到這個(gè)外設(shè)準(zhǔn)備就緒，并發(fā)出“外設(shè)準(zhǔn)備就緒”信號(hào)為止。 傳送數(shù)據(jù)。只有外設(shè)準(zhǔn)

12、備好，才能實(shí)現(xiàn)主機(jī)與外設(shè)間的一次數(shù)據(jù)傳送。輸入時(shí)，CPU執(zhí)行輸入指令，從外設(shè)接口的數(shù)據(jù)緩沖寄存器中接收數(shù)據(jù)；輸出時(shí)，CPU執(zhí)行輸出指令，將數(shù)據(jù)寫入外設(shè)接口的數(shù)據(jù)緩沖寄存器中。,24,修改傳送參數(shù)。每進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳送之后必須要修改傳送參數(shù)，其中包括主存緩沖區(qū)地址加1，傳送個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)器減1。 判斷傳送是否結(jié)束。如果傳送個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)器不為0，則轉(zhuǎn)第步，繼續(xù)傳送，直到傳送個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)器為0，表示傳送結(jié)束。,25,程序查詢方式是最簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的I/O方式，只需很少的硬件。通常接口中至少有兩個(gè)寄存器，一個(gè)是數(shù)據(jù)緩沖寄存器，即數(shù)據(jù)端口，用來(lái)存放與CPU進(jìn)行傳送的數(shù)據(jù)信息；另一個(gè)是供CPU查詢的設(shè)備狀態(tài)寄存器，即狀態(tài)端口

13、，這個(gè)寄存器由多個(gè)標(biāo)志位組成，其中最重要的是“外設(shè)準(zhǔn)備就緒”標(biāo)志。當(dāng)CPU得到這位標(biāo)志后就進(jìn)行判斷，以決定下一步是繼續(xù)循環(huán)等待還是進(jìn)行I/O傳送。也有些計(jì)算機(jī)僅設(shè)置狀態(tài)標(biāo)志觸發(fā)器，其作用與設(shè)備狀態(tài)寄存器相同。,二、 程序查詢方式接口,26,中斷是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)有效合理地發(fā)揮效能和提高效率的一個(gè)十分重要的功能。CPU中通常設(shè)有處理中斷的機(jī)構(gòu)中斷系統(tǒng)，以解決各種中斷的共性問題。本節(jié)主要分析中斷系統(tǒng)的功能，特別強(qiáng)調(diào)I/O中斷。,第三節(jié) 中斷系統(tǒng)和程序中斷方式,27,1.中斷的提出 程序查詢方式雖然簡(jiǎn)單，但卻存在著下列明顯的缺點(diǎn)： 在查詢過(guò)程中，CPU長(zhǎng)期處于踏步等待狀態(tài)，使系統(tǒng)效率大大降低； CPU在一

14、段時(shí)間內(nèi)只能和一臺(tái)外設(shè)交換信息，其他設(shè)備不能同時(shí)工作； 不能發(fā)現(xiàn)和處理預(yù)先無(wú)法估計(jì)的錯(cuò)誤和異常情況。,一、 中斷的基本概念,28,程序中斷方式的思想是：CPU在程序中安排好在某一時(shí)刻啟動(dòng)某一臺(tái)外設(shè)，然后CPU繼續(xù)執(zhí)行原來(lái)程序，不需要象查詢方式那樣一直等待外設(shè)的準(zhǔn)備就緒狀態(tài)。一旦外設(shè)完成數(shù)據(jù)傳送的準(zhǔn)備工作時(shí)，便主動(dòng)向CPU發(fā)出一個(gè)中斷請(qǐng)求，請(qǐng)求CPU為自己服務(wù)。在可以響應(yīng)中斷的條件下，CPU暫時(shí)中止正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)程序?yàn)橹袛嗾?qǐng)求者服務(wù)，在中斷服務(wù)程序中完成一次主機(jī)與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送，傳送完成后，CPU仍返回原來(lái)的程序，從斷點(diǎn)處繼續(xù)執(zhí)行。,29,程序中斷方式示意圖,30,中斷的處

