第10章輸入輸出(I/O)系統10.1輸入輸出(I/O)系統概述輸入輸出系統包括外部設備及其與主機之間的控制部件.I/O設備在8,9章已介紹,本章主要介紹控制部件---設備控制器(設備適配器或接口)的工作原理及其與主機之間傳送信息的方法.10.1.1輸入輸出設備的編址及設備控制器的根本功能CPU為便于對I/O設備進行尋址和選擇,必須為I/O設備進行編址.即每臺外設賦予一個地址碼---設備碼或設備代碼.CPU訪問I/O設備有兩種尋址方式:專設I/O指令(I/O設備獨立編址)2.利用訪存指令完成I/O功能,(I/O設備與內存統一編址)IBMPC等系列機設有專門I/O指令,尋址可達1024(A9~A0),A9=0尋址系統板，“1〞擴展板設備控制器(I/O接口)的根本功能:實現主機和外圍設備之間的數據傳送.2.實現數據緩沖,以到達主機和外設速度匹配3.接受主機命令,提供設備接口狀態,并按主機命令控制設備.輸入輸出接口類型:1.按數據傳送寬度分:并行接口和串行接口.2.按控制方式分:程序控制I/O接口、程序中斷I/O接口和DMA接口。10.1.2I/O設備數據傳送控制方式一般分五種:程序直接控制(programeddirectcontrol)方式一般在用戶程序中安排輸入輸出指令和其他指令直接控制外設工作。2.程序中斷傳送(programinterrupttransfer)方式由中斷效勞程序完成數據傳送工作.3.直接存儲器存取(directmemoryaccess)方式DMA方式是在外設和主存之間開辟直接的數據傳送通路.4.I/O通道控制(I/Ochannelcontrol)方式“通道〞不是一般概念的I/O通路,它是一個專用名稱.具有自己的指令系統,實現指令所控制的操作,已具備處理機的功能。如圖10.1占用總線一個周期---“周期竊取〞5.外圍處理機(peripheralprocessorunit)方式輸入輸出處理機又稱外圍處理機(PPU),其結構更接近一般處理機,甚至就是小型機或微機.根本獨立于主機工作,除完成I/O控制外,還可完成碼制變換、格式處理、數據塊檢錯、糾錯等。重點掌握中斷和DMA方式10.2.1中斷的作用、產生和響應1.中斷的作用10.2程序中斷輸入輸出方式⑴CPU與I/O設備并行工作⑵硬件故障處理(3)實現人機聯系(4)實現多道程序和分時操作(5)實現實時處理(6)實現應用程序和操作系統〔管態程序〕的聯系(7)多處理機系統各處理機間的聯系2.有關中斷的產生和響應的概念⑴中斷源引起中斷的事件，即發出中斷請求的來源。中斷源的種類：外中斷---外部設備發來的中斷。內中斷---硬件故障或程序出錯引起的中斷。軟中斷---由中斷指令引起的中斷。中斷觸發器：設備控制器中設有“中斷觸發器〞，當中斷源發來中斷時將其置“1〞，由此向CPU發出中斷請求信號。(2)中斷的分級與中斷優先權優先權是指多個中斷同時發生時，對各個中斷響應的優先次序。中斷源很多時，一般把中斷按不同的類別分為假設干級，稱為中斷級。(3)禁止中斷和中斷屏蔽禁止中斷是指有中斷請求時，CPU不能中止現行程序的執行，一般是通過使CPU內部的“中斷允許觸發器〞清“0〞來完成的。置“1〞為允許中斷?？捎瞄_、關中斷指令來實現。中斷屏蔽：當產生中斷請求后，用程序方式有選擇地封鎖局部中斷，而允許其他局部中斷得到響應。實現方法是為每個中斷源設置一個中斷屏蔽觸發器，該觸發器為“1〞，那么屏蔽。為“0〞那么允許中斷請求。各設備的中斷屏蔽觸發器組成中斷屏蔽存放器。中斷又分可屏蔽中斷和非屏蔽中斷。后者優先權最高。中斷處理過程(1)關中斷10.2.2中斷處理(2)保存斷點和現場(3)判別中斷源，轉向中斷效勞程序(4)開中斷(5)執行中斷效勞程序(6)退出中斷----關中斷、恢復現場、恢復斷點，開中斷、返回原程序。