第八章输入输出系统(白中英第五版)资料课件

计算机组成原理第八章第八章 输入输出系统输入输出系统14 七月 202418.1 8.1 输入输出系统输入输出系统 计算机的输入输出系统简称为计算机的输入输出系统简称为I/OI/O系统系统，它包括，它包括I/OI/O输入、输入、I/OI/O管理部件及有关软件。一个计算机系统的综管理部件及有关软件。一个计算机系统的综合处理能力，系统的可扩展性、兼容性和性能性价比、合处理能力，系统的可扩展性、兼容性和性能性价比、都和都和I/OI/O系统有密切关系。系统有密切关系。14 七月 202428.1 8.1 输入输出系统输入输出系统一、外围设备的速度分级和信息交换方式一、外围设备的速度分级和信息交换方式1 1、外围设备的速度分级、外围设备的速度分级 外设种类繁多，存在以下几种情况：外设种类繁多，存在以下几种情况：（1 1）不同种类的外设数据传输速率差别很大；）不同种类的外设数据传输速率差别很大；（2 2）同一种设备在不同时刻传输速率也可能不同。）同一种设备在不同时刻传输速率也可能不同。14 七月 202438.1 8.1 输入输出系统输入输出系统 从表从表8.18.1看到各种外围设备的数据传输速率相差很大。看到各种外围设备的数据传输速率相差很大。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那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那么首先遇到的一个问题。就是如何保证主机与外围设备在时间么首先遇到的一个问题。就是如何保证主机与外围设备在时间上同步上同步?这就是我们要讨论的外围设备的定时问题这就是我们要讨论的外围设备的定时问题14 七月 202448.1 8.1 输入输出系统输入输出系统2 2、输入、输入/输出设备同输出设备同CPUCPU交换数据的过程：交换数据的过程：l 输入过程：输入过程：(1)CPU (1)CPU把一个地址值放在地址总线上，这一步将选把一个地址值放在地址总线上，这一步将选择某一输入设备；择某一输入设备；(2)CPU (2)CPU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；(3)CPU (3)CPU从数据总线读入数据，并放在一个相应的寄从数据总线读入数据，并放在一个相应的寄存器中。存器中。14 七月 202458.1 8.1 输入输出系统输入输出系统l输出过程：输出过程：(1)CPU (1)CPU把一个地址值放在地址总线上，选择输出设备；把一个地址值放在地址总线上，选择输出设备；(2)CPU (2)CPU把数据放在数据总线上；把数据放在数据总线上；(3)(3)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。问题的关键在于：究竟什么时候数据才成为有效问题的关键在于：究竟什么时候数据才成为有效?很显很显然，由于输入然，由于输入/输出设备本身的速度差异很大，因此，输出设备本身的速度差异很大，因此，对于不同速度的外围设备，需要有不同的定时方式，总对于不同速度的外围设备，需要有不同的定时方式，总的说来，的说来，CPUCPU与外围设备之间的定时，有以下三种情况。与外围设备之间的定时，有以下三种情况。14 七月 202468.1 8.1 输入输出系统输入输出系统3 3、速度极慢或简单的外围设备、速度极慢或简单的外围设备 对这类设备，如机械开关、显示二极管等等，对这类设备，如机械开关、显示二极管等等，CPUCPU总是能足够快地作出响应。换句话说，总是能足够快地作出响应。换句话说，对机械开对机械开关来讲，关来讲，CPUCPU可以认为输入的数据一直有效，可以认为输入的数据一直有效，因为机因为机械开关的动作相对械开关的动作相对CPUCPU的速度来讲是非常慢的，对显的速度来讲是非常慢的，对显示二极管来讲，示二极管来讲，CPUCPU可以认为输出一定准备就绪，因可以认为输出一定准备就绪，因为只要给出数据，显示二极管就能进行显示，所以，为只要给出数据，显示二极管就能进行显示，所以，在这种情况下，在这种情况下，CPUCPU只要接收或发送数据就可以了。只要接收或发送数据就可以了。14 七月 202478.1 8.1 输入输出系统输入输出系统4 4、慢速或中速的外围设备、慢速或中速的外围设备 由于这类设备的速度和由于这类设备的速度和CPUCPU的速度并不在一个数的速度并不在一个数量级，或者由于设备量级，或者由于设备(如键盘如键盘)本身是在不规则时间间本身是在不规则时间间隔下操作的，因此，隔下操作的，因此，CPUCPU与这类设备之间的数据交换与这类设备之间的数据交换通常采用通常采用异步定时方式异步定时方式。其定时过程如下：。其定时过程如下：lCPUCPU从外设接收一个字从外设接收一个字:询问外设的状态，如果该外设的状态标志表明设询问外设的状态，如果该外设的状态标志表明设备已备已“准备就绪准备就绪”，那么，那么CPUCPU就从总线上接收数据。就从总线上接收数据。14 七月 202488.1 8.1 输入输出系统输入输出系统CPUCPU在接收数据以后，发出输入响应信号，告诉外在接收数据以后，发出输入响应信号，告诉外设已经把数据总线上的数据取走。设已经把数据总线上的数据取走。外设把外设把“准备就绪准备就绪”的状态标志复位，并准备下的状态标志复位，并准备下一个字的交换。一个字的交换。CPUCPU询问外设时，外设没有询问外设时，外设没有“准备就绪准备就绪”，那么它，那么它就发出表示外设就发出表示外设“忙忙”的标志。于是，的标志。于是，CPUCPU将进入将进入一个循环程序中等待，并在每次循环中询问外设一个循环程序中等待，并在每次循环中询问外设的状态，一直到外设发出的状态，一直到外设发出“准备就绪准备就绪”信号以后，信号以后，才从外设接收数据。才从外设接收数据。