1、本章討論：,輸入/輸出系統(tǒng),接口的基本概念,DMA方式及其接口組成,總線的基本概念,中斷方式及其接口組成,為什么需要I/O接口（電路）？ 外部設(shè)備多種多樣 工作原理、驅(qū)動(dòng)方式、信息格式、以及工作速度方面彼此差別很大 它們不能與CPU直接相連 必須經(jīng)過中間電路再與系統(tǒng)相連 這部分電路被稱為I/O接口電路,輸入輸出接口概述,什么是I/O接口（電路）？ I/O接口是位于系統(tǒng)與外設(shè)間、用來協(xié)助完成數(shù)據(jù)傳送和控制任務(wù)的邏輯電路 PC機(jī)系統(tǒng)板的可編程接口芯片、I/O總線槽的電路板（適配器）都是接口電路,接口主要功能,接收CPU送來的地址碼，選擇接口中的寄存器供CPU訪問。,1.尋址,2.數(shù)據(jù)緩沖,實(shí)現(xiàn)主機(jī)

2、與外設(shè)的速度匹配。緩沖深度與傳送的數(shù)據(jù)量有關(guān)。,串-并格式轉(zhuǎn)換（串口）,3.預(yù)處理,傳送控制命令與狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)I/O傳送控制方式。,數(shù)據(jù)通路寬度轉(zhuǎn)換（并口）,電平轉(zhuǎn)換,4.控制功能,主機(jī)與外部設(shè)備的連接方式大致可分為三類。,1) 輻射型(星型)連接 特點(diǎn)：各設(shè)備通路獨(dú)立，具有較高的信息流量，且控制簡單。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，連接線多，系統(tǒng)擴(kuò)展不方便，靈活性差。 2) 總線型連接 特點(diǎn)：成本低，結(jié)構(gòu)簡單，易于擴(kuò)展。只有一組總線時(shí)，信息交換速度較低，且總線控制邏輯較復(fù)雜。 3) 通道控制方式 特點(diǎn)：主機(jī)與通道間是輻射型連接，通道與外設(shè)之間采用總線連接，既具有較高的信息交換速度，又有良好的可擴(kuò)展性。但成本較高

3、。,I/O接口電路的基本結(jié)構(gòu),從編程角度看，接口內(nèi)部主要包括一個(gè)或多個(gè) CPU可以進(jìn)行讀/寫操作的寄存器，又稱為I/O端口。 各I/O端口由端口地址區(qū)分。,接口電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu),CPU與外設(shè)主要有數(shù)據(jù)、狀態(tài)和控制信息需要相互交換，于是從應(yīng)用角度看內(nèi)部： 數(shù)據(jù)寄存器 保存外設(shè)給CPU和CPU發(fā)往外設(shè)的數(shù)據(jù) 狀態(tài)寄存器 保存外設(shè)或接口電路的狀態(tài) 控制寄存器 保存CPU給外設(shè)或接口電路的命令,接口電路的外部特性,面向CPU一側(cè)的信號(hào)： 用于與CPU連接 主要是數(shù)據(jù)、地址和控制信號(hào) 面向外設(shè)一側(cè)的信號(hào)： 用于與外設(shè)連接 提供的信號(hào)五花八門 功能定義、時(shí)序及有效電平等差異較大,接口芯片的分類,接口電路核心

4、部分往往是一塊或數(shù)塊大規(guī)模集成電路芯片（接口芯片）： 通用接口芯片 支持通用的數(shù)據(jù)輸入輸出和控制的接口芯片 面向外設(shè)的專用接口芯片 針對(duì)某種外設(shè)設(shè)計(jì)、與該種外設(shè)接口 面向系統(tǒng)的專用接口芯片 與CPU和系統(tǒng)配套使用，以增強(qiáng)其總體功能,接口電路的可編程性,許多接口電路具有多種功能和工作方式，可以通過編程的方法選定其中一種 接口需要進(jìn)行物理連接，還需要編寫接口軟件 接口軟件有兩類： 初始化程序段設(shè)定芯片工作方式等 數(shù)據(jù)交換程序段管理、控制、驅(qū)動(dòng)外設(shè)，負(fù)責(zé)外設(shè)和系統(tǒng)間信息交換,1數(shù)據(jù)信息流 數(shù)據(jù)輸入信息流經(jīng)傳送線送入接口中的輸入端口(輸入寄存器)，然后通過數(shù)據(jù)總線送入主機(jī)； 數(shù)據(jù)輸出信息流經(jīng)數(shù)據(jù)總線送

