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输入输出系统——第五章

输入输出系统——第五章

    • 一、概述
      • 1. 输入输出系统的发展状况
        • 1. 早期
        • 2. 接口模块和DMA阶段
        • 3. 具有通道结构阶段
        • 4. 具有I/O处理机的阶段
      • 2. 输入输出系统的组成
        • 1. I/O软件
          • 1. I/O指令
          • 2. 通道指令
        • 2. I/O硬件
      • 3. I/O设备与主机的联系方式
        • 1. I/O设备的编址方式
          • 1. 统一编址
          • 2. 不统一编址(单独编址)
        • 2. 设备选址
        • 3. 传送方式
        • 4. 联络方式
          • 1. 立即响应
          • 2. 异步工作采用应答信号
          • 3. 同步工作采用同步时标
        • 5. I/O设备与主机的连接方式
          • 1. 辐射式连接
          • 2. 总线连接
      • 4. I/O设备与主机信息传送的控制方式
        • 1. 程序查询方式
        • 2. 程序中断方式
        • 3. DMA方式
        • 4. 三种方式的CPU工作效率比较
    • 二、外部设备
      • 1. 概述
      • 2. 输入设备
        • 1. 键盘
        • 2. 鼠标
        • 3. 触摸屏
      • 3. 输出设备
        • 1. 显示器
        • 2. 打印机
      • 4. 其他
      • 5. 多媒体技术
    • 三、I/O接口
      • 1. 概述
      • 2. 接口的功能和组成
        • 1. 总线连接方式的I/O接口电路
        • 2. 接口的功能和组成
        • 3. I/O接口的基本组成
      • 3. 接口类型
        • 1. 按数据 传送方式 分类
        • 2. 按功能 选择的灵活性 分类
        • 3. 按 通用性 分类
        • 4. 按数据传送的 控制方式 分类
    • 四、程序查询方式
      • 1. 程序查询流程
        • 1. 查询流程
        • 2. 程序流程
      • 2. 程序查询方式的接口电路
    • 五、程序中断方式
      • 1. 中断的概念
      • 2. I/O中断的产生
      • 3. 程序中断方式的接口电路
        • 1. 配置中断请求器和中断屏蔽触发器
        • 2. 排队器
        • 3. 中断向量地址形成部件
        • 4. 程序中断方式接口电路的基本组成
      • 4. I/O中断处理过程
        • 1. CPU响应中断的条件和时间
          • 1. 条件
          • 2. 时间
        • 2. I/O中断处理过程
      • 5. 中断服务程序流程
        • 1. 中断服务程序的流程
        • 2. 单重中断和多重中断
        • 3. 单重中断和多重中断服务程序流程对比
        • 4. 主程序和服务程序抢占CPU示意图
    • 六、DMA方式
      • 1. DMA方式的特点
        • 1. DMA和程序中断两种方式的数据通路
        • 2. DMA 与主存交换数据的三种方式
          • 1. 停置CPU访问主存
          • 2. 周期挪用(周期窃取)
          • 3. DMA与CPU交替访问
      • 2. DMA接口的功能和组成
        • 1. DMA接口的功能
        • 2. DMA接口的组成
      • 3. DMA的工作过程
        • 1. 传送过程
          • 1. 预处理
          • 2. DMA传送过程示意
          • 3. 数据传送过程(输入)
          • 4. 数据传送过程(输出)
          • 5. 后处理
        • 2. DMA接口与系统的连接方式
          • 1. 具有公共请求线的DMA请求
          • 2. 独立的DMA请求
        • 3. DMA方式与程序中断方式的比较
      • 4. DMA接口的类型
        • 1. 选择型
        • 2. 多路型
        • 3. 多路型 DMA 接口的工作原理
    • 补充知识
      • 1. 部分逻辑电路符号
        • 1. 非门
        • 2. 与非门

一、概述

1. 输入输出系统的发展状况

1. 早期

CPU和I/O设备以分散连接的方式进行连接。

分散连接:每个设备都有独立的控制电路。

特点:

  1. CPU和I/O设备紧耦合,增减外部设备苦难
  2. CPU和I/O设备以程序查询方式进行连接,串行工作
  3. I/O设备进行输入、输出时,CPU必须运行相应程序或处于停等状态

2. 接口模块和DMA阶段

出现原因:由于外设的增多,难于增减外部设备的分散连接模式被淘汰。

这一阶段,I/O接口和DMA控制器与CPU相互配合,完成输入、输出操作。I/O设备和CPU信息交换传输控制方式有两种:

  1. 中断方式
  2. DMA方式

特点:在信息传输过程中、信息传输完成后,CPU仍要参与部分信息传输的处理工作。

3. 具有通道结构阶段

出现原因:为了使CPU和I/O设备实行并行工作,使输入输出系统数据的管理控制从主机中脱离出来。

特点:

  1. 有自己的指令系统、控制器,部分通道还有自己的存储器
  2. 通过执行通道程序,可以控制连接在通道上的I/O设备直接和主机进行信息传输。
  • 通道实际上是一种小型的DMA处理机
  • 通道程序就是由通道指令组成的程序

4. 具有I/O处理机的阶段

出现原因和通道的出现原因一致。这一阶段可以使用专用的I/O处理机管理I/O设备,同时也可以将微处理器与主机CPU一样的处理器当作I/O处理机来使用。当使用处理器作为I/O处理机来使用时,在I/O设备空闲时,该处理器可分担主机CPU的压力,帮助其执行运算任务。

2. 输入输出系统的组成

1. I/O软件

1. I/O指令

I/O指令就是CPU指令集中的一部分,I/O指令结构如下:

IO指令结构

  • 操作码:I/O指令的操作码相当于I/O指令的标志,表明这个指令是I/O指令
  • 命令码:相当于CPU指令集中普通指令的操作码,指出要对I/O设备做出什么操作
  • 设备码:I/O设备或I/O端口的地址

I/O端口:I/O设备中的某个寄存器

2. 通道指令

通道指令就是通道自身拥有的指令集。

通道的工作流程

  1. 编程人员为了使应用程序能够调用外部设备工作,在应用程序中编写了广义I/O指令,广义I/O指令给出了如下信息
    1. 参数数据传输的I/O设备
    2. 数据传输主存的首地址
    3. 传输数据的长度
    4. 传输的方向:是向I/O设备传输数据还是向主存传输数据
  2. 操作系统根据广义I/O指令给出的参数以及要执行的操作,编写一个由通道指令构成的通道程序,并将其放在内存或者通道自身的存储器的指定位置,然后启动通道进行工作
  3. 通道拿到通道程序的首地址后,执行通道程序,控制I/O设备完成相应的操作

通道指令需要给出要传输数据(数组)的首地址、传输字数、操作命令、传输方向、设备地址等。通道指令一般比较长。

关于IBM/370

  1. 通道指令长度为64位
  2. 通道的下面可以带若干个子通道,子通道可以并行工作
  3. 每个子通道可以连接多个设备控制器
  4. 每个设备控制器可以连接多个设备

2. I/O硬件

  1. 采用接口模式的I/O硬件包括:设备、I/O接口
    • 设备通过接口连接在总线上,和主机完成信息交换
  2. 采用通道模式的I/O硬件包括:设备、设备控制器、通道
    • 设备连接设备控制器,设备控制器连接子通道,子通道连接通道

3. I/O设备与主机的联系方式

1. I/O设备的编址方式

I/O设备的编址方式有两种:统一编址、不统一编址。

1. 统一编址

核心思想:把I/O设备的地址看成是内存地址的一部分,在进行内存编址时统一进行编址。

实现原理:

  1. 取内存地址中的部分地址作为I/O设备或I/O端口的地址
  2. 如果输入、输出指令或者访存指令的地址码在I/O地址范围内,那么这次的操作实际上是针对I/O设备进行的

特点:

  1. CPU可以用取数、存数指令对I/O设备进行管理、控制,不需要特定的I/O指令
  2. CPU的指令集相对简单

适用情况:当内存系统编制空间较大时,可以采用这种方式

2. 不统一编址(单独编址)

核心思想:在内存地址空间之外,专门设置一个I/O设备的地址空间

虽然两个地址空间是独立的,但他们对应的二进制代码范围,是存在重合的

比如:一个20位的内存,寻址空间为1M,在对I/O设备进行编址时,地址范围为 16 个 0   到   16 个 1 16个0 \, 到 \, 16个1 160161(即64K)。此时两个地址空间的二进制代码是存在重合的。

问题:对于相同的二进制地址,如何区分一个指令到底是对内存进行操作的还是对I/O设备进行操作的?

