[IT认证]第5章输入输出系统V12.ppt

计 算 机 组 成 原 理,2013年3月6日,第五章 输入输出系统,5.1 I/O系统概述,I/O系统功能为数据传输操作选择I/O设备连接I/O设备与主机，完成数据交换I/O系统组成软件：可由系统软件（OS）或应用软件承担输入输出过程控制：发送读写指令，检查设备状态等用户界面硬件：I/O接口主机与外设之间通信：速度匹配、同步、指令、状态、差错控制.数据缓存“接口（interface）”vs.“端口（port）”端口寄存器组（数据、控制、状态）接口N个端口控制逻辑,5.1.1 I/O接口组成,速度匹配、同步、指令、状态、差错控制、数据格式转换,5.1.2 I/O编址方式,计算机系统中I/O端口的编址方式独立编址方式（direct I/O）专用I/O端口地址，与存储器地址空间分开采用专用I/O指令Intel处理器所使用的方式8086：存储空间1M(20条地址线)，I/O空间64K(16条地址线)存储器映射编址方式（Memory Mapped I/O）I/O端口占用一部分存储空间使用统一的访存指令对I/O端口进行读写某些嵌入式处理器（Embedded Processor）采用的方式利弊：编程，指令译码,存储器映射I/O编址,5.1.3 数据传输方式,数据传输方式串行并行,并行,串行,5.1.4 外围设备的定时方式,外围设备种类繁多，不同设备在速度上差异甚远，信号格式也不尽相同，如何将不同速度的设备与高速运转的主机相连？如何同步?输入输出设备与CPU交换数据的基本过程 输入过程 输出过程,不同设备的定时,如何判断数据有效是外设定时的关键；速度不同的外围设备共有三种定时；速度极慢或简单的外围设备 慢速或中速的外围设备(异步定时)高速的外围设备（同步定时）,同步方式,主机较外设速度快，必须同步异步方式：Handshaking protocol应答式（acknowledge）Ready：就绪Strobe：选通串行，速度慢同步式：主机与外设采用同步时标并行，速度快,5.1.5 数据传输控制方式,程序查询方式程序中断方式直接内存访问方式（Direct memory access）I/O通道方式I/O处理机方式,CPU控制传递过程,1、程序查询方式,由CPU控制数据传输的过程一次传输一个字节多个设备优先级：查询的顺序处理器等待，效率低,程序查询方式,数据传输完全依赖于程序控制 CPU与外设之间的操作能够同步 硬件结构简单 频繁的查询动作浪费了大量宝贵的CPU时间 最古老的一种方式，目前很少使用，单片系统仍有使用。,2、程序中断方式,中断的概念暂停当前程序的执行，转而执行其他程序，在它们执行完成后再恢复被中断程序的执行。允许一个处理器“同时”执行多个任务中断服务程序中断方式I/O处理器继续执行自己的任务外设Ready后，通过接口向CPU发中断请求CPU在当前指令执行完成后响应中断完成数据传输后，恢复被中断程序的执行并行，效率高，但仍然占用CPU应用：数据采集，键盘接口，打印程序,程序中断方式,外围设备主动通知CPU，准备数据传输 当中断发生时，CPU中断当前的工作，转向中断处理子程序，该程序用于数据传输。提高了CPU的使用效率。适合随机出现的服务 硬件结构相对复杂，服务开销时间大,3、DMA方式,进一步提高效率，避免在I/O时占用CPU需要解决访存时总线冲突问题CPU在总线周期结束时让出总线时钟周期总线周期指令周期批量数据传输,直接内存访问DMA方式,用于成组交换数据的场合 中断方式不适合于成组数据交换 由硬件执行I/O交换的工作方式 DMA控制器从CPU接管总线控制，数据交换无须CPU干预，直接在内存以及外围设备之间进行，节约了中断开销 需要更多硬件。,4、I/O通道方式,对大型系统，设备多，数据传输频繁，DMA造成的总线冲突仍然影响CPU的效率。I/O通道方式执行专用指令，完成数据交换专用处理器，受主CPU控制（启停等）应用：网络控制器?,通道方式,分担CPU的I/O 处理的功能；通道是一个具有特殊功能的处理器IOP;可以实现外围设备的统一管理和DMA操作 大大提高了CPU工作效率；花费更多的硬件代价；,小 结,内容外设原理I/O系统组成I/O接口的基本特征编址方式同步方式控制方式要求基本工作原理、流程、结构框图,1.在统一编址方式下，下面哪一个说法正确（）。A.一个具体地址只能对应输入输出设备 B.