5、入接口中的輸出端口(輸出寄存器)，然后通過傳送線送入輸出設(shè)備并以某種形式輸出。 2控制信息流 由主機(jī)通過數(shù)據(jù)總線送入接口中的控制端口(控制寄存器)。,輸入/輸出接口的信息流,3狀態(tài)信息流 由狀態(tài)口通過數(shù)據(jù)總線送入主機(jī)。 4聯(lián)絡(luò)信息流 在主機(jī)與接口之間，通過控制總線可做單向或雙向流動(dòng)。 5外設(shè)識(shí)別信息流 通常由主機(jī)通過地址總線送入接口中的識(shí)別線路。,端口（PORT）,端口即I/O地址，是呈現(xiàn)給程序員的外設(shè) I/O端口通常以其地址為標(biāo)識(shí)，1個(gè)端口一般對(duì)應(yīng)1個(gè)可以被用戶訪問的寄存器 數(shù)據(jù)寄存器保存數(shù)據(jù)（芯片中可能含多個(gè)） 控制寄存器保存控制信息（芯片中可能含多個(gè)） 狀態(tài)寄存器保存狀態(tài)信息（芯片中可能

6、含多個(gè)） 1個(gè)接口電路可以具有多個(gè)I/O端口，每個(gè)端口保存不同的信息（用以與CPU或外設(shè)進(jìn)行信息交換） 輸入端口和輸出端口可以使用同一個(gè)I/O地址,(a)統(tǒng)一編址 這種編址的出發(fā)點(diǎn)是把接口中的每一個(gè)端口視為一個(gè)存儲(chǔ)器單元，并賦以相應(yīng)的存儲(chǔ)器地址。訪存指令同樣適合于I/O端口。 優(yōu)缺點(diǎn): 無需專門的I/O指令，簡化了指令系統(tǒng)；但要占用原本就有限的一部分存儲(chǔ)空間。,外設(shè)的編址方式,(b)單獨(dú)編址方式 這種編址的出發(fā)點(diǎn)是把所有外設(shè)的端口看作是一個(gè)獨(dú)立于存儲(chǔ)器空間的I/O空間。在這個(gè)I/O空間內(nèi)，每一端口都被分配給一個(gè)地址與之對(duì)應(yīng)。 優(yōu)缺點(diǎn)：指令系統(tǒng)中必須設(shè)有專門的輸入/輸出指令；但不占用存儲(chǔ)空間。,

7、端口地址譯碼的方法有多種，可以靈活的進(jìn)行設(shè)計(jì)。 (1)用門電路進(jìn)行口地址譯碼 (2)用譯碼器進(jìn)行口地址譯碼 (3) 用比較器進(jìn)行口地址譯碼,外設(shè)的識(shí)別,I/O地址的譯碼,I/O地址的譯碼方法與存儲(chǔ)器地址的譯碼方法一樣，但有它的特點(diǎn)： 每個(gè)接口電路通常占用少數(shù)幾個(gè)I/O地址。 I/O地址不象內(nèi)存地址，不那么強(qiáng)調(diào)地址的連續(xù)性。 部分譯碼時(shí)，可能中間地址線不連接，也有最低地址線不連接的情況。 常采用門電路進(jìn)行地址譯碼或線選譯碼,除采用譯碼器、門電路進(jìn)行譯碼外，I/O地址譯碼還經(jīng)常采用可編程邏輯器件PLD。 為了給系統(tǒng)一定的選擇余地，有些接口電路采用數(shù)字比較器、開關(guān)或跳線器等進(jìn)行可選擇的地址譯碼,IB

8、M PC/AT主機(jī)板的I/O譯碼電路,接口芯片內(nèi)部譯碼,A0A4,DMA控制器1 中斷控制器1 定時(shí)計(jì)數(shù)器 并行接口電路 DMA頁面寄存器 中斷控制器2 DMA控制器2 協(xié)處理器,A5 A6 A7 A8 A9,ALS138譯碼器,HLDA MASTER,Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7,主機(jī)與外設(shè)的信息交換方式，經(jīng)歷了由低級(jí)到高級(jí)，由簡單到復(fù)雜，由集中控制到分散控制的發(fā)展過程，按其發(fā)展的先后和主機(jī)與外設(shè)并行工作的程度，通常有以下四種方式： 1. 程序查詢方式 2. 程序中斷方式 3. DMA方式 4. 通道方式,主機(jī)與外設(shè)的信息交換方式,接口分類,1.按數(shù)據(jù)傳送格式劃分,（1）并

9、行接口,接口與系統(tǒng)總線、接口與外設(shè)均按并行方式傳送數(shù)據(jù)。,并,并,數(shù)據(jù)各位同時(shí)傳送。,（2）串行接口,適用于設(shè)備本身并行工作，距主機(jī)較近的場(chǎng)合。,并,串,接口與系統(tǒng)總線并行傳送，接口與外設(shè)串行傳送。,數(shù)據(jù)逐位分時(shí)傳送。,適用于設(shè)備本身串行工作，或距主機(jī)較遠(yuǎn)，或需減少傳送線的情況。,2.按時(shí)序控制方式劃分,（1）同步接口,接口與系統(tǒng)總線的信息傳送由統(tǒng)一時(shí)序信號(hào)控制。,（2）異步接口,接口與系統(tǒng)總線的信息傳送采用異步應(yīng)答方式。,3.按I/O傳送控制方式劃分,（1）程序查詢方式 特點(diǎn)：控制簡單，硬件開銷?。籆PU與外設(shè)是串行工作的，系統(tǒng)效率低。 適用場(chǎng)合：CPU不太忙且傳送速度要求不太高的情況。,（

