程序查询方式课件

1多种多样的外设多种多样的外设工作原理不同工作原理不同机械、电子、机电、电磁机械、电子、机电、电磁传送信息类型多样传送信息类型多样数字量、模拟量、开关量数字量、模拟量、开关量传送速度差别极大传送速度差别极大传送方式不尽相同传送方式不尽相同串行、并行串行、并行编码方式不同编码方式不同二进制、二进制、BCD码、码、ASCII码码外设的信息交换方式外设的信息交换方式1多种多样的外设工作原理不同外设的信息交换方式多种多样的外设工作原理不同外设的信息交换方式2*输入输出设备和输入输出设备和CPUCPU交换数据的过程：交换数据的过程：输入过程：输入过程：CPUCPU把一个设备地址值放在地址总线上，这一步把一个设备地址值放在地址总线上，这一步将选择一个输入设备将选择一个输入设备CPUCPU等候输入设备的数据成为有效等候输入设备的数据成为有效CPUCPU从数据总线上读入数据，并放在一个相应的从数据总线上读入数据，并放在一个相应的寄存器中寄存器中输出过程：输出过程：CPUCPU把一个设备地址值放在地址总线上，这一步把一个设备地址值放在地址总线上，这一步将选择一个输出设备将选择一个输出设备CPUCPU把数据放在数据总线上把数据放在数据总线上输出设备认为数据有效，从而把数据取走。输出设备认为数据有效，从而把数据取走。2*输入输出设备和输入输出设备和CPU交换数据的过程：交换数据的过程：3如果把高速工作的主机同不同速度工作的外围设备相连接，如果把高速工作的主机同不同速度工作的外围设备相连接，如何保证主机与外围设备在时间上同步如何保证主机与外围设备在时间上同步?1.1.速度极慢或简单的外围设备速度极慢或简单的外围设备不需要不需要CPU和外设之间的时间同步！和外设之间的时间同步！2.2.慢速或中速的外围设备慢速或中速的外围设备采用采用异步定时方式异步定时方式外设有外设有“准备就绪准备就绪”状态位；状态位；CPU查询状态位，就绪查询状态位，就绪时时就读走；就读走；应答式数据交换。应答式数据交换。3.3.高速的外围设备高速的外围设备采用采用同步定时方式同步定时方式 CPU和外设之间的数据交换由时钟脉冲控制。和外设之间的数据交换由时钟脉冲控制。3如果把高速工作的主机同不同速度工作的外围设备相连接，如何保如果把高速工作的主机同不同速度工作的外围设备相连接，如何保4例子假设幼儿园一个阿姨带假设幼儿园一个阿姨带10个孩子，要给每个孩子分个孩子，要给每个孩子分4块水果糖。假设孩子们都应把块水果糖。假设孩子们都应把4块糖都吃完，那么她采用什块糖都吃完，那么她采用什么方法呢么方法呢?方法1：她先给孩子甲一块糖，盯着甲吃完，然后再给第二块，等吃完第二块又给她先给孩子甲一块糖，盯着甲吃完，然后再给第二块，等吃完第二块又给第三第三 块，吃完第三块又给第四块。接着给孩子乙，其过程与孩子甲完全一样。依块，吃完第三块又给第四块。接着给孩子乙，其过程与孩子甲完全一样。依次类推，直至到次类推，直至到 第第10个孩子发完四块糖。看来这种方法效率太低，重要之点还在个孩子发完四块糖。看来这种方法效率太低，重要之点还在于孩子们吃糖时她一直在守于孩子们吃糖时她一直在守 候，什么事也不能干。候，什么事也不能干。(程序查询方式)方法2：每人发一块糖各自去吃，并约定谁吃完后就每人发一块糖各自去吃，并约定谁吃完后就 向她举手报告，再发第二块。向她举手报告，再发第二块。看来这种新方法提高了工作效率，而且在未接到孩子们吃完糖看来这种新方法提高了工作效率，而且在未接到孩子们吃完糖 的的 报告以前，她还报告以前，她还可以腾出时间给孩子们改作业。但是这种方法还可以改进。可以腾出时间给孩子们改作业。但是这种方法还可以改进。(程序中断方式)方法3：进行批处理：每人拿进行批处理：每人拿4块糖各自去吃，吃完块糖各自去吃，吃完4块糖后再向她报告。显然这种块糖后再向她报告。显然这种方法工作方法工作 效率大大提高，她可以腾出更多的时间改作业。效率大大提高，她可以腾出更多的时间改作业。(直接内存访问(DMA)方式)方法4：权力下放，把发糖的事交给另一个人分管，只是必要时她才过问一下。权力下放，把发糖的事交给另一个人分管，只是必要时她才过问一下。(通道方式)4例子例子假设幼儿园一个阿姨带假设幼儿园一个阿姨带10个孩子，要给每个孩子分个孩子，要给每个孩子分4块块5第八章 输入输出系统u 8.1 外设的信息交换外设的信息交换u 8.2 程序查询方式程序查询方式u 8.3 程序中断方式程序中断方式u 8.4 DMA方式方式u 8.5 通道方式通道方式5第八章第八章 输入输出系统输入输出系统 8.1 外设的信息交换外设的信息交换68.1信息交换方式 在计算机系统中，CPU管理外围设备有以下几种方式：1.程序查询方式程序查询方式 2.程序中断方式程序中断方式 3.直接内存访问直接内存访问(DMA)方式方式 4.通道方式通道方式 68.1信息交换方式信息交换方式 在计算机系统中，在计算机系统中，CPU71.1.程序查询方式程序查询方式适用许多单片机系统适用许多单片机系统这种方式又称这种方式又称程序控制方式程序控制方式数据在数据在CPU和和外围外围设备设备之间的传送完全靠计算机之间的传送完全靠计算机程序控制。程序控制。查询方式的查询方式的优点优点：是：是CPU的操作和外围设备的操的操作和外围设备的操作能够同步，而且硬件结构比较简单。作能够同步，而且硬件结构比较简单。缺点缺点：外围设备动作很慢，程序进入查询循环时：外围设备动作很慢，程序进入查询循环时将白白浪费掉将白白浪费掉CPU很多时间。很多时间。