14 七月 202498.1 8.1 输入输出系统输入输出系统lCPUCPU向外设发送一个字向外设发送一个字:CPUCPU发送数据的情况也与上述情况相似，外设先发送数据的情况也与上述情况相似，外设先发出请求输出信号，而后，发出请求输出信号，而后，CPUCPU询问外设是否准备就询问外设是否准备就绪。如果外设已准备就绪，绪。如果外设已准备就绪，CPUCPU便发出准备就绪信号，便发出准备就绪信号，并送出数据。外设接收数据以后，将向并送出数据。外设接收数据以后，将向CPUCPU发出发出“数数据已经取走据已经取走”的通知。的通知。通常，把这种在通常，把这种在CPUCPU和外设间用问答信号进行定和外设间用问答信号进行定时的方式叫做时的方式叫做应答式应答式数据交换数据交换 。14 七月 2024108.1 8.1 输入输出系统输入输出系统5 5、高速的外围设备、高速的外围设备 由于这类外设是以相等的时间间隔操作的，而由于这类外设是以相等的时间间隔操作的，而CPUCPU也是以等间隔的速率执行输入也是以等间隔的速率执行输入/输出指令的输出指令的 ，因，因此，这种方式叫做此，这种方式叫做同步定时方式。同步定时方式。一旦一旦CPUCPU和外设发和外设发生同步，它们之间的数据交换便靠时钟脉冲控制来进生同步，它们之间的数据交换便靠时钟脉冲控制来进行。例如若外设是一条传送行。例如若外设是一条传送24002400位秒的传输线。位秒的传输线。那么那么CPUCPU每隔每隔1 124002400秒执行一次串行的输入操作秒执行一次串行的输入操作 更快的同步传送要采用直接内存访问更快的同步传送要采用直接内存访问(DMA)(DMA)方式，方式，这将在后面详细介绍。这将在后面详细介绍。14 七月 2024118.1 8.1 输入输出系统输入输出系统二、信息交换方式二、信息交换方式 在计算机系统中，在计算机系统中，CPUCPU管理外围设备有以下几种方式：管理外围设备有以下几种方式：1 1、程序查询方式、程序查询方式 数据在数据在CPUCPU和外围设备之间的传送完全靠计算机和外围设备之间的传送完全靠计算机程序控制，查询方式的优点是程序控制，查询方式的优点是CPUCPU的操作和外围设备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。但问题是，的操作能够同步，而且硬件结构比较简单。但问题是，外围设备动作很慢，程序进入查询循环时将白白浪费外围设备动作很慢，程序进入查询循环时将白白浪费掉掉CPUCPU很多时间。很多时间。14 七月 2024128.1 8.1 输入输出系统输入输出系统 这种情况同上述例子中第一种方法相仿，这种情况同上述例子中第一种方法相仿，CPUCPU此时此时只能等待，不能处理其他业务。即使只能等待，不能处理其他业务。即使CPUCPU采用定期地由采用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的办法，主程序转向查询设备状态的子程序进行扫描轮询的办法，CPUCPU宝贵资源的浪费也是可观的。因此当前除单片机外，宝贵资源的浪费也是可观的。因此当前除单片机外，很少使用程序查询方式。很少使用程序查询方式。14 七月 2024138.1 8.1 输入输出系统输入输出系统2 2、程序中断方式、程序中断方式 中断是外围设备用来中断是外围设备用来“主动主动”通知通知CPUCPU，准备送，准备送出输入数据或接收输出数据的一种方法。通常，当一出输入数据或接收输出数据的一种方法。通常，当一个中断发生时，个中断发生时，CPUCPU暂停它的现行程序，而转向中断暂停它的现行程序，而转向中断处理程序，从而可以输入或输出一个数据。当中断处处理程序，从而可以输入或输出一个数据。当中断处理完毕后，理完毕后，CPUCPU又返回到它原来的任务，并从它停止又返回到它原来的任务，并从它停止的地方开始执行程序。的地方开始执行程序。14 七月 2024148.1 8.1 输入输出系统输入输出系统 这种方式和我们前述例子的第二种方法相类似。这种方式和我们前述例子的第二种方法相类似。可以看出，它节省了可以看出，它节省了CPUCPU宝贵的时间，是管理宝贵的时间，是管理I/OI/O操作操作的一个比较有效的方法。中断方式一般适用于随机出的一个比较有效的方法。中断方式一般适用于随机出现的服务，并且一旦提出要求，应立即进行。同程序现的服务，并且一旦提出要求，应立即进行。同程序查询方式相比，硬件结构相对复杂一些，服务开销时查询方式相比，硬件结构相对复杂一些，服务开销时间较大。间较大。14 七月 2024158.1 8.1 输入输出系统输入输出系统3 3、直接内存访问、直接内存访问(DMA)(DMA)方式方式 直接内存访问直接内存访问(DMA)(DMA)方式是一种完全由硬件执行方式是一种完全由硬件执行I/OI/O交换的工作方式。这种方式既考虑到中断响应，交换的工作方式。这种方式既考虑到中断响应，同时又要节约中断开销。同时又要节约中断开销。此时，此时，DMADMA控制器从控制器从CPUCPU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CPUCPU，而直接在内存和外围设备之间，而直接在内存和外围设备之间进行，以高速传送数据。进行，以高速传送数据。14 七月 2024168.1 8.1 输入输出系统输入输出系统 这种方式和前述例子的第三种方法相仿，主要优这种方式和前述例子的第三种方法相仿，主要优点是数据传送速度很高，传送速率仅受到内存访问时点是数据传送速度很高，传送速率仅受到内存访问时间的限制。与中断方式相比，需要更多的硬件。间的限制。与中断方式相比，需要更多的硬件。DMA DMA方式适用于内存和高速外围设备之间大批数方式适用于内存和高速外围设备之间大批数据交换的场合。据交换的场合。14 七月 2024178.1 8.1 输入输出系统输入输出系统4 4、通道方式通道方式 DMADMA方式的出现已经减轻了方式的出现已经减轻了CPUCPU对对I/OI/O操作的控制，使操作的控制，使得得CPUCPU的效率有显著的提高，而通道的出现则进一步提高的效率有显著的提高，而通道的出现则进一步提高了了CPUCPU的效率。