一个具体地址只能对应内存单元C.一个具体地址既可对应内存单元又可对应输入输出设备D.一个具体地址只对应I/O设备或者只对应内存单元。,课堂练习,2.在独立编址方式下，存储单元和I/O设备是靠（）来区别的。A.不同的地址代码 B.不同的地址总线 C.不同的指令或不同的控制信号 D.上述都不对,课堂练习与思考：,D,C,课堂练习（续）,3.数据格式的串并转换是（）功能。A 并行接口 B 串行接口 C 同步接口 D 异步接口,4.I/O接口中数据缓冲器的作用是（）。A 暂存外设和CPU之间传送的数据 B 暂存外设的状态 C 暂存外设的地址 D 上述都不对,课堂练习与思考：,B,A,5.2 程序查询方式及其接口,一 程序查询方式,基本思想：由CPU执行一段输入输出程序来实现主机与外设间数据传送。根据CPU与外设之间传送数据的时机是由CPU决定还是由外设决定，可分为无条件传送和有条件传送方式。,1 无条件传送方式 CPU无需询问I/O接口的状态，可随时直接输入或输出数据。该方式一般用于简单外设，且无需了解外设工作状态的情况。,程序查询方式及其接口,1 无条件传送方式（续）,（1）简单输入举例【例】从开关寄存器(8位)输入数据，输入端口地址为FEH.假定：I/O设备独立编址，I/O地址为位(A7-0)输入指令为IN A，(设备地址)；A为CPU中的累加器 输入指令对应总线上的控制信号为:(对I/O接口操作),(读),程序查询方式及其接口,(2)简单输出举例【例】向端口FEH输出数据，显示在发光二极管上。假定：I/O设备独立编址，I/O地址为位 输出指令为 OUT(设备地址)，A；输出指令对应总线上控制信号：,程序查询方式及其接口,程序查询方式的工作流程,CPU需要根据外设的工作状态来决定是否进行数据传送，随时对接口状态进行查询。,特点：简单，不需要复杂的硬件接口。但CPU完全被外设占有，不能做其他任何事情，效率低，浪费了许多CPU时间。,查询传送流程,课堂练习与思考：,1.不同工作速度的设备之间进行信息交换（）A.必须采用异步控制B.必须采用同步控制C.即可以采用同步控制，也可以采用异步控制D.不能用时钟周期提供时间划分基准,2.外部接口是（）的逻辑部件A.CPU与系统总线之间 B.系统总线与外部设备之间C.主存与外围设备之间 D.运算器与外围设备之间,3.串行接口是指（）A.接口与系统总线之间采取串行传送B.接口与外围设备之间采取串行传送C,接口与两侧采取串行传送D.接口内部只能串行传送,D,B,B,4.并行接口是指（）A.接口与系统总线之间采取B.接口与外围设备之间采取并行传送C.系统总线采用并行传送 D.接口采用中断方式,5.在磁盘存储器中（）A.只采取查询等待方式B.只采取程序中断方式C.采取方式D.既有方式，也有中断方式,B,C,5.3 程序中断方式,外围设备主动通知CPU，准备数据传输 当中断发生时，CPU中断当前的工作，转向中断处理子程序，该程序用于数据传输。提高了CPU的使用效率。适合随机出现的服务 硬件结构相对复杂，服务开销时间大,5.3.1 中断基本概念,CPU暂时中止现行程序的执行，转去执行为某个随机事件服务的中断处理子程序，处理完毕后自动恢复原程序的执行 保存断点，保护现场；恢复现场，返回断点。一条指令结束时切换。保证程序的完整性。,1、中断基本概念,计算机在运行过程中，可能会发生运算溢出、除数为零、无休止循环或电压下降等事先无法预料的故障，这些都是运行中非正常的现象。外部设备要求传送信息，尽管是系统运行的正常现象，但是对CPU来说是随机的，不可能预先规定传送的时刻。中断技术赋于计算机应变能力，将有序的运行和无序的事件统一起来，大大增强了系统的处理能力,2、程序中断处理示意图,主程序,A请求中断,B请求中断,C请求中断,A中断服务子程序,B中断服务子程序,C中断服务子程序,3、中断程序与子程序,中断程序转移类似于子程序调用 子程序调用是由主程序安排在特定位置上的，通常是完成主程序的特定功能，与主程序存在必然联系。而中断是随机发生的，可以在程序任何一个位置切换，而这没有直接联系。,4、中断作用,实现主机和外部设备准备阶段的并行工作 使用中断技术后，CPU原来用于查询外设状态的时间被充分地利用起来了，其工作效率得到了显著的提高。