CPU此时只能等待，不能处理其他业务不过在此时只能等待，不能处理其他业务不过在实际应用中并不这样使用，而是实际应用中并不这样使用，而是CPU定期地由主程序定期地由主程序转向查询设备状态的子程序进行扫描轮询。转向查询设备状态的子程序进行扫描轮询。程序查询方式按照程序查询方式按照启动、查询、等待、交换启动、查询、等待、交换的步的步骤进行。骤进行。71.程序查询方式适用许多单片机系统这种方式又称程序控程序查询方式适用许多单片机系统这种方式又称程序控2.2.程序中断方式程序中断方式中中断断是是外外围围设设备备用用来来“主主动动”通通知知CPU，准准备备送送出出输输入入数数据据或或接接收收输输出出数数据据的的一一种种方方法法通通常常，当当一一个个中中断断发发生生时时，CPU暂暂停停它它的的现现行行程程序序，而而转转向向中中断断处处理理程程序序，从从而而可可以以输输入入或或输输出出一一个个数数据据当当中中断断处处理理完完毕毕后后，CPU又又返返回回到到它它原原来来的的任任务务，并从它停止的地方开始执行程序并从它停止的地方开始执行程序它它节节省省了了CPU宝宝贵贵的的时时间间，是是管管理理IO操操作作的的一个比较有效的方法。一个比较有效的方法。中中断断方方式式一一般般适适用用于于随随机机出出现现的的服服务务，并并且且一一旦提出要求，应旦提出要求，应立即进行立即进行同同程程序序查查询询方方式式相相比比，硬硬件件结结构构相相对对复复杂杂一一些些，服务开销时间较大服务开销时间较大 82.程序中断方式中断是外围设备用来程序中断方式中断是外围设备用来“主动主动”通知通知CPU92.2.程序中断方式程序中断方式外设输入或输出数据就绪时，外设输入或输出数据就绪时，主动主动通知通知CPU。CPU如何如何响应响应中断请求，中断请求，暂停现行程序，保护好暂停现行程序，保护好“断点断点”；转转“中断服务程序中断服务程序”，完成对外设的读或写；，完成对外设的读或写；再回到原程序，继续执行。再回到原程序，继续执行。A中断服务程序B中服C中服主程序A请求中断B请求C请求92.程序中断方式外设输入或输出数据就绪时，主动通知程序中断方式外设输入或输出数据就绪时，主动通知CPU3.3.直接存储器存取直接存储器存取(DMA)(DMA)方式方式 DMA的引入：的引入：用中断方式交换数据时，每处理一次用中断方式交换数据时，每处理一次IO交交换，约需几十微秒到几百微秒对于一些高速的外围设备，以及成组换，约需几十微秒到几百微秒对于一些高速的外围设备，以及成组交换数据的情况，仍然显得速度太慢交换数据的情况，仍然显得速度太慢 直接内存访问直接内存访问(DMA)方式：方式：是一种完全由是一种完全由硬件执行硬件执行IO交换交换的工作方式。的工作方式。这种方式既考虑到中断响应，同时又要节约中断开销此时，这种方式既考虑到中断响应，同时又要节约中断开销此时，DMA控制器控制器从从CPU完全接管对总线的控制，完全接管对总线的控制，数据交换不经过数据交换不经过CPU，而，而直接在直接在内存内存和和外围设备外围设备之间进行，以之间进行，以高速高速传送数据传送数据优点：优点：是数据传送速度很是数据传送速度很高高，传送速率仅受到内存访问时间的限，传送速率仅受到内存访问时间的限制。制。缺点：缺点：与中断方式相比，需要更多的硬件。与中断方式相比，需要更多的硬件。DMA方式适用于方式适用于内存内存和和高速外围设备高速外围设备之间之间大批数据交换大批数据交换的场合的场合 103.直接存储器存取直接存储器存取(DMA)方式方式 DMA的引入：用中断方的引入：用中断方114.4.通道方式通道方式通道方式的引入通道方式的引入：DMA方式的出现已经减轻了方式的出现已经减轻了CPU对对I/O操作操作的控制的控制，使得，使得CPU的效率有显著的提高，而通道的出现则进一步的效率有显著的提高，而通道的出现则进一步提高提高了了CPU的效率的效率。这是因为这是因为CPU将部分将部分权力下放权力下放给通道。通道是给通道。通道是一个具有特殊功能一个具有特殊功能的处理器的处理器，在某些应用中称为，在某些应用中称为输入输出处理器（输入输出处理器（IOP）,它可以实现对它可以实现对外设的统一管理和外设与内存之间的数据传送。外设的统一管理和外设与内存之间的数据传送。这种方法大大提高了这种方法大大提高了CPU的工作效率。然而这种提高的工作效率。然而这种提高CPU效率的效率的方法是以花费更多硬件为代价的。方法是以花费更多硬件为代价的。114.通道方式通道方式的引入：通道方式通道方式的引入：DMA方式的出现已经减方式的出现已经减.外围处理机（外围处理机（PPUPPU）方式）方式 外围处理机外围处理机(PPU)方式方式是通道方式的进一步是通道方式的进一步发展。由于发展。由于PPU基本上基本上独立于主机工作独立于主机工作，它的结，它的结构更接近一般处理机，甚至就是一般的微小型计构更接近一般处理机，甚至就是一般的微小型计算机在一些系统中，设置了多台算机在一些系统中，设置了多台PPU，分别承，分别承担担IO控制、通信、维护诊断等任务从某种意控制、通信、维护诊断等任务从某种意义上说，这种系统已变成分布式的多机系统义上说，这种系统已变成分布式的多机系统。12.