15、理過(guò)程實(shí)際上是程序的切換過(guò)程，即從現(xiàn)行程序切換到中斷服務(wù)程序，再?gòu)闹袛喾?wù)程序返回到現(xiàn)行程序。CPU每次執(zhí)行中斷服務(wù)程序前總要保護(hù)斷點(diǎn)、保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，執(zhí)行完中斷服務(wù)程序返回現(xiàn)行程序之前又要恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)、恢復(fù)斷點(diǎn)。這些中斷的輔助操作都將會(huì)限制數(shù)據(jù)傳送的速度。 中斷系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)中斷功能的軟、硬件總稱。一般在CPU中配置中斷機(jī)構(gòu)，在外設(shè)接口中配置中斷控制器，在軟件上設(shè)計(jì)相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。,31,程序中斷是指：計(jì)算機(jī)執(zhí)行現(xiàn)行程序的過(guò)程中，出現(xiàn)某些急需處理的異常情況和特殊請(qǐng)求，CPU暫時(shí)中止現(xiàn)行程序，而轉(zhuǎn)去對(duì)隨機(jī)發(fā)生的更緊迫的事件進(jìn)行處理，在處理完畢后，CPU將自動(dòng)返回原來(lái)的程序繼續(xù)執(zhí)行。,2.程序中斷與

16、調(diào)用子程序的區(qū)別,32,從表面上看起來(lái)，計(jì)算機(jī)的中斷處理過(guò)程有點(diǎn)類似于調(diào)用子程序的過(guò)程，這里現(xiàn)行程序相當(dāng)于主程序，中斷服務(wù)程序相當(dāng)于子程序。但是，它們之間卻有著本質(zhì)上的區(qū)別： 子程序的執(zhí)行是由程序員事先安排好的（由一條調(diào)用子程序指令轉(zhuǎn)入），而中斷服務(wù)程序的執(zhí)行則是由隨機(jī)的中斷事件引起的； 子程序的執(zhí)行受到主程序或上層子程序的控制，而中斷服務(wù)程序一般與被中斷的現(xiàn)行程序毫無(wú)關(guān)系； 不存在同時(shí)調(diào)用多個(gè)子程序的情況，而有可能發(fā)生多個(gè)外設(shè)同時(shí)請(qǐng)求CPU為自己服務(wù)的情況。,33,自愿中斷和強(qiáng)迫中斷 自愿中斷又稱程序自中斷，它不是隨機(jī)產(chǎn)生的中斷，而是在程序中安排的有關(guān)指令，這些指令可以使機(jī)器進(jìn)入中斷處理的過(guò)

17、程，如：80 x86指令系統(tǒng)中的軟中斷指令I(lǐng)NT n。 強(qiáng)迫中斷是隨機(jī)產(chǎn)生的中斷，不是程序中事先安排好的。當(dāng)這種中斷產(chǎn)生后，由中斷系統(tǒng)強(qiáng)迫計(jì)算機(jī)中止現(xiàn)行程序并轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序。,3.中斷的基本類型,34,程序中斷和簡(jiǎn)單中斷 程序中斷就是我們前面提到的中斷，主機(jī)在響應(yīng)中斷請(qǐng)求后，通過(guò)執(zhí)行一段中斷服務(wù)程序來(lái)處理更緊迫的任務(wù)，它需要占用一定的CPU時(shí)間。 簡(jiǎn)單中斷就是外設(shè)與主存間直接進(jìn)行信息交換的方法，即DMA方式。這種中斷不去執(zhí)行中斷服務(wù)程序，故不破壞現(xiàn)行程序的狀態(tài)。主機(jī)發(fā)現(xiàn)有簡(jiǎn)單中斷請(qǐng)求（也就是DMA請(qǐng)求）時(shí)，讓出一個(gè)或幾個(gè)存取周期供外設(shè)與主存交換信息，然后繼續(xù)執(zhí)行程序。簡(jiǎn)單中斷是早期對(duì)DMA方

18、式的一種叫法，為避免誤解，現(xiàn)在一般很少使用這個(gè)名詞。,35,內(nèi)中斷和外中斷 內(nèi)中斷是指由于CPU內(nèi)部硬件或軟件原因引起的中斷，如單步中斷、溢出中斷等。 外中斷是指CPU以外的部件引起的中斷。通常，外中斷又可以分為不可屏蔽中斷和可屏蔽中斷兩種。不可屏蔽中斷優(yōu)先級(jí)別較高，常用于應(yīng)急處理，如掉電、主存讀寫校驗(yàn)錯(cuò)等；而可屏蔽中斷級(jí)別較低，常用于一般I/O設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送。,36,向量中斷和非向量中斷 向量中斷是指那些中斷服務(wù)程序的入口地址是由中斷事件自己提供的中斷。中斷事件在提出中斷請(qǐng)求的同時(shí)，通過(guò)硬件向主機(jī)提供中斷服務(wù)程序入口地址，即向量地址。 非向量中斷的中斷事件不能直接提供中斷服務(wù)程序的入口地址。