主程序中斷程序可用軟件和硬件兩種方法(1)查詢法2.判別中斷源利用程序按一定次序檢查各設備的“中斷觸發器〞，當遇到第一個“1〞時，即找到。(2)串行排隊鏈法用硬件確定中斷源。01101010D0D7中斷響應中斷允許輸入中斷允許輸出中斷排隊選中多重中斷是指在處理某一中斷過程中又發生了新的中斷請求，從而中斷該效勞程序，又轉去執行新的中斷處理。又稱中斷嵌套。3.多重中斷處理一般在處理某級中斷時，與它同級或比它低級的中斷不能中斷它的處理。而比它高級的中斷可以中斷它。圖10.5是一個4級中斷嵌套的例子。10.2.3程序中斷設備接口的組成和工作原理程序中斷設備接口的組成：(1)設備選擇器相當于地址譯碼器。(2)

中斷控制和工作狀態邏輯包括：工作狀態存放器〔忙、完成觸發器〕中斷請求、中斷屏蔽觸發器(4)數據緩沖存放器(3)

中斷排隊和設備碼回送邏輯程序中斷控制邏輯已有專用芯片Intel8259A中斷控制器組成：中斷請求存放器、中斷狀態存放器、優先級判斷器、中斷屏蔽存放器、中斷控制邏輯、數據緩沖器/比較器和讀寫邏輯。中斷請求存放器：存放IR0-IR7中斷請求信號，哪位有請求，哪位置1。中斷狀態存放器：存放正在被效勞的中斷級。中斷屏蔽存放器：對中斷信號起屏蔽作用。哪一級中斷被屏蔽，哪位置1。優先級判斷器：將產生的中斷請求優先級與“正在效勞的中斷〞進行比較。確定是否讓這個中斷請求送給處理器。讀寫控制邏輯：決定數據的傳送方向和內部存放器。級聯緩沖器/比較器：用于多片級聯及數據緩沖方式。8259中為每個中斷請求設置一個中斷類型碼〔8位〕初始化時設定00001D0D7000IR0001IR1111IR7每個8259最多控制8個中斷信號，但可通過級聯處理64個中斷。實驗四、TEC-2實驗計算機多級中斷實驗一、實驗目的：1.加深理解計算機系統中斷工作原理及處理過程。2.了解優先權中斷控制電路INTEL8214及輸入輸出接口電路8212的工作原理。二、實驗內容：1.利用TEC-2實驗計算機與中斷控制電路8214和八位輸入輸出接口電路8212，設計一個有三級中斷源，可實現中斷嵌套的中斷系統。2.主程序在終端上重復顯示“M〞字母，最高級顯示“7〞，次高級顯示“6〞，最低級顯示“5〞。一、八位輸入輸出接口電路INTEL8212EN=1鎖存器輸出；MD=0,DS2=1,DS1=INTASTB脈沖使D觸發器為“0〞發INT,CLR或DS1,DS2使D觸發器為“1〞，去除INT8212包括三局部：數據鎖存器：由8個D觸發器構成。CP脈沖到來時，把輸入數據(Di)鎖存到Qi端。輸出緩沖器：由8個三態門構成，當EN=1時，Do有輸出。EN=0,三態門關閉，輸出呈高阻狀態。控制邏輯電路：包括中斷請求觸發器、其他門電路。DS1，DS2為器件選擇信號，DS1=0，DS2=1，三態門翻開，中斷觸發器置1。MD為工作方式控制信號，MD=1，由DS1，DS2執行鎖存操作。MD=0時，由STB執行鎖存。CLR使數據鎖存器復位。中斷請求觸發器置位時(Q=1)，芯片處于非中斷請求狀態,當DS1=0，DS2=1時，總能產生中斷信號，但由于DS1，DS2是由CPU使用的，一般是在DS1，DS2無效時，由STB下降沿產生中斷。中斷過程：MD=0時,由STB選通脈沖將數據鎖存在8212，同時當STB下降時，使中斷觸發器清0，發出INT中斷請求。CPU響應中斷后，使DS1，DS2有效翻開三態門，取走數據；同時使中斷觸發器置1，當CPU取走數據后，DS1，DS2無效，將關斷三態門并去除中斷請求。實驗中MD=0,CLR,DS2接高電平，當來STB選通脈沖時，8212發出INT中斷請求TEC-2響應中斷后發回INTA信號，一方面去除中斷請求〔D觸發器置“1〞〕，一方面使EN為“1〞，送出中斷向量。