解决方案:采用专门的I/O指令对I/O设备进行操作。

因此这种编址方案的特点就是:有专门的I/O指令对I/O设备进行控制。

2. 设备选址

设备选择电路识别是否被选中

用CPU给出的地址和设备保存的自己的地址进行比较

3. 传送方式

  1. 串行:数据一位一位的进行传输
  2. 并行:同时有多位数据在多条数据线上进行传输,通常情况下数据线的条数是8的倍数

4. 联络方式

外部设备在接收、发送数据的响应情况。

1. 立即响应

接收到数据后立即显示,比如LED灯,在接收到数据后立即以亮/不亮的方式显示接收到的数据。

适用于一些结构简单,状态、数量比较少的设备。

2. 异步工作采用应答信号

异步工作分为两种,可以并行传输,也可以串行传输。

并行传输

并行1

CPU和接口之间一般都是并行传输,所以现在讲的异步工作应答信号主要是I/O接口和I/O设备之间采用的。

  1. I/O接口和I/O设备之间有多条数据线组成了一条类似数据总线的数据线(完成并行工作)
  2. I/O接口和I/O设备采用应答信号,比如,当I/O设备要接收数据时
    1. I/O端口将数据准备好后,通过一个== R e a d y Ready Ready==信号告诉I/O设备:端口中的数据已经准备好了
    2. I/O设备对端口中的数据进行读取,并给出应答信号
  3. 如果是I/O设备要输入数据到CPU或主机:
    1. 当I/O接口中的数据缓冲器空了后,就会向I/O设备发送== R e a d y Ready Ready==信号,告诉I/O设备,可以向I/O接口发送数据了
    2. I/O设备向I/O接口发送数据,并给出应答信号

串行传输

串行传输1

  1. 传输要有起始位和终止位,如图
    • 占1位的起始位,共 9.09 m s 9.09ms 9.09ms
    • 占2位的起始位,共 2 × 9.09 m s 2 \times 9.09ms 2×9.09ms
  2. 在起始位和终止位之间,是若干位的数据位
3. 同步工作采用同步时标

5. I/O设备与主机的连接方式

有两种连接方式:辐射式连接、总线连接。

1. 辐射式连接

就是我们前面介绍过的分散连接。

如图

辐射式连接

2. 总线连接

外部设备通过接口和主机进行连接。

接口的作用:

  1. 向外部设备传送主机的命令
  2. 向主机传送外部设备状态信息
  3. 完成数据缓存、数据格式变化等

优点:便于增删设备

4. I/O设备与主机信息传送的控制方式

1. 程序查询方式

CPU从I/O设备读数据流程图

CPU从I/O设备读数据流程图

I/O设备和I/O接口的工作流程

  1. I/O设备接到CPU指令后,开始数据准备
  2. 经过较长时间的准备后,I/O设备将准备好的数据送入I/O接口的数据缓冲区,然后I/O接口将工作状态标志转为”已准备就绪“。I/O状态保存在I/O接口的触发器中

注意:在I/O设备准备数据过程中,CPU一直在检查I/O状态,无法执行其他指令。

特点:

  1. 外部设备和内存的信息交换必须通过CPU
  2. CPU在I/O设备准备数据的过程中处于停等状态,效率低下
  3. I/O设备和CPU的工作是串行

2. 程序中断方式

I/O设备的工作过程可以分为两个阶段:

  1. 自身准备(包括数据准备)
  2. 与主机交换信息

在程序查询方式中,CPU在I/O设备工作的两个阶段都要参与。

程序中断方式对程序查询方式进行了优化:

  1. 在I/O设备的"自身准备阶段",CPU不参与I/O工作,可以执行其他程序
  2. 当I/O设备需要与主机交换信息时(自身准备已完成),CPU暂停现行程序,参与I/O工作

实例

程序中断方式

  1. CPU在执行现行程序时遇到了I/O指令
  2. CPU首先启动I/O设备,然后继续执行现行程序
  3. 当I/O设备完成自身准备==向CPU发出"中断请求"==后,CPU暂停执行现行程序,参与执行I/O设备的数据输入、输出工作
  4. 执行完I/O操作后,CPU继续执行现行程序

在这个过程中,CPU没有因I/O设备准备数据而出现"停等"现象。

优点:CPU一定程度上从I/O设备的数据输入、输出操作出解脱出来,执行效率更高了

缺点:

  1. I/O设备和内存的数据传输仍然需要CPU的参与
  2. CPU保存程序执行断点及恢复断点所耗费的指令和时间也浪费了CPU的处理效率

程序中断方式流程

程序中断方式流程

3. DMA方式

主存和I/O之间有一条直接数据通道,主存和I/O在DAM控制器控制下可以直接进行数据交换。采用的方式叫做周期挪用(周期窃取)