外围处理机（外围处理机（PPU）方式）方式 外围处理机外围处理机(PPU)方式方式13I/O控制方式控制方式主要由程序实现主要由程序实现主要由附加硬件实现主要由附加硬件实现程序程序查询方式查询方式程序程序中断方式中断方式DMA方式方式通道方式通道方式13I/O控制方式主要由程序实现主要由附加硬件实现程序程序控制方式主要由程序实现主要由附加硬件实现程序程序D14、定义、定义CPU需要先了解（需要先了解（查询查询）外设的工作状态，）外设的工作状态，然后在外设可以交换信息的情况下（然后在外设可以交换信息的情况下（就绪就绪）实现）实现数据输入或输出数据输入或输出对多个外设的情况，按顺序依次查询（轮询）对多个外设的情况，按顺序依次查询（轮询）8.2 程序查询方式程序查询方式8.2.1程序查询方式的基本概念程序查询方式的基本概念 14、定义、定义8.2 程序查询方式程序查询方式8.2.1程序查询方式的基程序查询方式的基2.程序查询方式的数据传送过程程序查询方式的数据传送过程程序执行的动作如下：程序执行的动作如下：、向向I/OI/O设设备备发发出出命命令令字字，请请求求进行数据传送；进行数据传送；、从、从I/OI/O接口接口读入读入状态字；状态字；、检检查查状状态态字字中中的的标标志志，看看数数据交换是否可以进行。据交换是否可以进行。、若若外外设设就就绪绪，则则进进行行数数据据传传送送，否否则则，重重复复、两两步步，一一直直到到该该设设备备准准备备好好交交换换数数据据，发发出出就就绪绪信信号号“READYREADY”为止。为止。、CPUCPU从从I/OI/O接接口口的的数数据据缓缓冲冲寄寄存存器器输输入入数数据据，或或将将数数据据从从CPUCPU输输出出至至接接口口的的数数据据缓缓冲冲寄寄存存器器。与与些些同同时时，CPUCPU将将I/OI/O接口中的接口中的状态标志复位状态标志复位 。15 启动外设启动外设外设工作完成？外设工作完成？N NY Y 入入/出操作出操作2.程序查询方式的数据传送过程程序执行的动作如下：程序查询方式的数据传送过程程序执行的动作如下：15 3、程序查询方式的优缺点程序查询方式的优缺点 (1(1）优优点点：简简单单、经经济济、只只需需少少量量的的硬硬件件，主主要要以编制程序为主，较容易实现。以编制程序为主，较容易实现。（2 2）缺缺点点：效效率率低低、速速度度慢慢、不不管管是是执执行行子子程程序序，还是查询外设是否准备好，都得占用还是查询外设是否准备好，都得占用CPUCPU时间。时间。因因此此，程程序序查查询询方方式式主主要要适适用用于于I/OI/O设设备备少少，数据传送率低的系统数据传送率低的系统。163、程序查询方式的优缺点、程序查询方式的优缺点 (1）优点：简单、经济、只需少量）优点：简单、经济、只需少量17程序查询接口包括：程序查询接口包括：1.设备选择电路设备选择电路2.数据缓冲寄存数据缓冲寄存3.设备状态位（标志）设备状态位（标志）8.2.2程序查询方式的接口程序查询方式的接口17 (1)向向I/O设备发出命令字请求设备发出命令字请求进行数据传送，从进行数据传送，从I/O接口读入状接口读入状态字，标志寄存器为（忙状态）态字，标志寄存器为（忙状态）。(2)数据交换开始。数据交换开始。(3)外设输入数据。外设输入数据。(4)就绪标志寄存器置为就绪标志寄存器置为1。(5)数据进入数据缓冲器数据进入数据缓冲器,发出发出准备信号准备信号“Ready”。(6)CPU从从I/O接口的数据缓冲接口的数据缓冲寄存器取走数据寄存器取走数据CPU从外设输入一个字的过程从外设输入一个字的过程：17程序查询接口包括：程序查询接口包括：8.2.2程序查询方式的接口程序查询方式的接口17 188.2.3多台外设的程序查询过程多台外设的程序查询过程3个外设的查询过程：个外设的查询过程：1.cpu在执行主程序的过程中可周期性的调用各外部设备在执行主程序的过程中可周期性的调用各外部设备询问询问子程序。子程序。2.该程序依次测试各该程序依次测试各I/O设备的状态是否就绪，设备的状态是否就绪，3.如果如果ready为为1则转去执行该设备的任务，如果为则转去执行该设备的任务，如果为0则测试下一个设备。则测试下一个设备。4.CPU主动询问主动询问。设备服务子程序的主设备服务子程序的主要功能：要功能：、实现数据传送。、实现数据传送。、修改内存地址，、修改内存地址，为下一次数据传送做为下一次数据传送做准备。准备。、修改传送字节、修改传送字节数，以便修改传送长数，以便修改传送长度。度。、进行状态分析、进行状态分析或其他控制功能。或其他控制功能。188.2.3多台外设的程序查询过程多台外设的程序查询过程设备服务子程序的主要功设备服务子程序的主要功查询：查询：中断的引入中断的引入程序程序并行操作并行操作主机主机外设外设空闲空闲启动启动等待等待（不断（不断的查询等待）的查询等待）工作工作（将数据输将数据输入到接口中）入到接口中）程序程序从数据缓冲寄存器从数据缓冲寄存器中取走数据。中取走数据。交换数据交换数据中断：中断：主机主机程序程序外设外设空闲空闲启动启动 工作工作设备控制器控制工作设备控制器控制工作程序程序请求请求中断程序中断程序交换数据交换数据程序程序19查询：中断的引入程序并行操作主机外设空闲启动等待（不断的查询查询：中断的引入程序并行操作主机外设空闲启动等待（不断的查询208.3 8.3 程序中断方式程序中断方式8.3.1 中断的基本概念1、定义定义 所谓所谓中断中断是指是指CPU执行程序的过执行程序的过程中，出现某些程中，出现某些突发事件突发事件亟待处理，亟待处理，CPU必须暂停执行当前的程序，转去必须暂停执行当前的程序，转去处理突发事件处理突发事件，处理完毕后，处理完毕后CPU又又返返回原程序回原程序被中断的位置并继续执行。被中断的位置并继续执行。