19、,37,單重中斷和多重中斷 單重中斷在CPU執(zhí)行中斷服務(wù)程序的過(guò)程中不能被再打斷。 多重中斷在執(zhí)行某個(gè)中斷服務(wù)程序的過(guò)程中，CPU可去響應(yīng)級(jí)別更高的中斷請(qǐng)求，又稱為中斷嵌套。多重中斷表征計(jì)算機(jī)中斷功能的強(qiáng)弱，有的計(jì)算機(jī)能實(shí)現(xiàn)8級(jí)以上的多重中斷。,38,1.CPU響應(yīng)中斷的條件 CPU接收到中斷請(qǐng)求信號(hào) 首先中斷源要發(fā)出中斷請(qǐng)求，同時(shí)CPU還要接收到這個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)。 CPU允許中斷 CPU允許中斷，即開中斷。CPU內(nèi)部有一個(gè)中斷允許觸發(fā)器（EINT），只有當(dāng)EINT=1時(shí)，CPU才可以響應(yīng)中斷源的中斷請(qǐng)求；如EINT=0，CPU處于不允許中斷狀態(tài)，即使中斷源有中斷請(qǐng)求，CPU也不響應(yīng)。,二、

20、中斷響應(yīng)和中斷處理,39,通常，中斷允許觸發(fā)器由開中斷指令來(lái)置位，由關(guān)中斷指令或硬件自動(dòng)使其復(fù)位。 一條指令執(zhí)行完畢 這是CPU響應(yīng)中斷請(qǐng)求的時(shí)間限制條件。一般情況下，CPU在一條指令執(zhí)行完畢且沒有更緊迫的任務(wù)時(shí)才能響應(yīng)中斷請(qǐng)求。,40,軟件的方法由中斷隱指令控制進(jìn)入一個(gè)中斷總服務(wù)程序，在那里判優(yōu)、尋找中斷源并且轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。這種方法方便、靈活，硬件極簡(jiǎn)單，但效率是比較低的。 對(duì)于硬件向量中斷法，當(dāng)CPU響應(yīng)某一中斷請(qǐng)求時(shí)，硬件能自動(dòng)形成并找出與該中斷源對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序的入口地址。 當(dāng)中斷源向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)之后，CPU進(jìn)行一定的判優(yōu)處理。若決定響應(yīng)這個(gè)中斷請(qǐng)求，則向中斷源發(fā)

21、出中斷響應(yīng)信號(hào)INTA。中斷源接到INTA信號(hào)后就通過(guò)自己的向量地址形成部件向CPU發(fā)送向量地址，CPU接收該向量地址之后就可轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。,2.進(jìn)入中斷服務(wù)程序,41,向量中斷過(guò)程,42,向量地址通常有兩種情況： 向量地址是中斷服務(wù)程序的入口地址 如果向量地址就是中斷服務(wù)程序的入口地址，則CPU不需要再經(jīng)過(guò)處理就可以進(jìn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。 向量地址是中斷向量表的指針 如果向量地址是中斷向量表的指針，則向量地址指向一個(gè)中斷向量表，從中斷向量表的相應(yīng)單元中再取出中斷服務(wù)程序的入口地址，此時(shí)中斷源給出的向量地址是中斷服務(wù)程序入口地址的地址。,43,中斷現(xiàn)場(chǎng)指的是發(fā)生中斷時(shí)CPU的主要狀

