第9章输入输出组织.ppt

第9章 输入输出组织,输入输出组织:用来控制外设与内存或CPU之间进行数据交换的机构。输入输出系统:I/O设备及其接口线路、控制部件、通道或I/O处理器以及I/O软件。,9.1 I/O接口9.2 I/O设备的编址 9.3 I/O数据传送控制方式9.4 程序直接控制方式 9.5 程序中断方式9.6 直接存储器存取(DMA)方式9.7 通道和I/O处理器方式9.8 外部接口,9.1 I/O接口,一、I/O接口的功能二、I/O接口的结构三、I/O接口的分类,一、I/O接口的功能,I/O接口:连接外设和主机的一个“桥梁”，因此它和外设侧、主机侧各有一个接口。通常把它和主机侧的接口称为内部接口，和外设侧的接口称为外部接口。内部接口通过系统总线和内存、CPU相连，而外部接口则通过各种接口电缆（如，串行电缆、并行电缆、网线或SCSI电缆等）将其连到外设上。因此，通过I/O接口，可以在CPU、主存和外设之间建立一个高效的信息传输的“通路”。,一、I/O接口的功能,I/O接口的功能：、数据缓冲：数据缓冲寄存器。、错误或状态检测：状态寄存器。、控制和定时：控制和定时逻辑,以接受从系统总线来的控制和定时信号。、数据格式转换：数据格式转换部件。、与主机和设备通信：,一、I/O接口的功能,I/O接口与主机侧进行通信：对主机通过系统总线送来的地址信息进行译码，以确定是否选中本设备；接受系统总线送来的控制信息，以确定数据传送的方向等；将接口中数据缓冲寄存器或状态寄存器的信息送到系统总线，或接收系统总线送来的数据或命令信息，将其送到接口中的数据缓冲寄存器或控制寄存器。,一、I/O接口的功能,I/O接口与设备进行通信：将控制寄存器中的命令译码，输出到外部接口的控制线上；发送数据缓冲寄存器的数据到外部接口的数据线上；接受外设的状态或数据信息，送到接口中的状态寄存器或数据缓冲寄存器中。,一、I/O接口的功能,数据在外设和主机间的传送过程,二、I/O接口的结构,I/O接口的通用结构,三、I/O接口的分类,1、按数据传送方式分：并行接口：按字节或字传送，用于连接快速设备（如：Intel 8255）。串行接口：按位传送，用于连接慢速设备。对于串行接口，接口内部必须有串并转换部件（如Intel 8251）。,三、I/O接口的分类,2、按功能选择的灵活性来分：可编程接口：能用程序来改变或选择接口的功能和操作方式（如：Intel 8255、Intel 8251）。不可编程接口：不能用程序来改变其功能，但可通过硬连线路逻辑来实现不同的功能（如：Intel 8212）。,三、I/O接口的分类,3、按通用性来分：通用接口：可供多种外设使用，如Intel 8255；专用接口：是为某类外设或某种用途专门设计的，如Intel 8279可编程键盘/显示器接口。,三、I/O接口的分类,4、按数据传送的控制方式来分：程控式接口、中断式接口和DMA式接口。,三、I/O接口的分类,5、按设备的连接方式来分：点对点接口：只和一个外设相连，如打印机、键盘、调制解调器等设备。多点接口：SCSI接口和P1394接口。SCSI接口是一种并行I/O总线，而P1394接口则是一种串行I/O总线。,9.2 I/O端口的编址,I/O端口：I/O接口中的各种寄存器。一、独立编址方式：二、统一编址方式：,一、独立编址方式,I/O端口单独进行编号，使它们成为一个独立的I/O地址空间。需要用专门的输入输出指令来访问I/O端口。输入输出指令中地址码部分给出I/O端口号。地址线少，译码简单，寻址速度快。使用专用I/O指令，使得程序清晰，便于理解和检查。但专用I/O指令只提供简单的传输操作，故程序设计灵活性差。Intel公司生产的处理器采用独立编址方式。,一、独立编址方式,独立编址方式,一、独立编址方式,Intel 80 x86处理器的I/O地址分配表,二、统一编址方式,I/O端口与主存地址空间统一编址。也称为“存储映射I/O方式”。无需设置专门的输入输出指令，只要用一般的访存指令就可以存取I/O端口。