计算机组成原理第八章输入输出系统
计算机组成原理 第八章 输入输出系统
外围处理机方式
8．3 程序中断方式
一、 中断的基本概念
从此过程可以 总结：
1. 发生中断了和 响应中断区别 是什么？
2. 一条指令执行 过程会被中断 吗？
3. 中断周期是由 硬件完成的 4. 当一个中断服 务程序执行结 束后，会马上 响应新的中断 吗？
一些问题：P243
(1) CPU只有在当前一条指令执行完毕后（公操作）才受理设 备的中断请求。（中断源锁存器） (2) 为了正确地返回到原来主程序被中断的断点(PC内容)而继 续执行主程序，必须保存程序计数器PC的内容到堆栈中去，称 保存断点。 (3)在进入设备服务之前，当前程序的CPU状态要保存到堆栈中 去。这些操作叫做保存现场。 (4) 当CPU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。（中断屏蔽 寄存器、中断 优先级） (5) 中断处理过程是由硬件和软件结合来完成的。
四、多级中断
每一个中断源都有一个优先级，优先级高的中断 可以打断优先级低的中断的执行，即中断可以嵌 套执行。
•第一，中断请求寄存器，中断屏 蔽寄存器 根据系统的配置不同，多级中断可分为一 •第二，一维和二维，二维在同级 内不能再中断 维多级中断和二维多级中断 •第三，响应逻辑由硬件实现，二 优先权与优先级的区 维采用独立请求与链式查询结合 别是… 一维多级中断是指每一级中断里只有一个中断源 •第四，用堆栈保存现场信息 二维多级中断是指每一级中断里又有多个中断源。
8．2．5 中断控制器
是一个集成电路芯片，它将中断接口与优级判断 等功能汇集于一身。
8259为例
程序中断方式总结
中断请求是外围设备向CPU发出的 CPU响应中断就会执行相应的中断程序 中断处理过程 中断过程是CPU中的中断部件和中断接口配合 完成的 单级中断就是中断程序不能再被打断 中断向量是… 多级中断 中断控制器是中断接口与优先级判断等功能集 成在一起
计算机组成原理第8章 输入输出系统
8.1 输入/输出系统概述
8.1.2 I/O设备的寻址方式
在独立编址方式中，主存地址空间和I/O端口地址空间是相对独 立的，分别单独编址。例如，在8086系统中，其主存地址范围是从 00000H～FFFFFH连续的1 MB，其I/O端口的地址范围从0000H～ FFFFH，它们互相独立，互不影响。CPU访问主存时，由主存读写 控制线控制；访问外设时，由I/O读写控制线控制，所以在指令系统 中必须设置专门的I/O指令。
8.3 程序中断方式
8.3.2 中断的工作过程
一个计算机系统包含多个中断源。由于中断产生的随机性， 使得有可能在某一时刻有多个中断源向CPU发出中断请求，但是 CPU在任意时刻只能响应并处理一个中断。
中断优先级判定的方法一般有两种：软件判优和硬件判优。
8.3 程序中断方式
8.3.2 中断的工作过程
读取外设状态字
程
外设准备就绪？
序 查
询
方
传送一次数据
式 的
工
修改传送数据
作
流
程
传送完否？
结束
8.2 程序查询方式
8.2.2 程序查询方式的接口
数
输 入 设 备
锁
据
存
缓
器
冲
器
三
R
态
DQ
缓 冲
器
地址 译码
8.2 程序查询方式
8.2.2 程序查询方式的接口
数
据
锁
存
器
地
输
址
出
译
设
码
备
R
QD
状 态 寄 存 器
8.3 程序中断方式
8.3.1 中断的基本概念
计算机组成原理第八章输入输出系统
计算机组成原理第八章输入输出系统1. 概述输入输出系统是计算机的重要组成部分，它负责处理计算机与外部设备之间的数据交换。
本文将介绍计算机组成原理第八章输入输出系统的相关内容。
2. 输入输出系统的基本概念输入输出系统是计算机与外设之间数据传输和控制的桥梁。
它由输入和输出两部分组成。
输入系统负责将外设传输的数据转换为计算机可识别的形式，输出系统则将计算机处理的数据转换为外设可识别的形式。
输入输出系统通常由输入输出设备、输入输出接口和输入输出控制器组成。
输入输出设备包括键盘、鼠标、扫描仪等，输入输出接口实现设备与计算机之间的数据传输，输入输出控制器负责控制输入输出接口的工作。
3. 输入输出系统的工作原理输入输出系统的工作可以分为五个阶段：命令传递、数据传送、缓冲操作、中断处理和错误处理。
命令传递阶段是指计算机向输入输出设备发送控制信息，包括读写命令、纠错命令等。
数据传送阶段是指计算机将数据从存储器传送到输入输出设备或将输入输出设备的数据传送到存储器。
缓冲操作阶段是指输入输出设备与计算机之间的数据缓冲区进行数据交换，以提高数据传输效率。
中断处理阶段是指在输入输出过程中，若发生异常情况会触发中断并由中断处理程序进行处理。
错误处理阶段是指在输入输出过程中，若发生错误会进行相应的错误处理操作。