10、2）程序中斷方式 特點(diǎn)：CPU和外設(shè)可并行工作，提高了CPU的效率，不僅適用于主機(jī)和外設(shè)的數(shù)據(jù)處理，特別適用于對(duì)外界隨機(jī)事件的處理，不適合于批量數(shù)據(jù)的高速傳送。 適用場(chǎng)合：適用與CPU較忙，傳送速度不太高的系統(tǒng)中，尤其適合實(shí)時(shí)控制及緊急事件的處理。,（3）DMA方式 完全由硬件完成信息交換，信息傳遞從以CPU為中心，轉(zhuǎn)為以內(nèi)存為中心， DMA控制器來實(shí)現(xiàn)內(nèi)存和外設(shè)之間的信息交換，保證了CPU的高效率，對(duì)高速大批量數(shù)據(jù)傳送特別有用。 缺點(diǎn)：只能進(jìn)行簡單數(shù)據(jù)交換，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，硬件開銷大。,（4）通道方式 主機(jī)、外設(shè)和通道間具有很強(qiáng)的并行工作能力，大大減輕了CPU的負(fù)擔(dān)，顯著提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

11、 也是一種直接存取傳輸控制，但比一般的DMA控制器要強(qiáng)得多。,總線,1.定義：,一組能為多個(gè)部件分時(shí)共享的信息傳送線路。,2.特點(diǎn)：,分時(shí)、共享。,通常作法：發(fā)送部件通過OC組件或三態(tài)門分時(shí)發(fā)送信息，由打入脈沖將信息送入指定接收部件。,3.實(shí)體：,一組傳送線與相應(yīng)控制邏輯,CPU內(nèi)設(shè)置控制邏輯,設(shè)置總線控制器,總線分類,1.按功能劃分,（1）CPU內(nèi)總線,CPU芯片內(nèi)寄存器與算邏部件之間互連的總線。（ALU總線）,單組數(shù)據(jù)線(單向、雙向)或多組數(shù)據(jù)線，或多種總線。,（2）部件內(nèi)總線,插件板內(nèi)各芯片之間互連的總線。,（局部總線、片級(jí)總線）,分為地址、數(shù)據(jù)、控制線。,（3）系統(tǒng)總線,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)各

12、功能部件之間，或各插件板之間互連的總線。,（板級(jí)總線）,分為地址、數(shù)據(jù)、控制線。,（4）外總線,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間，或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間互連的總線。,（通信總線）,分為數(shù)據(jù)線(與地址復(fù)用)、控制線。,2.按時(shí)序控制方式劃分,（1）同步總線,由統(tǒng)一時(shí)序控制總線傳送操作。,時(shí)鐘周期、同步脈沖,在固定時(shí)鐘周期內(nèi)完成數(shù)據(jù)傳送，由同步脈沖定時(shí)打入。,例.,打入地址,打入數(shù)據(jù),總線請(qǐng)求,（2）異步總線,無固定時(shí)鐘周期劃分，總線周期時(shí)間由傳送實(shí)際需要決定；以異步應(yīng)答方式控制總線傳送操作。,例.,總線批準(zhǔn),主同步,從同步,總線周期,總線傳送,（時(shí)間可變）,（時(shí)間可變）,總線權(quán)切換,（3）擴(kuò)展同步總線,以時(shí)鐘

13、周期為時(shí)序基礎(chǔ)，允許總線周期中的時(shí)鐘數(shù)可變。,注意幾個(gè)“周期”概念：,時(shí)鐘周期：,CPU一步操作(一次內(nèi)部數(shù)據(jù)通路傳送)時(shí)間。,總線周期：,經(jīng)過總線的一次數(shù)據(jù)傳送(訪存)時(shí)間。,通常包含若干時(shí)鐘周期。,工作周期：,指令周期中的一個(gè)操作階段。,可包含多個(gè)總線周期。,（模型機(jī)的一個(gè)總線周期只包含一個(gè)時(shí)鐘周期。）,3.按數(shù)據(jù)傳送格式劃分,（1）并行總線：,同時(shí)傳送各位信息。,（2）串行總線：,分時(shí)逐位傳送各位信息。,CPU內(nèi)總線：同步、并行,系統(tǒng)總線：同步、異步、擴(kuò)展同步、并行,外總線：異步、并行、串行,對(duì)總線信號(hào)組成、信號(hào)引腳含義、信號(hào)電平等作統(tǒng)一規(guī)定。,便于靈活組成系統(tǒng)。,電源、地址、數(shù)據(jù)、控制

