第八章 计算机组成原理输入输出系统
A中断请求 主程序 B中断请求 C中断请求 主程序
A中断服务程序
B中断服务程序
C中断服务程序
计算机组成原理
第13页
第八章
输入/输出系统
中断源
凡是能引起中断的设备或事件均称为中断源。中断源向中断系统发 出请求中断的申请，称为中断请求。同时可能有多个中断请求，这时中 断系统需要按事先确定的中断响应优先次序对优先级高的中断请求予以 响应。所谓中断响应就是允许其中断CPU现行程序的运行，转去对该请 求进行预处理，包括保存好断点现场，调出有关处理该中断的中断处理 程序，准备运行。 中断系统也可以对中断请求进行屏蔽，使之暂时得不 到响应。 目前，微机中的中断源一般有以下几种： （1）外设的服务请求：系统外设要求与CPU交换信息而产生的中断。 （2）CPU内部事件：程序员的疏忽或算法上的差错，使程序在运行过 程中出现多种错误而产生的中断，如除法错，运算溢出等。 （3）硬件故障中断：机器在运行过程中，硬件出现偶然性或固定性的 错误而引起的中断，例如电源掉电、内存出错等。 （4）软中断：又称为软件中断，是用软件方法产生中断，即在程序中 安排特定的指令：INT <中断类型号>，当程序执行到该类指令时，进入 到中断类型号所对应的中断服务程序。 显然，软中断是人为安排的，而上面介绍的3种硬件中断源引起的中 断是随机的。
构依赖于CPU，对外设发展不利。
计算机组成原理
第4页
第八章
输入/输出系统
I/O接口的功能
（1）对传送数据提供缓冲、隔离和寄存 由于I/O设备与CPU的定时标准不同，数据处理速度也不同，所以需 要对传送数据提供缓冲、隔离和寄存（或锁存）。 （2）对信号的形式和数据的格式进行转换 计算机与I/O设备所用的信号的形式和数据的格式可能不同，I/O接 口应能进行相互之间的转换。 （3）对I/O端口进行寻址 I/O接口实际上都会包含若干个I/O端口。从编程的角度，和I/O设备 打交道实际是和I/O端口打交道。每一个I/O端口有一个编号，称为端口地 址，简称口地址。 （4）与CPU和I/O设备进行联络 I/O接口处于CPU和I/O设备的中间，在传送数据时，经常要在两个 方向上进行联络，即接口电路既要面向CPU进行联络，又要面向I/O设备 进行联络。
计算机组成原理
第6页
第八章
输入/输出系统
I/O设备数据传送控制方式
1. 程序查询方式 程序查询方式是早期计算机中使用的一种方式。其过程是由CPU不断 查询I/O设备是否已做好准备，从而控制I/O设备与主机交换信息。采用这种 方式实现主机和I/O设备交换信息，要求I/O设备接口内设臵一个能反映设备 是否准备就绪的状态标记，CPU通过对此标记的检测，可得知设备的准备 情况。 数据在CPU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CPU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， 易于实现。缺点是CPU效率低，因为外围设备动作很慢，程序进入查询循 环时将占用CPU时间，CPU此时只能等待，不能处理其它业务，CPU利用 率低。即使CPU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，CPU宝贵资源的浪费也是可观的。因此，这种方式适合于在 CPU不太忙且传输速度不高的情况下采用，当前除单片机外，很少使用程 序查询方式。
时间较大。
计算机组成原理
第9页
第八章
输入/输出系统
3. 直接存储器访问方式（DMA） 程序中断方式和程序查询方式有一个共同点，即数据传送都是通 过CPU执行指令来完成的，而CPU指令系统只支持CPU（寄存器）和 存储器／外设间的数据传送。所以，如果外设要和存储器进行数据交 换，也必须经过CPU寄存器中转，显然，中转浪费了时间。 由此设想，如果在外设和存储器之间能开辟一个直接数据通道， 数据传送由另外的硬件来控制，那么既加快了传送速度又减轻了CPU 对I/O的负担。DMA传送方式正是受了这个启发而提出的。 DMA方式的工作特点是，当需要进行DMA传送时，DMAC （DMA控制器）向CPU提出总线使用请求，获得CPU响应后，DMAC 控制总线，外设和存储器之间的数据传送在DMAC的控制下完成，此 时，CPU处于空闲状态。当然，DMA传送方式的提出还有一个更直接 的原因，即中断传送方式和程序查询方式从速度上满足不了磁盘、磁 带等高速外设与存储器之间进行数据交换的需要。这些设备的数据传 送有两大特点：一是传送速率高；二是成批传送，即把设备的一批数 据传到一个内存区，或将一个内存区的全部数据传送给设备，所以在 数据传送的同时还伴随着内存指针的修改、传送数据个数的统计以及 传送结束的判断等。