这是因为，的效率。这是因为，CPUCPU将部分权力下放给通道。将部分权力下放给通道。通道是一个具有特殊功能的处理器，通道是一个具有特殊功能的处理器，某些应用中称某些应用中称为输入输出处理器为输入输出处理器(IOP)(IOP)，它可以实现对外围设备的统一，它可以实现对外围设备的统一管理和外围设备与内存之间的数据传送。这种方式与前管理和外围设备与内存之间的数据传送。这种方式与前述例子的第四种方法相仿，大大提高了述例子的第四种方法相仿，大大提高了CPUCPU的工作效率。的工作效率。然而这种提高然而这种提高CPUCPU效率的办法是以花费更多硬件为代价的效率的办法是以花费更多硬件为代价的。14 七月 2024188.1 8.1 输入输出系统输入输出系统5 5、外围处理机方式、外围处理机方式 外围处理机外围处理机(PPU)(PPU)方式是通道方式的进一步发展。方式是通道方式的进一步发展。由于由于PPUPPU基本上独立于主机工作，它的结构更接近一基本上独立于主机工作，它的结构更接近一般处理机，甚至就是微小型计算机。在一些系统中，般处理机，甚至就是微小型计算机。在一些系统中，设置了多台设置了多台PPUPPU，分别承担，分别承担I/OI/O控制、通信、维护诊断控制、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。多机系统。14 七月 2024198.1 8.1 输入输出系统输入输出系统外围设备的输入外围设备的输入/输出方式：输出方式：14 七月 202420I/O控制方式由程序实现程序查询方式程序中断方式由硬件实现DMA方式通道方式外围处理机方式（单片机和微型机）（单片机和微型机）（中、大型计算机）（中、大型计算机）8.2 8.2 程序查询方式程序查询方式 程序查询方式又叫程序控制程序查询方式又叫程序控制I/OI/O方式在这种方式方式在这种方式中数据在中数据在CPUCPU的外围设备之间的传送完全靠计算机程的外围设备之间的传送完全靠计算机程序控制，是在序控制，是在CPUCPU主动控制下进行的当输入输出时，主动控制下进行的当输入输出时，CPUCPU暂停执行本程序，转去执行输入输出的服务程序，暂停执行本程序，转去执行输入输出的服务程序，根据服务程序中的根据服务程序中的I/OI/O指令进行数据传送指令进行数据传送 这是一种最简单、最经济的输入输出方式它只这是一种最简单、最经济的输入输出方式它只需要很少的硬件，因此大多数机器特别是在微、小型机需要很少的硬件，因此大多数机器特别是在微、小型机中，常用程序查询方式来实现低速设备的输入输出管中，常用程序查询方式来实现低速设备的输入输出管理。理。14 七月 202421一一、设备编址、设备编址 用程序实现输入输出传送的机器，根据其结构用程序实现输入输出传送的机器，根据其结构特点，外围设备有两种不同的编址方法：特点，外围设备有两种不同的编址方法：统一编址法统一编址法和单独编址和单独编址法。法。14 七月 20248.2 8.2 程序查询方式程序查询方式22统一编址：统一编址：是指输入输出设备中的控制寄存器，数据寄存器，是指输入输出设备中的控制寄存器，数据寄存器，状态寄存器等也和内存单元一样看待，将它们和内存单状态寄存器等也和内存单元一样看待，将它们和内存单元联合在一起编排地址这样就可用访问内存的指令元联合在一起编排地址这样就可用访问内存的指令(读、写指令读、写指令)去访问去访问I/OI/O设备的某个寄存器，因而设备的某个寄存器，因而不需不需要专门的要专门的I/OI/O指令组。指令组。14 七月 20248.2 8.2 程序查询方式程序查询方式23单独编址：单独编址：内存地址和内存地址和I/OI/O设备地址是分开的，访问内存和访设备地址是分开的，访问内存和访问问I/OI/O设备使用不同操作码的指令，即访问设备使用不同操作码的指令，即访问I/OI/O设备有设备有专专门的门的I/OI/O指令组指令组。14 七月 20248.2 8.2 程序查询方式程序查询方式24二、输入二、输入/输出指令输出指令 当用程序实现输入输出传送时，当用程序实现输入输出传送时，I/OI/O指令一般具有如下功能：指令一般具有如下功能：(1)(1)置置“1 1”或置或置“0 0”设备接口的某些控制触发器，用于控制设设备接口的某些控制触发器，用于控制设备进行某些动作、关闭设备、令磁带转动等备进行某些动作、关闭设备、令磁带转动等 (2)(2)测试设备的某些状态，如测试设备的某些状态，如“忙忙”、“准备就绪准备就绪”等以便决等以便决定下一步的操作定下一步的操作 (3)(3)传送数据当输入数据时，将传送数据当输入数据时，将I/OI/O设备中数据寄存器的内容设备中数据寄存器的内容送到送到CPUCPU某一寄存器；当输出数据时将某一寄存器；当输出数据时将CPUCPU中某中某寄存器的内容寄存器的内容送到送到I/OI/O设备的数据寄存器设备的数据寄存器 不同的机器，所采用的不同的机器，所采用的I/OI/O指令格式和操作也不相同指令格式和操作也不相同14 七月 20248.2 8.2 程序查询方式程序查询方式25三、三、程序查询方式的接口程序查询方式的接口14 七月 20248.2 8.2 程序查询方式程序查询方式26程序查询方式的接口电路应包括如下部分：程序查询方式的接口电路应包括如下部分：1.1.设备选择电路设备选择电路 接到总线上的每个设备都预先给定设备地址码。接到总线上的每个设备都预先给定设备地址码。CPUCPU执行执行I/OI/O指令时需要把指令中的设备地址送到地址指令时需要把指令中的设备地址送到地址总线上，用以指示总线上，用以指示CPUCPU要选择的设备。每个设备接口要选择的设备。每个设备接口电路都包含一个设备选择电路。用它判别地址总线上电路都包含一个设备选择电路。用它判别地址总线上呼叫的设备是不是本设备。