1、第5章存儲系統第5章存儲系統2主要內容輸入輸出系統的特點和功能I/O端口及其編址方式基本輸入輸出方法中斷控制技術第5章存儲系統37.1 7.1 輸入輸出系統概述主要內容：I/O系統特點I/O接口與I/O端口的概念I/O端口的編址方式端口地址譯碼數據傳送方式第5章存儲系統4一、輸入輸出系統將CPU及主存以外的部分叫做輸入輸出系統輸入輸出接口輸入輸出接口輸入輸出設備輸入輸出設備輸入輸出軟件輸入輸出軟件第5章存儲系統5輸入輸出系統的特點復雜性異步性時實性與設備無關性第5章存儲系統6I/O接口I/O接口：負責將外設連接到總線上的一組邏輯電路的總稱。實現外設與主機之間的信息交換。第5章存儲系統7I/O接

2、口要解決的問題速度匹配速度匹配(Buffer)信號的驅動能力信號的驅動能力(電平轉換器、驅動器電平轉換器、驅動器) 信號形式和電平的匹配信號形式和電平的匹配(A/D、D/A) 信息格式信息格式(字節流、塊、數據包、幀字節流、塊、數據包、幀) 時序匹配時序匹配(定時關系定時關系)總線隔離總線隔離(三態門三態門)第5章存儲系統8接口的功能數據的緩沖與暫存信號電平與類型的轉換增加信號的驅動能力對外設進行監測、控制與管理，中斷處理第5章存儲系統9二、I/O端口數據端口數據端口狀態端口狀態端口控制端口控制端口端端 口口I/O端口：接口中的寄存器端口：接口中的寄存器第5章存儲系統10I/O端口CPU數據數

3、據狀態狀態控制控制外設外設第5章存儲系統11I/O端口的編址方式統一編址獨立編址第5章存儲系統12端口與內存的統一編址特點：指令及控制信號統一內存地址資源減少內存內存地址地址960KBI/O地址地址64KB00000HF0000HFFFFFH第5章存儲系統13端口的獨立編址特點：內存地址資源充分利用能夠應用于端口的指令較少內存內存地址地址I/O地址地址00000HFFFFFHFFFFH0000H第5章存儲系統14端口的獨立編址8 80 08 86 6總總線線A19-A0A15-A0MEMR、MEMWIOR、IOW 、BHE存儲器存儲器輸入輸入/輸出輸出第5章存儲系統158086的I/O端口編址

4、 采用I/O獨立編址方式(但地址線與存儲器共用)； 最小模式下由M/IO區分是訪問內存還是訪問端口； 最大模式下用總線控制器信號來區分訪問對象 I/O操作只使用20位地址信號中的16位：A15A0 可尋址的I/O端口數為64K(65536)個 I/O地址范圍為0FFFFH IBM PC只使用了1024個I/O地址(03FFH)第5章存儲系統16三、I/O地址的譯碼目的：確定端口的地址參加譯碼的信號：IOR，IOW，A15 A0OUT指令將使總線的IOW信號有效IN指令將使總線的IOR信號有效第5章存儲系統17I/O地址的譯碼當接口只有一個端口時，16位地址信號一般應全部參與譯碼，譯碼輸出直接選

5、擇該端口；當接口具有多個端口時，則16位地址線的高位參與譯碼（決定接口的基地址），而低位則用于確定要訪問哪一個端口。第5章存儲系統18I/O地址的譯碼某外設接口有4個端口，地址為2F0H2F3H，試將其與系統連接。第5章存儲系統19四、輸入輸出數據的傳送方式并行 一個數據單位同時傳送串行 數據按位傳送第5章存儲系統20 基本輸入/ /輸出方法程序控制方式程序控制方式中斷方式傳送中斷方式傳送直接存儲器存取直接存儲器存取(DMA)無條件傳送無條件傳送查詢式傳送查詢式傳送第5章存儲系統21一、無條件傳送適用于總是處于準備好狀態的外設優點：軟件及接口硬件簡單缺點：只適用于簡單外設，適應范圍較窄第5章存

6、儲系統22無條件傳送例讀取開關的狀態；當開關閉合時，輸出編碼使發光二極管亮第5章存儲系統23DCPQD0D1輸出口地輸出口地址址38F3H輸入口地輸入口地址址38F0H+5V1第5章存儲系統24二、查詢工作方式適用場合：外設并不總是準備好對傳送速率和效率要求不高對外設及接口的要求：外設應提供設備狀態信息接口應具備狀態端口第5章存儲系統25查詢工作方式優點：軟件比較簡單缺點：CPU效率低，數據傳送的實時性 差，速度較慢單一外設時單一外設時的工作流程的工作流程第5章存儲系統26超時超時?READY?READY?與外設進與外設進行數據交換行數據交換超時錯超時錯讀入并測試外設狀態讀入并測試外設狀態YN