一般划出一段连续的区域给I/O端口地址。例如，假定I/O空间在8000HFFFFH范围内，I/O空间的特征是A15为。Motorola公司生产的处理器采用统一编址方式。,二、统一编址方式,统一编址方式,设计正确吗?,9.3 I/O数据传送控制方式,1、程序直接控制方式2、程序中断控制方式3、直接存储器存取方式4、通道和I/O处理器方式,9.3 I/O数据传送控制方式,程序直接控制方式：直接通过程序来控制主机和外设的数据交换。无条件传送方式和条件传送方式。,一、无条件传送方式,主要用于对一些简单外设（如开关、继电器、7段显示器等）进行的数据传送。,一、无条件传送方式,图9.5 无条件传送接口,二、条件传送方式,通过专门的查询程序取得外设和接口的状态，根据这些状态来控制外设和主机的信息交换。这是一种通过程序查询接口中的状态来控制数据传送的方式，所以也被称为程序查询方式。,二、条件传送方式,图9.6 查询程序流程图,二、条件传送方式,采用程序查询方式CPU的开销：假设处理器的时钟频率500MHz，完成一次查询操作需要400个时钟周期。假定查询过程足够快，能保证没有任何数据丢失，并且假定设备总是忙。考察以下两种情况下所消耗的CPU时间的百分比。,二、条件传送方式,1、鼠标必须每秒钟被查询30次，以保证不错过用户的任何一次移动：每秒钟内用于查询的时钟周期：30 400=12000 花费的时钟周期的百分比:12000/(500 106)0.002%。开销很小。,二、条件传送方式,2、硬盘以16个字节进行传输，速率为4MB/Sec，没有任何数据传输被错过：每秒钟内用于查询的时钟周期：4MB/16B 400 花费的时钟周期的百分比:4MB/16B 400/(500106)20%开销太大。,9.4 程序中断控制方式,一、中断的概念二、中断的分类三、中断系统的基本职能和结构四、中断过程,一、中断的概念,中断：在程序运行过程中，外设完成任务或出现某种异常事件时，必须中止现行程序的执行，转去处理发生的异常事件或外设完成事件。待处理完毕后，再回到原来被中止的程序继续执行。中断系统：计算机实现中断功能的软、硬件的总称。,一、中断的概念,中断控制I/O方式的基本思想:当CPU需要进行输入输出时，先执行相应的I/O指令，将启动命令发送给相应的I/O接口和外设，然后CPU继续执行其他程序。I/O接口接收到CPU送过来的命令后，就开始启动外设进行相应的操作，当外设和I/O接口完成了CPU交给的任务后，I/O接口便向CPU发中断请求。CPU响应后，就中止正在执行的程序，转入一个“中断服务程序”。在“中断服务程序”中完成数据传送任务，传送完毕后再回到被中断的原程序继续执行。一般每次只能交换一个字节或一个字。,一、中断的概念,图9.7 中断驱动I/O方式,一、中断的概念,图9.8 CPU与外设并行工作,二、中断的分类,1、内中断：由处理器内部的异常事件引起的中断。硬中断：由硬件线路出现异常引起。软中断：由CPU执行某个指令而引起的，发生在处理器内部的异常事件。2、外中断：由外设完成任务或出现特殊情况引起。,三、中断系统的基本职能和结构,1、基本功能：(1)、及时记录各种中断请求信号。一般是用一个中断请求寄存器来保存。(2)、自动响应中断请求。中断响应操作是在处理器执行指令流程中固定按排的。总是在一条指令执行完、下条指令执行前去检查有无中断请求发生。若有，则根据情况决定是否响应和响应哪个中断请求。,三、中断系统的基本职能和结构,(3)、自动判优。中断系统中必须要有相应的中断判优机构，在有多个中断请求同时产生时，能够判断出哪个中断的优先级高，选择优先级高的中断先被响应。(4)、保护被中断程序的断点和现场。原程序被中止处的指令地址和当时的程序状态和各寄存器的内容必须保存，以便能正确回到原处继续执行。,三、中断系统的基本职能和结构,(5)、中断屏蔽。中断嵌套技术：中断系统允许处理器在执行某个中断服务程序时，被新的中断请求打断。中断屏蔽机制：每个中断可以设置它允许被哪些中断打断，不允许被哪些中断打断。