如果是，本设备就进入工呼叫的设备是不是本设备。如果是，本设备就进入工作状态，否则不予理睬。设备选择电路实际上是作状态，否则不予理睬。设备选择电路实际上是设备设备地址的译码器。地址的译码器。14 七月 20248.2 8.2 程序查询方式程序查询方式272 2数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器 当输入操作时，用数据缓冲寄存器来存放从当输入操作时，用数据缓冲寄存器来存放从I IO O设设备读出的数据。然而送往备读出的数据。然而送往CPUCPU；当输出操作时。用数据；当输出操作时。用数据缓冲寄存器来停放缓冲寄存器来停放CPUCPU近来的数据，以便送给近来的数据，以便送给I/OI/O设备输设备输出。出。3 3设备状态位（标志）设备状态位（标志）设备状态位是接口中的标志触发器，如设备状态位是接口中的标志触发器，如“忙忙”、“准备就绪准备就绪”、“错误错误”等。用来标志设备的工作状态。等。用来标志设备的工作状态。以便接口对外设进行监视。一旦以便接口对外设进行监视。一旦CPUCPU用程序询问用程序询问I/OI/O设备设备时，将状态位信息取至时，将状态位信息取至CPUCPU进行分析。进行分析。14 七月 20248.2 8.2 程序查询方式程序查询方式28四、程序查询输入四、程序查询输入/输出方式输出方式 程序查询方式是利用程序控制实现程序查询方式是利用程序控制实现CPUCPU和和I/OI/O设备之设备之间的数据传送程序执行的动作如下：间的数据传送程序执行的动作如下：(1)(1)先向先向I/OI/O设备发出命令字，请求进行数据传送；设备发出命令字，请求进行数据传送；(2)(2)从从I/OI/O接口读入状态字；接口读入状态字；(3)(3)检查状态字中的标志，看看数据文换是否可以进检查状态字中的标志，看看数据文换是否可以进行；行；14 七月 20248.2 8.2 程序查询方式程序查询方式29 (4)(4)假如这个设备没有准备就绪，则第假如这个设备没有准备就绪，则第(2)(2)、第、第(3)(3)步步重复进行准备好交换数据，发出准备就绪信号重复进行准备好交换数据，发出准备就绪信号“ReadyReady”为止。为止。(5)CPU (5)CPU从从I/OI/O接口的数据缓存寄存器输入数据或将接口的数据缓存寄存器输入数据或将数据从数据从CPUCPU输出至接口的数据缓冲寄存器与此同时，输出至接口的数据缓冲寄存器与此同时，CPUCPU将接口中的状态标志复位。将接口中的状态标志复位。14 七月 20248.2 8.2 程序查询方式程序查询方式3014 七月 20248.2 8.2 程序查询方式程序查询方式程序查询程序查询I/OI/O设备流程图设备流程图318.3 8.3 程序中断方式程序中断方式一、中断的基本概念一、中断的基本概念 “中断中断”概念的出现，是计算机系统结构设计中的一个概念的出现，是计算机系统结构设计中的一个重大变革。第二节中曾经提到。在程序中断方式中某一外重大变革。第二节中曾经提到。在程序中断方式中某一外设的数据准备就绪后，它设的数据准备就绪后，它“主动主动”向向CPUCPU发出请求中断的信发出请求中断的信号，请求号，请求CPUCPU暂时中断日前的工作而进行数据交换当暂时中断日前的工作而进行数据交换当CPUCPU响响应这个中断时。便暂停运行主程序，并自动转移到该设备的应这个中断时。便暂停运行主程序，并自动转移到该设备的中断服务程序。当中断服务程序结束以后。中断服务程序。当中断服务程序结束以后。CPUCPU又回到原来又回到原来的主程序。的主程序。这种原理和调用子程序相访，这种原理和调用子程序相访，不过，这里要求转不过，这里要求转移到中断服务子程序的请求是由外部设备发出的。移到中断服务子程序的请求是由外部设备发出的。中断方式中断方式特别适合于随机出现的服务特别适合于随机出现的服务14 七月 2024328.3 8.3 程序中断方式程序中断方式14 七月 2024中断处理过程如图：中断处理过程如图：主程序只是在设备主程序只是在设备A A，B B，C C数据准备就绪时，才去处理数据准备就绪时，才去处理A A，B B，C C，进行数据交换。在速度较慢的外围设备准备自己的数，进行数据交换。在速度较慢的外围设备准备自己的数据时，据时，CPUCPU照常执行自己的主程序照常执行自己的主程序 。在这个意义上说，。在这个意义上说，CPUCPU和和外围设备的一些操作是并行地进行的，因而同串行进行的程序外围设备的一些操作是并行地进行的，因而同串行进行的程序查询方式相比，计算机系统的效率是大大提高了。查询方式相比，计算机系统的效率是大大提高了。338.3 8.3 程序中断方式程序中断方式14 七月 2024中断处理过程需要注意几个问题：中断处理过程需要注意几个问题：(1)(1)尽管外界中断请求是随机的，但尽管外界中断请求是随机的，但CPUCPU只有在当前只有在当前一条指令执行完毕后，即转入公操作时才受理设备的中一条指令执行完毕后，即转入公操作时才受理设备的中断请求，这样才不致于使当前指令的执行受到干扰。断请求，这样才不致于使当前指令的执行受到干扰。公公操作操作是指一条指令执行结束后是指一条指令执行结束后CPUCPU所进行的操作，如中所进行的操作，如中断处理、直接内存传送、取下条指令等断处理、直接内存传送、取下条指令等 。外界中断请。外界中断请求信号通常存放在接口中的中断源锁存器里，并通过中求信号通常存放在接口中的中断源锁存器里，并通过中断请求线连至断请求线连至CPUCPU，每当一条指令执行到末尾，每当一条指令执行到末尾，CPUCPU便检便检查中断请求信号。若中断请求信号为查中断请求信号。若中断请求信号为“1 1”，则，则CPUCPU转入转入“中断周期中断周期”，受理外界中断。，受理外界中断。