84h二、八級優先權控制電路INTEL8214中斷禁止觸發器中斷請求觸發器八級優先權控制電路INTEL8214引腳名：R0~R7:請求級別，R7優先權最高。B0~B2:現行狀態SGS:StatusGroupSelectCLK:ClockECS:EnableCurrentStatusA0~A2:請求級別INTE:InterruptEnableINT:InterruptELR:EnableLevelReadETLG:EnableThisLevelGroupENLG:EnableNextLevelGroup八級優先權控制電路INTEL8214組成：1.中斷請求鎖存器及優先權編碼器用于鎖存中斷請求R0~R7，LC是鎖存器控制信號LC=0，允許鎖存,禁止中斷觸發器=“1〞時禁止鎖存。LS是鎖存器狀態信號，有中斷信號鎖存時，LS=1優先權編碼器用于對中斷請求排隊，當有兩個以上申請時，只輸出最高級編碼000~111，一方面送比較器，一方面經OC門輸出。當ECS到來時，允許現行狀態輸入2.現行狀態存放器用于存放現行中斷源的優先級別，可用輸出指令把現行狀態的優先權編碼送入該存放器。B0~B2送入的是反碼，在內部變為原碼后與A0~A2比較。假設A>B，那么使中斷觸發器置“1〞，并輸出。假設A<B，那么不發中斷請求，繼續原中斷處理。SGS是狀態組選擇信號，SGS=“1〞時，不比較，有中斷請求就發INT信號。ELR,ETLG,ENLG用于多片8214級連，只一片時那么ELR=“0〞,ETLG=“1〞,ENLG懸空使用8214要注意以下幾點：1.開中斷前，主程序必須為現行狀態存放器送全“1〞〔即且SGS=“1〞。準備接收任一個中斷請求。2.由于CPU不能讀出8214狀態存放器的內容,必須把現行優先權的副本存入RAM或某一存放器,以便恢復時使用.3.所有中斷級是實際值的反碼。初始化8214狀態存放器的程序是:A800MOVR0,000F;R0=000F(B0~B2=111)OUT84;送現行狀態存放器MOVR3,R0;保存現行狀態存放器到R3EI;開中斷TEC-2計算機中斷處理過程:接到INT信號后,假設處于開中斷狀態,那么進入中斷處理周期.1.發回中斷響應信號INTA,(DS1=0,DS2=1)允許8212送出中斷向量.(DO4~DO6=P0~P2)2.CPU讀數據總線將中斷向量送AR,按(AR)內容取出中斷效勞程序入口地址送PC.3.執行中斷處理程序.84h08DD098812MOVR3,R0EI0899:DI1.CPU暫停方式2.CPU周期竊取方式3.直接訪問存儲器工作方式10.3DMA輸入輸出方式10.3.1DMA三種工作方式10.3.2DMA控制器組成10.3.2DMA控制器組成1.設備存放器主存地址存放器(MAR):存放主存緩沖區首地址.每傳送一個字,自動加1.外圍設備地址存放器(ADR):存放I/O設備的設備碼或表示設備信息存儲區的尋址信息.字數計數器(WC):存放傳送數據的總字數,每傳送一個字,計數器自動減1,為0時表示傳送結束。控制與狀態存放器(CSR):存放控制字和狀態字。數據緩沖存放器(DBR):暫存I/O設備與主存傳送的數據。各存放器均有自己的地址,CPU可對這些存放器進行讀/寫。2.中斷控制邏輯DMA中斷控制邏輯負責向CPU申請對DMA進行預處理和后處理.3.DMA控制邏輯一般包括設備碼選擇電路,DMA優先排隊電路,產生DMA請求的線路等.在DMA取得總線控制權后控制主存和設備之間的數據傳送.4.DMA接口與主機和I/O設備兩個方向的數據線、地址線和控制信號以及有關收發與驅動線路。DMA的傳送過程分三個階段：1.DMA預處理2.

