1、目錄第五章總線與輸入輸出系統(tǒng)5.1總線的分類5.2 總線管理和控制5.65.7總線結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出系統(tǒng)I/O設(shè)備I/O接口I/O數(shù)據(jù)傳送控制方式Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.I/O接口I/O 接口是指 CPU 和 I/O 設(shè)備間的連接部件 。r 接口的作用 通過設(shè)置數(shù)據(jù)緩沖實(shí)現(xiàn) CPU 與 I/O間的速度匹配 通過串并（或并串）轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn) CPU與 I/O之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換 通過電平匹配實(shí)現(xiàn) CPU與 I/O之間的電氣轉(zhuǎn)換 通過接收

2、與傳達(dá)控制命令實(shí)現(xiàn) CPU對(duì) I/O的控制 通過保存與傳送 I/O狀態(tài)實(shí)現(xiàn) CPU對(duì) I/O的查詢 通過設(shè)備選擇電路向 CPU提供 I/O尋址功能Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.I/O接口（續(xù)）r 接口的組成數(shù)據(jù)線地址線命令線狀態(tài)線系統(tǒng)級(jí)接口設(shè)備級(jí)接口Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.狀態(tài)線外部設(shè)備I/O接口數(shù)據(jù)線命令線

3、設(shè)備選擇電路命 令寄存器和命 令譯碼器控制邏輯電路數(shù) 據(jù)緩 沖寄存器DBR設(shè)備狀態(tài)標(biāo)記CPUI/O接口舉例Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.ARM處理器UART接口Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.I/O接口（續(xù)）r 接口的通信方式 I/O 接口與主機(jī)的連接一般通過總線連接。 I/O 接口與 I/O 設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送方式并行

4、傳送串行傳送 I/O 接口與 I/O 設(shè)備的通信方式同步通信異步通信Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.I/O接口（續(xù)）同步并行接口同步串行接口同步串行數(shù)據(jù)格式Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.I/O接口（續(xù)）異步串行接口異步串行數(shù)據(jù)格式Copyright 2012 Compute

5、r Organization Group. All rights reserved.目錄第五章總線與輸入輸出系統(tǒng)5.1總線的分類5.2 總線管理和控制5.65.7總線結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出系統(tǒng)I/O設(shè)備I/O接口I/O數(shù)據(jù)傳送控制方式Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.I/O數(shù)據(jù)傳送控制方式在 I/O 設(shè)備與主機(jī)交換信息過程中，根據(jù)的不同角色形成了5 種控制方式：r 程序查詢方式r 程序中斷方式r 直接存儲(chǔ)器存取方式r I/O通道方式r I/O處

6、理機(jī)方式CPU 所承擔(dān)Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.前3 種屬于基本的輸入輸出方式，作為講解的重點(diǎn)。程序查詢方式r 基本思想在CPU序過程中，現(xiàn)行程序運(yùn)行現(xiàn)行程若需要訪問CPU踏步等待I/O設(shè)備，就直接在現(xiàn)行程序中加入一段由 I/O 指I/O又令編制的程序來完成交換， 交換結(jié)束后， 繼續(xù)執(zhí)行現(xiàn)行程序。就緒?NYr 處理流程現(xiàn)行程序Copyright 2012 Computer Organization Grou

7、p. All rights reserved.交換數(shù)據(jù)啟動(dòng)I/O程序查詢方式（續(xù)）r 程序查詢接口輸入數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)啟動(dòng)設(shè)備準(zhǔn)備就緒QRQRSCSS啟動(dòng)命令工作結(jié)束地址總線Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.&SEL設(shè)備選擇電路DBRDBR01QQQQRRSSSSRRCCSS&設(shè)備選擇電路程序查詢方式（續(xù)）r 程序查詢接口工作過程輸入數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù) 1 0 準(zhǔn)備就緒啟動(dòng) 設(shè)備Q RSS啟動(dòng)命令&工作結(jié)束SEL地址總線設(shè)備選擇電路http:/corg.xjtu.ed

8、Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.QRCSDBR程序查詢方式性能舉例【例5-4】某計(jì)算機(jī)CPU主頻為 50MHz，CPI為 5（即執(zhí)行每條指令平均需 5 個(gè)時(shí)鐘周期）。在采用程序查詢方式的輸入輸出系統(tǒng)中，若有鍵盤和硬盤兩個(gè)設(shè)備。CPU 每秒至少對(duì)鍵盤查詢 5 次，才能滿足用戶輸入速度的要求。硬盤以記錄塊為單位與主存交換數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)傳輸 率為 5MBps，CPU每查詢成功一次交換一個(gè)字節(jié)。問CPU對(duì)這兩個(gè)設(shè)備查詢所花費(fèi)的時(shí)間比率，由此可得出 什么結(jié)論？