7、YN傳送完？傳送完？防止死循環防止死循環復位計時器復位計時器NY第5章存儲系統27查詢工作方式例外設狀態端口地址為03FBH，第5位(bit5)為狀態標志（=1忙，=0準備好）外設數據端口地址為03F8H，寫入數據會使狀態標志置1 ；外設把數據讀走后又把它置0。試畫出其電路圖，并將DATA下100B數輸出第5章存儲系統28三、中斷控制方式特點：外設在需要時向CPU提出請求，CPU再去為它服務。服務結束后或在外設不需要時，CPU可執行自己的程序優點：CPU效率高，實時性好，速度快。缺點：程序編制較為復雜。第5章存儲系統29以上三種I/O方式的共性均需CPU作為中介：軟件： 外設與內存之間的數據傳

8、送是通過CPU 執行程序來完成的（PIO方式）；硬件： I/O接口和存儲器的讀寫控制信號、地址 信號都是由CPU發出的。 缺點：程序的執行速度限定了傳送的最大速度 （約為幾十KB/秒）第5章存儲系統30四、DMA控制方式特點：外設直接與存儲器進行數據交換 ，CPU不再擔當數據傳輸的中介者；總線由DMA控制器（DMAC）進行控制（CPU要放棄總線控制權），內存/外設的地址和讀寫控制信號均由DMAC提供。第5章存儲系統31DMA控制方式DMAC外設外設接口接口CPUQRDMEMDACKHOLDHLDABUS控制信號控制信號第5章存儲系統32DMA控制方式的工作過程 外設向DMA控制器發出“DMA傳

9、送請求”信號DRQ； DMA控制器收到請求后，向CPU發出“總線請求”信號HOLD； CPU在完成當前總線周期后會立即發出HLDA 信號，對HOLD信號進行響應； DMA控制器收到HLDA信號后，就開始控制總線，并向外設發出DMA響應信號DACK第5章存儲系統33DMA控制方式的工作過程DMA控制器送出地址信號和相應的控制信號，實現外設與內存或內存與內存之間的直接數據傳送；例：從外設向內存傳送一個字節 DMAC向I/O接口發出讀信號，同時往地址總線上發出存儲器的地址和存儲器寫信號和AEN信號。第5章存儲系統34DMA控制方式的工作過程DMA控制器自動修改地址和字節計數器，并判斷是否需要重復傳送

10、操作。當規定的數據傳送完后，DMA控制器就撤銷發往CPU的HOLD信號。CPU檢測到HOLD失效后，緊接著撤銷HLDA信號，并在下一時鐘周期重新開始控制總線。第5章存儲系統35DMA的三種傳送方式 連續傳送（塊傳送）： DMAC在申請到總線后，將一塊數據傳送完后才釋放總線，而不管中間DREQ是否有效。 單次傳送（每次傳送一個字節）： 每個DMA周期只傳送一個字節就立即釋放總線。 按需傳送（猝發傳送）： 只要I/O接口的數據緩沖可用，就可進行傳送。此時I/O接口需要有一定大小的FIFO緩沖區。第5章存儲系統36數據塊傳送：數據塊傳送：YN允許允許DMADMA請求？請求？DMAC請求總線請求總線C

11、PU響應響應, DMAC獲總線控制權獲總線控制權DMA傳送一個字節傳送一個字節塊結束？塊結束？地址增量，計數器減量地址增量，計數器減量DMAC釋放總線釋放總線YN第5章存儲系統37每次傳送一個字節：每次傳送一個字節：NYN允許允許DMADMAC請求總線請求總線CPU響應響應, DMAC獲總線控制權獲總線控制權DMA傳送一個數據傳送一個數據塊結束？塊結束？釋放總線至少一個總線周期釋放總線至少一個總線周期地址增量，計數器減量地址增量，計數器減量DMAC釋放總線釋放總線Y測試測試I/O的的DREQ DMA請求？請求？第5章存儲系統38按需傳送：按需傳送：NYCPU響應響應, DMAC獲總線控制權獲總

12、線控制權DMA傳送一個字節傳送一個字節塊結束？塊結束？測試測試I/O的的DREQ 有效？有效？地址增量，計數器減量地址增量，計數器減量釋放總線，請求中斷釋放總線，請求中斷無效，釋放總線無效，釋放總線允許允許DMADMA請求？請求？DMAC請求總線請求總線YNYN第5章存儲系統39DMA控制方式優點：數據傳輸由DMA硬件來控制，數據直接在內存和外設之間交換，可以達到很高的傳輸速率（可達幾MB/秒）第5章存儲系統40五、I/O通道控制方式具有自己的指令系統專門負責外部設備的控制第5章存儲系統41 中斷技術掌握：中斷的基本概念中斷響應的一般過程中斷向量表及其初始化8088/8086中斷系統第5章存儲