,主程序,启动设备,设备请求中断,设备准备,中断服务,两种控制方式中CPU运行轨迹,中断作用,故障处理 系统能在故障出现时发出中断信号，调用相应的处理程序，将故障的危害降到最低程度，并请求系统管理员排除故障。实时处理 计算机在现场测试和控制、网络通讯、人机对话时都具有强烈的实时性，中断技术能确保实时信号的处理。,5、中断的类型,中断,内中断,外中断,(,强迫中断,),自愿中断,指令中断,强迫中断,硬件故障,软件出错,不可屏蔽中断,可屏蔽中断,6、中断优先级,当多个设备同时产生中断请求时，CPU就必须采用一定的策略进行响应，通常采用优先级的策略。优先级是CPU响应并处理中断请求的先后次序 当多个设备同时有中断请求时，优先级高的先响应，优先级低的后响应。当CPU正在为某设备服务时，优先级高的中断请求可以中断CPU当前所服务的程序。,中断优先级,CPU优先级随不同中断服务程序而改变，如执行某设备服务程序，CPU优先级就与该设备的优先级一样。低于或者等于当前优先级的设备请求均要屏蔽。CPU在程序开始执行时，就设置设备接口中的中断屏蔽触发器(INM)状态。如CPU当前优先级是3级(0为最高级)，则将3级以上的低优先级设备接口中的INM置“1”即屏蔽，其他置“0”。,划分优先级的一般规律,硬件故障中断属于最高级，其次是程序错误中断。非屏蔽中断优于可屏蔽中断。DMA请求优先于I/O设备传送的中断请求。高速设备优于低速设备，输入设备的中断优于输出设备，实时设备优先于普通设备。同一优先等级中可以包括多台设备，这些设备中离计算机近的优先，形成了二维优先等级。,二维优先级示意图,7、中断屏蔽,中断屏蔽技术可动态改变各设备的优先级。响应优先级 CPU对各设备中断请求进行响应，并准备好处理的先后次序，这种次序往往在硬件线路上已固定，不便于变动。处理优先级 CPU实际对各中断请求处理的先后次序。如果不使用屏蔽技术，响应的优先次序就是处理的优先次序。,中断屏蔽方式,1,1,0,0,中断屏蔽位,CPU响应中断后，正在执行中断服务子程序时，可能有另外一个设备也发出中断请求，为了不发生混乱，中断管理部件中必须有一个中断屏蔽寄存器。设置1为设置屏蔽，否则取消屏蔽。,屏蔽码,通过控制各设备接口的屏蔽触发器状态，达到改变处理次序的目的。CPU送往各设备接口屏蔽触发器状态信息的集合，称为屏蔽码,8、单级中断与多级中断,当几个设备同时产生中断请求时，CPU响应即优先级高的中断请求。但当CPU正在处理低优先级设备时，出现了高优先级设备的中断请求，那是不是一定要中断运行中的程序呢？出于对系统硬件、软件开销的权衡，有两种解决方式，即单级中断处理和多重中断处理。,多级中断,优先级高的中断级可以打断优先级低的中断服务程序，以实现中断程序的嵌套。,主程序 A B C,同时中断请求的处理方法,9、信息交换的中断过程,外围设备在数据准备就绪后，发出请求中断信号，请求CPU中断目前正在执行的程序而进行数据交换。CPU响应这个中断，暂停当前执行的主程序，并自动转移到该设备的中断服务子程序。（该程序用于数据交换）中断服务子程序结束以后，CPU又回到原来的主程序。,10、I/O 中断处理过程,(1)CPU 响应中断的条件和时间,条件,时间,允许中断触发器 EINT=1,用 开中断 指令置“1”EINT,用 关中断 指令置“0”EINT 或硬件 自动复位,当 D=1（随机）且 MASK=0 时,在每条指令执行阶段的结束前,CPU 发 中断查询信号（将 INTR 置“1”）,(2)中断处理过程,中断服务程序的流程,(1)保护现场,(2)中断服务,(3)恢复现场,(4)中断返回,对不同的 I/O 设备具有不同内容的设备服务,中断返回指令,中断隐指令完成,进栈指令,出栈指令,中断处理中的问题,中断时机 保存现场 中断屏蔽 中断过程由软硬件结合完成,中断识别,非向量中断 将服务程序入口组织在查询程序中；响应时执行查询程序查询中断源，转入相应服务程序。向量中断 将服务程序入口(中断向量)组织在中断向量表中；响应时由硬件直接产生相应向量地址，按地址查表，取得服务程序入口，转入相应服务程序。,中断识别,程序识别 单线查询法 中断向量法,程序识别(软件查询）,单线查询法,链式查询的中断排队电路,中断请求信号有效(IR=1)响应中断(INTA=1)送排队电路 若设备i无请求（IRi=0）经反向器开放与门2 继续下传INTA信号;设备i有请求（IRi=1）经反向器关闭与门2 截取INTA（阻止下传）。