由于处理突发事件是以由于处理突发事件是以CPU执行执行中断中断处理程序处理程序的方式进行的，因此这种控的方式进行的，因此这种控制方式称为程序中断方式，简称制方式称为程序中断方式，简称“中断中断”。208.3 程序中断方式程序中断方式8.3.1 中断的基本概念中断的基本概念1、定义、定义21程序中断方式程序中断方式A中断服务程序B中服C中服主程序A请求中断B请求C请求中断请求的发出时刻是中断请求的发出时刻是随机随机的，的，CPUCPU何时响应？何时响应？为返回主程序正确位置，必须保护为返回主程序正确位置，必须保护“断点断点”。“断点断点”包含哪些信息？包含哪些信息？当当CPUCPU响应中断后，若有新的中断请求如何处理？响应中断后，若有新的中断请求如何处理？l处处理理器器在在执执行行程程序序过过程程中中，被被内内部部或或外外部部的的事事件件所所打打断断，转转去去执执行行一一段段预预先先安安排排好好的的中中断断服服务务程程序序；服服务务结结束束后后，又返回原来的断点，继续执行原来的程序又返回原来的断点，继续执行原来的程序21程序中断方式程序中断方式A中断服务程序中断服务程序B中服中服C中服主程序中服主程序A请求中断请求中断B22几个概念：几个概念：1、在中断处理的整个过程中，原程序被中断的在中断处理的整个过程中，原程序被中断的位置位置称为称为断点断点。2、用于处理中断事件的程序称为用于处理中断事件的程序称为中断处理（服中断处理（服务）程序务）程序。3、保存被中断的位置称为保存被中断的位置称为断点保护断点保护。4、原程序中各通用寄存器的内容称为原程序中各通用寄存器的内容称为现场现场。5、在中断处理程序开始要保存的寄存器内容称在中断处理程序开始要保存的寄存器内容称为为现场保护现场保护。6、在中断处理程序即将结束要恢复这些寄存器在中断处理程序即将结束要恢复这些寄存器内容，称为内容，称为现场恢复现场恢复。7、返回原来被中断的位置称为返回原来被中断的位置称为中断返回中断返回。8、CPU对中断请求的认可称为对中断请求的认可称为中断响应中断响应。22几个概念：几个概念：1、在中断处理的整个过程中，原程序被中断的位置、在中断处理的整个过程中，原程序被中断的位置23中断的两个重要征：中断的两个重要征：1、程序切换（控制权的转移）、程序切换（控制权的转移）2、随机性、随机性中断过程的程序转移与子程序调用的区别：中断过程的程序转移与子程序调用的区别：子程序调用是由主程序安排在子程序调用是由主程序安排在特定位置特定位置上的，上的，通常是完成主程序要求的通常是完成主程序要求的特定功能特定功能，与主程序，与主程序有有必然必然联系。而中断是联系。而中断是随机发生的，随机发生的，可以在程序的可以在程序的任一位置任一位置进行切换，而且中断处理程序的功能与进行切换，而且中断处理程序的功能与主程序主程序没有任何直接联系没有任何直接联系。23中断的两个重要征：中断过程的程序转移与子程序调用的区别：中断的两个重要征：中断过程的程序转移与子程序调用的区别：2 2、向量中断和非向量中断、向量中断和非向量中断（1）向量中断）向量中断 外设在提出中断请求的同时，通过外设在提出中断请求的同时，通过硬件硬件向主机提供中向主机提供中断服务程序的断服务程序的入口地址入口地址，它称为，它称为向量地址。向量地址。主机响应中断后，就根据主机响应中断后，就根据向量地址向量地址直接转入相应的中直接转入相应的中断程序。这种具有断程序。这种具有产生向量地址产生向量地址的中断功能称为的中断功能称为向量中断向量中断。（2）非向量中断）非向量中断 不能直接提供中断服务程序的入口地址，而要采不能直接提供中断服务程序的入口地址，而要采用软用软件查询件查询措施，最后找到服务程序的入中地址。措施，最后找到服务程序的入中地址。242、向量中断和非向量中断（、向量中断和非向量中断（1）向量中断）向量中断248.3.2程序中断方式的基本接口程序中断方式的基本接口程序中断由外设接口的状态和CPU两方面来控制：在接口方面，有决定是否向，有决定是否向CPU发出中断请求的机构，主要是接口中的发出中断请求的机构，主要是接口中的“准备就绪准备就绪”标志标志(RD)和和“允许中断允许中断”标志标志(EI)两个触发器；两个触发器；在CPU方面，有决定是否受理中断请求的机构，主要是，有决定是否受理中断请求的机构，主要是“中断请求中断请求”标标志志(IR)和和“中断屏蔽中断屏蔽”标志标志(IM)两个触发器。两个触发器。BS外设接口忙（外设接口忙（BuSy）标志标志258.3.2程序中断方式的基本接口程序中断由外设接口的状态和程序中断方式的基本接口程序中断由外设接口的状态和C某一外设输入数据的控制过程：某一外设输入数据的控制过程：26由程序由程序启动外设启动外设，将该外设接口的，将该外设接口的“忙忙”标志标志BS置置“1”，“准备就绪准备就绪”标志标志RD清清“0”；接口向外设发出接口向外设发出启动信号启动信号；数据数据由外设由外设传送传送到接口的到接口的缓冲寄存器缓冲寄存器；当当设备动作结束设备动作结束或或缓冲寄存器数据填满缓冲寄存器数据填满时，时，设备向接口送出一控制信号，将数据设备向接口送出一控制信号，将数据“准备准备就绪就绪”标志标志RD置置“1”；允许中断标志允许中断标志EI为为“1”时，接口向时，接口向CPU发出发出中断请求信号；中断请求信号；在一条在一条指令执行末尾指令执行末尾。