13、系統42一、中斷的基本概念中斷：CPU執行程序時，由于發生了某種隨機的事件(外部或內部)，引起CPU暫時中斷正在運行的程序，轉去執行一段特殊的服務程序(稱為中斷服務程序或中斷處理程序)，以處理該事件，該事件處理完后又返回被中斷的程序繼續執行，這一過程稱為中斷。第5章存儲系統43中斷源引起CPU中斷的事件，發出中斷請求的來源內部中斷內部中斷外部中斷外部中斷異常中斷異常中斷軟件中斷軟件中斷可屏蔽中斷可屏蔽中斷非屏蔽中斷非屏蔽中斷異常事件引起異常事件引起中斷指令引起中斷指令引起INTR中斷中斷NMI中斷中斷第5章存儲系統44引入中斷的原因提高數據傳輸率；避免了CPU不斷檢測外設狀態的過程，提高了CP

14、U的利用率。實現對特殊事件的實時響應。第5章存儲系統45二、外部中斷響應的一般過程中斷請求中斷判優及中斷源識別中斷響應中斷處理（服務）中斷返回第5章存儲系統46中斷請求中斷請求信號應保持到中斷被處理為止；CPU響應中斷后，中斷請求信號應及時撤銷。NMIINTR第5章存儲系統47中斷源識別軟件查詢法中斷矢量法。由中斷源提供中斷類型號，CPU根據類型確定中斷源。第5章存儲系統48中斷判優 要解決的問題要解決的問題對同時產生的中斷： 首先處理優先級別較高的中斷；若優先級別相同，則按先來先服務的原則對非同時產生的中斷： 低優先級的中斷程序允許被高優先級的中斷源所中斷中斷嵌套中斷嵌套第5章存儲系統49中

15、斷判優 控制方法控制方法 軟件判優 順序查詢中斷請求，先查詢的先服務順序查詢中斷請求，先查詢的先服務 （即先查詢的優先級別高）（即先查詢的優先級別高）硬件判優硬件判優 鏈式判優、并行判優（中斷向量法）鏈式判優、并行判優（中斷向量法）第5章存儲系統50菊花鏈邏輯電路菊花鏈邏輯電路INTAinIREQINTR&=1 1INTAoutDB三態門三態門中中斷斷向向量量碼碼E外設接口外設接口中斷確認中斷確認菊花鏈菊花鏈邏輯電路邏輯電路第5章存儲系統51中斷響應向中斷源發出INTA中斷響應信號；保護斷點。包括FLAGS、 CS和IP獲得中斷服務程序入口地址固定入口法固定入口法中斷向量法中斷向量法第

16、5章存儲系統52中斷處理中斷服務子程序的特點：為“遠過程”用IRET指令返回第5章存儲系統53中斷服務子程序完成的工作保護現場開中斷（STI）中斷處理關中斷（CLI）恢復現場中斷返回第5章存儲系統54中斷返回執行IRET指令，使IP、CS和FLAGS從堆棧彈出第5章存儲系統55三、8088/8086中斷系統內部中斷外部中斷除法錯中斷除法錯中斷溢出中斷溢出中斷單步中斷單步中斷軟件中斷軟件中斷非屏蔽中斷非屏蔽中斷可屏蔽中斷可屏蔽中斷 256個中個中斷源斷源第5章存儲系統56NMIINTR中斷邏輯中斷邏輯軟件中斷指令軟件中斷指令溢出中斷溢出中斷除法錯除法錯單步中斷單步中斷非屏蔽中斷請求非屏蔽中斷請求

17、中斷控中斷控制器制器8259APIC8086/8088CPU8086/8088CPU內部邏輯內部邏輯斷點中斷斷點中斷可可屏屏蔽蔽中中斷斷請請求求n430128086/8088中斷源類型：中斷源類型：第5章存儲系統57中斷向量表00000H003FFH1KB第5章存儲系統58中斷向量表存放各類中斷的中斷服務程序的入口地址每個入口占用4 Bytes，低字為段內偏移，高字為段基址表的地址位于內存的00000H003FFH，大小為1KB，共256個入口第5章存儲系統59中斷向量表的初始化將用戶自定義的中斷服務程序入口地址放入向量表兩種方法：直接寫中斷向量表利用DOS中斷功能調用：INT 25H 例：將

18、中斷向量碼為48H的服務程序入口地址放入向量表第5章存儲系統60中斷向量表的初始化 直接寫中斷向量表 MOV AX，0MOV DS，AXMOV SI， 48H*4MOV DX，OFFSET int_procMOV SI，DXMOV DX，SEG int_procMOV SI+2，DX 利用DOS中斷功能調用：INT 25HMOV DX，SEG int_procMOV DS，DXMOV DX，OFFSET int_procMOV AX，2548HINT 21HP319第5章存儲系統618088/8086內部中斷響應過程特點：無INTA周期中斷類型碼固定或由指令給出第5章存儲系統628088/8086內部中斷響應過程響應過程步驟： PUSH FLAG 暫存TF 清除IF和TF PUSH CS PUSH IP 0:中斷類型號*4 I P 0:中斷類型號*4+2CS第5章存儲系統638088/8086外部中斷響應過程可屏蔽中斷（INTR）： INTA周期1，PIC進行中斷的排隊和優先級處理 INTA周期2，PIC把中斷類型號放到DB上，由CPU讀入 PUSH FLAG 暫存TF 清除IF和TF PUSH CS PUSH IP 0:中斷類型號