22、態(tài)，其中最重要的是斷點(diǎn)，另外還有一些通用寄存器的狀態(tài)。但僅保存這一、二個(gè)寄存器的內(nèi)容是不夠的。,3.中斷現(xiàn)場(chǎng)的保護(hù)和恢復(fù),44,在中斷服務(wù)程序開始時(shí)，應(yīng)由軟件去保存那些硬件沒有保存，而在中斷服務(wù)程序中又可能用到的寄存器（如某些通用寄存器）的內(nèi)容，在中斷返回之前，這些內(nèi)容還應(yīng)該被恢復(fù)。 軟、硬件保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)往往是和向量中斷結(jié)合在一起使用的。先把斷點(diǎn)和程序狀態(tài)字自動(dòng)壓入堆棧，這就是保護(hù)舊現(xiàn)場(chǎng)；接著根據(jù)中斷源送來(lái)的向量地址自動(dòng)取出中斷服務(wù)程序入口地址和新的程序狀態(tài)字，這就是建立新現(xiàn)場(chǎng)；最后由一些指令實(shí)現(xiàn)對(duì)必要的通用寄存器的保護(hù)?；謴?fù)現(xiàn)場(chǎng)則是保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)的逆處理。,45,1.中斷嵌套 中斷嵌套的層次可以有多層

23、，越在里層的中斷請(qǐng)求越急迫，優(yōu)先級(jí)越高，因此優(yōu)先得到CPU的服務(wù)。 要使計(jì)算機(jī)具有多重中斷的能力，首先要能保護(hù)多個(gè)斷點(diǎn)，而且先發(fā)生的中斷請(qǐng)求的斷點(diǎn)，先保護(hù)后恢復(fù)；后發(fā)生的中斷請(qǐng)求的斷點(diǎn)，后保護(hù)先恢復(fù)。堆棧的先進(jìn)后出特點(diǎn)正好滿足多重中斷這一先后次序的需要。同時(shí)，在CPU進(jìn)入某一中斷服務(wù)程序之后，系統(tǒng)必須處于開中斷狀態(tài)，否則中斷嵌套是不可能實(shí)現(xiàn)的。,三、 多重中斷與中斷屏蔽,46,中斷源發(fā)出中斷請(qǐng)求之后，這個(gè)中斷請(qǐng)求并不一定能真正送到CPU去，在有些情況下，可以用程序方式有選擇地封鎖部分中斷，這就是中斷屏蔽。 如果給每個(gè)中斷源都相應(yīng)地配備一個(gè)中斷屏蔽觸發(fā)器（MASK），則每個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)在送往判優(yōu)

24、電路之前，還要受到屏蔽觸發(fā)器的控制。當(dāng)MASK=1，表示對(duì)應(yīng)中斷源的請(qǐng)求被屏蔽，可見中斷請(qǐng)求觸發(fā)器和中斷屏蔽觸發(fā)器是成對(duì)出現(xiàn)的。,2.中斷屏蔽,47,用程序設(shè)置的方法將屏蔽寄存器中的某一位置“1”，則對(duì)應(yīng)的中斷請(qǐng)求被封鎖，無(wú)法去參加排隊(duì)判優(yōu)；若屏蔽寄存器中的某一位置“0”，才允許對(duì)應(yīng)的中斷請(qǐng)求送往CPU。,48,中斷屏蔽寄存器的作用,49,這里所說(shuō)的中斷全過(guò)程指的是從中斷源發(fā)出中斷請(qǐng)求開始，CPU響應(yīng)這個(gè)請(qǐng)求，現(xiàn)行程序被中斷，轉(zhuǎn)至中斷服務(wù)程序，直到中斷服務(wù)程序執(zhí)行完畢，CPU再返回原來(lái)的程序繼續(xù)執(zhí)行的整個(gè)過(guò)程。 中斷全過(guò)程分為5個(gè)階段：中斷請(qǐng)求，中斷判優(yōu)，中斷響應(yīng)，中斷處理，中斷返回。 其中中

25、斷處理就是執(zhí)行中斷服務(wù)程序，這是中斷系統(tǒng)的核心。,四、 中斷全過(guò)程,50,中斷處理過(guò)程,51,中斷處理過(guò)程基本上由3部分組成，第一部分為準(zhǔn)備部分，其基本功能是保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)于非向量中斷方式則需要確定中斷源，最后開放中斷，允許更高級(jí)的中斷請(qǐng)求打斷低級(jí)的中斷服務(wù)程序； 第二部分為處理部分，即真正執(zhí)行具體的為某個(gè)中斷源服務(wù)的中斷服務(wù)程序； 第三部分為結(jié)尾部分，首先要關(guān)中斷，以防止在恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程中被新的中斷請(qǐng)求打斷，接著恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，然后開放中斷，以便返回原來(lái)的程序后可響應(yīng)其他的中斷請(qǐng)求。中斷服務(wù)程序的最后一條指令一定是中斷返回指令。,52,DMA方式是為了在主存與外設(shè)之間實(shí)現(xiàn)高速、批量數(shù)據(jù)交換而設(shè)置的。D