中断屏蔽字：屏蔽字中的每一位对应某一个外设，称为该外设的中断屏蔽位：“0”表示允许请求中断，“1”表示不允许请求中断。,三、中断系统的基本职能和结构,2、基本结构：,三、中断系统的基本职能和结构,3、中断嵌套：,四、中断过程,中断过程包括两个阶段：中断响应阶段和中断处理阶段。1、中断响应：中断响应是指主机发现中断请求，中止现行程序的执行，到调出中断服务程序这一过程。,四、中断过程,（1）、中断响应过程中应解决的几个问题：1）、保存好程序的关键性信息：现场信息：工作寄存器，在中断服务程序中把它保存到一个特定的存储区（如堆栈）中。断点信息：程序状态字PSW和程序计数器PC，在中断响应时自动保存起来。2）、正确识别中断源：3）、提高中断响应的速度：,四、中断过程,（2）、中断响应的条件：1）、CPU处于开中断状态;2）、至少要有一个未被屏蔽的中断请求;3）、在一条指令执行完。,四、中断过程,（3）、中断响应周期：中断响应周期中通过执行一条隐指令，完成以下几个操作：1）、关中断：2）、保护断点：PC和PSW送入堆栈；3）、识别中断源：通过某种方式获得响应优先级最高的中断请求所对应的中断服务程序的首地址和初始的PSW。,四、中断过程,（4）、中断源的识别方法：1）、软件轮询方法：当CPU检测到中断请求时，通过一个特定的中断服务程序。在这个中断服务程序中，所有的中断请求被依次一一查询。硬件结构很简单，只要一根中断请求线，不需要任何专用硬件，中断优先级由中断查询程序的查询顺序决定，所以比较灵活。但它需花费很多时间查询，中断响应慢，无法实时响应，降低了CPU的利用率。,四、中断过程,中断查询程序的结构,四、中断过程,程序查询中断的结构,四、中断过程,2）、硬件判优方法（向量中断方式）：由硬件直接产生中断向量地址，根据中断向量地址找到对应的中断服务程序的首地址PC和初始PSW，从而调出中断服务程序执行。中断向量：中断服务程序的入口地址PC和中断服务程序的状态字PSW。中断向量表：集中存放中断向量的一张一维表。向量地址：指向中断向量的指针（地址）。,四、中断过程,图9.15 中断向量表,四、中断过程,图9.16 8086/8088的中断向量表,四、中断过程,（5）、硬件判优法：1）、菊花链查询法：将当CPU检测到中断请求后，就启动中断回答信号IACK进行中断响应，通过分布在每个设备中的菊花链线路，查询到优先级最高的中断请求(同时封锁对下一级的中断响应)，由该请求信号启动相应的中断向量发生器，产生对应的中断向量，通过数据总线传送给CPU。优点:线路简单，只需一根中断请求线。缺点：中断源优先级无法改变，不支持多重中断，对电路故障敏感，中断响应有一定的延迟。,四、中断过程,图9.17 链式查询中断的结构,四、中断过程,2）、独立请求法：有一个集中控制的中断控制器，在中断控制器中有相应的中断向量优先权编码器，各个中断请求信号送到该电路，和对应的中断屏蔽位进行“与”操作后，送到一个判优电路中，判优电路的输出被送到一个编码器，该编码器的输出就是中断向量。中断响应速度快。如果采用可编程的中断控制器，则优先级可灵活设置。,四、中断过程,图9.18 多线独立请求中断的结构,四、中断过程,（6）、可编程中断控制器 Intel 8259：8259中断控制器的基本功能：1）、中断请求锁存、中断屏蔽、中断优先级排队、中断向量生成等；2）、既可支持程序查询式中断，又可支持向量式中断；3）、支持8级优先权，通过多片级联，最多可构成64级中断；4）、各种中断功能可通过编程来设定和更改。,四、中断过程,2、中断处理：中断处理的过程就是执行相应的中断服务程序的过程，不同的中断源其对应的中断服务程序不同。典型的中断处理分为三个阶段：先行段、本体段和结束段。,四、中断过程,中断服务程序的典型结构,9.5 直接存储器存取(DMA)方式,DMA方式：用专门的DMA接口硬件来控制外设与主存间的直接数据交换。DMA控制器：专门用来控制总线进行DMA传送的硬件接口。