348.3 8.3 程序中断方式程序中断方式14 七月 2024 (2)(2)为了在中断服务程序执行完毕以后正确地返为了在中断服务程序执行完毕以后正确地返回到原来主程序被中断的断点回到原来主程序被中断的断点(PC(PC内容内容)而继续执行主而继续执行主程序，必须把程序计数器程序，必须把程序计数器PCPC的内容，以及当前指令执的内容，以及当前指令执行结束后行结束后CPUCPU的状态的状态(包括寄存器的内容和一些状态标包括寄存器的内容和一些状态标志位志位)都保存到堆栈中去。这些操作叫做都保存到堆栈中去。这些操作叫做保存现场。保存现场。358.3 8.3 程序中断方式程序中断方式14 七月 2024 (3)(3)当当CPUCPU响应中断后，正要去执行中断服务程序时，响应中断后，正要去执行中断服务程序时，可能有另一个新的中断源向它发出中断请求。为了不致可能有另一个新的中断源向它发出中断请求。为了不致造成混乱，在造成混乱，在CPUCPU的中断管理部件中必须有一个的中断管理部件中必须有一个中断屏中断屏蔽蔽触发器，它可以在程序的控制下置触发器，它可以在程序的控制下置“1 1”(设置屏蔽设置屏蔽)，或置，或置“0 0”(取掉屏蔽取掉屏蔽)。只有在中断屏蔽标志为。只有在中断屏蔽标志为“0 0”时，时，CPUCPU才可以受理中断。当一条指令执行完毕才可以受理中断。当一条指令执行完毕CPUCPU接受接受中断请求并作出响应时，它一方面发出中断响应信号中断请求并作出响应时，它一方面发出中断响应信号INTAINTA，另一方面把中断屏蔽标志置，另一方面把中断屏蔽标志置“1 1”，即关闭中断。，即关闭中断。368.3 8.3 程序中断方式程序中断方式14 七月 2024 这样，这样，CPUCPU不能再受理另外的新的中断源发来的中不能再受理另外的新的中断源发来的中断请求。只有在断请求。只有在CPUCPU把中断服务程序执行完毕以后，它把中断服务程序执行完毕以后，它才重新使中断屏蔽标志置才重新使中断屏蔽标志置“0 0”，即开放中断，并返回，即开放中断，并返回主程序。因此，主程序。因此，中断服务程序的最后必须有两条指令，中断服务程序的最后必须有两条指令，即开中断指令和返主指令，同时在硬件上要保证返主指即开中断指令和返主指令，同时在硬件上要保证返主指令执行以后才受理新的中断请求。令执行以后才受理新的中断请求。378.3 8.3 程序中断方式程序中断方式14 七月 2024(4)(4)中断处理过程是由硬件和软件结合来完成的。如中断处理过程是由硬件和软件结合来完成的。如在前图中，在前图中，中断周期中断周期由硬件实现，而由硬件实现，而中断服务程序由中断服务程序由机器指令序列实现。机器指令序列实现。后者除执行保存现场、恢复现场、后者除执行保存现场、恢复现场、开放中断并返回主程序任务外，对要求中断的设备进开放中断并返回主程序任务外，对要求中断的设备进行服务，使其同行服务，使其同CPUCPU交换一个字的数据，或作其他服交换一个字的数据，或作其他服务。至于在中断周期中如何转移到各个设备的中断服务。至于在中断周期中如何转移到各个设备的中断服务程序，将留在后面介绍务程序，将留在后面介绍 中断处理过程流程图中断处理过程流程图388.3 8.3 程序中断方式程序中断方式14 七月 2024二、程序中断方式的基本接口二、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由外设接口的状态和CPUCPU两方面来控制：两方面来控制：在接口方面，有决定是否向在接口方面，有决定是否向CPUCPU发出中断请求的机构，发出中断请求的机构，主要是接口中的主要是接口中的“准备就绪准备就绪”标志标志(RD)(RD)和和“允许中断允许中断”标志标志(EI)(EI)两个触发器；两个触发器；在在CPUCPU方面，有决定是否受理中断请求的机构，主要方面，有决定是否受理中断请求的机构，主要是是“中断请求中断请求”标志标志(IR)(IR)和和“中断屏蔽中断屏蔽”标志标志(IM)(IM)两个两个触发器。触发器。398.3 8.3 程序中断方式程序中断方式14 七月 2024上述四个标志触发器的具体功能如下：上述四个标志触发器的具体功能如下：准备就绪的标志准备就绪的标志(RD)(RD)一旦设备做好一次数据的接收一旦设备做好一次数据的接收或发送，便发出一个设备动作完毕信号或发送，便发出一个设备动作完毕信号 ，使，使RDRD标志置标志置“1 1”。在中断方式中，该标志用作为中断源触发器，。在中断方式中，该标志用作为中断源触发器，简称中断触发器。简称中断触发器。允许中断触发器允许中断触发器(EI)(EI)可以用程序指令来置位。可以用程序指令来置位。EIEI为为“1 1”时，某设备可以向时，某设备可以向CPUCPU发出中断请求；发出中断请求；EIEI为为“0 0”时，不能向时，不能向CPUCPU发出中断请求，这意味着某中断源的中发出中断请求，这意味着某中断源的中断请求被禁止。设置断请求被禁止。设置EIEI标志的目的，就是通过软件来控标志的目的，就是通过软件来控制是否允许某设备发出中断请求。制是否允许某设备发出中断请求。408.3 8.3 程序中断方式程序中断方式14 七月 2024中断请求触发器中断请求触发器(IR)(IR)它暂存中断请求线上由设备它暂存中断请求线上由设备发出的中断请求信号。当发出的中断请求信号。当IRIR标志为标志为“1 1”时，表示设时，表示设备发出了备发出了中断请求。中断请求。中断屏蔽触发器中断屏蔽触发器(IM)(IM)是是CPUCPU是否受理中断或批准中是否受理中断或批准中断的标志。断的标志。IMIM标志为标志为“0 0”时，时，CPUCPU可以受理外界的中可以受理外界的中断请求，反之，断请求，反之，IMIM标志为标志为“1 1”时，时，CPUCPU不受理外界的不受理外界的中断。中断。程序中断方式的基本接口程序中断方式的基本接口418.3 8.3 程序中断方式程序中断方式14 七月 2024三、单级中断三、单级中断 在单级中断系统中，所有的中断源都属于同一级，在单级中断系统中，所有的中断源都属于同一级，所有中断源触发器排成一行，其优先次序是离所有中断源触发器排成一行，其优先次序是离CPUCPU近的近的优先权高。