4. 输入输出系统的分类输入输出系统可以根据数据传输方式进行分类，常见的分类有程序控制输入输出和直接存储器访问输入输出。
程序控制输入输出是指计算机通过控制程序来实现输入输出设备的数据传输和控制。
它的优点是控制灵活、适用范围广，但缺点是效率低，对计算机性能有较大的影响。
直接存储器访问输入输出是指计算机通过专门的输入输出控制器直接与存储器进行数据交换。
它的优点是效率高，不会对计算机性能产生较大影响，但缺点是硬件复杂，需要专门的输入输出控制器支持。
5. 输入输出系统的性能指标输入输出系统的性能指标主要包括响应时间、吞吐量和可靠性。
《计算机组成原理》输入输出系统PPT课件
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类型号 0
中 断 类型号 8 向 量 表
类型号 255
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偏移地址 0000 : 0000
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程序查询方式的接口
②
①
④ ⑤
⑥
③
① CPU向接口写入控制字； ② 接口启动外设； ③ 外设开始准备数据，并提
供到外部数据总线； ④ 外设工作完成后，发回响
应信号给接口； ⑤ 接口接收数据到内部，并
设置就绪状态； ⑥ CPU读到就绪状态，执行
输入指令，读入数据；
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0000 : 03FF
中断类型号 每个中断向量 在中断向量表 中的序号，值 为0－255。
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中断类型号与中断向量
中断类型号（n）4 ＝ 中断向量在表中的偏移地址 如：n＝8，则应从向量表20H~23H中取出中断向量
CPU使用向量中断的过程：
中断源提供 中断类型号n
CPU转向中断 服务程序执行
4
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8.3.1 中断的基本概念
中断服务程序与中断时CPU正在运行的程序是相互独立的，相 互不传递数据。
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有关中断
中断处理过程是由硬件和软件结合来完成的。
为什么要使用中断？
解决速度问题，使CPU和I/O并行工作；
对意外情况(如磁盘损坏、运算溢出等)能够及时处理。
在实时控制领域中，及时响应外来信号的请求。
接口管理程序
计算机组成原理第8章-输入输出系统
第八章输入输出系统8.1输入输出设备的编址方式8.2 总线结构8.2.1 概述总线是传送信息的通路，在计算机系统中使用的总线可分成3类：(1)计算机系统中各部件内部传送信息的通路。
例如：运算器内部寄存器与寄存器之间、寄存器与算术逻辑运算单元(ALU)之间的传送通路，通常称之为内部总线。
(2)计算机系统中各部件之间传送信息的通路。
例如CPU与主存储器之间，CPU与外设端口之间传送信息的通路，通常称之为“系统总线”。
(3)计算机多机系统内部各计算机之间传送信息的通路，通常称之为“机间总线”或“多机总线”。
本节中讨论的主要是CPU与外设接口之间的系统总线，又可称作输入输出总线，简称I／O总线。
提到总线，人们马上会想到它由许多条传输线构成，这些传输线的总条数称作总线的宽度，连接在一条总线上常常有多个设备或部件，因此常被称作共享总线或分时总线。
因为不管一条总线上连接了多少个设备，任何时候只能有两个设备利用总线进行通信，一是信息发送者，一是信息接收者。
于是就应该有一个部件来确定当前总线由哪两个设备来使用。
如果有多个部件申请使用总线时，还应该由它根据申请者的优先级别来确定使用总线的优先次序，所有这些功能要由总线控制逻辑来完成。
因此总线应该是由一定数量的传输线和总线控制器两部分构成。
总线控制器可以是集中式的，集中在某个部件内部，也可以是分散式的，分散在共享总线的多个部件中。
8.2.2总线的控制方式以集中式总线控制方式为例来说明常用的3种总线控制与仲裁方式。
1．串行链式查询方式采用串行链式查询方式来实现判优功能的连接图如图8－3所示。
从图8-3中可以看出，该总线上连接着多个部件，对各个部件来说，除了共享数据总线和地址总线外，还有3条控制线(构成控制总线)：总线请求信号线(BR)、总线忙信号线(BS)和总线认可信号线(BG)。
由于总线认可信号线对共享总线的多个部件来说形成了一条串行的链，故串行链式查询方式因此而得名。
计算机组成原理输入输出系统