DMA方式工作流程(CPU在执行现行程序时,遇到I/O操作)

DMA方式工作流程

  1. CPU首先启动I/O,然后继续执行现有程序
  2. I/O设备进行自身准备,准备完成后由DMA控制器发出DMA请求
  3. CPU接到DMA请求后,让出总线的使用权一个存取周期,在这个存取周期内
    1. CPU不能使用主线访问主存
    2. CPU虽然不能使用主线,但仍可继续执行现行程序(现代计算机一般是预读指令)
  4. DMA占用总线使用权,控制主存和I/O设备进行数据交换。完成后让出总线使用权给CPU

在这个过程中:

  1. CPU不需要中断现行程序的执行
  2. CPU从I/O设备的数据输入、输出中彻底解脱出来,CPU和I/O实现了并行工作
  3. 因为数据输入、输出占用了一个存取周期的总线使用权,因此称作周期挪用方式

4. 三种方式的CPU工作效率比较

三种方式的CPU工作效率比较

发展趋势

发展趋势1

二、外部设备

1. 概述

外部设备概述1

外部设备大致分为三类:

  1. 人机交互设备 键盘、鼠标、打印机、显示器
  2. 计算机信息存储设备 键盘、光盘、磁带
  3. 机——机通信设备 调制解调器等

2. 输入设备

1. 键盘

按键,判断哪个键按下,将此键翻译成ASCII码(编码键盘法)

2. 鼠标

  1. 机械式 金属球、电位器
  2. 光电式 光电转换器

3. 触摸屏

3. 输出设备

1. 显示器

  1. 字符显示 字符发生器
  2. 图形显示 主观图像
  3. 图像显示 客观图像

2. 打印机

  1. 打击式 点阵式(逐字、逐行)
  2. 非打击式 激光(逐页)喷墨(逐字)

4. 其他

  1. A/D、D/A 模拟/数字(数字/模拟)转换器
  2. 终端 由键盘和显示器组成
    • 完成显示控制与存储、键盘管理及通信控制
  3. 汉字处理 汉字的输入、存储、输出

5. 多媒体技术

什么是多媒体?

多种媒体技术和手段相结合进行综合应用,给人以更多的视、听或者动作上的感受。

多媒体计算机的关键技术?

三、I/O接口

1. 概述

为什么要设置接口?(接口的功能)

  1. 实现设备的选择
  2. 实现数据缓冲达到速度匹配
  3. 实现数据串行——并行的格式转换
  4. 实现电平转换
  5. 传送控制命令
  6. 反应设备的状态(“忙”、“就绪”、“中断请求”)

2. 接口的功能和组成

1. 总线连接方式的I/O接口电路

如图

总线连接方式的IO接口电路

  1. 设备选择线:参与信息传输设备的设备地址或端口地址。单向线
  2. 数据线:完成数据的输入、输出。条数和接口的类型有关。双向线
  3. 命令线:来自主机的命令通过命令线来到I/O接口,命令经缓冲、译码后可以控制设备做相应的操作。单向线
  4. 状态线:将状态信息送给主机,使主机了解外部设备的状态信息。单向线

2. 接口的功能和组成

下图展示了接口的组成和其实现的功能的对应关系:

功能组成
选址功能设备选择电路
传送命令的功能命令寄存器、命令译码器
传送数据的功能数据缓冲寄存器
反应设备状态的功能设备状态标记

设备状态标记是利用一系列的触发器来实现的,下表展示了各触发器及其标记的状态

各触发器及其标记状态
触发器取值标记状态
完成触发器D0准备工作尚未完成(准备发送数据或准备接收数据)
1准备工作已经完成
工作触发器B0外部设备处于“空闲状态”
1外部设备“忙”
中断请求触发器INTR0未发出中断请求
1发出中断请求
屏蔽触发器MASK0可以发出中断请求
1主机此时处理程序的优先级高于此次I/O操作,不能发出中断请求