计算机组成原理
第2页
第八章
输入/输出系统
接口的概念
接口是处理器CPU与“外部世界”的连接电路，是 CPU与外界进行信息交换的中转站。所谓的外部世界是指 除CPU本身以外的所有设备或电路，包括存储器、I/O设备、 控制设备、测量设备、通讯设备、多媒体设备等。 一个能够实际运行的接口，应由硬件和软件两部分组成。
计算机组成原理
第14页
第八章
输入/输出系统
中断识别
当CPU响应中断、保护断点之后，就要进行中断源的识别，即寻找中 断源，找到相应的中断服务程序入口。识别中断源有三种方法：查询法、 向量法和强臵程序计数器法。 （1）查询法 这是通过程序来查询是哪一个中断源提出的中断请求。
...
中断源1 中断源2
计算机组成原理
第5页
第八章
输入/输出系统
端口地址编址方式
端口有二种编址方式： 统一编址 端口地址和存储器地址统一编址。在这种编址方式中，I/O 端口和内存单元统一编址，即把I/O端口当作内存单元对待，从整个内存空 间中划出一个子空间给I/O端口，每一个I/O端口分配一个地址码，用访问 存储器的指令对I/O端口进行操作。 优点：I/O端口的数目几乎不受限制；访问内存指令均适用于I/O端口， 对I/O端口的数据处理能力强。 缺点：程序中I/O操作不清晰，难以区分程序中的I/O操作和存储器操 作；I/O端口占用了一部分内存空间；I/O端口地址译码电路较复杂。 独立编址 I/O端口编址和存储器的编址相互独立，即I/O端口地址空间和存储器 地址空间分开设臵，互不影响。该方式下，只能使用输入／输出指令。 优点：不占用内存空间；使用I/O指令，程序清晰，很容易看出是I/O 操作还是存储器操作；译码电路比较简单。 缺点：只能用专门的I/O指令，访问端口的方法不如存储器的方法多。
计算机组成原理
第10页
第八章
输入/输出系统
4. 通道方式 通道是一个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），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。 存储管理部件
通道总线 内存 选择通道 磁盘控制器
...
磁盘控制器
磁盘 CPU 存 储 总 线 字节多路 通道 设备控制器 设备 数组多路 通道 设备控制器 中断发生时，CPU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。当中断处理完毕后，CPU又返 回到它原来的任务，并从它停止的地方开始执行程序。这种方式下，若 无外设提出请求，CPU一直在处理原来的任务。可以看出，它节省了 CPU宝贵的时间，是管理I/O操作的一个比较有效的方法。程序中断方 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（按优 先级次序）。同程序查询方式相比，硬件结构相对复杂一些，服务开销
计算机组成原理
第12页
第八章
输入/输出系统
下图给出了中断处理的基本过程，主程序只是在设备A、B、C数据 准备就绪并发出相应的中断请求时，才去进行中断处理，完成数据传送 操作。在速度较慢的外围设备准备自己的数据时，CPU照常执行自己的 主程序。在这个意义上说，CPU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查询方式相比，计算机系统的效率是大大提高了。
否
保护断点地址
找出中断源，形成中断服务程序 入口地址，并转向中断服务程序
保护现场
中断服务 中断处理 恢复现场
CPU开放中断 中断返回 返回原程序断点处
计算机组成原理
第17页
第八章
输入/输出系统
多重中断