同时开放与门1 送出本设备中断向量。,中断向量法,5.3.2 中断仲裁方式,同一时刻可能有多个设备同时发出中断请求，如何选择适当的设备进行中断响应？（与总线仲裁方式类似）链式查询 独立请求 分组链式结构,1、链式查询方式,IG,IR,IR:,中断请求,IG:,中断许可,CPU,设备,n,设备,1,2、独立请求方式,3、分组链式,4、中断方式接口,中断传送流程,4、工作过程,主机启动设备 设备准备传送 发中断请求信号 主机响应中断 数据传送,例：设原有中断优先级顺序为0123，试设置中断屏蔽字，将中断优先级改为1203。解：根据要求：3级中断的优先级最低，因此3级中断的屏蔽字应设置为允许0级、1级和2级中断，但屏蔽3级中断，屏蔽字为：0001（0级，1级，2级，3级中断屏蔽位）1级中断为最高，其屏蔽寄存器应设置为全1，以屏蔽所有其它中断。即这时的中断屏蔽字为：1111 2级中断的优先级高于0级、3级中断,但低于1级中断。其屏蔽字应设置为：1011 0级中断的优先级高于3级中断,但低于1级、2级中断。其屏蔽字应设置为：1001,下图为4级中断请求同时到达时CPU的响应顺序。图中用向下的箭头表示程序执行过程，从上到下是时间轴，从左到右则表示系统处于原程序和各种不同中断处理程序的状态。,例：A、B、C是与主机连接的3台设备，在硬件排队线路中，它们的响应优先级是ABCCPU，为改变中断处理的次序，将它们的中断屏蔽字设为:,请按下图所示时间轴给出的设备中断请求时刻，画出CPU执行程序的轨迹。A、B、C中断服务程序的时间宽度均为20 s。,解：从中断屏蔽字看出，其处理优先级为：ACB 故CPU运行轨迹如下：,A服务,B服务,C服务,CPU,A,B,C,20 40 60 80,5.4 DMA方式,5.4.1 DMA方式的基本概念 1 DMA方式的特点及应用场合,DMA方式是在外设和主存间开辟一条“直接数据通道”，在不需要CPU干预也不需要软件介入的情况下在两者间进行的高速数据传送方式。,一般用在主存与高速外设间的简单数据传送。应用场合包括磁盘、光盘等外设接口；网络通信接口；动态存储器的刷新；高速数据采集接口。,DMA方式中,对数据传送过程进行控制的硬件称为DMA控制器。,2、DMA基本概念,中断方式提高了主机和外设并行工作的效率，但是每传送一个字或一个字节的数据就要执行一次中断服务程序，数据传送时仍然要占用CPU的时间，不适合于高速传输的系统。DMA在外设与主存之间建立一个由硬件管理的数据通路，如图所示，使CPU不介入传送时的操作，数据也不经过CPU。这样就减少了CPU的开销，系统效率得到了提高。,CPU,主存,DMA,接口,接口,内存争用,DMA方式进行数据传送时，CPU仍执行主程序，此时DMA控制逻辑与CPU可能同时要访问主存，引起主存使用权的冲突。如何处理这种冲突呢？停止CPU使用主存 DMA与CPU交替使用主存 周期挪用法,3、停止CPU访内,由于外设传送两个数据间的时间间隔大于存储周期，所以在DMA控制内存期间，内存没有得到充分利用。,内存工作,CPU访内,DMA访内,4、DMA与CPU交替使用主存,每个CPU工作周期分成两个时间段，一段用于 DMA访问主存，一段用于CPU访问主存。CPU和DMA都能访问主存，没有主存使用权移交过程，所以这种方式的效率较高，但是硬件投资较大，而且要求 CPU工作周期比存储周期长很多。,5、周期挪用法,DMA要求访问主存时，CPU暂停一个或多个存储周期。一个数据传送结束后，CPU继续运行。CPU现场并没有变动，只是延缓了对指令的执行，这种技术称为周期挪用，或称周期窃取。如发生访存冲突，则DMA优先访问。,5.4.2 DMA主要操作过程,主机通过指令向DMA接口发送必要的传送参数，并启动 DMA工作。这些参数的作用是 指出数据传送的方向，即指出是主机将数据传送给设备，还是由设备传给主机。指出数据块在主存的首地址。指出数据在外设存储介质上的地址。指出数据的传送量。