3. I/O接口的基本组成

IO接口的基本组成

3. 接口类型

1. 按数据 传送方式 分类

  1. 串行接口 如 Intel 8255
  2. 并行接口 如 Intel 8251

2. 按功能 选择的灵活性 分类

  1. 可编程接口 如 Intel 8255、Intel 8251
  2. 不可编程接口 如 Intel 8212

3. 按 通用性 分类

  1. 通用接口 如 Intel 8255、Intel 8251
  2. 专用接口 如 Intel 8279、Intel 8275

4. 按数据传送的 控制方式 分类

  1. 中断接口 如 Intel 8259
  2. DMA接口 如 Intel 8257

四、程序查询方式

1. 程序查询流程

1. 查询流程

单个设备

程序查询流程单个设备

多个设备

多个设备

注意:多个设备之间存在查询的优先级次序。

2. 程序流程

首先,保存寄存器的内容。原因:程序查询方式要完成内存和外部设备之间数据的输入输出,需要借助CPU中的某一个寄存器,对数据进行暂存。如果寄存器原先的数据是有用的,就需要对这些数据进行保存。保存寄存器数据后,执行如下流程:

程序流程图

程序流程

关于计数值

  • 设置计数值的目的:控制传输的数据量
  • 计数值的取值方案有两种:假如现在要传输N个字
    1. 计数器的值就设置为== N N N==。每完成一个字的传输,计数器的值-1,直到计数器值=0,说明此次传输完成,传输结束
    2. 计数器的值设置为== − N -N N==,并用补码来表示这个复数,每完成一个字的传输,计数器的值+1,当计数器值=0,传输结束

2. 程序查询方式的接口电路

程序查询方式的接口电路(以输入为例进行介绍)

程序接口电路图

  1. CPU通过地址线给出外部设备的地址
  2. 设备选择电路将自己的设备地址(或端口号)和地址线上的地址进行比较,如果相同,说明这次启动的设备就是连接在这个接口电路上的外部设备。== S E L SEL SEL==信号有效
  3. 在启动命令和== S E L SEL SEL==信号都有效的前提下,对两个状态标记进行置位:(图中的Q模块)请回忆各触发器及其标记的状态
    • 完成触发器D=0,表明数据还未准备好
    • 工作触发器B=1,表明设备开始工作,处于“忙”状态。同时触发器B启动设备,图中的②
  4. 设备开始工作后,准备数据并将数据通过输入数据线保存到数据缓冲DBR中。图中的③
  5. 数据保存到DBR后,设备的工作结束,设备通过设备的状态线向接口电路送入设备工作结束信号。图中的④。设备工作结束信号会修改接口电路中的两个状态信号:
    • 完成触发器D=1,表明数据准备好。同时这个信号会被送出,图中的⑤。在这一步之前,CPU始终处于空等状态
    • 工作触发器B=0,表明设备工作完成,处于空闲状态
  6. DBR中的数据通过数据线被送出

五、程序中断方式

1. 中断的概念

中断:CPU在执行程序过程中,如果发生特殊事件,CPU要中断当前程序的处理,去处理特殊事件,通过执行中断服务程序的方式来进行处理。处理结束后,CPU要返回到中断程序的断点,继续执行该程序。

这里的中断服务程序应该是指发出中断请求的程序

概念图

CPU中断当前程序执行时,会保存程序断点信息,继续执行该程序时会恢复断点信息。

2. I/O中断的产生

打印机引起的I/O中断

打印机引起中断

3. 程序中断方式的接口电路

学习四点内容

  1. 配置中断请求触发器和中断屏蔽触发器
  2. 排队器
  3. 中断向量地址形成部件
  4. 程序中断方式接口电路的基本组成

1. 配置中断请求器和中断屏蔽触发器

如图 重点提醒:请结合 程序查询方式的接口电路的电路图 以及 各触发器及其标记的状态 一起观看

并尝试将两张图结合在一起。同时需要注意:虽然将两张图放在一起理解,但实际上两种方式的原理是有差别的

  1. 程序查询方式在完成触发器发出完成信号之前,CPU始终处于停等状态
  2. 程序中断方式在完成触发器发出完成信号之前,CPU一直在执行自己的工作

配置中断请求触发器

  • 当== D = 1 , M A S K ‾ = 1 D=1,\overline{MASK}=1 D=1MASK=1==,两个信号经与非运算后变为0,再经非运算变为1,INTR变为1(这里方框中的1代表输出为1)
  • 当收到来自CPU的中断查询信号后,INTR值被送入CPU,产生中断请求

2. 排队器

排队器的实现有两种方式:

  • 硬件 在CPU内或在接口电路内(链式排队器)
  • 软件 见第八章

链式排队器电路图 (每一个 I N T P ‘ INTP` INTP包含了左侧的一个非门和右侧一个与非门(虚线内))。与非门工作原理

链式排队器

初始状态 (红色代表高电平,紫色代表低电平

排队电路初始状态1

请特别注意:虚线框内左侧方框中的 0 是非门输入端信号,和非门右侧信号是相反的!