26、MA方式的數(shù)據(jù)傳送直接依靠硬件（DMA控制器）來(lái)實(shí)現(xiàn)，不需要執(zhí)行任何程序。,第四節(jié) DMA方式及其接口,53,1.DMA方式的特點(diǎn) 無(wú)論程序查詢還是程序中斷方式，主要的工作都是由CPU執(zhí)行程序完成的，這需要花費(fèi)時(shí)間，因此不能實(shí)現(xiàn)高速外設(shè)與主機(jī)的信息交換。 DMA方式是在外設(shè)和主存之間開辟一條“直接數(shù)據(jù)通道”，在不需要CPU干預(yù)也不需要軟件介入的情況下在兩者之間進(jìn)行的高速數(shù)據(jù)傳送方式。在DMA傳送方式中，對(duì)數(shù)據(jù)傳送過(guò)程進(jìn)行控制的硬件稱為DMA控制器。當(dāng)外設(shè)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，通過(guò)DMA控制器向CPU提出DMA傳送請(qǐng)求，CPU響應(yīng)之后將讓出系統(tǒng)總線，由DMA控制器接管總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。,一、 DM

27、A方式的基本概念,54,DMA方式具有下列特點(diǎn)： 它使主存與CPU的固定聯(lián)系脫鉤，主存既可被CPU訪問，又可被外設(shè)訪問； 在數(shù)據(jù)塊傳送時(shí)，主存地址的確定、傳送數(shù)據(jù)的計(jì)數(shù)等都由硬件電路直接實(shí)現(xiàn)； 主存中要開辟專用緩沖區(qū)，及時(shí)供給和接收外設(shè)的數(shù)據(jù)； DMA傳送速度快，CPU和外設(shè)并行工作，提高了系統(tǒng)的效率。 DMA在傳送開始前要通過(guò)程序進(jìn)行預(yù)處理，結(jié)束后要通過(guò)中斷方式進(jìn)行后處理。,55,中斷方式是程序切換，需要保護(hù)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)；而DMA方式除了開始和結(jié)尾時(shí)，不占用CPU的任何資源。 對(duì)中斷請(qǐng)求的響應(yīng)時(shí)間只能發(fā)生在每條指令執(zhí)行完畢時(shí)；而對(duì)DMA請(qǐng)求的響應(yīng)時(shí)間可以發(fā)生在每個(gè)機(jī)器周期結(jié)束時(shí)。,2.DMA和

28、中斷的區(qū)別,56,中斷傳送過(guò)程需要CPU的干預(yù)；而DMA傳送過(guò)程不需要CPU的干預(yù)，故數(shù)據(jù)傳輸速率非常高，適合于高速外設(shè)的成組數(shù)據(jù)傳送。 DMA請(qǐng)求的優(yōu)先級(jí)高于中斷請(qǐng)求。 中斷方式具有對(duì)異常事件的處理能力，而DMA方式僅局限于完成傳送數(shù)據(jù)塊的I/O操作。,57,DMA方式一般應(yīng)用于主存與高速外設(shè)間的簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)傳送。高速外設(shè)如磁盤、磁帶、光盤等輔助存儲(chǔ)器以及其他帶有局部存儲(chǔ)器的外設(shè)、通信設(shè)備等。 DMA傳送是直接依靠硬件實(shí)現(xiàn)的，可用于快速的數(shù)據(jù)直傳。也正是由于這一點(diǎn)，DMA方式本身不能處理較復(fù)雜的事件。因此，在某些場(chǎng)合常綜合應(yīng)用DMA方式與程序中斷方式，二者互為補(bǔ)充。,3.DMA方式的應(yīng)用,58,

