第6章输入输出系统.ppt

《第6章输入输出系统.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第6章输入输出系统.ppt（82页珍藏版）》请在优知文库上搜索。

1、第6章 输入输出系统1第6章 输入/输出系统6.1 输入/输出系统概述6.2 程序直接控制方式6.3 程序中断控制方式6.4 直接存储器存取方式6.5 通道方式6.6 总线技术第6章 输入输出系统26.1 输入输出系统概述计算机系统可划分为：CPU子系统存储器子系统输入输出子系统主机系统输入输出子系统包括：外部设备、设备控制器（I/O接口）外设与主机交换信息一般是以总线作为传送信息的枢纽，并在主机与外设之间设置I/O接口，在程序或硬件的控制下完成输入/输出操作。提供主机系统与外界进行交往或通信的手段第6章 输入输出系统3不把外设直接连到系统总线的原因:1)各外设使用不同的操作方法。2)外设数据

2、传送速度较存储器、CPU慢。3)数据格式不同。I/O 接口 连接到外设 CB AB DB 系统总线 第6章 输入输出系统46.1.1 I/O接口的主要功能及基本组成n用于连接主机与外设的转换机构即I/O接口电路，简称I/O接口。1）I/O接口的基本功能实现主机与外设间的数据传送控制。实现数据缓冲，以达到主机与外设间的速度匹配。接受主机命令，提供设备接口的状态，并按照主机的命令控制设备。第6章 输入输出系统52）I/O接口的基本组成 数据 状态 控制 数据 控制 数据 地址 主机 外设识别 数据、命令、状态 控制逻辑 外设 变换器 缓冲器 控制逻辑 值得注意：状态信息、控制信息、数据信息在主机与

3、接口间都是通过数据总线交换的。第6章 输入输出系统63）I/O接口的分类 按接口和外设间的数据传送格式可分类为：串行接口和并行接口 按主机访问I/O设备的控制方式分类为:程序查询接口、中断接口、直接存储器存取（DMA）接口等 按接口所连的总线分类为：ISA总线接口、EISA总线接口、PCI总线接口等 某种外设所连接口还可按它的接口标准分类，如VGA接口、AGP接口等。按接口所连设备的类型分类为：CRT接口、A/D转换接口、D/A转换接口、硬盘驱动器接口、网络接口等第6章 输入输出系统76.1.2 外设的识别和端口寻址1）外设的识别识别外设是通过地址总线和I/O接口电路中的外设识别电路实现的。主

4、机与外设进行信息传输，在接口中必须有些寄存器或特定的硬件电路供主机直接存取。这些能被主机直接访问的寄存器或特定的硬件电路称为I/O端口。I/O端口地址是主机和外设直接通信的地址。若干个端口（通常有：数据端口、控制端口、状态端口）加上相应的控制逻辑电路组成接口。第6章 输入输出系统82）I/O端口地址的编址方式统一编址（存储器映射方式）PDP11机采用统一编址方式，把主存的高4KB地址（f000h-ffffh）留给外设寄存器和CPU寄存器。独立编址（I/O映射方式）INTEL 80 x86采用独立编址方式，I/O地址空间由64K个8位端口组成，二个连续的8位端口可作为16位端口处理，四个连续的8

5、位端口可作为32位端口处理。第6章 输入输出系统96.1.3 I/O数据传送控制方式程序直接控制方式程序中断控制方式直接存储器存取方式（DMA）I/O通道控制方式外围处理机方式第6章 输入输出系统106.2 程序直接控制方式n通过程序来控制主机与外设的数据交换。一般在程序中安排相应的I/O指令，通过这些指令直接控制外设的工作。n程序直接控制方式又分为两种情况无条件传送方式条件传送方式第6章 输入输出系统116.2.1 无条件传送方式D0-D7RD1地址译码A0-A15M/IO1WR输出锁存器往输出设备输入缓冲器来自输入设备第6章 输入输出系统12由CPU查询外设的运行状态，直接利用I/O指令控