CPU检查中断请求检查中断请求线，将中断请求线的线，将中断请求线的请求信号接收请求信号接收到到“中断中断请求请求”标志标志IR；如果如果“中断屏蔽中断屏蔽”标志标志IM为为“0”时，时，CPU在一条在一条指令执行结束指令执行结束后后受理受理外设的外设的中断中断请求请求，向外设发出响应中断信号并，向外设发出响应中断信号并关闭中断关闭中断；转向转向该设备的该设备的中断服务程序入口中断服务程序入口；在中断服务程序通过输入指令把接口中数在中断服务程序通过输入指令把接口中数据缓冲寄存器的数据据缓冲寄存器的数据读读至至CPU中的寄存器；中的寄存器；CPU发出控制信号，将接口中的发出控制信号，将接口中的BS和和RD标志复位。标志复位。26某一外设输入数据的控制过程：某一外设输入数据的控制过程：26由程序启动外设，将该外设由程序启动外设，将该外设8.3.3中断系统的组成中断系统的组成1、中断源及分类、中断源及分类 中断中断是指能够引起中断的事件或能够发生是指能够引起中断的事件或能够发生中断请求的来源中断请求的来源。中断源的中断源的分类分类：输入输入/输出设备中断输出设备中断。例如：键盘、鼠标、打印机等工作过程。例如：键盘、鼠标、打印机等工作过程中向主机发出已做一发送准备的信息。中向主机发出已做一发送准备的信息。数据通道中断数据通道中断。例如：磁盘、磁带等同主机进行数据交换。例如：磁盘、磁带等同主机进行数据交换。实时时钟中断实时时钟中断。故障中断故障中断。例如：电源掉电、设备故障等要求。例如：电源掉电、设备故障等要求CPU进行紧急处进行紧急处理。理。系统中断系统中断。例如：运算过程出现溢出，数据格式非法，数据传。例如：运算过程出现溢出，数据格式非法，数据传送过程出现校验错，控制器遇到非法指令等。送过程出现校验错，控制器遇到非法指令等。278.3.3中断系统的组成中断系统的组成1、中断源及分类、中断源及分类272、中断请求的提出、中断请求的提出中断源的建立中断源的建立中断信号的传送中断信号的传送 按照请求的数目保以有按照请求的数目保以有单线中断、多线中断、单线中断、多线中断、多线多级中断。多线多级中断。282、中断请求的提出、中断请求的提出中断源的建立中断源的建立283、中断排队、中断排队 中断优先权中断优先权的问题。的问题。判别各设备优先权级别的方法有判别各设备优先权级别的方法有硬件判优硬件判优和和软件软件判优判优两种。两种。4、中断的禁止（屏蔽）和开放。、中断的禁止（屏蔽）和开放。中断的开放中断的开放是指中断源有中断请求信号时，就可是指中断源有中断请求信号时，就可使其中对应的中断触发器置使其中对应的中断触发器置1，可以参与排队判优，可以参与排队判优，等待处理机为它服务。等待处理机为它服务。中断的屏蔽中断的屏蔽是指中断源即使有中断请求信号，也是指中断源即使有中断请求信号，也不能使其对应的中断触发器置不能使其对应的中断触发器置1，也不允许参加排队，也不允许参加排队判优。判优。使用使用中断屏蔽中断屏蔽使同一级及低一级中断不能中断同使同一级及低一级中断不能中断同一级及高一级的中断服务子程序。一级及高一级的中断服务子程序。.293、中断排队、中断排队 中断优先权的问题。中断优先权的问题。判别各设备判别各设备308.3.4中断的处理过程中断的处理过程 中断的处理过程可分为中断的处理过程可分为中断请求、中断响应、中断处理、中断返回中断请求、中断响应、中断处理、中断返回四四个阶段。下面将分别个阶段。下面将分别 1中断请求中断请求 由中断源提出中断请求。中断源向中央处理器发出中断请求需要有由中断源提出中断请求。中断源向中央处理器发出中断请求需要有两个条件：两个条件：-外设本身工作完毕外设本身工作完毕 -系统允许外设发中断请求系统允许外设发中断请求。2中断响应中断响应 中断响应中断响应是指处理机从发现中断请求，中止现行程序到引出中断服是指处理机从发现中断请求，中止现行程序到引出中断服务程序这一过程，即完成由现行程序状态切换到中断服务程序状态的转务程序这一过程，即完成由现行程序状态切换到中断服务程序状态的转换过程。换过程。中断响应的条件：中断响应的条件：-中断源有中断请求。中断源有中断请求。-CPU处于开中断状态。而且没有更高优先级的中断请求存在。处于开中断状态。而且没有更高优先级的中断请求存在。-一条指令执行完毕。一条指令执行完毕。中断响应过程的主要内容包括：中断响应过程的主要内容包括：-中断现行程序。中断现行程序。-保护现场。保护现场。-中断服务程序入口地址送入程序计数器中断服务程序入口地址送入程序计数器PC。308.3.4中断的处理过程中断的处理过程 中断的处理过程可分中断的处理过程可分3中断处理中断处理 指中央处理器执行指中央处理器执行中断服务程序中断服务程序。中断服务程序的处理功。中断服务程序的处理功能，由中断处理的任务来决定。能，由中断处理的任务来决定。4中断返回中断返回 由事先放在中断服务程序末尾的一条中断返回指令实现。由事先放在中断服务程序末尾的一条中断返回指令实现。当服务程序完成处理任务即将当服务程序完成处理任务即将返回原程序返回原程序时，应使时，应使CPU的的有关状态有关状态恢复恢复到被中断之前，为此应当恢复现场与到被中断之前，为此应当恢复现场与打开允许中打开允许中断触发器断触发器。在在恢复现场恢复现场时不允许被打扰，时不允许被打扰，CPU应处于应处于关中断关中断的状态。的状态。对于多重中断方式，此时应暂时关中断，再恢复现场。对于单对于多重中断方式，此时应暂时关中断，再恢复现场。对于单级中断方式，处理过程本来就处于关中断状态。级中断方式，处理过程本来就处于关中断状态。当完当完成恢复现场成恢复现场之后，执行之后，执行开中断开中断指令，然后执行指令，然后执行返回主返回主程序程序指令。开中断指令一般在完成开中断指令后，立即指令。开中断指令一般在完成开中断指令后，立即转入下转入下一条一条指令。