9、Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.程序查詢方式性能舉例（續(xù)）解： 由于CPU每次查詢 I/O設(shè)備狀態(tài)一般需要 2 條指令， 即 讀狀態(tài)寄存器指令和測(cè)試判斷指令。所以，r CPU每秒查詢鍵盤所占用的時(shí)間比率= 5次2條指令5個(gè)時(shí)鐘周期1/50MHz100%= 0.0001%r CPU每秒查詢硬盤所占用的時(shí)間比率= 5MBps2條指令5個(gè)時(shí)鐘周期1/50MHz100%= 100%r 由于CPU查詢硬盤的時(shí)間比率為100%，所以，在該機(jī)器中，CPU對(duì)硬盤的控制不適合采用程序查詢方式。http:/corg.x

10、Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.本章第2次作業(yè)（總第7次作業(yè)）95.21Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.程序中斷方式r 中斷的概念所謂中斷（Interrupt），指計(jì)算機(jī)在執(zhí)行程序的過程中，引起CPU暫?，F(xiàn)行程序，處理完后又返回現(xiàn)行程序執(zhí)，出現(xiàn)某種非預(yù)期的緊急的執(zhí)行，轉(zhuǎn)去處理此行的過程，叫中斷，或“程序中斷”。r 中斷技

11、術(shù)中斷是一種軟硬結(jié)合的技術(shù)，即一部分由硬件實(shí)現(xiàn)，一 部分由軟件實(shí)現(xiàn)。r 中斷技術(shù)的應(yīng)用在計(jì)算機(jī)中廣泛采用中斷技術(shù)來解決各類問題。本章僅 討論 I/O 中斷。Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.程序中斷方式（續(xù)）r I/O 處理流程I/O 設(shè)備CPU現(xiàn)行程序交換一個(gè)數(shù)據(jù)現(xiàn)行程序交換一個(gè)數(shù)據(jù)Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.啟動(dòng)

12、命令準(zhǔn)備數(shù)據(jù)現(xiàn)行程序并行工作中斷請(qǐng)求程序中斷方式（續(xù)）r I/O中斷處理過程CPU現(xiàn)行程序I/O 接口交換一個(gè)數(shù)據(jù)現(xiàn)行程序Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.中斷判優(yōu)中斷響應(yīng)中斷服務(wù)中斷返回中斷請(qǐng)求程序中斷方式（續(xù)） 中斷請(qǐng)求 為了向CPU提供持續(xù)穩(wěn)定的中斷請(qǐng)求信號(hào)， I/O接口中設(shè)置一個(gè)中斷請(qǐng)求觸發(fā)器（INTR），表示中斷請(qǐng)求狀態(tài)。 為了使 CPU 可以根據(jù)情況來決定是否理睬某個(gè)中斷請(qǐng)求，I/O接口中設(shè)置一個(gè)中斷屏蔽觸發(fā)器（MASK），表示該中斷是否開放。h

13、ttp:/Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.程序中斷方式（續(xù)） 中斷判優(yōu) 當(dāng)多個(gè)中斷源同時(shí)提出請(qǐng)求時(shí)，需要按照優(yōu)先級(jí)來響應(yīng)； 中斷排隊(duì)既可用硬件實(shí)現(xiàn)，也可用軟件實(shí)現(xiàn)； 硬件排隊(duì)判優(yōu)常用的方法有：串行排隊(duì)、并行排隊(duì)。串行排隊(duì)鏈路Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.程序中斷方式（續(xù)）并行排隊(duì)邏輯C

14、opyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.程序中斷方式（續(xù)） 中斷響應(yīng) 為了使CPU具有響應(yīng)或不響應(yīng)中斷的選擇，CPU中設(shè)置一個(gè)中斷允許觸發(fā)器（EINT）。 CPU響應(yīng)中斷的時(shí)刻一般安排在每條指令的執(zhí)行末。 在中斷響應(yīng)過程中，CPU要自動(dòng)完成三個(gè)操作： 關(guān)中斷 保護(hù)程序斷點(diǎn) 獲得中斷服務(wù)程序入口地址中斷隱指令 獲得中斷服務(wù)程序入口地址的方法有： 軟件查詢法 硬件向量法Copyright 2012 Computer Organization Group. All rig