,1、预处理阶段,2、传送阶段,当外围设备发出DMA请求时，CPU在本机器周期执行结束后响应该请求，并使CPU的总线驱动器处于第三态（高阻状态）之后，CPU与系统总线相脱离，而DMA控制器则接管数据总线与地址总线的控制，并向主存提供地址于是在主存与外围设备之间进行数据交换每交换一个字，地址计数器和字计数器加“1”当字计数器溢出时，DMA操作结束，DMA控制器向CPU发出中断报告,DMA数据传送是以数据块为基本单位进行的每次DMA控制器占用总线后，无论是数据输入操作，还是输出操作，都是通过循环来实现的当进行输入操作时，外围设备的数据（一次一个字或一个字节）传向主存当进行输出操作时，主存的数据传向外围设备,3、结束阶段,DMA在两种情况下都进入结束阶段。正常结束，一批数据传送完毕；非正常结束，DMA发生了故障，也要进入结束阶段 不论是哪一种情况进入结束阶段，DMA都向主机发出中断请求，CPU执行服务程序，查询DMA接口状态，根据状态进行不同处理。,一个数据块的传送过程(停止访内方式),DMA控制器,5.4.3 工作过程,设备准备好,发启动信号,数据数据缓冲寄存器;置“1”请求标志,发DMA请求;控制逻辑向CPU发保持HOLD请求;CPU响应后,向DMA控制器发HLDA响应;控制逻辑发DMA响应信号使请求标志复位为“0”,准备交换一个字 在系统总线中的ABUS上发内存地址,DBUS上发送数据;在写命令控制下,把数据写入指定地址;内存地址+1,字计数器1.传送第二个字.直至字计数器为0,DMA结束。,传送流程,DMA与程序中断的区别,中断通过程序实现数据传送，DMA靠硬件来实现。中断时机为两指令之间，DMA响应时机为两存储周期之间。中断不仅具有数据传送能力，还能处理异常事件。DMA只能进行数据传送。DMA仅挪用了一个存储周期，不改变CPU现场。DMA请求的优先权比中断请求高。CPU优先响应DMA请求，是为了避免DMA所连接的高速外设丢失数据。DMA利用了中断技术,三种方式的 CPU 工作效率比较,程序查询方式,程序中断方式,DMA 方式,课堂练习与思考：,1.按信息交换控制方式，外围接口可分为()(多选),A.中断接口；B.DMA接口 C.并行接口 D.串行接口,2.程序中断接口组成部件包括（）,A.设备选择电路；B.程序计数器PC；C.命令字寄存器和状态字寄存器；D.数据缓冲寄存器,3.保存断点（响应中断后）是指保存（）。单选,A.所有存储器内容；B.AC寄存器内容；C.程序计数器PC内容；D.所有已使用的存储器内容,4.DMA方式的工作特点（）多选,A.适用于高速外围设备与主存储器之间的数据传送；B.传送时需要CPU参与;C.需进行程序切换;D.适合数据块传送,A、B,A、C、D,C,A、D,5.与中断方式相比较，DMA方式（）。多选,A.响应DMA请求之后，不需要保存断点与现场；B.DMA方式不切换程序，仅占用系统总线；C.能识别与处理复杂事态；D.依靠硬件实现快速数据传送。,A、B、D,6.在DMA方式的运行过程中，善后处理由（）完成.单选,A.中断方式；B.DMA方式；C.IOP方式；D.通道方式,A,7.中断屏蔽字的作用是（）.单选,A.暂停外设对主存的访问；B.暂停对某些中断的响应；C.暂停对一切中断的响应；D.暂停CPU对主存的访问。,B,8.中断隐指令操作主要包括（）.多选,A.送屏蔽字；B.关中断；C.保存断点及PSW；D.取服务程序入口地址。,B、C、D,课堂练习与思考：,9、CPU对DMA请求和中断请求的响应时间是否一样？为什么？,解：响应时间不一样，因为两种方式的交换速度相差很大，因此CPU必须以更短的时间间隔查询并响应DMA请求。响应中断请求是在每条指令执行周期结束的时刻，而响应DMA请求是在存取周期结束的时刻。中断方式是程序切换，而程序又是由指令组成，所以必须在一条指令执行完毕才能响应中断请求，而且CPU只有在每条指令执行周期结束的时刻才发出查询信号，以获取中断请求信号，若此时条件满足，便能响应中断请求。DMA请求是由DMA接口根据设备的工作状态向CPU申请占用总线，此时只要总线未被CPU占用，即可立即响应DMA请求；若总线正被CPU占用，则必须等待该存取周期结束时，CPU才交出总线的使用权。,5.5 通道控制方式,5.5.1 通道的基本概念 通道是一种高级的I/O控制部件，基本任务是通过执行程序来管理输入输出工作。,DMA控制器通过专门的硬件控制逻辑实现对数据传送的控制；通道是一个具有特殊功能的处理器，它有自己的指令和程序，通过执行通道程序来实现对数据传送的控制。通道具有更强的独立处理数据输入输出功能。DMA控制器通常只能控制一台或少数几台同类设备；而一个通道可以同时控制许多台同类或不同类的设备。