指令。313中断处理中断处理31 实现一次完整的中断处理过程，一般要经过实现一次完整的中断处理过程，一般要经过以下几个步骤：中断源提出以下几个步骤：中断源提出中断请求中断请求；当现行指；当现行指令执行完毕，处理机令执行完毕，处理机响应中断响应中断，即由硬件直接形，即由硬件直接形成一条隐指令，由隐指令来完成对关键硬件状态成一条隐指令，由隐指令来完成对关键硬件状态的保护，并转入中断服务程序；中断服务程序在的保护，并转入中断服务程序；中断服务程序在完成其他必要的现场保护后，便对中断源进行具完成其他必要的现场保护后，便对中断源进行具体的服务处理体的服务处理；中断处理；中断处理完成后，中断服务程序完成后，中断服务程序把原来保存的现场恢复；最后返回中断点。把原来保存的现场恢复；最后返回中断点。中断中断返回返回可以在中断服务程序的最后安排一条专用的可以在中断服务程序的最后安排一条专用的中断返回指令来实现，该指令的功能就是用来恢中断返回指令来实现，该指令的功能就是用来恢复关键的硬件状态，返回到中断点。复关键的硬件状态，返回到中断点。32 实现一次完整的中断处理过程，一般要经过以下几个步骤：实现一次完整的中断处理过程，一般要经过以下几个步骤：33CPUCPU何时响应中断请求？何时响应中断请求？如何保证返回到主程序的如何保证返回到主程序的正确位置？正确位置？当当CPUCPU响应中断后，若有响应中断后，若有新的中断请求如何处理？新的中断请求如何处理？CPU在当前指令执行完毕转入公在当前指令执行完毕转入公操作时才受理设备的中断请求操作时才受理设备的中断请求 保存现场：保存现场：PC的内容以及当前的内容以及当前指令执行结束后指令执行结束后CPU的状态的状态保保存到堆栈中。保证中断处理后存到堆栈中。保证中断处理后返回到主程序的正确位置。返回到主程序的正确位置。中断处理过程是中断处理过程是由硬件和软件结由硬件和软件结合完成的。合完成的。硬件硬件软件软件中中断屏蔽断屏蔽：CPU中可设置中断中可设置中断屏蔽寄存器，屏蔽寄存器，“挡住挡住”中断请求。中断请求。“关中断关中断”：中断屏蔽标志置：中断屏蔽标志置“1”，屏蔽所有中断请求屏蔽所有中断请求；“开中断开中断”：中断屏蔽标志置：中断屏蔽标志置“0”，允许所有中断请求允许所有中断请求。33CPU何时响应中断请求？何时响应中断请求？CPU在当前指令执行完毕转入公在当前指令执行完毕转入公348.3.5 多重中断多重中断 多重中断多重中断是指在处理某一中断过程中又有比该中断优先级高的中是指在处理某一中断过程中又有比该中断优先级高的中断请求，于是中断原中断服务程序的执行，而去执行新的中断处理程断请求，于是中断原中断服务程序的执行，而去执行新的中断处理程序，这种序，这种多重点中断多重点中断又称为又称为中断嵌套中断嵌套。主程序中服1中服2中服3特点：有相当数量的中断源。每个中断被分配给一个优先级。优先级高者可打断优先级低的中断服务程序。348.3.5 多重中断多重中断 多重中断是指在处理某一中断多重中断是指在处理某一中断35信息交换方式信息交换方式程序查询方式程序查询方式程序中断方式程序中断方式DMA方式方式通道方式和外围处理机方式通道方式和外围处理机方式35信息交换方式程序查询方式程序中断方式信息交换方式程序查询方式程序中断方式DMA方式通道方式和方式通道方式和368.4 DMA8.4 DMA方式方式程序控制传送方式的不足：程序控制传送方式的不足：外设外设CPU存储器存储器外设外设CPU存储器存储器直接存储器存取直接存储器存取DMA：外设外设存储器存储器外设外设存储器存储器DMA方式：直接内存访问，方式：直接内存访问，数据不经数据不经CPU，直接在外设，直接在外设和内存之间传送，和内存之间传送，无需保护无需保护CPU现场现场；DMA控制器控制器负责地址修改和传送计数，适合高速设备的负责地址修改和传送计数，适合高速设备的成组传送。成组传送。368.4 DMA方式程序控制传送方式的不足：方式程序控制传送方式的不足：1、定义、定义DMA（直接存储器存取）（直接存储器存取）控制是在控制是在内存与设内存与设备备之间开辟一条直接数据传送通路，并把传送过之间开辟一条直接数据传送通路，并把传送过程交程交DMA控制器控制器进行管理，形成以存储器为中心进行管理，形成以存储器为中心的体系结构。的体系结构。DMA可以看作是和可以看作是和CPU共享存储器共享存储器的处理器。的处理器。DMA方式是在内在与方式是在内在与I/O设备之间有直接的设备之间有直接的数据传送通路，不必经过数据传送通路，不必经过CPU，称为，称为数据直传数据直传。这种数据直传由这种数据直传由硬件硬件控制实现，不依靠执行控制实现，不依靠执行程序指令来实现。程序指令来实现。371、定义、定义DMA（直接存储器存取）控制是在内存与设备之间开（直接存储器存取）控制是在内存与设备之间开2、DMA方式的特点方式的特点以以随机响应请求随机响应请求的方式，实现内存与的方式，实现内存与I/O设备间设备间的快速数据传送。的快速数据传送。DMA传送的插入不影响传送的插入不影响CPU的程序执行状态，除的程序执行状态，除了了访问内存冲突访问内存冲突外，外，CPU可以继续执行自己的程可以继续执行自己的程序，从而提高序，从而提高CPU的利用率，但的利用率，但DMA方式只能处方式只能处理简单的数据传送。理简单的数据传送。382、DMA方式的特点以随机响应请求的方式，实现内存与方式的特点以随机响应请求的方式，实现内存与I/O设设39、DMA方式的基本操作：方式的基本操作：(1)从外围设备发出从外围设备发出DMA请求；请求；(2)CPU响应请求，把响应请求，把CPU工作改成工作改成DMA操作操作方式。