当响应某一中断请求时，执行该中断源的中优先权高。当响应某一中断请求时，执行该中断源的中断服务程序。在此过程中，不允许其他中断源再打断中断服务程序。在此过程中，不允许其他中断源再打断中断服务程序，即使优先权比它高的中断源也不能再打断。断服务程序，即使优先权比它高的中断源也不能再打断。只有该中断服务程序执行完毕之后，才能响应其他中断。只有该中断服务程序执行完毕之后，才能响应其他中断。单级中断系统单级中断系统428.3 8.3 程序中断方式程序中断方式14 七月 2024四、多级中断四、多级中断 多级中断系统是指计算机系统中有相当多的中断源，多级中断系统是指计算机系统中有相当多的中断源，根据各中断事件的轻重缓急程度不同而分成若干级别，根据各中断事件的轻重缓急程度不同而分成若干级别，每一中断级分配给一个优先权。一般说来，优先权高的每一中断级分配给一个优先权。一般说来，优先权高的中断级可以打断优先权低的中断服务程序，以程序嵌套中断级可以打断优先权低的中断服务程序，以程序嵌套方式进行工作。根据系统的配置不同，多级中断又可分方式进行工作。根据系统的配置不同，多级中断又可分为一维多级中断和二维多级中断。为一维多级中断和二维多级中断。多级中断多级中断438.3 8.3 程序中断方式程序中断方式14 七月 2024五、中断控制器五、中断控制器 82598259中断控制器中断控制器是一个集成电路芯片，它将中断接口是一个集成电路芯片，它将中断接口与优先级判断等功能汇集于一身，常用于微型机系统。与优先级判断等功能汇集于一身，常用于微型机系统。每个每个82598259中断控制器最多能控制中断控制器最多能控制8 8个外部中断信号，个外部中断信号，但是可以将多个但是可以将多个82598259进行级联以处理多达进行级联以处理多达6464个中断请求。个中断请求。在这种情况下允许有一个主中断控制器和多个从中断控在这种情况下允许有一个主中断控制器和多个从中断控制器，称为主从系统。制器，称为主从系统。448.3 8.3 程序中断方式程序中断方式14 七月 202482598259的中断优先级选择方式有四种：的中断优先级选择方式有四种：完全嵌套方式：是一种固定优先级方式，连至完全嵌套方式：是一种固定优先级方式，连至IR0IR0的的设备优先级最高，设备优先级最高，IR7IR7的优先级最低。这种固定优先级的优先级最低。这种固定优先级方式对级别低的中断不利，在有些情况下最低级别的中方式对级别低的中断不利，在有些情况下最低级别的中断请求可能一直不能被处理。断请求可能一直不能被处理。轮换优先级方式轮换优先级方式A A：每个级别的中断保证有机会被处：每个级别的中断保证有机会被处理，将给定的中断级别处理完后，立即把它放到最低级理，将给定的中断级别处理完后，立即把它放到最低级别的位置上去。别的位置上去。458.3 8.3 程序中断方式程序中断方式14 七月 2024轮换优先级方式轮换优先级方式B B：要求：要求CPUCPU可在任何时间规定最优优可在任何时间规定最优优先级，然后顺序地规定其他先级，然后顺序地规定其他IRIR线上的优先级。线上的优先级。查询方式：由查询方式：由CPUCPU访问访问82598259的中断状态寄存器，一个的中断状态寄存器，一个状态字能表示出正在请求中断的最高优先级状态字能表示出正在请求中断的最高优先级IRIR线，并能线，并能表示出中断请求是否有效。表示出中断请求是否有效。468.3 8.3 程序中断方式程序中断方式14 七月 202482598259提供了两种屏蔽方式：提供了两种屏蔽方式：简单屏蔽方式，提供简单屏蔽方式，提供8 8位屏蔽字，每位对应着各自的位屏蔽字，每位对应着各自的IRIR线。被置位的任一位则禁止了对应线。被置位的任一位则禁止了对应IRIR线上的中断。线上的中断。特殊屏蔽方式，允许特殊屏蔽方式，允许CPUCPU让来自低优先级的外设中断让来自低优先级的外设中断请求去中断高优先级的服务程序。请求去中断高优先级的服务程序。82598259中断控制器中断控制器的不同工作方式是通过编程来实现的。的不同工作方式是通过编程来实现的。CPUCPU送出一系列送出一系列的初始化控制字和操作控制字来执行选定的操作。的初始化控制字和操作控制字来执行选定的操作。478.3 8.3 程序中断方式程序中断方式14 七月 2024六、六、PentiumPentium中断机制中断机制1.1.中断类型中断类型中断中断：通常称为外部中断，它是由通常称为外部中断，它是由CPUCPU的外部硬件信号的外部硬件信号引发的。有两种情况引发的。有两种情况 ：(1)(1)可屏蔽中断可屏蔽中断：CPUCPU的的INTRINTR引脚收到中断请求信号，如引脚收到中断请求信号，如果果CPUCPU中标志寄存器中标志寄存器IF=1IF=1时，可引发中断；时，可引发中断；IF=0IF=0时，中时，中断请求信号在断请求信号在CPUCPU内部被禁止。内部被禁止。(2)(2)非屏蔽中断非屏蔽中断：CPUCPU的的NMINMI引脚收到的中断请求信号而引脚收到的中断请求信号而引发的中断，这类中断不能被禁止。引发的中断，这类中断不能被禁止。488.3 8.3 程序中断方式程序中断方式14 七月 2024异常异常：通常称为异常中断，它是由指令执行引发的。通常称为异常中断，它是由指令执行引发的。有两种情况：有两种情况：(1)(1)执行异常：执行异常：CPUCPU执行一条指令过程中出现错误、故执行一条指令过程中出现错误、故障等不正常条件引发的中断；障等不正常条件引发的中断；(2)(2)执行软件中断指令执行软件中断指令：如执行如执行INT 0INT 0，INT 3INT 3，INT nINT n等指令，执行时产生异常中断。等指令，执行时产生异常中断。498.3 8.3 程序中断方式程序中断方式14 七月 20242.2.中断服务子程序进入过程中断服务子程序进入过程 中断服务子程序的入口地址信息存于中断向量号检中断服务子程序的入口地址信息存于中断向量号检索表内。