,1 通道控制方式与DMA方式的区别,通道方式,DMA方式依赖硬件逻辑支持，随着设备数量的增加，DMA控制器增加，成本也相应增加。必须找出一种方法使DMA技术被更多的设备共享。DMA接口的起始准备仍需CPU执行一段程序完成。高速设备的信息是成批传送的，一批数据包含了相当多的数据块，每一数据块都要使DMA接口初始化。数据块连续频繁地传送，其占用CPU的时间就不可忽视了。,通道方式,为此设置一种专用的输入输出处理机，分担主机对输入输出管理的全部或大部分工作。而且不仅能管理高速设备，还能管理低速设备。这种专用处理机称为通道。通道吸取了DMA硬件技术，并增加了软件管理。它设有专用的通道指令。尽管这些指令的功能有限，但能独立管理和控制输入输出操作。一个主机可以连接多个通道，一个通道可以管理多个设备控制器。而一个设备控制器又可以控制多台设备。这样就形成了一个较完整的 IO系统，并具有明显的层次性。,5.5.2 通道功能,1、根据CPU要求，组织设备与系统连接和通信；2、选取通道指令，通过设备控制器向设备发出操作命令；3、指出数据在设备中的位置和在主存缓冲区内的位置，组织设备与主存间的数据传输。4、检查设备和设备控制器的工作状态。向CPU反映设备、设备控制器及通道本身的状态信息。5、将外设和通道本身的中断请求，按次序及时报告CPU。6、设备控制器介于通道与设备之间，是通道对外部设备实行具体控制的机构。将通道发送的命令转换为设备能接受的控制信号，向通道反映设备的状态，将设备的各种电平信号转换成通道能识别的标准逻辑信号。,5.5.3 通道分类,根据设备共享通道的情况及信息传送速度的要求，通道分为3类：字节多路通道 选择通道 数组多路通道。,1、字节多路通道,包括若干子通道，每个子通道服务于一个设备。在一段时间内能交替执行多个设备的通道子程序，从而使这些设备并行工作。,通道中数据传送,字节多路通道的工作过程：,TS：设备选择时间。TD：传送一个字节所用的时间。Dij：连接在通道上的第i台设备传送的第j个数据。,2、选择通道,对那些传输速率很高的设备，如硬盘，不适合使用字节多路通道，通道传送两个字节之间的空闲时间很少，故只宜为一台设备单独服务。选择通道规定，设备以成批数据连续传送方式占用通道，直到指定数量的数据全部传送完毕，通道才转为其它设备服务。选择通道在物理上可以连接多个设备，但这些设备不能同时工作。选择通道只有一个子通道，它适用于大批量数据的高速传送。,选择通道,通道中数据传送,选择通道的工作过程：,3、数组多路通道,通道能高速传送数据，但设备辅助操作时间不能有效利用 如硬盘启动后，平均等待时间10ms左右，磁带机磁头定位时间更长，可达几分钟。这样长时间通道处于等待状态。为利用这段时间，将上述字节多路通道和选择通道的特点结合起来，形成一种新的通道形式，称为数组多路通道。数组多路通道规定多个设备以数据组（块）为单位交叉使用通道。某设备占用通道时，连续传送一组数据，然后将通道让给其它设备。数据组的大小因设备而异，有256B、512B或1KB等。,通道中数据传送,数组多路通道的工作过程：,通道在某设备执行辅助操作时，暂时断开与该设备的连接，挂起与该设备对应的通道程序，转为其它设备服务。等到该设备完成了辅助操作，并且其它设备完成一组数据的传送后，通道才转为该设备服务。数组多路通道也包含若干个子通道。当几个子通道同时要求通道为自己服务时。用优先级排队方法裁决。数组多路通道适用于中、高速设备，如磁带机、磁盘等。能充分发挥传送效率，但在一批数据传送过程中，要多次与设备断开和连接，而又不能像字节多路通道服务于低速设备那样，有足够时间借用主机部件工作，因此、通道的硬件结构比较复杂。,字节多路通道与数组多路通道,数组多路通道同时只允许一个设备进行传输型的工作，其他设备只能进行控制型的工作，字节多路通道没有此限制。传送的基本数据数据单位不同。,5.5.4 通道的结构,CCWR通道命令字寄存器，用来存放通道命令字（CCW）。CCW是控制I/O操作的关键参数，若干通道命令字构成通道程序，放在主存中。CAWR通道地址字寄存器，指出了CCW在主存中的地址，初始值由程序预置。CSWR通道状态字寄存器，记录了通道程序执行后本通道和相应设备的各种状态信息（称为通道状态字，CSW）。CSW通常放在主存固定单元中。