方式。DMA控制器从控制器从CPU接管总线的控制；接管总线的控制；(3)由由DMA控制器对内存寻址，即决定数据传控制器对内存寻址，即决定数据传送的内存单元地址及数据传送的长度，并执行送的内存单元地址及数据传送的长度，并执行数据传送的操作；数据传送的操作；(4)向向CPU报告报告DMA操作的结束。操作的结束。39、DMA方式的基本操作：方式的基本操作：408.4.2DMA控制器的基本组成控制器的基本组成内存内存CPU中断机构内存地址计数器控制/状态逻辑字计数器DMA请求标志数据缓冲寄存器设备选择设备中断请求中断请求数据线数据线地址线地址线HOLDHLDA一字准备一字准备就绪信号就绪信号DMA请求请求DMA响应响应数据数据+1+1“DMA请求请求”标志置标志置“1”则向则向“控制控制/状态状态”逻辑发出逻辑发出DMA请求；接请求；接收收DMA响应信号后标志响应信号后标志复位。复位。传递请求传递请求修改内存地址计数器和字修改内存地址计数器和字计数器；指定传送类型计数器；指定传送类型(输输入或输出入或输出)；对；对“DMA请求请求”信号和信号和CPU响应信号进响应信号进行协调和同步。行协调和同步。控制传送方向控制传送方向 当字计数器溢出时当字计数器溢出时(全全0)，溢出信号触，溢出信号触发中断机构，向发中断机构，向CPU提出中断报告。提出中断报告。提供主存地址提供主存地址暂存交换数据暂存交换数据记录传送的字数。每传送记录传送的字数。每传送一个字，字计数器加一个字，字计数器加“1”，当计数器溢出即，当计数器溢出即全全0，表示传送完毕，表示传送完毕，DMA控制器向控制器向CPU发中发中断信号断信号。控制传送次数控制传送次数 408.4.2DMA控制器的基本组成内存控制器的基本组成内存CPU中断机构内存地中断机构内存地41DMA数据传送过程数据传送过程传送前预处理传送前预处理CPU执行几条输入输出指令，向执行几条输入输出指令，向DMA控制器发送控制器发送内内存起始地址存起始地址、数据字个数数据字个数。正式传送数据正式传送数据DMA控制器发控制器发HOLD，CPU在本机器周期结束后，发在本机器周期结束后，发HLDA；DMA传送数据，地址和计数器同时加传送数据，地址和计数器同时加1。计数器未溢出，转计数器未溢出，转；反之，；反之，DMA中断请求。中断请求。传送后处理传送后处理CPU响应中断后，则停止原程序执行，转去执行中断服响应中断后，则停止原程序执行，转去执行中断服务程序，做一些务程序，做一些DMA结束处理工作。检查内存数据，结束处理工作。检查内存数据，41DMA数据传送过程传送前预处理数据传送过程传送前预处理 DMA请求请求 DMA响应响应修改地址指针和字计数器修改地址指针和字计数器 发内存地址发内存地址传送一个字数据传送一个字数据 DMA结束结束是是否否42 DMA请求请求 DMA响应修改地址指针和字计数器响应修改地址指针和字计数器 中断方式与中断方式与DMA的比较的比较相同点相同点:(1)都能响应随机请求都能响应随机请求.(2)都能实现都能实现CPU与与I/O设备在一段时间内的并行操设备在一段时间内的并行操作作.(DMA具有更高的并行性具有更高的并行性)不同点不同点:(1)中断方式用服务程序实现中中断方式用服务程序实现中低速低速I/O传送传送,DMA方式用硬件实现高速方式用硬件实现高速I/O传送传送.(2)中断方式能处理复杂的随机事件中断方式能处理复杂的随机事件,DMA方式只能方式只能完成简单的传送操作完成简单的传送操作.(3)一条指令结束响应中断请求一条指令结束响应中断请求;一个总线周期结束一个总线周期结束时响应时响应DMA.43中断方式与中断方式与DMA的比较相同点的比较相同点:4344信息交换方式信息交换方式程序查询方式程序查询方式程序中断方式程序中断方式通道方式通道方式DMA方式方式44信息交换方式程序查询方式程序中断方式通道方式信息交换方式程序查询方式程序中断方式通道方式DMA方式方式458.5 通道方式通道方式、定义、定义通道是一种专用于通道是一种专用于I/O的的处理器处理器；有自己的指令集有自己的指令集；通道程序通道程序存放在内存中。存放在内存中。通道和通道和CPU分时使用内存分时使用内存。通道通道是一种通过执行通道程序管理是一种通过执行通道程序管理I/O操作的控操作的控制器，它使主机与制器，它使主机与I/O操作之间达到更高的并行程操作之间达到更高的并行程度。由于它的任务是管理实现输入度。由于它的任务是管理实现输入/输出操作，提供输出操作，提供一种传送通道，所以将这种部件称作一种传送通道，所以将这种部件称作“通道通道”。458.5 通道方式、定义通道是一种通过执行通道程序通道方式、定义通道是一种通过执行通道程序、通道方式的特点、通道方式的特点、通道方式是一种在、通道方式是一种在DMA方式的基础上发展形方式的基础上发展形成的、功能更强的成的、功能更强的I/O管理方式，它覆盖了管理方式，它覆盖了DMA方式的功能。方式的功能。、采用两类总线的系统结构，一类是连接、采用两类总线的系统结构，一类是连接CPU、通道和主存的所谓存储总线，一类是连接通道、通道和主存的所谓存储总线，一类是连接通道与设备的与设备的I/O总线。总线。、整个系统分为两级定理，第一级是、整个系统分为两级定理，第一级是CPU对通对通道的管理道的管理，第二级是，第二级是通道对设备控制的管理通道对设备控制的管理。