6、制数据的传送过程。也称程序查询方式。该方式要求CPU与外设间的接口电路需要两个端口：数据端口和状态信息端口。6.2.2 条件传送方式第6章 输入输出系统131）查询输入方式接口的基本结构及工作过程 输入设备数据选通RDDQR+5V11锁存器数据缓冲器（8）D0-D7地址译码A0-A15M/IO缓冲器（1）READY第6章 输入输出系统142）查询输出方式接口的基本结构及工作过程地址译码A0-A15M/IO1WR输出设备数据1QDR+5V缓冲器（1）BUSY锁存器D0-D7ACKRD第6章 输入输出系统15程序控制传送方式的缺点程序控制传送方式需要不断查询外设的状态，大量时间花在等待循环中，当主

7、机与中、低速外设交换信息时，大大降低了CPU的利用率；CPU与外设串行工作；不能发现和处理随机事件（如：错误和异常）。第6章 输入输出系统166.3 程序中断传送方式n当外设数据准备完毕时向CPU发出中断请求，CPU响应中断时完成数据的传送过程。6.3.1 中断的基本概念6.3.2 中断请求和中断判优6.3.3 中断响应和中断处理6.3.4 多重中断与中断屏蔽6.3.5 程序中断方式接口的基本结构及工作过程 第6章 输入输出系统176.3.1 中断的基本概念1）什么是中断?n由于外设的请求或某事件的发生迫使CPU暂停执行现行程序，而转至另一中断服务程序去处理相应的请求或事件，处理完毕后再返回运

8、行原程序，这一全过程称为中断。断点主程序中断服务程序中断请求中断处理继续执行中断返回中断响应第6章 输入输出系统182）中断源n引起中断的事件，即发出中断请求的来源，称为中断源。n中断源类型I/O设备、定时时钟等来自CPU外部的中断，又称为外部中断。CPU硬件故障或执行指令异常引起的中断。由陷阱指令产生的软中断，它是编程人员在程序中预先安排好的，通常用于实现操作系统的调用及方便用户调试程序，它不具有随机性。第6章 输入输出系统193）中断系统n中断系统是为实现中断而设置的各种硬件和软件，它包括中断控制逻辑及相应管理中断的指令。n中断系统的功能能响应中断，处理中断及返回；能实现中断优先权排队，在

9、多个中断源同时提出中断请求时，能根据各中断源的轻重缓急确定首先响应哪一中断源的请求；能实现中断的多级嵌套，高级中断能中断低级中断。第6章 输入输出系统204）中断的作用 CPU与外设并行工作，多个外设亦可并行工作现行程序中断服务程序CPU外设启动中断请求启动响应返回中断请求响应启动返回第6章 输入输出系统21 故障处理 实时处理 实现人机联系（调试程序设置断点）实现多道程序和分时操作（定时中断）多处理机系统中各处理机间的联系第6章 输入输出系统225）中断全过程（1）中断请求（2）中断判优（3）中断响应（4）中断处理（5）中断返回执行中断服务程序完成第6章 输入输出系统236.3.2 中断请求

10、和中断判优1）中断请求n中断源发中断请求信号，送至CPU的中断请求线，一般要求接口电路设置：中断请求触发器中断屏蔽触发器n中断请求触发器：用于锁存请求信号，当CPU响应中断后，撤消本次中断请求。多个中断触发器构成中断寄存器。中断寄存器的内容称为中断字。第6章 输入输出系统242）中断判优n对于同时出现的多个中断请求，CPU应首先响应哪一个请求?n对中断优先权的判定采用三种方法软件查询硬件排队专用硬件（例如：中断控制器8259A）（1）软件查询方式n查询次序体现了事先规定好的优先级，最先查询的中断源优先级最高。第6章 输入输出系统25第6章 输入输出系统26（2）硬件排队 110111 1101

11、00 110101 INTS2 INTS1 INTI INTA V INTR1 INTR2 INTR3 INTO INTS3 0 1 2 总线 3 4 5 链式优先权排队电路编码电路第6章 输入输出系统276.3.3 中断响应和中断处理1）中断响应（1）中断允许触发器n对于中断源的中断请求，CPU并不一定响应。CPU在运行一些重要程序时，不希望外界去干挠。为此，在CPU的内部设置中断允许触发器IFF。CPU对紧急事件的响应处理不受IFF的控制，只要有请求，CPU就立即响应。这种不受IFF控制的中断称为“非屏蔽中断”。第6章 输入输出系统28（2）CPU响应中断条件nCPU响应中断必须满足以下几