  • I N T R 1 ‾ \overline{INTR_1} INTR1表示 INTR信号取非。 I N T R i ‾ = 0 \overline{INTR_i} = 0 INTRi=0​​代表i设备有请求
  1. 先来看 I N T P i ‘ INTP_i` INTPi 的初始状态
  • 先看 I N T P 1 ‘ INTP_1` INTP1
    1. 非门左侧输入为 0(图中方框中标记为输入状态),经非门后变为1 I N T P 1 ‘ INTP_1` INTP1向上的线输出为1,表现为高电平
    2. I N T R 1 INTR_1 INTR1未发出中断请求,即 I N T R 1 = 0 , I N T R 1 ‾ = 1 INTR_1=0,\overline{INTR_1}=1 INTR1=0INTR1=11 和 1 经与非门后变为 0
  • 再看 I N T P 2 ‘ INTP_2` INTP2
    1. 非门左侧输入为 0,经非门后变为1 I N T P 2 ‘ INTP_2` INTP2​向上的线输出为1,表现为高电平
    2. I N T R 2 INTR_2 INTR2未发出中断请求,即 I N T R 2 = 0 , I N T R 2 ‾ = 1 INTR_2=0,\overline{INTR_2}=1 INTR2=0INTR2=11 和 1 经与非门后变为 0
  • 依次类推,整个排队电路 I N T P i ‘ INTP_i` INTPi均表现为高电平
  1. 再来看看 I N T P i INTP_i INTPi 的初始状态
  • 经过前面的分析,我们知道:所有的 I N T P ‘ INTP` INTP 均向 I N T P INTP INTP 输入 1
  • 所有的设备都未发出请求,则所有的 I N T R INTR INTR​ 都为 0
  • 1 和 0 经与非门后输出为1,经过非门后,又变为 0
  • 即初始状态下,所有 I N T P INTP INTP 都为0

当设备1发出中断请求 (即 I N T R 1 = 1 INTR_1 = 1 INTR1=1

设备1发出中断请求

  1. 先来看 I N T P ‘ INTP` INTP
    • 先看 I N T P 1 ‘ INTP_1` INTP1
      1. 非门左侧输入为0,经非门后变为1,向上的线输出为1 I N T P 1 ‘ INTP_1` INTP1表现为高电平
      2. I N T R 1 ‾ = 0 \overline{INTR_1}=0 INTR1=01 和 0 经与非门后向右输出为 1
    • 再看 I N T P 2 ‘ INTP_2` INTP2
      1. 非门左侧输入为1,经非门后变为0,向上的线输入为0 I N T P 2 ‘ INTP_2` INTP2变现为低电平
      2. I N T R 2 ‾ = 1 \overline{INTR_2}=1 INTR2=10 和 1 经与非门后向右输出为 1
    • 之后的 I N T P ‘ INTP` INTP I N T P 2 ‘ INTP_2` INTP2一致,均表现为低电平
  2. 再来看 I N T P INTP INTP
    • 先看 I N T P 1 INTP_1 INTP1
      1. I N T P 1 ‘ = 1 , I N T R 1 = 1 INTP_1`=1,INTR_1=1 INTP1=1INTR1=11 和 1 经与非门后变为0,再经过非门表现为1,即== I N T P 1 = 1 INTP_1 = 1 INTP1=1==
    • 再看 I N T P 2 INTP_2 INTP2
      1. I N T P 2 ‘ = 0 , I N T R 2 = 0 INTP_2`=0,INTR_2=0 INTP2=0INTR2=00 和 0 经与非门后变为1,再经过非门表现为0,即== I N T P 2 = 0 INTP_2 = 0 INTP2=0==
    • 其后的 I N T P INTP INTP I N T P 2 INTP_2 INTP2 一致,均表现为 低电平

当设备2发出中断请求(即 I N T R 2 = 1 INTR_2 = 1 INTR2=1) 请自行分析(实际答案在图中给出了)

设备2发出中断请求

总结

  1. 对于 I N T P ‘ INTP` INTP
    • 初始状态下,所有的 I N T P ‘ INTP` INTP 均表现为 高电平
    • 当某一个设备发出中断请求时,其前的 I N T P ‘ INTP` INTP均表现为高电平(包括它自己),其后的均表现为低电平
  2. 对于 I N T P INTP INTP
    • 初始状态下,所有 I N T P INTP INTP 均表现为低电平
    • 当某一个设备发出中断请求时,其对应的 I N T P INTP INTP 表现为高电平,其他的均表现为低电平