DMA控制I/O設備與主存之間的數據傳送3.CPU中斷原程序進行后處理。10.3.3DMA的數據傳送過程I/O設備啟動后，假設為輸入數據，那么進行以下操作：1.從輸入設備讀入一個字到DBR。2.向CPU發DMA請求，取得總線控制權后，將DBR中的數據送入主存數據存放器。3.將DMA中的MAR內容送主存地址存放器，啟動寫操作，將數據寫入主存。4.WC內容減1，MAR內容加1，指向下一字地址。5.判WC=0？不為0，繼續傳送；為0，置結束標志，向CPU發中斷請求。假設為輸出數據，那么進行以下操作：1.將MAR的內容送主存地址存放器。2.讀內存，將對應單元內容送入主存數據存放器。3.將主存數據存放器的內容送DMA的DBR。4.將DBR的內容送輸出設備。5.WC內容減1，MAR內容加1，指向下一字地址。6.判WC=0？不為0，繼續傳送；為0，置結束標志，向CPU發中斷請求。10.3.4軟盤接口邏輯電路舉例DMA控制器：Intel8257,Intel822858257DMA控制器含有4個獨立通道。〔CH0—CH3)每個通道有：16位地址存放器：存放主存首地址16位字節計數器：存放傳送字節數工作方式和狀態存放器在DMA傳送前，CPU必須對8257初始化。10.4通道控制方式和外圍處理機方式在小型、微型計算機中采用中斷和DMA方式進行I/O處理是有效的。在大型、中型計算機中，外設多數據傳送頻繁，采用DMA存在如下問題：〔1〕每個外設都配DMA，會提高本錢，為解決訪問主存沖突，會使控制復雜化?！?〕CPU為眾多DMA初始化必然占用CPU時間，頻繁的周期挪用會降低CPU效率。為解決上述問題，大型、中型計算機中采用I/O通道方式進行數據交換。10.4.1I/O通道的種類I/O通道是一種能執行有限通道命令的I/O處理機?？纱鍯PU獨立管理控制外設。采用通道方式的I/O系統，多采用主機－通道－設備控制器－I/O設備四級連接方式。通道應具有以下功能：１.選擇外設，并進行初始化。２.指出外設讀寫信息的位置及主存地址。３.控制數據交換，并完成數據字的分拆與裝配。４.指定傳送結束時的操作，并檢查外設狀態。DMA與通道的區別：DMA完全借助硬件傳送數據，通道通過一組通道命令與硬件一起完成數據傳送。通道分類：通道分類：1.字節多路通道〔multiplexorchannel)一種簡單的共享通道，外設分時占用通道，用于低、中速面向字符的設備。字節多路通道包括多個子通道，效勞于一個設備控制器。每個子通道都有字符緩沖存放器，I/O請求標志/控制存放器，主存地址存放器和字節計數器。2.選擇通道一次只有一臺外設占用通道，與主存交換完數據后再為另一臺效勞。數據傳送成組〔數據塊〕進行，傳送速率高，適合快速設備〔磁盤〕。3.數組多路通道

數組多路通道具有上述兩種方式的特點，既可以執行多路通道程序，所有子通道分時共享總通道；又可以用選擇通道的方式傳送數據。具有多路并行操作能力，數據傳送速率高，缺點是控制復雜。10.4.2通道型I/O處理機和外圍處理機Input/OutputProcessor(IOP)IOP不是獨立的計算機，可以和CPU并行工作，提供高速的DMA處理能力，有的還具有數據變換、搜索和字裝配/分拆能力。Intel8089就是通道型IOP，主要承擔I/O處理、控制和實現高速數據傳送任務。PeripheralProcessingUnit(PPU)外圍處理機根本上獨立于CPU工作，結構上更接近于一般的處理機，或者就選用已有處理機。外圍機應用于大型高效率的計算機系統中。CYBER-172外圍處理機子系統包括10臺PPU，共享12個I/O通道。10.5總線結構計算機系統大多采用模塊結構，各模塊之間傳送信息的通路稱為總線。總線標準：正式標準：由IEEE等國際組織正式確定、成認。工業標準：首先由某一廠家提出，得到其他廠家廣泛使用?？偩€種類：內總線〔系統總線〕：連接內部各模塊的總線，常用的有ISA、EISA、STD、PCI總線等。外總線〔通信總線〕：系統之間或系統與外設之間的連線。常用的有EIA-RS232,IEEE-48810.5.1總線類型1.單總線所有模塊都連接到單一總線上。2.多總線系統總線與I/O總線分開，形成雙總線結構。也可組成三總線結構，在系統總線和擴展總線之間增加一條高速總線，將圖形、視頻、網絡等連到高速總線上。10.5.2總線組成右圖為總線物理結構示意圖背板上有假設干插槽用來插入各個模塊,各插槽相應點連接起來，即為總線?？偩€控制線路：總線判優或仲裁邏輯驅動器和中斷邏輯。1.總線判優邏輯主設備：控制總線的設備。從設備：響應主設備命令的設備。集中式控制：總線控制邏輯集中于一