29、1.DMA控制器的功能 在DMA傳送過(guò)程中，DMA控制器將接管CPU的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線，CPU的主存控制信號(hào)被禁止使用。而當(dāng)DMA傳送結(jié)束后，將恢復(fù)CPU的一切權(quán)利并開始執(zhí)行其操作。由此可見，DMA控制器必須具有控制系統(tǒng)總線的能力，即能夠像CPU一樣輸出地址信號(hào)，接收或發(fā)出控制信號(hào)，輸入或輸出數(shù)據(jù)信號(hào)。,二、 DMA接口,59,DMA控制器在外設(shè)與主存之間直接傳送數(shù)據(jù)期間，完全代替CPU進(jìn)行工作，其主要功能有： 接受外設(shè)發(fā)出的DMA請(qǐng)求，并向CPU發(fā)出總線請(qǐng)求； CPU響應(yīng)此總線請(qǐng)求，發(fā)出總線響應(yīng)信號(hào)后，接管對(duì)總線的控制，進(jìn)入DMA操作周期； 確定傳送數(shù)據(jù)的主存單元地址及傳送長(zhǎng)度，

30、并能自動(dòng)修改主存地址計(jì)數(shù)值和傳送長(zhǎng)度計(jì)數(shù)值； 規(guī)定數(shù)據(jù)在主存與外設(shè)之間的傳送方向，發(fā)出讀寫或其他控制信號(hào)，并執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送的操作。 向CPU報(bào)告DMA操作的結(jié)束。,60,主存地址計(jì)數(shù)器 用來(lái)存放待交換數(shù)據(jù)的主存地址。該計(jì)數(shù)器的初始值為主存緩沖區(qū)的首地址，當(dāng)DMA傳送時(shí)，每傳送一個(gè)數(shù)據(jù)，將地址計(jì)數(shù)器加“1”，從而以增量方式給出主存中要交換的一批數(shù)據(jù)的地址，直至這批數(shù)據(jù)傳送完畢為止。 傳送長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器 用來(lái)記錄傳送數(shù)據(jù)塊的長(zhǎng)度。其初始值為傳送數(shù)據(jù)的總字?jǐn)?shù)或總字節(jié)數(shù)，每傳送一個(gè)字或一個(gè)字節(jié)，計(jì)數(shù)器自動(dòng)減“1”，當(dāng)其內(nèi)容為0時(shí)表示數(shù)據(jù)已全部傳送完畢。,2.DMA控制器的基本組成,61,數(shù)據(jù)緩沖寄存器 用來(lái)

31、暫存每次傳送的數(shù)據(jù)。輸入時(shí)，數(shù)據(jù)由外設(shè)（如磁盤）先送往數(shù)據(jù)緩沖寄存器，再通過(guò)數(shù)據(jù)總線送到主存。反之，輸出時(shí)，數(shù)據(jù)由主存通過(guò)數(shù)據(jù)總線送到數(shù)據(jù)緩沖寄存器，然后再送到外設(shè)。 DMA請(qǐng)求觸發(fā)器 每當(dāng)外設(shè)準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)后給出一個(gè)控制信號(hào)，使DMA請(qǐng)求觸發(fā)器置位。,62,控制/狀態(tài)邏輯 它由控制和時(shí)序電路以及狀態(tài)標(biāo)志等組成，用于指定傳送方向，修改傳送參數(shù)，并對(duì)DMA請(qǐng)求信號(hào)和CPU響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行協(xié)調(diào)和同步。 中斷機(jī)構(gòu) 當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)塊傳送完畢后觸發(fā)中斷機(jī)構(gòu)，向CPU提出中斷請(qǐng)求，CPU將進(jìn)行DMA傳送的結(jié)尾處理。,63,1.DMA傳送方法 CPU停止訪問主存法 這種方法是用DMA請(qǐng)求信號(hào)迫使CPU讓出總線控制權(quán)。C

32、PU在現(xiàn)行機(jī)器周期執(zhí)行完成之后，使其數(shù)據(jù)、地址總線處于三態(tài)，并輸出總線批準(zhǔn)信號(hào)。每次DMA請(qǐng)求獲得批準(zhǔn)，DMA控制器獲得總線控制權(quán)以后，連續(xù)占用若干個(gè)存取周期（總線周期）進(jìn)行成組連續(xù)的數(shù)據(jù)傳送，直至批量傳送結(jié)束，DMA控制器才把總線控制權(quán)交回CPU。,三、 DMA傳送方法與傳送過(guò)程,64,存儲(chǔ)器分時(shí)法 把原來(lái)的一個(gè)存取周期分成兩個(gè)時(shí)間片，一片分給CPU，一片分給DMA，使CPU和DMA交替地訪問主存。這種方法無(wú)須申請(qǐng)和歸還總線，使總線控制權(quán)的轉(zhuǎn)移幾乎不需要什么時(shí)間，所以對(duì)DMA傳送來(lái)講效率是很高的，而且CPU既不停止現(xiàn)行程序的運(yùn)行，也不進(jìn)入保持狀態(tài)，在CPU不知不覺中便進(jìn)行了DMA傳送；但這種