14、,時(shí)序：時(shí)鐘、定時(shí)、應(yīng)答,總線標(biāo)準(zhǔn),為何制定總線標(biāo)準(zhǔn),系統(tǒng)總線信號(hào)組成,數(shù)傳控制：M讀/寫、IO讀/寫,中斷請(qǐng)求、響應(yīng),總線請(qǐng)求、響應(yīng),復(fù)位,程序查詢傳送方式,“就緒（Ready）”的含義,在輸入場(chǎng)合： “就緒” 說明輸入接口已準(zhǔn)備好送往CPU的數(shù)據(jù)，正等著CPU來讀取 該狀態(tài)也可用接口中數(shù)據(jù)緩沖器已“滿”來描述 在輸出場(chǎng)合： “就緒” 說明輸出接口已做好準(zhǔn)備，等待接收CPU要輸出的數(shù)據(jù) 該狀態(tài)也可用接口數(shù)據(jù)緩沖器已 “空”、或者用接口（外設(shè)）“閑” 或 “不忙” 來描述,程序查詢傳送方式,CPU先了解（查詢）外設(shè)的工作狀態(tài)，在外設(shè)就緒（可以交換信息的情況下）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入或輸出 對(duì)多個(gè)外設(shè)的

15、情況，則CPU按一定順序依次查詢（輪詢）。先查詢的外設(shè)將優(yōu)先進(jìn)行數(shù)據(jù)交換 查詢傳送的特點(diǎn)是：工作可靠，適用面寬，但傳送效率低,（1）預(yù)置參數(shù)：設(shè)定數(shù)據(jù)傳送長度；設(shè)置數(shù)據(jù)緩沖區(qū)首地址； （2）向外設(shè)發(fā)出命令，啟動(dòng)外設(shè)開始工作，并請(qǐng)求進(jìn)行數(shù)據(jù)交換； （3）從外設(shè)讀取反映外設(shè)當(dāng)前工作進(jìn)程的狀態(tài)字； （4）檢查狀態(tài)字中的標(biāo)志，看外設(shè)能否進(jìn)行數(shù)據(jù)交換； （5）如果外設(shè)沒有準(zhǔn)備就緒，則重復(fù)上述（3）和（4），一直到這個(gè)外設(shè)準(zhǔn)備就緒，發(fā)出準(zhǔn)備就緒信號(hào)為止； （6）CPU從外設(shè)輸入數(shù)據(jù)，或?qū)?shù)據(jù)輸出給外設(shè)，完成數(shù)據(jù)交換；同時(shí)，CPU將狀態(tài)字中的外設(shè)就緒狀態(tài)信號(hào)標(biāo)志清除。,程序查詢工作過程,1、 外設(shè)狀態(tài)寄存器

16、 2、 數(shù)據(jù)緩沖寄存器 3、 地址譯碼器 4、 控制邏輯,查詢接口電路,程序中斷方式,當(dāng)計(jì)算機(jī)執(zhí)行正常程序時(shí)，系統(tǒng)中出現(xiàn)某些異常情況或特殊請(qǐng)求，這些情況和請(qǐng)求可能來自計(jì)算機(jī)內(nèi)部，也可能來自計(jì)算機(jī)外部；一旦有上述事件發(fā)生，計(jì)算機(jī)執(zhí)行正常程序的狀態(tài)被中斷，就是說，CPU要暫停它正在執(zhí)行的程序，而轉(zhuǎn)去處理所發(fā)生的事件（通常就是執(zhí)行一段特殊程序，被稱為中斷服務(wù)程序）；CPU處理完畢后，自動(dòng)返回到原來被中斷了的程序繼續(xù)運(yùn)行。,概念,（1）類似：正常程序： 主程序 中斷服務(wù)程序： 子程序 （2）區(qū)別： （A）子程序的執(zhí)行是程序員事先安排好的； 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，比如電源掉電、請(qǐng)

17、求I/O數(shù)據(jù)傳送、現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警等。,與子程序調(diào)用的比較,（B）子程序的執(zhí)行往往與主程序有關(guān)； 中斷服務(wù)程序可能與被中斷的程序毫無關(guān)系。 （C）有可能出現(xiàn)多個(gè)中斷事件同時(shí)請(qǐng)求的情況，此時(shí)，主機(jī)就需要進(jìn)行判優(yōu)，進(jìn)而決定為哪一個(gè)請(qǐng)求服務(wù)。 子程序不存在此種情況。,與子程序調(diào)用的比較,1、主機(jī)與外部設(shè)備并行工作 2、實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理 3、硬件故障處理 4、實(shí)現(xiàn)多道程序和分時(shí)操作,中斷的作用,查詢：,程序,并行操作,主機(jī),外設(shè),空閑,啟動(dòng),等待,工作,程序,交換數(shù)據(jù),中斷：,主機(jī),程序,外設(shè),空閑,啟動(dòng),工作,程序,請(qǐng)求,中斷程序,交換數(shù)據(jù),程序,（1） 概念：能夠引起CPU中斷的原因就是中斷源。中斷源是指形成