由于中断源相互独立而随机地发出中断请求，因此常常会同时发生多个 中断请求。同一类中的各中断请求的响应和处理的优先次序，一般不是由中 断系统的硬件而是由其软件或通道来管理。而不同类的中断就要根据中断的 性质、紧迫性、重要性以及软件处理的方便性把它们分成不同的级别。中断 系统按中断源的级别高低来响应。通常把优先级最高的中断定为一级，其次 是二级，再次是三级，依此类推。不同机器对优先级高低的划分有差异。 在同时发生多个不同中断类的中断请求时，中断响应硬件中的排队器决 定响应的次序。然而，中断的处理要由中断服务程序来完成，而中断服务程 序在执行前或执行中是可以被中断的。这样，中断处理次序就可以不同于中 断响应次序。 一般在处理某级中的某个中断请求时，与它同级的或比它低级的中断请 求是不能中断它的处理的。只有比它高级的中断请求才能中断其处理过程， 等响应和处理完后，再继续处理原先的那个中断请求。 中断响应的次序用排队器硬件实现，次序是由高到低排好序的。为了能 根据需要，由操作系统灵活改变实际的中断处理次序，很多机器都设臵了中 断级屏蔽位寄存器，以决定某级中断请求能否进入中断响应排队器。只要能 进入中断响应排队器的，总是让高级别的优先响应。
从使用角度来看，接口的硬件部分应包括有：
基本逻辑电路 端口地址译码电路
供选电路
计算机组成原理
第3页
第八章
输入/输出系统
为什么要在CPU与外设之间设臵接口电路？
有几个方面的原因： 一是CPU与外设两者的信号线不兼容，在信号线功能 定义、逻辑定义和时序关系上都不一致； 二是两者的工作速度不一致，一般来说，CPU速度高， 而不同外设速度有高有低，差异很大； 三是若不通过接口，而由CPU直接对外设的操作实施 控制，就会使CPU疲于与外设打交道之中，大大降低CPU 的效率； 四是若外部设备直接由CPU控制，也使外设的硬件结
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B中断服务程序
C中断服务程序
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第八章
输入/输出系统
中断源
凡是能引起中断的设备或事件均称为中断源。中断源向中断系统发 出请求中断的申请，称为中断请求。同时可能有多个中断请求，这时中 断系统需要按事先确定的中断响应优先次序对优先级高的中断请求予以 响应。所谓中断响应就是允许其中断CPU现行程序的运行，转去对该请 求进行预处理，包括保存好断点现场，调出有关处理该中断的中断处理 程序，准备运行。 中断系统也可以对中断请求进行屏蔽，使之暂时得不 到响应。 目前，微机中的中断源一般有以下几种： （1）外设的服务请求：系统外设要求与CPU交换信息而产生的中断。 （2）CPU内部事件：程序员的疏忽或算法上的差错，使程序在运行过 程中出现多种错误而产生的中断，如除法错，运算溢出等。 （3）硬件故障中断：机器在运行过程中，硬件出现偶然性或固定性的 错误而引起的中断，例如电源掉电、内存出错等。 （4）软中断：又称为软件中断，是用软件方法产生中断，即在程序中 安排特定的指令：INT <中断类型号>，当程序执行到该类指令时，进入 到中断类型号所对应的中断服务程序。 显然，软中断是人为安排的，而上面介绍的3种硬件中断源引起的中 断是随机的。
构依赖于CPU，对外设发展不利。
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输入/输出系统
I/O接口的功能
（1）对传送数据提供缓冲、隔离和寄存 由于I/O设备与CPU的定时标准不同，数据处理速度也不同，所以需 要对传送数据提供缓冲、隔离和寄存（或锁存）。 （2）对信号的形式和数据的格式进行转换 计算机与I/O设备所用的信号的形式和数据的格式可能不同，I/O接 口应能进行相互之间的转换。 （3）对I/O端口进行寻址 I/O接口实际上都会包含若干个I/O端口。从编程的角度，和I/O设备 打交道实际是和I/O端口打交道。每一个I/O端口有一个编号，称为端口地 址，简称口地址。 （4）与CPU和I/O设备进行联络 I/O接口处于CPU和I/O设备的中间，在传送数据时，经常要在两个 方向上进行联络，即接口电路既要面向CPU进行联络，又要面向I/O设备 进行联络。
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第八章
输入/输出系统
I/O设备数据传送控制方式
1. 程序查询方式 程序查询方式是早期计算机中使用的一种方式。其过程是由CPU不断 查询I/O设备是否已做好准备，从而控制I/O设备与主机交换信息。采用这种 方式实现主机和I/O设备交换信息，要求I/O设备接口内设臵一个能反映设备 是否准备就绪的状态标记，CPU通过对此标记的检测，可得知设备的准备 情况。 数据在CPU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CPU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， 易于实现。缺点是CPU效率低，因为外围设备动作很慢，程序进入查询循 环时将占用CPU时间，CPU此时只能等待，不能处理其它业务，CPU利用 率低。即使CPU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，CPU宝贵资源的浪费也是可观的。因此，这种方式适合于在 CPU不太忙且传输速度不高的情况下采用，当前除单片机外，很少使用程 序查询方式。