“输入数据查询程序”基本结构： DATA SEGMENT BUF DB X DUP(?) LEN DW X DATA ENDS CODE SEGMENT ASSUME CS:CODE DS:DATA START: MOV BX,OFFSET BUF AGAIN: IN AL,命令状态端口 TEST AL,01H JE AGAIN IN AL,数据端口 MOV [BX],AL INC BX DEC LEN JNZ AGAIN
主程序与中断相关的程序段
DATA SEGMENT BUF DB X DUP(?) POINT DW X DATA ENDS CODE SEGMENT ASSUME CS:CODE DS:DATA START: MOV AX, OFFSETSET INTEX MOV [4*N], AX MOV AX,SEGINTEX MOV [4*N+2] ,AX IN AL，屏蔽字地址 AND AL,0FEH OUT 屏蔽字地址,AL STI
程序查询方式
CPU循环执行查询程序以确定与外部设备 交换的信息或数据是否已到达或准备好。
软件：查询程序 问题：查询程序怎样知道 数据是否已准备好
硬件：状态寄存器、数据 寄存器、相关电路
程序查询方式
1）访问内存也是通过系统总线给出地址，如何知道一个时 间系统总线上给出的地址是用来访问memory的，还是用来 访问i/o设备的？2）此为输入设备还是输出设备？
例：现有A 、B 、C 、D 共４ 个中断源，其优 先级由高向低按A 、B 、C 、D 顺序排列。若 中断服务程序的执行时间为２０μs ，请根据 图所示时间轴给出的中断源请求中断的时刻， 画出CPU 响应中断的轨迹。
例：实现多重中断应具备何种条件？ 如有A 、 B 、C 、D 共４ 级中断，A 的优先级最高，B 次之，⋯ ⋯ ，D 最低。如在程序执行过程中， C 和D 同时申请中断，该先响应哪级中断？如 正在处理该中断时，A 、B 又同时有中断请求， 试画出该多级中断处理的流程来。
计算机组成原理 第八章 输入输出系统
• 应用： 适同在CPU不太忙 且传送速度要求不高时。
Байду номын сангаас开始
读取状态
数据准备好？
是
否
交换并处理一个数据
否 操作完成？
是 结束
2、程序中断方式
• 工作原理：在外设准备数据时， CPU执行与传送 数据无关的工作，外设在准备好数据后，主动向 CPU发送一个中断请求，当CPU执行完当前指令 后，停止当前程序的执行，自动转向中断服务程 序，在中断服务程序中，完成一个数据的传送， 之后中断返回至原来的断点处，继续执行。
基本概念——CPU和外围设备的定时
• CPU和外围设备的定时，分为三种情况：
◦ 慢速外围设备 ◦ 中速外围设备 ◦ 高速外围设备
基本概念——CPU和外围设备的定时
• 速度极慢或简单的外围设备：对于这类设备CPU 总是能足够快地作出响应，也可以说，CPU认为 输入的数据一直有效，在这种情况下，CPU只要 接受和发送数据就可以了。
基本概念——CPU和外围设备之间信息交换的方式
• CPU和外设之间信息交换的方式： ◦ 程序查询方式 ◦ 程序中断方式 ◦ 直接内存访问（DMA）方式 ◦ 通道方式
基本概念——CPU和外围设备之间信息交换的方式
1、程序查询方式
• 工作原理：CPU查询外设 已准备好后，才传送数据。
• 特点：CPU与外设间通过 程序同步，CPU被外设独 占，CPU效率低下。
• 特点：能独立地执行用通道指令编写的输入输出 控制程序，产生相应的控制信号送给由它管辖的 设备控制器，继而完成复杂的输入输出过程。
• 要求：需要具有特殊功能的处理器，某些应用中 称为输入输出处理器（IOP）。
计算机组成原理第八章输入输出系统
读/写逻辑决定数据传送的方向，其中IOR为读控制，IOW为 写控制，CS为设备选择，A0为I/O
计算机组成原理第八章输入输出系统
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8.3.5中断控制器
多个8259进行级联以处理多达64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制器， 称为主从系统。
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8.3.2程序中断方式的基本接口
设备选择器。设备选择器用来判别总线上 送出的地址（或称呼叫的设备）是否为本 设备，它实际上是设备地址的译码比较电 路。