18、這個(gè)原因的設(shè)備、部件或條件。 （2） 種類： 輸入輸出設(shè)備。系統(tǒng)中的外部設(shè)備都可以設(shè)計(jì)成為以中斷方式與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，從而作為系統(tǒng)的中斷源。 故障與錯(cuò)誤。系統(tǒng)運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)諸如電源掉電、運(yùn)算出錯(cuò)、非法指令等問題，它們也常采用中斷方式請(qǐng)求CPU立即處理。,中斷源, 實(shí)時(shí)時(shí)鐘。系統(tǒng)中的時(shí)鐘定時(shí)電路是必不可少的，若定時(shí)時(shí)間到，時(shí)鐘電路就可以通過中斷告知主機(jī)。 程序調(diào)試和軟件中斷。程序調(diào)試中常常采用設(shè)置中斷斷點(diǎn)的方法來觀察程序運(yùn)行是否正確；有些機(jī)器的指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)有軟件中斷指令，利用中斷機(jī)制實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的功能調(diào)用以及調(diào)試程序。需要說明一點(diǎn)，這類中斷是由程序員事先安排好的，和調(diào)用子程序的作用一樣，與上述

19、由外部硬件產(chǎn)生的中斷有些不同。,中斷源,（1）按中斷源是在主機(jī)之內(nèi)還是外分： （A）內(nèi)部中斷 內(nèi)部中斷是指中斷源來自主機(jī)內(nèi)部，如運(yùn)算出錯(cuò)、程序調(diào)試和軟件中斷等； （B）外部中斷 外部中斷來自主機(jī)之外，如外部設(shè)備、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和硬件故障產(chǎn)生的中斷等。,中斷的分類,（2）按中斷對(duì)CPU的打擾情況分： （A）程序中斷 CPU要用專門的中斷服務(wù)程序?yàn)橹袛嘣捶?wù)，并且在服務(wù)前要進(jìn)行斷點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)的保護(hù)，在服務(wù)后要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)和斷點(diǎn)恢復(fù)的中斷。這種中斷就是一般所說的中斷，是大多數(shù)中低速外設(shè)以及內(nèi)中斷常用的中斷方式。,中斷的分類,（B）簡單中斷 當(dāng)這種中斷發(fā)生時(shí)，相應(yīng)的請(qǐng)求源只是請(qǐng)求CPU的正常程序暫停一下，通常稱為總

20、線請(qǐng)求或DMA請(qǐng)求。暫停的目的是把主存和接口的數(shù)據(jù)通路讓給請(qǐng)求源使用（即總線使用權(quán)），使得能在主存和請(qǐng)求源之間直接進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳送，當(dāng)這次傳送結(jié)束后，請(qǐng)求源立即把這個(gè)使用權(quán)歸還給CPU。接著運(yùn)行剛才暫停的程序，這個(gè)暫停時(shí)間通常一次一個(gè)存取周期。,中斷的分類,（3）按尋找中斷服務(wù)程序入口的實(shí)現(xiàn)方法區(qū)分： （A）向量中斷（矢量中斷）：中斷服務(wù)程序入口由中斷源自己提供。 （B）非向量中斷：入口由CPU查詢得到。,中斷的分類,中斷的工作過程分為六個(gè)階段： 1、中斷請(qǐng)求 2、中斷判優(yōu) 3、中斷響應(yīng) 4、中斷識(shí)別 5、中斷服務(wù) 6、中斷返回,中斷工作過程,（1）中斷請(qǐng)求是中斷源向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)，要

21、求CPU為它服務(wù)的過程。 （2）何時(shí)？基本條件兩個(gè)： （A）外設(shè)本身工作已經(jīng)完成 （B）外設(shè)被允許中斷,1、中斷請(qǐng)求,（3）硬件支持： 中斷請(qǐng)求電路，基本組成是兩個(gè)觸發(fā)器： （A）一個(gè)反映外設(shè)工作是否完成，其形成與程序查詢的準(zhǔn)備就緒狀態(tài)標(biāo)志一樣； （B）另一個(gè)反映外設(shè)是否允許采用中斷方式，即中斷屏蔽功能。只有當(dāng)外設(shè)工作完成而且被允許中斷時(shí)，相應(yīng)中斷源才可以通過這個(gè)請(qǐng)求電路形成中斷請(qǐng)求信號(hào)。,（1）中斷優(yōu)先級(jí)有兩個(gè)方面的含義： （A） 一是中斷請(qǐng)求與CPU現(xiàn)行程序優(yōu)先級(jí)的問題； （B） 另一含義是各中斷源之間，誰更迫切的問題。,2、中斷判優(yōu),（2）方法： （A）軟件 （B）硬件：為了得到較高的效