时间较大。
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输入/输出系统
3. 直接存储器访问方式（DMA） 程序中断方式和程序查询方式有一个共同点，即数据传送都是通 过CPU执行指令来完成的，而CPU指令系统只支持CPU（寄存器）和 存储器／外设间的数据传送。所以，如果外设要和存储器进行数据交 换，也必须经过CPU寄存器中转，显然，中转浪费了时间。 由此设想，如果在外设和存储器之间能开辟一个直接数据通道， 数据传送由另外的硬件来控制，那么既加快了传送速度又减轻了CPU 对I/O的负担。DMA传送方式正是受了这个启发而提出的。 DMA方式的工作特点是，当需要进行DMA传送时，DMAC （DMA控制器）向CPU提出总线使用请求，获得CPU响应后，DMAC 控制总线，外设和存储器之间的数据传送在DMAC的控制下完成，此 时，CPU处于空闲状态。当然，DMA传送方式的提出还有一个更直接 的原因，即中断传送方式和程序查询方式从速度上满足不了磁盘、磁 带等高速外设与存储器之间进行数据交换的需要。这些设备的数据传 送有两大特点：一是传送速率高；二是成批传送，即把设备的一批数 据传到一个内存区，或将一个内存区的全部数据传送给设备，所以在 数据传送的同时还伴随着内存指针的修改、传送数据个数的统计以及 传送结束的判断等。
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输入/输出系统
接口的概念
接口是处理器CPU与“外部世界”的连接电路，是 CPU与外界进行信息交换的中转站。所谓的外部世界是指 除CPU本身以外的所有设备或电路，包括存储器、I/O设备、 控制设备、测量设备、通讯设备、多媒体设备等。 一个能够实际运行的接口，应由硬件和软件两部分组成。
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中断识别
当CPU响应中断、保护断点之后，就要进行中断源的识别，即寻找中 断源，找到相应的中断服务程序入口。识别中断源有三种方法：查询法、 向量法和强臵程序计数器法。 （1）查询法 这是通过程序来查询是哪一个中断源提出的中断请求。
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中断源1 中断源2
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第八章
输入/输出系统
端口地址编址方式
端口有二种编址方式： 统一编址 端口地址和存储器地址统一编址。在这种编址方式中，I/O 端口和内存单元统一编址，即把I/O端口当作内存单元对待，从整个内存空 间中划出一个子空间给I/O端口，每一个I/O端口分配一个地址码，用访问 存储器的指令对I/O端口进行操作。 优点：I/O端口的数目几乎不受限制；访问内存指令均适用于I/O端口， 对I/O端口的数据处理能力强。 缺点：程序中I/O操作不清晰，难以区分程序中的I/O操作和存储器操 作；I/O端口占用了一部分内存空间；I/O端口地址译码电路较复杂。 独立编址 I/O端口编址和存储器的编址相互独立，即I/O端口地址空间和存储器 地址空间分开设臵，互不影响。该方式下，只能使用输入／输出指令。 优点：不占用内存空间；使用I/O指令，程序清晰，很容易看出是I/O 操作还是存储器操作；译码电路比较简单。 缺点：只能用专门的I/O指令，访问端口的方法不如存储器的方法多。
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输入/输出系统
4. 通道方式 通道是一个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），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。 存储管理部件
通道总线 内存 选择通道 磁盘控制器
...