3. 中断向量地址形成部件

解决问题:找到中断程序的入口地址

入口地址的产生有两种方法:

  • 由软件产生 见第八章
  • 硬件向量法 由硬件产生向量地址,再由向量地址产生入口地址

工作流程分析

img

  1. 外部设备数 = 排队电路INTP数 = 排队器输出信号数 = 中断向量地址形成部件信号输入数
  2. 排队器每次输出的信号仅包含一个1,其他均为0,中断向量地址形成部件相当于一个设备编码器,针对每一个输出给出向量地址
  3. 向量地址指向主存中的一个存储单元,生成后经数据线送往CPU
  4. CPU根据向量地址找到对应存储单元,根据存储信息找到中断服务程序的入口地址
  5. JMP代表跳转指令

4. 程序中断方式接口电路的基本组成

如图

程序中断方式接口电路的基本组成

4. I/O中断处理过程

1. CPU响应中断的条件和时间

1. 条件
  • 允许中断触发器 EINT = 1 该触发器值修改方案如下:
    1. 开中断 指令将EINT置为 1
    2. 关中断 指令将EINT置为 0 或硬件 自动复位
2. 时间
  • D = 1 D=1 D=1 M A S K = 0 MASK = 0 MASK=0

外部设备完成准备后,就着手发出中断请求,但CPU不是时刻可以处理中断请求的。因此,在CPU无法处理中断请求之时,就设置 M A S K = 1 MASK = 1 MASK=1,使外部设备无法发出中断请求。

计算机的一般设计中,CPU会在每条指令的执行阶段结束后,发出中断查询信号,判断是否有中断请求

2. I/O中断处理过程

工作流程分析 参照 程序查询方式的接口电路、排队器、各触发器及其标记的状态 自行分析

需要注意:这里 非门 框中标记的 1代表非门的输出信号为1

IO中断处理过程

这里仅对⑦⑧进行介绍,其他自行分析。

  1. 排队器电路产生输出信号(输出信号为 一个1和多个0的组合)
  2. CPU发出中断响应信号,然后设备编码器产生向量地址,通过数据线传递给CPU
  3. CPU利用向量地址取出中断服务程序入口地址或跳转指令

5. 中断服务程序流程

1. 中断服务程序的流程

中断服务程序的流程包括以下四个部分:

  1. 保护现场
    1. 程序断点的保护 中断隐指令完成
    2. 寄存器内容的保护 进栈指令完成
  2. 中断服务:对不同的 I/O 设备具有不同内容的设备服务
  3. 恢复现场:出栈指令完成
  4. 中断返回:中断返回指令

2. 单重中断和多重中断

  1. 单重中断:不允许中断 现行的 中断服务程序
  2. 多重中断:允许级别更高 的中断源 中断 现行的 中断服务程序

3. 单重中断和多重中断服务程序流程对比

单重中断和多重中断服务程序流程对比

关于开中断和关中断

  1. 单重中断:在中断服务程序执行完成并恢复断点后,才执行开中断,因此在中断服务程序执行过程中,不会出现嵌套中断
  2. 多重中断:在断点保护后就执行了开中断,此时若有更高优先级的中断服务程序出现,就会中断当前正在执行的中断服务程序

4. 主程序和服务程序抢占CPU示意图

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  • 宏观 上 CPU 和 I/O 并行 工作
  • 微观 上 CPU 中断现行程序 为 I/O 服务

六、DMA方式

1. DMA方式的特点

1. DMA和程序中断两种方式的数据通路

图示

DMA和程序中断方式的数据通路

区别:程序中断方式中主存和外部设备交换信息需要CPU的参与(虽然不是全程参与),而DMA方式不需要CPU的参与

2. DMA 与主存交换数据的三种方式

1. 停置CPU访问主存

CPU让出总线使用权和主存访问权,交给DMA。DMA控制外部设备和主存进行信息传输,此时CPU的工作状态可能是:

  1. CPU缓存中有预读指令,CPU继续工作
  2. CPU缓存中无预读指令,CPU处于不工作状态保持状态

示意图

停止CPU访问主存

  • 优点:控制简单
  • 缺点:未充分发挥CPU对主存的利用率
2. 周期挪用(周期窃取)

周期挪用回顾

DMA访问主存有三种可能:

  • CPU没有访问主存:DMA直接获取主存访问权
  • CPU正在访问主存:DMA等待CPU访问完成
  • CPU和DMA同时请求访存:此时 CPU 将总线控制权、主存访问权让给 DMA

示意图

周期挪用1

3. DMA与CPU交替访问

将CPU工作周期拆分成两个部分:

  • C 1 C_1 C1 专供DMA访存
  • C 2 C_2 C2 专供CPU访存

示意图

DMA与CPU交替访问

优点:不需要申请建立和归还总线的使用权

2. DMA接口的功能和组成

接口的功能决定了接口的组成

1. DMA接口的功能

  1. 向CPU申请DMA传送
  2. 处理总线控制权的转交
  3. 管理系统总线、控制数据传送
  4. 确定数据传送的首地址和长度。
    • 修正传送过程中的数据地址和长度
  5. DMA传送结束时,给出操作完成信号

2. DMA接口的组成

DMA接口组成

3. DMA的工作过程

1. 传送过程

1. 预处理

通过几条输入输出指令预置如下信息:

  • 通知DMA控制逻辑传送方向(入/出)
  • 设备地址——> DMA的DAR
  • 主存地址——> DMA的AR
  • 传送字数——> MA的WC
2. DMA传送过程示意

DMA传送过程示意

3. 数据传送过程(输入)

过程分析

DMA数据传送过程(输入)

  • ①:设备将数据送入数据缓冲寄存器BR
  • ②:设备向DMA控制逻辑发出申请信号DREQ
  • ③:DMA控制逻辑向CPU请求DMA服务,发出总线使用权的请求信号HRQ
  • ④:CPU在允许的情况下给出应答信号HLDA,放弃总线使用权和主存的访问权
  • ⑤:主存地址寄存器AR数据在主存中的首地址送到主存地址寄存器
  • ⑥:DMA控制逻辑给出设备应答信号DACK,通知设备已经被授予一个DMA周期
  • ⑦:BR中的数据经数据线传输给主存,在这个过程中,每传输一个字: A R + 1 , W C + 1 AR + 1, WC + 1 AR+1,WC+1,同时判断是否传输完成,未完成就继续。从步骤 1 开始
  • ⑧:计数器溢出时(全0),表示一批数据交换完毕,WC向中断机构发出溢出信号,(INTR被置为1)中断机构向CPU发出中断请求信号。CPU响应中断请求后,通过执行中断服务程序来进行后处理
4. 数据传送过程(输出)

DMA数据传送过程(输出)

和输出的区别在于①、⑦

  • ①:BR中的数据写入外部设备。此时BR已经空了,外部设备会在第②步发出DREQ信号
  • ⑦:主存中的数据,在DMA控制下经数据线写入BR
5. 后处理

后处理处理的工作有:

  1. 校验送入主存的数据是否正确
  2. 判断是否继续用DMA
  3. 测试传送过程是否正确,错则转诊断程序

这些工作由CPU执行中断服务程序来完成

2. DMA接口与系统的连接方式

1. 具有公共请求线的DMA请求

如图

具有公共请求线的DMA请求

特点如下:

  1. 共享一条DMA请求线
  2. 越靠近CPU的DMA接口,优先级越高
  3. CPU通过DMA响应线进行链式的查询
2. 独立的DMA请求

独立的DMA请求

特点:

  1. 每个DMA接口有自己独立的请求线和响应线
  2. DMA请求的优先级排序在CPU中实现

3. DMA方式与程序中断方式的比较

比较项目中断方式DMA方式
数据传送程序,需CPU参与硬件,不需要CPU参与
响应时间指令执行结束存取周期结束
处理异常情况不能
中断请求目的传送数据后处理
优先级

4. DMA接口的类型

1. 选择型

如图

选择型DMA接口

特点:

  • 物理上:DMA接口连接了多个外部设备
  • 逻辑上:只允许连接一个设备,不支持连接多个设备同时工作。(只有当一个设备传输完成后,才能连接另一个设备)

2. 多路型

如图 每个子通道就是一个小型的DMA处理器

多路型DMA接口

特点:

  • 物理上:连接多个设备
  • 逻辑上:允许连接多个设备同时工作

3. 多路型 DMA 接口的工作原理

如图

多路型DMA接口的工作原理

补充知识

1. 部分逻辑电路符号

1. 非门

非门

输入与输出

到达非门前(即A)通过非门后(即B)
10
01

2. 与非门

与非门

输入与输出

ABY
001
011
101
110

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