15、hts reserved.程序中斷方式（續(xù)）中斷向量地址形成框圖中斷服務(wù)程序入口地址獲取方法Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.程序中斷方式（續(xù)） 中斷服務(wù) 中斷服務(wù)通過運(yùn)行中斷服務(wù)程序完成。 中斷服務(wù)程序分為三部分： 保護(hù)現(xiàn)場(chǎng) 中斷處理 恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng) 中斷返回 中斷返回由中斷返回指令完成。 中斷返回操作： 現(xiàn)行程序斷點(diǎn)和PSW出棧 開中斷Copyright 2012 Computer Organization Grou

16、p. All rights reserved.程序中斷方式性能舉例【例5-5】某計(jì)算機(jī) CPU 主頻為 50MHz，CPI 為 5。若有鍵盤和硬盤兩個(gè)設(shè)備，均采用中斷方式與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序包含 9 條指令，中斷服務(wù)的其它開銷相當(dāng)于 1 條指令的執(zhí)行時(shí)間。假設(shè)用戶敲擊鍵盤的速度是 5鍵/秒。硬盤以記錄塊為單位與主存交換數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)傳輸率為 5MBps，中斷 CPU一次交換一個(gè)字節(jié)。CPU分別用于這兩個(gè)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的時(shí)間與設(shè)備準(zhǔn)備數(shù)據(jù) 的時(shí)間比率是多少？由此可得出什么結(jié)論？Copyright 2012 Computer Organ

17、ization Group. All rights reserved.程序中斷方式性能舉例（續(xù)）r解一次中斷處理占CPU的時(shí)間=(9+1)條5時(shí)鐘周期/條 1/50MHz =1s CPU用于鍵盤I/O的時(shí)間與鍵盤準(zhǔn)備數(shù)據(jù)的時(shí)間比率= 1s/（1/5106）s = 0.0005% CPU用于硬盤I/O的時(shí)間與硬盤準(zhǔn)備數(shù)據(jù)的時(shí)間比率= 1s/（1/5）s = 500% 由于采用中斷方式實(shí)現(xiàn)硬盤數(shù)據(jù)傳送時(shí)，中斷處理時(shí)間遠(yuǎn)大于硬盤準(zhǔn)備數(shù)據(jù)的時(shí)間，會(huì)造成硬盤數(shù)據(jù)的丟失，所以，該機(jī)器不能采用中斷方式控制硬盤數(shù)據(jù)傳送。Copyright 2012 Computer

18、 Organization Group. All rights reserved.程序中斷方式（續(xù)）r 程序中斷接口Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.程序中斷方式（續(xù)）舉例：現(xiàn)有3個(gè)設(shè)備A、B、C，它們的優(yōu)先級(jí)按降序排列。此 3個(gè)設(shè)備的向量地址分別是：001010、001011、001100。請(qǐng) 設(shè)計(jì)一個(gè)鏈?zhǔn)脚抨?duì)線路和產(chǎn)生個(gè)向量地址的設(shè)備編碼器。INTACopyright 2012 Computer Organiz

19、ation Group. All rights reserved.程序中斷方式（續(xù)）r 單重中斷和多重中斷現(xiàn)行程序A服務(wù)程序A中斷源請(qǐng)求B中斷源請(qǐng)求B服務(wù)程序單重中斷處理流程Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.程序中斷方式（續(xù)）現(xiàn)行程序A服務(wù)程序B服務(wù)程序C服務(wù)程序A中斷源請(qǐng)求C中斷源請(qǐng)求B中斷源請(qǐng)求多重中斷處理流程Copyright 2012 Computer Organization Group. All rig

20、hts reserved.程序中斷方式（續(xù)）r 實(shí)現(xiàn)多重中斷的必要條件 在保存完現(xiàn)場(chǎng)后，應(yīng)設(shè)置一條開中斷指令； 在恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)之前，應(yīng)設(shè)置一條關(guān)中斷指令，CPU處理流程： 中斷服務(wù)現(xiàn)行程序保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)取指令開中斷中斷響應(yīng): 關(guān)中斷;斷點(diǎn)及PSW進(jìn)棧; 向量地址 PC中斷返回: 斷點(diǎn)出棧 PC;PSW出棧 PS;開中斷執(zhí)行指令中斷處理N關(guān)中斷有中斷？Y恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.程序中斷方式（續(xù)）r 中斷嵌套 嵌套規(guī)則（優(yōu)先級(jí)嵌套規(guī)則） 允許優(yōu)先級(jí)別低的