BS外设接口忙（BuSy）标志 RD外设准备就绪（ReaDy）标志 EI（Enable Interrupt中断允许触发器） IR（Interrupt Request）中断请求触发器 IM（Interrupt Mask）中断屏蔽触发器 ⑨表①示表在示中④控⑤由断⑥将表表制程⑦后服表 中示示信序表受务（示断当允号启示理程②③1在请设许，0动如外序表表）一求备中将外果设通示示表条线动断数⑧设“的过接数示指的作标据表，中中输口据C令请结志“示将断 断入P向 由执求束准E转U该屏请指I外外行信为或备计发向外蔽求令算设设末号“缓就出该机设”，把发传尾接1冲绪组控设接”标向接成出送时收C寄”制备原口志外口P启到，到存标理信的U设I中第动接接M“器志号检中八“发数为信口口中数R章C查断忙出据输“D将号的向断据中服入”置响缓0接；缓C请填输断”务标“P应时冲出口冲求满请U程系志1中，寄中寄发””时统求序；B断C存的存出标，线S入P信器置B器中志U设，口S号的在“；断I备和R；并数一1请；向R”关据，条D求接标闭读“指信口志中至准令号送复断C备执；出P位；就行U一。绪结中”束的标寄1志3存R器D；清
③轮换优先级方式B：要求CPU可在任何时间规定最优 优先级，然后顺序地规定其他IR线上的优先级。
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第八章输入输出系统
一、填空题；
1.直接内存访问（DMA）方式中，DMA控制器从CPU完全接管对A.______的控制，数据交换不经过CPU,而直接在内存和B.______之间进行。
2.通道是一个特殊功能的A.______ ，它有自己的B.______ 专门负责数据输入输出的传输控制。
3.并行I/O接口A.______ 和串行I/O接口B.______ 是目前两个最具有权威性的标准接口技术。
4.在计算机系统中，CPU对外围设备的管理，除了程序查询方式、程序中断方式外，还有A.______方式、B.______方式和C.______方式。
5.程序中断方式控制输入输出的主要特点是，可以使A 和B 并行工作。
6.DMA控制器按其A 结构，分为B 型和C 型两种。
7.通道是一个特殊功能的A ，它有自己的B 专门负责数据输入输出的传输控制，CPU只负责C 功能。
8.通道有三种类型：A 通道、B 通道、C 通道。
二、选择题：
1.下面有关“中断”的叙述，______是不正确的。
A.一旦有中断请求出现，CPU立即停止当前指令的执行，转而去受理中断请求
B.CPU响应中断时暂停运行当前程序，自动转移到中断服务程序
C.中断方式一般适用于随机出现的服务
D.为了保证中断服务程序执行完毕以后，能正确返回到被中断的断点继续执行程
序，必须进行现场保存操作
2.中断向量地址是______。
A. 子程序入口地址
B. 中断服务例行程序入口地址
C. 中断服务例行程序入口地址的地址
D. 主程序返回地址
3.在数据传送过程中，数据由串行变并行或由并行变串行，其转换是通过______。
A. 移位寄存器
B. 数据寄存器
C. 锁存器
D. 指令寄存器
4.采用DMA方式传送数据时，每传送一个数据要占用______的时间。
A. 一个指令周期
B. 一个机器周期
C. 一个时钟周期
D. 一个存储周期
5.发生中断请求的条件是______。
A. 一条指令执行结束
B. 一次I/O操作开始
C. 机器内部发生故障
D. 一次DMA操作开始
6.为了便于实现多级中断，保存现场最有效的方法是采用______。
A. 通用寄存器
B. 堆栈
C. 存储器
D. 外存
7.采用串行接口进行七位ASCII码的传送，带有一位奇校验位、一位起始位和一位停止位，当波特率为4800波特时，字符传送速率为___。
A．480 B. 436 C. 685 D. 240
8.在单级中断系统中，CPU一旦响应中断，则立即关闭___标志，以防止本次中断服务结束前同级的其他中断源产生另一次中断进行干扰。
A．中断允许 B. 中断请求 C. 中断屏蔽
9.通道程序是由______组成。
A.I/O指令
B.通道指令（通道控制字）
C.通道状态字
10.在数据传送过程中，数据由串行变并行或由并行变串行，其转换是通过______。
A. 移位寄存器
B. 数据寄存器
C. 锁存器
D. 指令寄存器
11.中断允许触发器用来_____。
A.表示外设是否提出了中断请求
B.CPU是否响应了中断请求
C.CPU是否正在进行中断处理
D.开放或关闭可屏蔽硬中断
12.在采用DMA方式调整传输数据时，数据传送是____。
A.由总线控制器发出的控制信号控制下完成的
B.在DMA控制器本身发出的控制信号控制下完成的
C.由CPU执行的程序完成
D.由CPU响应硬中断处理完成的
三、简答题：
1.请说明程序查询方式与中断方式各自的特点。
2.简要描述外设进行DMA操作的过程及DMA方式的主要优点。
3.外围设备的I/O控制方式分哪几类？各具什么特点？
4.见教材P269第6题；
5.见教材P269第8题；。