,5.5.5 通道工作过程,通道完成一次数据传输的主要过程为三步：,进入管理程序，由CPU通过管理程序组织一个通道程序，并启动通道。通道执行CPU为它组织的通道程序，完成指定的数据输入输出工作。通道程序结束后向CPU发中断请求。CPU响应中断请求后，调用管理程序对中断请求进行处理。,通道工作过程,图 通道程序、管理程序和用户程序的执行时间关系,5.6 I/O设备的工作原理,键盘、显示器、打印机,5.6.1 键盘工作原理,由一组排列成阵列的按键开关组成按下一个键，产生一个位置码位置码转换成字符码，送入主机读键过程判断有无按键消抖：电路，软件识别编码,硬件：编码键盘，直接得到字符码（ASCII）软件：非编码键盘，读位置码查表字符码,编码键盘,要点：ROM中存储各个按键的字符码(ASCII)计数器循环计数扫描键盘得到当前按键的位置码（还可以采用8255A方式）按键按下时停止计数，并产生中断请求，CPU读字符码消抖？,5.6.2 输入设备鼠标器,鼠标的移动距离和方向,脉冲信息（送给计算机）,显示器光标的坐标数据,光电式 光机式 机电式,光电式结构,光机式三个滚轴（X方向、Y方向、空）X、Y方向各连一个码盘三个均与同一个滚动小球接触,3.机电式,5.6.3显示器,种类CRT（Cathode-Ray Tube，阴极射线管）LCD（Liquid Crystal Display，液晶）LED（Light-Emitting Diode，发光二极管）字符图像单色（black and white）灰度（Gray）彩色（Color）,1、CRT原理,电子束轰击荧光屏的荧光粉产生亮点（象素，pixels）尺寸：荧光屏对角线长度，15inch、17inch、21分辨率象素多少：1024768，物理逻辑行间距：.31mm、.28mm彩色：RGB，24位真彩色（16M种），每种8位灰度：256级，8位刷新：显示余辉几十ms刷新频率：60Hz帧缓存（显存）：刷新存储器，容量由分辨率和色彩（灰度）决定(512512)256色（级）5125128b256KB存取周期要与刷新频率匹配,灯丝,阴极,聚焦极,石墨层,荧光屏,显示屏,阳极帽,偏转线圈,栅极,阳极,电子枪,电子束,(1)阴极射线管（CRT）的构成和工作原理,2、显示器件,字符显示器原理,显存存放欲显示字符的ASCII显存单元地址与显示器行列位置一一对应,显示位置,字形的产生过程,0 0 0 0,0 0 0 1,0 0 1 0,0 1 0 0,0 1 0 1,0 1 1 0,1 1 1 1,0 1 1 1,0 0 1 1,10H,28H,44H,82H,82H,FEH,82H,82H,00H,字符发生器,(R O M),ASCII字符代码,8,4,RA3-RA0,(a)“A”的点阵表示,(b)字符发生器的结构,(来自VRAM),(来自光栅地址计数器输出),RA3-RA0,D7,D0,D7,D0,ASCII代码(41H)指向这个字形,3、CRT扫描方式,如何更新显示内容？随机扫描方式：仅仅扫描需要作图的位置质量高，成本高，40964096以上用光栅扫描方式：屏幕整体更新逐行扫描隔行扫描（常用）奇数场偶数场先偶数场，后奇数场,其结构简单，已大量用于仪表，计算器和手表上。原理：在两块敷有透明导电电极平板的玻璃夹层中，封装一种既有流体性质，又有晶体性质的液晶，只要在电极上加几伏至几十伏电压，液晶的透光率，反射率，颜色等就会发生变化，即可显示字符和图形。,(2)平板显示器件,液晶显示平板器件,特点：电流小，工耗低，价廉，可与集成电路配套使用，在明亮环境下仍有较好的对比度和灰度，具有较好的显示色彩和存储信息的能力。但工作温度范围小（通常在050摄氏度），响应速度慢。制造较大面积的液晶显示比较困难。,5.6.4 打印设备,点阵打印机打印头：9针，24针控制机构：打印头横移，走纸色带：彩色，黑白接口：并口RAM中存字符码，ROM中存“字模（font）”字模：点阵字库（插值），矢量字库激光打印机喷墨打印机,1.击打式打印机点阵针式,2.喷墨式打印机压电式,3、激光打印机的组成,第五章 输入输出系统小结 1程序查询方式由CPU查询外设的运行状态，直接利用I/O指令控制数据的传送过程。程序查询方式是在程序控制下进行信息传送的，通过查询状态信息，同步CPU和外设的操作。特点：接口电路简单；主机与设备串行工作，效率低；对突发事件不能响应。