12、个条件：CPU中断请求线上的信号有效，即中断请求触发器置1，且不被接口的屏蔽触发器所屏蔽；CPU内部的中断允许触发器IFF置1，即开中断（对于非屏蔽中断，此条件不起作用）；现行指令运行结束。第6章 输入输出系统29（3）中断响应操作nCPU响应中断，进入中断响应周期，一般由硬件自动完成以下三个操作（称为中断隐指令）：关中断。屏蔽CPU内部的中断允许触发器，不允许CPU接受新的中断请求，以免在保护断点和现场时被其它中断干挠。（或软件关）保留程序断点地址，以便在中断服务之后返回原程序。转入中断服务程序执行。同时由硬件电路撤消中断请求信号。第6章 输入输出系统30（4）转向中断服务程序入口地址的方法

13、n一般采用两种方式：向量中断和非向量中断。n向量中断：目前应用广泛的方法。n向量中断提供中断服务程序入口地址有两种方法：被选中的设备直接产生中断向量。采用间接寻址方式通过中断跳转表（中断向量表）转到中断服务程序的入口。第6章 输入输出系统31起始段主体段结尾段设置新屏蔽字保护现场及旧屏蔽字开中断具体的中断服务关中断恢复现场及旧屏蔽字开中断中断返回中断处理2）中断处理及中断返回第6章 输入输出系统326.3.4 多重中断与中断屏蔽1）多重中断nCPU在执行某个中断服务程序中，接收到新的较高级中断请求，从而中断正在处理的中断，响应优先级别高的中断请求，在进入运行新的中断服务程序中，又出现了更高级的

14、中断请求如此一个中断请求尚未处理完，又转而处理新的中断请求，称为多重中断或称为中断的多级嵌套。第6章 输入输出系统33n实现多重中断需要注意的两个问题：在中断服务程序执行过程中必须开放中断。必须加入屏蔽本级和较低级的中断请求的环节，保证只有高级中断源才能中断低级的中断处理。第6章 输入输出系统342）中断屏蔽n用程序方式有选择地封锁部分中断，而允许其余部分中断仍能得到响应称为中断屏蔽。实现方法：为每个中断源设置一个中断屏蔽触发器，来屏蔽该设备的中断请求。通常把多个中断源的中断屏蔽触发器组成一个中断屏蔽寄存器，其内容称为屏蔽字。屏蔽字由程序设置。当屏蔽字某位为“1”时，对应中断源中断请求信号被“

15、屏蔽”，否则允许中断请求信号送至CPU的请求线。第6章 输入输出系统35 中断屏蔽寄存器 编 码 器 排 队 电 路 向 量 地 址 INTR 1 0 0 0 0 1 1 1 中断请求寄存器 I1 I2 I3 I4 第6章 输入输出系统36I1 I2 I3 I4，则各级屏蔽字为：n在保护现场与开中断间送入新屏蔽字中断处理程序屏蔽字I1I2I3I4I11111I20111I30011I40001第6章 输入输出系统37例如：在Tx时刻I1、I2和I4级同时产生中断，在中断处理完毕后，在Ty时刻I3级发出申请，在CPU为I3服务时，I1级发出请求，在CPU为I1服务时，I2级发出请求。则CPU的运

16、行轨迹：中 断 服务 程 序 I1 I2 I3 I4 现 行 程 序 I1,I2 I4 Tx I3Ty I1 I2 第6章 输入输出系统383）中断升级n中断屏蔽字的另一个作用是可以改变中断处理的次序。若中断响应的优先级次序为I1 I2 I3 I4，各级屏蔽字为：中断处理程序屏蔽字I1I2I3I4I11111I20100I30110I40111中断处理的次序：I1 I4 I3 I2第6章 输入输出系统39例如：在Tx时刻I1、I2和I4级同时产生中断，在中断处理完毕后，在Ty时刻I3级发出申请，在CPU为I3服务时，I1级发出请求，在CPU为I1服务时，I2级发出请求。则CPU的运行轨迹：中断服务程序 I1 I2 I3 I4 现行程序 I1,I2 I4 Tx I3Ty I1 I2 第6章 输入输出系统406.3.5 程序中断方式接口的基本结构及工作过程 地址译码A0-A15M/IO输入锁存器输入缓冲器（8）D0-D7QU1INTRQ +5V中断 请求INTARD1U2选通输入设备中断屏蔽中断类型码第6章 输入输出系统416.4 直接存储器存取方式n直接存储器存取（Direct Memo