46、通道方式的特点、通道方式是一种在、通道方式的特点、通道方式是一种在DMA方式的基础上发展方式的基础上发展与与DMA方式的对比方式的对比两者都能在两者都能在I/O设备与主存之间建立数据直设备与主存之间建立数据直传通路，使传通路，使CPU从从I/O操作中脱身出来，提高操作中脱身出来，提高CPU与与I/O设备之间的并行处理程度。设备之间的并行处理程度。DMA方式直接方式直接纯硬件管理纯硬件管理，只能实现简单的数据传送；而通道，只能实现简单的数据传送；而通道是依靠执行是依靠执行通道程序来管理通道程序来管理的，因而具有更强的的，因而具有更强的功能，如对该通道所有功能，如对该通道所有I/O设备实施统一管理，设备实施统一管理，对输入数据进行某些预处理，对对输入数据进行某些预处理，对I/O过程进行检过程进行检测、判别与处理，进一步减轻测、判别与处理，进一步减轻CPU负担，使与负担，使与I/O间并行程度更高，等等。间并行程度更高，等等。47与与DMA方式的对比两者都能在方式的对比两者都能在I/O设备与主存之间建立数据设备与主存之间建立数据488.5.2通道的功能通道的功能接收接收CPU的的I/O指令，按指令启动相应设备；指令，按指令启动相应设备；从内存读取通道指令，译码后发有关控制命令；从内存读取通道指令，译码后发有关控制命令；组织外设与内存之间的数据传送；组织外设与内存之间的数据传送；读取外设状态，供读取外设状态，供CPU查询；查询；将外设的中断请求和本身的中断请求，按次序及将外设的中断请求和本身的中断请求，按次序及时报告给时报告给CPU。488.5.2通道的功能接收通道的功能接收CPU的的I/O指令，按指令启动相指令，按指令启动相498.5.3 通道的类型通道的类型 1选择通道选择通道 这种通道可以连接多台快速这种通道可以连接多台快速IO设备，但每设备，但每次只能从中选择一台，执行通道程序；当成组传次只能从中选择一台，执行通道程序；当成组传送完毕后，才能选择另一台设备。送完毕后，才能选择另一台设备。字节多路通道字节多路通道这种通道可以连接与管理多台慢速设备，以这种通道可以连接与管理多台慢速设备，以字节交叉方式传送数据。字节交叉方式传送数据。数组多路通道数组多路通道 这种通道可以连接多台快速设备，允许并行这种通道可以连接多台快速设备，允许并行工作，但通道以成组交叉方式传送数据。工作，但通道以成组交叉方式传送数据。498.5.3 通道的类型通道的类型 1选择通道选择通道50数组多路通道数组多路通道字节多路通道字节多路通道一个设备传送，其他设备寻址一个设备传送，其他设备寻址各设备同时进行传送操作各设备同时进行传送操作以数据块为传送单位以数据块为传送单位以字以字(节节)为传送单位为传送单位50数组多路通道字节多路通道一个设备传送，其他设备寻址各设备数组多路通道字节多路通道一个设备传送，其他设备寻址各设备51IBM4300系统的系统的I/O结构结构主存主存CPU选择通道选择通道字节多路字节多路通道通道数组多路数组多路通道通道磁盘控制器磁盘控制器磁盘控制器磁盘控制器磁盘磁盘磁盘磁盘磁盘磁盘磁盘磁盘设备控制器设备控制器设备控制器设备控制器设备设备设备设备设备设备设备设备设备控制器设备控制器设备控制器设备控制器设备设备设备设备设备设备设备设备存储管理部件存储管理部件存存储储总总线线I/O总线总线I/O总线总线I/O总线总线 存储总线存储总线：承担通道与内存、：承担通道与内存、CPU与内存间的数据传输任务。与内存间的数据传输任务。通道总线通道总线I/O总线总线：承担外设与通道间的数据传送任务。：承担外设与通道间的数据传送任务。I/O系统一般具有四级连接：系统一般具有四级连接：CPUCPU与内存与内存 通道通道 设备控制器设备控制器 外围设备外围设备play51IBM4300系统的系统的I/O结构主存结构主存CPU选择通道字节多路选择通道字节多路52小结小结在计算机系统中，在计算机系统中，CPU对外围设备的管理有五种方式：对外围设备的管理有五种方式：(1)程程序查询方式序查询方式；(2)程序中断方式程序中断方式；(3)直接存储器访问直接存储器访问(DMA)方方式式；(4)通道方式通道方式；(5)外围处理机外围处理机(PPU)方式方式。程序中断方式程序中断方式是各类计算机中广泛使用的一种数据交换方式。是各类计算机中广泛使用的一种数据交换方式。当某外设的数据准备就绪，当某外设的数据准备就绪，“主动主动”向向CPU发出请求信号。发出请求信号。CPU响应中断请求后，暂停主程序，自动转到该设备的响应中断请求后，暂停主程序，自动转到该设备的中中断服务程序断服务程序服务设备，结束时返回主程序。服务设备，结束时返回主程序。中断处理过程可以中断处理过程可以嵌套嵌套进行，优先级高的设备可以中断优进行，优先级高的设备可以中断优先级低的中断服务程序。先级低的中断服务程序。52小结在计算机系统中，小结在计算机系统中，CPU对外围设备的管理有五种方式：对外围设备的管理有五种方式：(53小结小结DMA方式：方式：外设通过外设通过DMA控制器控制器直接访问内存直接访问内存，与此同时，与此同时，CPU可以继续程序。可以继续程序。通道通道是一个特殊功能的处理器，有自己的指令和程序专门负责是一个特殊功能的处理器，有自己的指令和程序专门负责数据传输控制。数据传输控制。通道与通道与 CPU分时使用内存。分时使用内存。(1)选择通道选择通道 (2)数组多路通道数组多路通道 (3)字节多路通道字节多路通道53小结小结DMA方式：外设通过方式：外设通过DMA控制器直接访问内存，与此同控制器直接访问内存，与此同