22、率，一般采用硬件判優(yōu)方法。判優(yōu)邏輯隨著判優(yōu)方案的不同可有不同的結(jié)構(gòu)，其組成部分既可能在設(shè)備接口之中，也可能在CPU內(nèi)部，也可能這兩部分都有。其作用是決定CPU的響應(yīng)并且找出最高優(yōu)先請(qǐng)求者，如果確定接收這個(gè)請(qǐng)求的話，就由CPU發(fā)出中斷響應(yīng)信號(hào)INTA （C） 軟硬件結(jié)合。,（1）CPU響應(yīng)最高優(yōu)先級(jí)的中斷請(qǐng)求，并且在適當(dāng)時(shí)會(huì)向中斷源提供一個(gè)應(yīng)答的響應(yīng)信號(hào)，表明主機(jī)承認(rèn)了它的請(qǐng)求，這就是中斷響應(yīng)。在采用硬件向量中斷的方式中，通常，CPU還要利用它告知中斷接口電路向CPU提供一個(gè)中斷向量。,3、中斷響應(yīng),（2）響應(yīng)條件： （A） 一條指令執(zhí)行結(jié)束時(shí)刻 （B） 中斷允許： (a) 可屏蔽中斷（Mask

23、able Interrupt）：計(jì)算機(jī)中斷系統(tǒng)對(duì)一般外設(shè)的中斷請(qǐng)求就采用受中斷標(biāo)志位控制的方法； (b) 非屏蔽中斷（Non-Maskable Interrupt）：而對(duì)必須立刻響應(yīng)的中斷請(qǐng)求，如電源掉電、機(jī)器故障等，則采用不受中斷標(biāo)志位控制。,（3）中斷屏蔽與中斷允許 概念：對(duì)中斷的允許或禁止的控制。 軟硬結(jié)合和內(nèi)外結(jié)合的方法。不同的計(jì)算機(jī)可能在具體措施上有差異，但基本的思想是相同的。 （A)中斷屏蔽: 外部中斷請(qǐng)求電路設(shè)置中斷屏蔽觸發(fā)器控制某一個(gè)中斷源能否產(chǎn)生中斷請(qǐng)求信號(hào)。 一般計(jì)算機(jī)中都有實(shí)現(xiàn)中斷屏蔽的指令和相應(yīng)的硬件電路。,在外部中斷源的接口，一般都設(shè)立中斷屏蔽觸發(fā)器，通常這個(gè)觸發(fā)器的

24、狀態(tài)可由CPU用指令改變。例如當(dāng)這個(gè)觸發(fā)器為“1”時(shí)，表示不允許該中斷源發(fā)出中斷請(qǐng)求，否則為允許。 IBMPC，8259可編程中斷控制器，有中斷屏蔽寄存器，8259可接收來自外設(shè)的8個(gè)各自獨(dú)立的中斷請(qǐng)求，信號(hào)分別為IRQ0IRQ7，IRQ0優(yōu)先級(jí)最高，中斷源07對(duì)應(yīng)于中斷類型號(hào)08H0FH，（其中IRQ3和IRQ5未用）。,8259A的內(nèi)部結(jié)構(gòu),D7D0,-INTA,INT,中斷請(qǐng)求寄存器,中斷屏蔽寄存器,數(shù)據(jù) 總線 緩沖器,IR0,IR7,讀/寫 控制 邏輯,級(jí)聯(lián) 緩沖器 比較器,-RD,-WR,A0,-CS,CAS0,CSA1,CAS2,-SP/-EN,優(yōu)先權(quán)判別電路,中斷服務(wù)寄存器,控制

25、邏輯,(B)中斷允許：CPU內(nèi)部設(shè)置中斷標(biāo)志位用于控制全部可屏蔽中斷的響應(yīng)。 在大多數(shù)計(jì)算機(jī)CPU內(nèi)，都設(shè)置一個(gè)中斷觸發(fā)器，由這個(gè)觸發(fā)器的狀態(tài)來決定CPU對(duì)中斷請(qǐng)求是否響應(yīng)。 能使中斷觸發(fā)器置“1”的指令，一般稱為開中斷指令，表示系統(tǒng)允許中斷；能使中斷觸發(fā)器置“0”的指令，一般稱為關(guān)中斷指令，表示系統(tǒng)禁止中斷。 用戶在適當(dāng)時(shí)可以用這些指令來對(duì)中斷的能與否進(jìn)行選擇和控制。,例如8088/8086 CPU中，其程序狀態(tài)字PSW寄存器中就有IF位（第10位），開中斷指令STI可以使IF位置為“1”，達(dá)到允許中斷的目的，關(guān)中斷指令CLI可以使IF位清“0”，達(dá)到禁止中斷的目的。,（1）中斷源的識(shí)別 （

26、A）識(shí)別的主體：WHO：CPU識(shí)別 （B）與中斷優(yōu)先級(jí)的判定密切相關(guān)：中斷優(yōu)先級(jí)的判定是解決這一問題的前提和基礎(chǔ)。 （C）目的：使CPU轉(zhuǎn)入相應(yīng)的服務(wù)程序。,4、中斷識(shí)別,（2）方法： （A）軟件查詢法：采用與程序查詢傳送方式一樣的方法，用軟件查詢程序段檢測(cè)中斷請(qǐng)求的標(biāo)志，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)中斷判優(yōu)。 （B）硬件向量法： (a)中斷向量是中斷源向CPU提供的唯一識(shí)別碼； (b)識(shí)別碼實(shí)際是主存的一個(gè)地址碼； (c)硬件支持： 接口電路中：向量地址產(chǎn)生器 主機(jī)之內(nèi)：保存向量的R (d)向量地址的存在情況： (i)服務(wù)程序入口地址 (ii)服務(wù)程序入口地址的地址,（1）中斷現(xiàn)場(chǎng)：中斷現(xiàn)場(chǎng)是指在發(fā)生中斷