磁盘控制器
磁盘 CPU 存 储 总 线 字节多路 通道 设备控制器 设备 数组多路 通道 设备控制器 中断发生时，CPU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。当中断处理完毕后，CPU又返 回到它原来的任务，并从它停止的地方开始执行程序。这种方式下，若 无外设提出请求，CPU一直在处理原来的任务。可以看出，它节省了 CPU宝贵的时间，是管理I/O操作的一个比较有效的方法。程序中断方 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（按优 先级次序）。同程序查询方式相比，硬件结构相对复杂一些，服务开销
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第八章
输入/输出系统
下图给出了中断处理的基本过程，主程序只是在设备A、B、C数据 准备就绪并发出相应的中断请求时，才去进行中断处理，完成数据传送 操作。在速度较慢的外围设备准备自己的数据时，CPU照常执行自己的 主程序。在这个意义上说，CPU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查询方式相比，计算机系统的效率是大大提高了。
否
保护断点地址
找出中断源，形成中断服务程序 入口地址，并转向中断服务程序
保护现场
中断服务 中断处理 恢复现场
CPU开放中断 中断返回 返回原程序断点处
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第八章
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多重中断
由于中断源相互独立而随机地发出中断请求，因此常常会同时发生多个 中断请求。同一类中的各中断请求的响应和处理的优先次序，一般不是由中 断系统的硬件而是由其软件或通道来管理。而不同类的中断就要根据中断的 性质、紧迫性、重要性以及软件处理的方便性把它们分成不同的级别。中断 系统按中断源的级别高低来响应。通常把优先级最高的中断定为一级，其次 是二级，再次是三级，依此类推。不同机器对优先级高低的划分有差异。 在同时发生多个不同中断类的中断请求时，中断响应硬件中的排队器决 定响应的次序。然而，中断的处理要由中断服务程序来完成，而中断服务程 序在执行前或执行中是可以被中断的。这样，中断处理次序就可以不同于中 断响应次序。 一般在处理某级中的某个中断请求时，与它同级的或比它低级的中断请 求是不能中断它的处理的。只有比它高级的中断请求才能中断其处理过程， 等响应和处理完后，再继续处理原先的那个中断请求。 中断响应的次序用排队器硬件实现，次序是由高到低排好序的。为了能 根据需要，由操作系统灵活改变实际的中断处理次序，很多机器都设臵了中 断级屏蔽位寄存器，以决定某级中断请求能否进入中断响应排队器。只要能 进入中断响应排队器的，总是让高级别的优先响应。
从使用角度来看，接口的硬件部分应包括有：
基本逻辑电路 端口地址译码电路
供选电路
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第八章
输入/输出系统
为什么要在CPU与外设之间设臵接口电路？
有几个方面的原因： 一是CPU与外设两者的信号线不兼容，在信号线功能 定义、逻辑定义和时序关系上都不一致； 二是两者的工作速度不一致，一般来说，CPU速度高， 而不同外设速度有高有低，差异很大； 三是若不通过接口，而由CPU直接对外设的操作实施 控制，就会使CPU疲于与外设打交道之中，大大降低CPU 的效率； 四是若外部设备直接由CPU控制，也使外设的硬件结
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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
中断向量表： 集中存放系统中所有中断向量的存储区。 8086 PC机中，将存储器物理地址为0~3FFH的1024个单 元作为中断向量表，每个向量占用4个字节，可容纳256个 中断向量。
2020/2/27
24
类型号 0
中 断 类型号 8 向 量 表
类型号 255
2020/2/27
偏移地址 0000 : 0000
2020/2/27
15
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；
2020/2/27
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。
25
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
19
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。
2020/2/27
20
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
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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。
2020/2/27
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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
第八章-输入输出系统(共64张PPT)全文编辑修改
3、中断类型：
– 按中断产生的位置： • 外部中断：CPU以外的部件引起的中断。 外中断又可分为不可屏蔽中断和可屏蔽中断 两种。不可屏蔽中断优先级较高，常用于 应急处理，如掉电、内存读写校验错等。 可屏蔽中断级别较低，常用于一般I/O设 备的数据传送。
• 内部中断：由CPU内部硬件或软件引起的中 断，如单步中断、溢出中断。
路之前，还要受到屏蔽触发器的控制。
当MASK=1，表示对应中断源的请求被屏蔽。 当MASK=0，才允许对应中断源的请求参与排队判优
中断屏蔽寄存器的作用