21、中斷能嵌套優(yōu)先級(jí)別高的中斷； 不允許相同優(yōu)先級(jí)的中斷相互嵌套； 不允許優(yōu)先級(jí)別高的中斷嵌套優(yōu)先級(jí)別低的中斷。 實(shí)現(xiàn)技術(shù)優(yōu)先級(jí)屏蔽字處理次序響應(yīng)次序Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.程序中斷方式（續(xù)）例5-6：某機(jī)有五個(gè)中斷源A、B、C、D、E，中斷優(yōu)先級(jí)由高到低的次序?yàn)锳BCDE。若某個(gè)時(shí)刻這5個(gè)中斷源的中斷請(qǐng)求信號(hào)同時(shí)到來。1）按照優(yōu)先級(jí)嵌套規(guī)則，各中斷服務(wù)程該如何設(shè)置屏蔽字？畫出CPU中斷響應(yīng)和處理過程。Cop

22、yright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.程序中斷方式（續(xù)）2）若想將中斷處理次序改為BECAD，各中斷服務(wù)程序又該如何設(shè)置屏蔽字？畫出CPU中斷響應(yīng)和處理過程。Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.DMA方式r DMA的概念所謂DMA（Direct Memory Access），即直接存儲(chǔ)器訪問。在高速I/O設(shè)備和主存儲(chǔ)器間進(jìn)行直接、自動(dòng)、成批數(shù)據(jù)傳送，從而減少CPU干預(yù)的I/O控

23、制方式r DMA技術(shù)主要由硬件實(shí)現(xiàn)。DMA控制器完成I/O控制和管理。Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.DMA方式（續(xù)）r I/O 處理流程CPUI/O 設(shè)備存儲(chǔ)器結(jié)束處理現(xiàn)行程序Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.現(xiàn)行程序啟動(dòng)I/O啟動(dòng)命令并行工作現(xiàn)行程序交換一組數(shù)據(jù)交換一組數(shù)據(jù)中斷請(qǐng)求ACCACC中中斷接口斷接口中低中低

24、速速I/OI/O設(shè)備設(shè)備主主主主存存存存DMADMA接口接口DMA方式（續(xù)）r DMA和程序中斷方式比較輸入/輸出指令CPUACCCopyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.DMA接口高速I/O 設(shè)備中斷接口中低速I/O 設(shè)備主存DMA方式（續(xù)）r DMA交換方式有三種常見的實(shí)現(xiàn)方法t主存工作周期CPU使用主存DMA使用主存（a）停止CPU訪問主存CPU使用主存DMA使用主存（b）周期挪用CPU使用主存DMA使用主存CPU工作周期C1C2t（c）CPU與DMA交替訪存

25、Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.DMA方式（續(xù)）r DMA接口Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.DMA方式（續(xù)）r DMA工作過程一次完整的DMA 傳送過程分為預(yù)處理、傳送、后處理三個(gè)階段，分別由程序控制、周期竊取、程序中斷三 種技術(shù)完成。預(yù)處理CPU運(yùn)行一段程序向DMA 控制器送命令和傳送的初始參數(shù)。數(shù)據(jù)傳送在DMA控

26、制器控制下，通過周期竊取方式與主存間交換數(shù)據(jù)。后處理CPU 響應(yīng) DMA中斷后，通過中斷服務(wù)程序進(jìn)行DMA的結(jié)束工作。Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.DMA方式（續(xù)）r DMA接口類型 選擇型 多路型Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.DMA方式性能舉例【例5-7】有關(guān)CPU和硬盤的假設(shè)同 例5-5，若改用DMA方式，假設(shè)

27、每次DMA傳送大小為5000B，且DMA預(yù)處理和后處 理的總開銷為500個(gè)時(shí)鐘周期，則CPU用于該外設(shè)I/O的時(shí)間占整個(gè)CPU時(shí)間的百分比是多少？（假設(shè)DMA與CPU之 間沒有訪存沖突）解: 由于硬盤數(shù)據(jù)傳輸率為5MB/s，傳輸5000B的數(shù)據(jù)塊所占時(shí)間是：5000B/5MB/s=1000s預(yù)處理和后處理占時(shí)間為：500時(shí)鐘周期1/50MHz =10sCPU用于該硬盤 I/O 的時(shí)間占整個(gè) CPU時(shí)間的百分比是：10s / (1000+10) s 100% 1%Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved.DMA方式性能舉例（續(xù)）（8/150分）某計(jì)算機(jī)的CPU主頻為500MHz，CPI為5（