27、時(shí)，CPU及其現(xiàn)行程序的當(dāng)前主要狀態(tài)。這其中最為關(guān)鍵的狀態(tài)是程序計(jì)數(shù)器PC的值，也就是CPU現(xiàn)行程序被中斷時(shí)的下條指令的存儲(chǔ)地址，即斷點(diǎn)地址，簡稱斷點(diǎn)。除斷點(diǎn)外，中斷現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)包含CPU程序運(yùn)行情況的狀態(tài)，這些狀態(tài)有程序狀態(tài)字PSW以及程序執(zhí)行的當(dāng)前結(jié)果等。,5、中斷服務(wù),（2）中斷服務(wù)程序：3個(gè)部分 （A）起始部分： 起始部分的主要功能是保護(hù)CPU原來程序的一些現(xiàn)場(chǎng)，另一個(gè)功能是控制系統(tǒng)在執(zhí)行中斷服務(wù)程序過程中是否允許再被中斷。 （B）主體部分： 主體部分的主要功能應(yīng)該是完成中斷源的請(qǐng)求任務(wù)。對(duì)一般輸入輸出外部設(shè)備來說，就是進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入輸出操作，并且修改相應(yīng)的傳送參數(shù)。這部分是中斷服務(wù)程序中核

28、心的，也就是實(shí)質(zhì)性的部分。,（C） 結(jié)尾部分： 結(jié)尾部分的主要功能是恢復(fù)起始部分所保護(hù)的現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)容，然后準(zhǔn)備返回。通常是用一條返回指令作為整個(gè)中斷服務(wù)程序的最后一條指令。,中斷服務(wù)程序的結(jié)束是一條中斷返回指令，由它實(shí)現(xiàn)從中斷處理過程返回被中斷的程序斷點(diǎn)位置處繼續(xù)執(zhí)行，從而完成了一次中斷過程。 以上所述的6個(gè)階段是外部設(shè)備作為中斷源引起中斷的全過程。顯然， 整個(gè)過程只有中斷服務(wù)這個(gè)階段才是實(shí)際有效的部分，其中的關(guān)鍵是執(zhí)行I/O指令實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。其余幾個(gè)階段可認(rèn)為是中斷服務(wù)的前后處理，是一種輔助性的但不可缺少的操作。當(dāng)中斷頻繁發(fā)生時(shí)，這個(gè)輔助性操作是降低CPU利用率和限制外設(shè)速度的原因所在。,6、中

29、斷返回,1、概念：是指當(dāng)一個(gè)中斷服務(wù)程序執(zhí)行其間，系統(tǒng)出現(xiàn)了更高優(yōu)先級(jí)的中斷請(qǐng)求，CPU暫?，F(xiàn)行的中斷服務(wù)程序的執(zhí)行而轉(zhuǎn)去執(zhí)行優(yōu)先級(jí)更高的中斷源服務(wù)程序的過程。 2、實(shí)現(xiàn)多重中斷的基本保證： （1）系統(tǒng)要具備對(duì)多個(gè)中斷現(xiàn)場(chǎng)的保護(hù)能力：堆棧 （2）保證中斷優(yōu)先級(jí)高的中斷源首先得到CPU的服務(wù)； （3）在CPU進(jìn)入中斷服務(wù)程序后，系統(tǒng)必須處于開中斷狀態(tài)。,多重中斷,具體作法是，進(jìn)入中斷服務(wù)程序后，在關(guān)中斷的情況下進(jìn)行一些必要的現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)，然后采用軟件手段，如8088/8086中的STI來達(dá)到開中斷的目的，使CPU在執(zhí)行中斷服務(wù)程序期間是允許中斷的。,一、中斷判優(yōu)的目的 1、為了解決多個(gè)中斷源同時(shí)發(fā)出

30、中斷請(qǐng)求的問題。 2、為了解決當(dāng)系統(tǒng)正在為某個(gè)中斷源服務(wù)時(shí)，又產(chǎn)生新的中斷請(qǐng)求，CPU是否轉(zhuǎn)入新的中斷服務(wù)程序中，從而形成中斷嵌套（或稱多重中斷）的問題。,中斷優(yōu)先級(jí)判定,二、中斷判優(yōu)方法： 1、軟件查詢判優(yōu)法 （1）實(shí)現(xiàn)： （2）優(yōu)點(diǎn)： （A）優(yōu)先權(quán)的排隊(duì)順序可以由程序很方便地改變，因此很靈活。 （B）硬件成本較小，只要在每個(gè)中斷源電路中設(shè)立供CPU查詢的中斷請(qǐng)求標(biāo)志（狀態(tài)位）即可。 （C）能與軟件識(shí)別中斷源方法結(jié)合在一起使用。 （3）缺點(diǎn)： （A） 占用CPU的時(shí)間；（B） 速度慢效率低。,2、鏈?zhǔn)诫娐放袃?yōu)法 （1）實(shí)現(xiàn)：鏈?zhǔn)脚袃?yōu)電路如圖5-15、5-16。 （A） INTR線共用 （B）