实模式为中断向量表索表内。实模式为中断向量表IVTIVT，保护模式为中断描，保护模式为中断描述符表述符表IDTIDT。中断服务子程序的进入过程中断服务子程序的进入过程508.3 8.3 程序中断方式程序中断方式14 七月 2024实模式下使用中断向量表实模式下使用中断向量表中断向量表中断向量表IVTIVT位于内存地址位于内存地址0 0开始的开始的1KB1KB空间。实空间。实模式是模式是1616位寻址，中断服务子程序入口地址位寻址，中断服务子程序入口地址(段，偏移段，偏移)的段寄存器和段内偏移量各为的段寄存器和段内偏移量各为1616位。它们直接登位。它们直接登 记在记在IVTIVT表中，每个中断向量号对应一个中断服务子程序入表中，每个中断向量号对应一个中断服务子程序入口地址。每个入口地址占口地址。每个入口地址占4 4字节。字节。256256个中断向量号共个中断向量号共占占1KB1KB。CPUCPU取得向量号后自动乘以取得向量号后自动乘以4 4，作为访问，作为访问IVTIVT的偏的偏移，读取移，读取IVTIVT相应相应 表项，将段地址和偏移量设置到表项，将段地址和偏移量设置到CSCS和和IPIP寄存器，从而进入相应的中断服务子程序。寄存器，从而进入相应的中断服务子程序。518.3 8.3 程序中断方式程序中断方式14 七月 2024保护模式下使用中断描述符表保护模式下使用中断描述符表保护模式为保护模式为3232位寻址。中断描述符表位寻址。中断描述符表IDTIDT每一表项对应每一表项对应一个中断向量号，表项称为中断门描述符、陷阱门描述符。一个中断向量号，表项称为中断门描述符、陷阱门描述符。这些门描述符为这些门描述符为8 8字节长，对应字节长，对应256256个中断向量号，个中断向量号，IDTIDT表长表长为为2KB2KB。由中断描述符表寄存器。由中断描述符表寄存器IDTRIDTR来指示来指示IDTIDT的内存地址。的内存地址。以中断向量号乘以以中断向量号乘以8 8作为访问作为访问IDTIDT的偏移，读取相应的中的偏移，读取相应的中断门断门/陷阱门描述符表项。门描述符陷阱门描述符表项。门描述符 给出中断服务子程序入给出中断服务子程序入口地址口地址(段，偏移段，偏移)，其中，其中3232位偏移量装入位偏移量装入EIPEIP寄存器，寄存器，1616位位的段值装的段值装 入入CSCS寄存器。由于此段值是选择符，还必须访问寄存器。由于此段值是选择符，还必须访问GDTGDT或或LDTLDT，才得到段的基地址。，才得到段的基地址。528.4 DMA8.4 DMA方式方式14 七月 2024一、一、DMADMA的基本概念的基本概念 直接内存访问直接内存访问(DMA)(DMA)是一种完全由硬件执行是一种完全由硬件执行I/OI/O交换交换的工作方式。在这种方式中，的工作方式。在这种方式中，DMADMA控制器从控制器从CPUCPU完全接管完全接管对总线的控制，数据交换不经过对总线的控制，数据交换不经过CPUCPU，而直接在内存和，而直接在内存和I/OI/O设备之间进行设备之间进行 。DMADMA方式一般用于高速传送成组数方式一般用于高速传送成组数据。据。538.4 DMA8.4 DMA方式方式14 七月 2024 DMADMA方式的主要优点是速度快。方式的主要优点是速度快。由于由于CPUCPU根本不参加根本不参加传送操作，因此就省去了传送操作，因此就省去了CPUCPU取指令、取数、送数等操取指令、取数、送数等操作。在数据传送过程中，没有保存现场、恢复现场之类作。在数据传送过程中，没有保存现场、恢复现场之类的工作。内存地址修改、传送字个数的计数等等，也不的工作。内存地址修改、传送字个数的计数等等，也不是由软件实现，而是用硬件线路直接实现的。所以是由软件实现，而是用硬件线路直接实现的。所以DMADMA方式能满足高速方式能满足高速I/OI/O设备的要求，也有利于设备的要求，也有利于CPUCPU效率的发效率的发挥。挥。548.4 DMA8.4 DMA方式方式14 七月 2024多种多种DMADMA至少能执行以下一些基本操作：至少能执行以下一些基本操作：(1)(1)从外围设备发出从外围设备发出DMADMA请求；请求；(2)CPU(2)CPU响应请求，把响应请求，把CPUCPU工作改成工作改成DMADMA操作方式，操作方式，DMADMA控制器从控制器从CPUCPU接管总线的控制；接管总线的控制；(3)(3)由由DMADMA控制器对内存寻址，即决定数据传送的内存单元地址控制器对内存寻址，即决定数据传送的内存单元地址及数据传送个数的计数，并执行数据传送的操作；及数据传送个数的计数，并执行数据传送的操作；(4)(4)向向CPUCPU报告报告DMADMA操作的结束。操作的结束。注意注意 在在DMADMA方式中，一批数据传送前的准备工作，以及传送方式中，一批数据传送前的准备工作，以及传送结束后的处理工作，均由管理程序承担，而结束后的处理工作，均由管理程序承担，而DMADMA控制器仅负责控制器仅负责数据传送的工作。数据传送的工作。558.4 DMA8.4 DMA方式方式14 七月 2024二、二、DMADMA传送方式传送方式 DMADMA技术的出现，使得外围设备可以通过技术的出现，使得外围设备可以通过DMADMA控制控制器直接访问内存，与此同时，器直接访问内存，与此同时，CPUCPU可以继续执行程序可以继续执行程序那么那么DMADMA控制器与控制器与CPUCPU怎样分时使用内存呢怎样分时使用内存呢?通常采用以通常采用以下二种方法：下二种方法：(1)(1)停止停止CPUCPU访内；访内；(2)(2)周期挪用；周期挪用；(3)DMA(3)DMA与与CPUCPU交替访内交替访内 568.4 DMA8.4 DMA方式方式14 七月 20241.1.