33、方法需要主存在原來(lái)的存取周期內(nèi)為兩個(gè)部件服務(wù)，如果要維持CPU的訪存速度不變，就要求主存的工作速度提高一倍。,65,周期挪用法 周期挪用法是前兩種方法的折衷。當(dāng)外設(shè)沒有DMA請(qǐng)求時(shí)，CPU按程序要求訪問主存；一旦外設(shè)有DMA請(qǐng)求并獲得CPU批準(zhǔn)后，CPU讓出一個(gè)周期的總線控制權(quán)，由DMA控制器控制系統(tǒng)總線，挪用一個(gè)存取周期進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳送，傳送一個(gè)字節(jié)或一個(gè)字；然后，DMA控制器將總線控制權(quán)交回CPU，CPU繼續(xù)進(jìn)行自己的操作，等待下一個(gè)DMA請(qǐng)求的到來(lái)。重復(fù)上述過(guò)程，直至數(shù)據(jù)塊傳送完畢。,66,當(dāng)主存工作速度高出外設(shè)較多時(shí)，采用周期挪用法可以提高主存的利用率，對(duì)CPU的影響較小，因此，高速主

34、機(jī)系統(tǒng)常采用這種方法。根據(jù)主存的存取周期與磁盤的數(shù)據(jù)傳輸率，可以計(jì)算出主存操作時(shí)間的分配情況：有多少時(shí)間需用于DMA傳送（被挪用），有多少時(shí)間可用于CPU訪存。這在一定程度上反映了系統(tǒng)的處理效率。,67,DMA預(yù)處理 在DMA傳送之前必須要做準(zhǔn)備工作，即初始化。這是由CPU來(lái)完成的。CPU首先執(zhí)行幾條I/O指令，用于測(cè)試外設(shè)的狀態(tài)、向DMA控制器的有關(guān)寄存器置初值、設(shè)置傳送方向、啟動(dòng)該外部設(shè)備等。 在這些工作完成之后，CPU繼續(xù)執(zhí)行原來(lái)的程序，在外設(shè)準(zhǔn)備好發(fā)送的數(shù)據(jù)（輸入）或接收的數(shù)據(jù)已處理完畢（輸出）時(shí)，外設(shè)向DMA控制器發(fā)DMA請(qǐng)求，再由DMA控制器向CPU發(fā)總線請(qǐng)求。,2.DMA傳送過(guò)程

35、,68,數(shù)據(jù)傳送 DMA的數(shù)據(jù)傳送可以以單字節(jié)（或字）為基本單位，也可以以數(shù)據(jù)塊為基本單位。對(duì)于以數(shù)據(jù)塊為單位的傳送，DMA控制器占用總線后的數(shù)據(jù)輸入和輸出操作都是通過(guò)循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。,69,DMA后處理 當(dāng)傳送長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器計(jì)到0時(shí)，DMA操作結(jié)束，DMA控制器向CPU發(fā)中斷請(qǐng)求，CPU停止原來(lái)程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)程序做DMA結(jié)束處理工作。,70,在大型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，所連接的I/O設(shè)備數(shù)量多，輸入輸出頻繁，要求整體的速度快，單純依靠主CPU采取程序中斷和DMA等控制方式已不能滿足要求，于是通道控制方式被引入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。,第五節(jié) 通道控制方式,71,1.通道控制方式與DMA方式的區(qū)別 DMA控制器是通過(guò)專門設(shè)計(jì)的硬件控制邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)傳送的控制；而通道則是一個(gè)具有特殊功能的處理器，它具有自己的指令和程序，通過(guò)執(zhí)行通道程序來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)傳送的控制，故通道具有更強(qiáng)的獨(dú)立處理數(shù)據(jù)輸入輸出的功能。 DMA控制器通常只能控制一臺(tái)或少數(shù)幾臺(tái)同類設(shè)備；而一個(gè)通道則可以同時(shí)控制許多臺(tái)同類或不同類的設(shè)備。,一、 通道的基本概念,72,接受CPU的I/O指令，按指令要求與指定的外設(shè)進(jìn)行聯(lián)系； 從主存取出屬