2程序中断方式当外设数据准备完毕时向CPU发出中断请求，CPU响应中断时完成数据的传送过程。外设提交中断请求时，CPU才会响应中断，CPU的其它时间可以处理正常的事务。中断：计算机在执行正常程序的过程中，出现某些异常事件或某种请求时，处理机暂停执行当前程序，转而执行更紧急的程序，并在执行结束后，自动恢复执行原先程序的过程。特点：硬件结构较查询方式复杂些，服务开销时间较大；主程序与设备并行运行，CPU效率较高；具有实时响应的能力。,3中断处理过程中断处理过程为：中断请求中断源识别判优中断响应中断处理中断返回 中断源：引起中断事件的来源。判优：找出优先级最高的中断源给予响应。中断源识别：采用的方法有：软件查询法；硬件排队法；矢量中断。CPU响应中断的条件：至少有一个中断源请求中断；CPU允许中断；当前指令执行完。中断响应的工作-由硬件自动完成 关中断；保留断点信息；转到中断处理程序入口。中断处理-由软件（中断处理程序）完成。,4 中断嵌套每一个中断源有一个优先权，一般来说，优先权高的中断级可以打断优先权低的中断服务程序，以程序嵌套方式进行工作。(图8.7)5 DMA方式DMA方式即直接内存访问方式。由DMA控制器控制，能直接在外设与存储器之间进行数据传送。在数据块传送的起始和终止时需CPU进行干预外，其余时间不受CPU控制。特点：适用于高速数据块传送；完全由硬件控制传送，线路较复杂。6 DMA传送方式解决与CPU共享主存的矛盾。（图8.11）（1）停止CPU访问内存。CPU效率低；（2）周期挪用。适用于外设读取周期大于内存存取周期；（3）DMA与CPU交替访问。适用于CPU工作周期比内存存取周期长得多的情况。,7 DMA控制器DMA控制器即采用DMA方式的外设与系统总线之间的接口电路。种类：选择型DMAC：在物理上可连接多个设备，而在逻辑上只允许连接一个设备。不适用于慢速设备。多路型DMAC：适用于同时为多个慢速外设服务。即在物理上可连接多个设备，在逻辑上也允许这些设备同时工作。各设备以字节交叉方式通过DMAC进行数据传送。8 通道方式CPU将部分权力下放给通道，由通道实现对外设的统一管理，并负责外设与内存间的数据传送。特点：CPU效率更高；硬件开销更大。9 通道类型(1)选择通道：高速通道，物理上连接多个设备，但不能同时工作。传输以数据块为单位；(2)数组多路通道：只有一个设备能进行传输性工作，其余为控制性工作。传输以数据块为单位；(3)字节多路通道:为低速和中速设备服务,分时传送。传输以字节为单位。10 通用输入输出设备,练习题1如果认为CPU等待设备的状态信号是处于非工作状态（即踏步等待），那么在下面几种主机与设备之间的数据传送中：（）主机与设备是串行工作的；（）主机与设备是并行工作的；（）主程序与设备是并行运行的。A程序查询方式 B.程序中断方式 C.DMA方式 2中断向量地址是_。A子程序入口地址 B.中断服务程序入口地址C中断服务程序入口地址指示器 D.例行程序入口地址,1:解：A,C,B2:解：C,A,C,B,C,3采用DMA方式传送数据时，每传送一个数据就要占用一个_的时间。A 指令周期 B.执行周期 C.存储周期 D.时钟周期4通道的功能是：（1），（2）。按通道的工作方式分，通道有 通道、通道和 通道三种类型。5.下列陈述中正确的是_。A 在DMA周期内，CPU不能执行程序B 中断发生时，CPU首先执行入栈指令将程序计数器内容保护起来C DMA传送方式中，DMA控制器每传送一个数据就窃取一个指令周期D 输入输出操作的最终目的是要实现CPU与外设之间的数据传输,4.解：（1）执行通道指令，组织外围设备和内存进行数据传输；（2）执行CPU的I/O指令，以及向CPU报告中断。选择通道、字节多路通道、数组多路通道,C,D,执行通道指令，组织外围设备和内存进行数据传输,执行CPU的I/O指令，以及向CPU报告中断,选择通道,字节多路通道,数组多路通道,6.设某机有5级中断：L0，L1，L2，L3，L4，其中断响应优先次序为：L0最高，L1次之，L4最低。现在要求将中断处理次序改为L1L3L0L4L2，试问：（1）各级中断处理程序的各中断级屏蔽值如何设置（每级对应一位，该位为0表示允许中断，该位为1表示中断屏蔽）？（2）若这5级中断同时都发出中断请求，按更改后的次序画出进入各级中断处理程序的过程示意图。解：（1）,本章结束:继续学习第六章!,DMA传送流程,