停止停止CPUCPU访问内存访问内存 当外围设备要求传送一批数据时，由当外围设备要求传送一批数据时，由DMADMA控制器控制器发一个停止信号给发一个停止信号给CPUCPU，要求，要求CPUCPU放弃对地址总线、数放弃对地址总线、数据总线和有关控制总线的使用权据总线和有关控制总线的使用权DMADMA控制器获得总控制器获得总线控制权以后，开始进行数据传送在一批数据传送线控制权以后，开始进行数据传送在一批数据传送完毕后，完毕后，DMADMA控制器通知控制器通知CPUCPU可以使用内存，并把总线可以使用内存，并把总线控制权交还给控制权交还给CPUCPU图图8 816(a)16(a)是这种传送方式的时是这种传送方式的时间图很显然，在这种间图很显然，在这种DMADMA传送过程中，传送过程中，CPUCPU基本处于基本处于不工作状态或者说保持状态不工作状态或者说保持状态 578.4 DMA8.4 DMA方式方式14 七月 2024588.4 DMA8.4 DMA方式方式14 七月 2024 优点优点:控制简单，它适用于数据传输率很高的设备进控制简单，它适用于数据传输率很高的设备进行成组传送。行成组传送。缺点缺点:在在DMADMA控制器访内阶段，内存的效能没有充分控制器访内阶段，内存的效能没有充分发挥，相当一部分内存工作周期是空闲的。这是因为，发挥，相当一部分内存工作周期是空闲的。这是因为，外围设备传送两个数据之间的间隔一般总是大于内存外围设备传送两个数据之间的间隔一般总是大于内存存储周期，即使高速存储周期，即使高速I/OI/O设备也是如此。例如，软盘设备也是如此。例如，软盘读出一个读出一个8 8位二进制数大约需要位二进制数大约需要32us32us，而半导体内存，而半导体内存的存储周期小于的存储周期小于0.5us0.5us，因此许多空闲的存储周期不，因此许多空闲的存储周期不能被能被CPUCPU利用利用 598.4 DMA8.4 DMA方式方式14 七月 20242.2.周期挪用周期挪用 当当I/OI/O设备没有设备没有DMADMA请求时，请求时，CPUCPU按程序要求访问按程序要求访问内存；一旦内存；一旦I/OI/O设备有设备有DMADMA请求，则由请求，则由I/OI/O设备挪用一设备挪用一个或几个内存周期。个或几个内存周期。这种传送方式的时间图如下：这种传送方式的时间图如下：608.4 DMA8.4 DMA方式方式14 七月 2024I/OI/O设备要求设备要求DMADMA传送时可能遇到两种情况：传送时可能遇到两种情况：(1)(1)此时此时CPUCPU不需要访内，如不需要访内，如CPUCPU正在执行乘法指令。正在执行乘法指令。由于乘法指令执行时间较长，此时由于乘法指令执行时间较长，此时I/OI/O访内与访内与CPUCPU访内访内没有冲突，即没有冲突，即I/OI/O设备挪用一二个内存周期对设备挪用一二个内存周期对CPUCPU执行执行程序没有任何影响。程序没有任何影响。618.4 DMA8.4 DMA方式方式14 七月 2024 (2)I/O (2)I/O设备要求访内时设备要求访内时CPUCPU也要求访内，这就产生了也要求访内，这就产生了访内冲突，在这种情况下访内冲突，在这种情况下I/OI/O设备访内优先，因为设备访内优先，因为I/OI/O访内有时间要求，前一个访内有时间要求，前一个I/OI/O数据必须在下一个访内数据必须在下一个访内请求到来之前存取完毕。显然，在这种情况下请求到来之前存取完毕。显然，在这种情况下I/O I/O 设设备挪用一二个内存周期，意味着备挪用一二个内存周期，意味着CPUCPU延缓了对指令的延缓了对指令的执行，或者更明确地说，在执行，或者更明确地说，在CPUCPU执行访内指令的过程执行访内指令的过程中插入中插入DMADMA请求，挪用了一二个内存周期。请求，挪用了一二个内存周期。628.4 DMA8.4 DMA方式方式14 七月 2024 与停止与停止CPUCPU访内的访内的DMADMA方法比较，周期挪用的方法方法比较，周期挪用的方法既实现了既实现了I/OI/O传送，又较好地发挥了内存和传送，又较好地发挥了内存和CPUCPU的效率，的效率，是一种广泛采用的方法。是一种广泛采用的方法。但是但是I/OI/O设备每一次周期挪用都有申请总线控制设备每一次周期挪用都有申请总线控制权、建立线控制权和归还总线控制权的过程，所以传权、建立线控制权和归还总线控制权的过程，所以传送一个字对内存来说要占用一个周期，但对送一个字对内存来说要占用一个周期，但对DMADMA控制控制器来说一般要器来说一般要2 25 5个内存周期个内存周期(视逻辑线路的延迟而视逻辑线路的延迟而定定)。因此，周期挪用的方法适用于。因此，周期挪用的方法适用于I/OI/O设备读写周期设备读写周期大于内存存储周期的情况。大于内存存储周期的情况。638.4 DMA8.4 DMA方式方式14 七月 20243.DMA3.DMA与与CPUCPU交替访内交替访内 如果如果CPUCPU的工作周期比内存存取周期长很多，此的工作周期比内存存取周期长很多，此时采用交替访内的方法可以使时采用交替访内的方法可以使DMADMA传送和传送和CPUCPU同时发挥同时发挥最高的效率。假设最高的效率。假设CPUCPU工作周期为工作周期为 1.2s1.2s，内存存取，内存存取周期小于周期小于0.6s0.6s，那么一个，那么一个CPUCPU周期可分为周期可分为C1C1和和C2C2两两个分周期，其中个分周期，其中C1C1供供DMADMA控制器访内，控制器访内，C2C2专供专供CPUCPU访内。访内。648.4 DMA8.4 DMA方式方式14 七月 2024这种传送方式的时间图如下：这种传送方式的时间图如下：658.4 DMA8.4 DMA方式方式14 七月 2024 下图是下图是DMADMA与与CPUCPU交替访内的详细时图这种方式不需要总交替访内的详细时图这种方式不需要总线使用权的申请、建立和归还过程，总线使用权是通过线使用权的申请、建立和归还过程，总线使用权是通过C1C1和和C2C2分时制的。分时制的。CPUCPU和和DMADMA控制器各自有自己的访内地址寄控制器各自有自己的