INT
≥1
由程序 控制
中断屏蔽 0 1 0 1 0 1 0 1 寄存器 ＆
向 量 地 址
……
编 码 器
排 队 逻 辑
＆
＆
＆ 0 1 0 1 0 1 0 1 中断请求 寄存器
程序查询方式——程序流程图
设置计数值
修改计数器
设置内存缓冲区首址
比如指令系统中的软中断指令INT n。 中断处理次序和中断响应次序是两个不同的概念：
否
中断事件在提出中断请求的同时，通过硬件向主机提供中断服务程序的入口地址，即向量地址。 传送完？
CPU等候输入设备的数据成为有效
（2）数据通道中断源，也称直接启存动储外器设存放（DMA）操作。
3级
4级
则 只 需 使 中 断 屏 蔽 码 改 （1）一般的输入、输出外围设备。
一般是故障引起的中断最优先；
为： 第1级 1 1 1 1 （4）DMA传送速度快，CPU和外设并行工作，提高了系统的效率；
先由主机通过启动指令启动外设工作，启动后主机用测试指令不断查询外设工作状态，当输入设备处于准备好状态或输出设备处于空闲状态时，
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
• 要求：不需要增加额外的 硬件电路。
• 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）。
• 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
数据缓冲器用于保存CPU内部总线与系统数据总线之间进行 传送的数据。
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
23
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。
12
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。
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。
计算机组成原理课件(第8章__输入输出系统)
1、定义 在这种方式中CPU需要根据外设的工作 状态来决定何时进行数据传送，它要 求CPU随时对接口状态进行查询，如果 接口尚未准备好，CPU必须等待，并进 行查询。如果已准备好，CPU才能进行 数据的输入输出，这就是程序查询方 式。
2、程序查询方式的数据传送过程 具体步骤： ①向外设发出命令字，请求数据传送； ②从外设状态字寄存器读入状态字； ③检查状态字中的各种约定标志，看数据交换是否 可以进行。 ④若外设就绪，则进行数据传送，否则，重复②、 ③两步，一直到该设备准备好交换数据，发出就 绪信号“READY”为止。 ⑤在数据传送的同时，CPU将I/O接口中的状态标志 复位
4．外围处理机方式 外围处理机(PPU)方式是通道方式的进一步发 展．由于PPU基本上独立于主机工作，它的结 构更接近一般处理机，甚至就是一般的微小型 计算机．在一些系统中，设置了多台PPU，分 别承担I／O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
8.2 程序查询方式
2．程序中断方式
中断是外围设备用来“主动”通知 CPU ，准 备送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， CPU 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．当中断处理完毕后， CPU 又返回到它原来的任务，并从它停止的 地方开始执行程序．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 CPU宝贵的时间，是管理 I ／ O 操作的一个 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．同程序查询方式相比，硬件结构相对复 杂一些，服务开销时间较大
8.3 程序中断方式
8.2.1 中断的基本概念 采用程序查询方式，当外设速度较低 时，CPU大量的时间用于无效的查 询．不能处理其他事务，也不能对其他 突发事件及时作出反应。如何使CPU既 能对突发事件作出及时响应，避免无效 的查询以提高效率呢?
2、程序查询方式的数据传送过程 具体步骤： ①向外设发出命令字，请求数据传送； ②从外设状态字寄存器读入状态字； ③检查状态字中的各种约定标志，看数据交换是否 可以进行。 ④若外设就绪，则进行数据传送，否则，重复②、 ③两步，一直到该设备准备好交换数据，发出就 绪信号“READY”为止。 ⑤在数据传送的同时，CPU将I/O接口中的状态标志 复位
4．外围处理机方式 外围处理机(PPU)方式是通道方式的进一步发 展．由于PPU基本上独立于主机工作，它的结 构更接近一般处理机，甚至就是一般的微小型 计算机．在一些系统中，设置了多台PPU，分 别承担I／O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
8.2 程序查询方式
2．程序中断方式
中断是外围设备用来“主动”通知 CPU ，准 备送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， CPU 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．当中断处理完毕后， CPU 又返回到它原来的任务，并从它停止的 地方开始执行程序．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 CPU宝贵的时间，是管理 I ／ O 操作的一个 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．同程序查询方式相比，硬件结构相对复 杂一些，服务开销时间较大
8.3 程序中断方式
8.2.1 中断的基本概念 采用程序查询方式，当外设速度较低 时，CPU大量的时间用于无效的查 询．不能处理其他事务，也不能对其他 突发事件及时作出反应。如何使CPU既 能对突发事件作出及时响应，避免无效 的查询以提高效率呢?