31、 INTA以串行方式依此連接所有外設(shè) （C） 處于前面的設(shè)備若接收INTA信號(hào)便阻塞后面的設(shè)備。 （2）優(yōu)點(diǎn)：電路較簡單 缺點(diǎn)：是優(yōu)先權(quán)不靈活，一旦線路連接好之后，想要改變或調(diào)整優(yōu)先權(quán)就困難。此時(shí)，只有使用程序?qū)δ承?中斷源的請(qǐng)求進(jìn)行屏蔽的辦法來改變先后次序。,3、多組結(jié)構(gòu)判優(yōu)法 （1）實(shí)現(xiàn)：多組結(jié)構(gòu)判優(yōu)如圖5-17， 這是一種兩維的優(yōu)先權(quán)結(jié)構(gòu)。中斷請(qǐng)求以組的形式發(fā)向CPU，每組有一條中斷請(qǐng)求線，各組的中斷請(qǐng)求都通過自己的請(qǐng)求線到達(dá)CPU。CPU對(duì)各組的優(yōu)先權(quán)進(jìn)行判定，然后對(duì)最高優(yōu)先權(quán)組發(fā)出相應(yīng)的響應(yīng)信號(hào)。每組都有自己的中斷響應(yīng)線，接收到CPU發(fā)來的響應(yīng)信號(hào)的組再進(jìn)行組內(nèi)設(shè)備的優(yōu)先權(quán)判定。組內(nèi)

32、設(shè)備優(yōu)先權(quán)判定采用了串行鏈?zhǔn)诫娐罚ó?dāng)然也可以采用編碼比較電路），處在前面的中斷源設(shè)備，其優(yōu)先權(quán)高。,（2）兩級(jí)判優(yōu)：當(dāng)有一個(gè)或多個(gè)中斷請(qǐng)求發(fā)生時(shí)，CPU先進(jìn)行組間優(yōu)先權(quán)的判定，確定其中最高優(yōu)先權(quán)組，再對(duì)這個(gè)組發(fā)出中斷響應(yīng)信號(hào)，進(jìn)行組內(nèi)的優(yōu)先權(quán)判定，經(jīng)過兩次選優(yōu)后，就可得到同時(shí)請(qǐng)求設(shè)備中最高優(yōu)先權(quán)組的最高優(yōu)先權(quán)設(shè)備。,中斷屏蔽技術(shù)的應(yīng)用,禁止同一級(jí)或級(jí)別更低優(yōu)先級(jí)的其它請(qǐng)求 利用屏蔽技術(shù)動(dòng)態(tài)的修改優(yōu)先級(jí),向量中斷方式：,響應(yīng)過程,發(fā)響應(yīng)信號(hào)INTA，進(jìn)入中斷周期,關(guān)中斷，保存斷點(diǎn),獲得中斷號(hào)，轉(zhuǎn)換為向量地址，查向量表,取中斷向量，轉(zhuǎn)中斷服務(wù)程序,CPU執(zhí)行中斷隱指令,（硬件完成）,中斷處理,CP

33、U執(zhí)行中斷服務(wù)程序。,（1）單級(jí)中斷：,CPU響應(yīng)后只處理一個(gè)中斷源的請(qǐng)求，處理完畢后才能響應(yīng)新的請(qǐng)求。,（2）多重中斷：,在某次中斷服務(wù)過程中，允許響應(yīng)處理更高級(jí)別的中斷請(qǐng)求。,單級(jí)中斷流程：,保護(hù)現(xiàn)場(chǎng),具體服務(wù)處理,恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng),開中斷、返回,外中斷： 數(shù)據(jù)傳送,禁止同級(jí)或更低級(jí)別的請(qǐng)求，開放更高級(jí)別的請(qǐng)求,多重中斷流程：,開中斷、返回,保護(hù)現(xiàn)場(chǎng),送新屏蔽字、開中斷,具體服務(wù)處理,關(guān)中斷,恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)及原屏蔽字,直接存儲(chǔ)器存取(DMA)方式,（1）定義,DMA控制器接,直接依靠硬件實(shí)現(xiàn)主存與I/O間的數(shù)據(jù)傳送， 傳送期間不需CPU程序干預(yù)。,1)I/O與主存，而不是I/O與CPU。,2)早期由CPU控制傳送； 現(xiàn)在由DMA控制器控制傳送，,管總線權(quán)，,傳送完畢再交還總線權(quán)。,3)傳送期間只要CPU不訪存，可并行操作。,4)傳送前和傳送后需要程序干預(yù)。,1、DMA獨(dú)占系統(tǒng)總線（成組連續(xù)傳送）方式