DMA方式主要用于磁盘、磁带等高速设备和主机的数据传送。DMA方式与中断方式一样，也是采用“请求-响应”方式，只是中断方式请求的是处理器的时间，而DMA方式下请求的是总线控制权。,9.5 直接存储器存取(DMA)方式,一、三种DMA方式,1、CPU停止法（成组传送）：DMA传输时，CPU脱离总线，停止访问主存，直到DMA传送一块数据结束。2、周期挪用(窃取)法（单字传送）：DMA传输时，CPU让出一个总线事务周期，由DMA控制器挪用一个主存周期来访问主存，传送完一个数据后立即释放总线。3、交替分时访问法：每个存储周期分成两个时间片，一个给CPU，一个给DMA，这样在每个存储周期内，CPU和DMA都可访问存储器。,二、DMA接口的功能和结构,1、DMA接口的功能:(1)能接收外设发来的“DMA请求”信号，并能向CPU发“总线请求”信号。(2)当CPU发出“总线响应”信号后，能接管对总线的控制。(3)能在地址线上给出主存地址，并自动修改主存地址。(4)能识别传送方向以在控制线上给出正确的读写控制信息。(5)能确定传送数据的字节个数。(6)能发出DMA结束信号。引起一次DMA中断，进行数据校验等一些后处理。,二、DMA接口的功能和结构,2、DMA接口结构:,三、DMA操作步骤,1、DMA控制器的(初始化)（由软件实现）：设定DMA控制器中各参数寄存器的初始值。1）、准备内存区：2）、设置传送参数：内存首址=地址寄存器 字计数值=字计数器 传送方向=控制寄存器 设备地址=设备地址寄存器3）、启动外设，然后CPU继续执行其他程序。,三、DMA操作步骤,2、DMA数据传送（由硬件实现）：1）、当外设准备好数据（从外设取数），或准备好接收数据（向外设送数）时，就发“选通”信号，使数据送数据缓冲寄存器，同时DMA请求触发器置“1”。2）、DMA请求触发器向控制/状态端口发“Ready”信号，同时向DMA控制器发“DMA请求”信号。3）、DMA控制器接受到DMA请求”信号后，就向CPU发“总线请求”信号。,三、DMA操作步骤,4）、CPU完成现行机器周期后，响应DMA请求，向DMA控制器发出“总线响应”信号。DMA控制器接受到该信号后，向外设接口发“DMA响应”信号，使DMA请求触发器复位。此时，CPU浮动它的总线，让出总线控制权，由DMA控制器控制总线。5）、DMA控制器给出内存地址，并在其读/写线上发出“读”或“写”命令，随后在数据总线上给出数据。,三、DMA操作步骤,6）、根据读写命令，将数据总线上的数据写入存储器中，或写入数据端口，并进行主存地址增量，字计数值减1。若采用“CPU停止法”，则循环第6步，直到计数值为“0”。若采用“周期挪用法”，则释放总线，下次数据传送时再按过程1）到6）进行。,三、DMA操作步骤,3、DMA结束处理：根据计数值为“0”，发出DMA结束信号送接口控制，产生DMA中断请求信号给CPU，转入中断服务程序，做一些数据校验等后处理工作。,9.6 通道和I/O处理器方式,一、通道：通道是一种专门的I/O控制器。通道方式与DMA方式的区别在于，DMA方式是通过DMA控制器控制总线，在外设和主存之间直接实现I/O传送；而通道通过执行通道程序进行I/O操作的管理。对CPU而言，通道比DMA具有更强的独立处理I/O的能力。DMA控制器通常只控制一台或多台同类的高速设备；而通道可控制多台同类或不同类的设备。,9.6 通道和I/O处理器方式,二、输入/输出处理机：输入/出处理机方式是通道方式的进一步发展。通道结构的I/O处理机(IOP)：专用处理机，不独立于CPU工作。外围处理机(PPU)：通用机，独立于CPU工作。,9.7 外部接口,外部接口：I/O模块中与外设侧的接口。并口、串口、SCSI接口、USB接口等等。外部接口中数据在接口和外设之间有串行和并行两种传送方式。,一、串行接口,1、串行通信的基本原理：串行总线接口的发送端和接收端必须有时钟脉冲信号对传送的数据进行定位和同步控制。收/发时钟频率=n波特率 一般n=1,16,32,64等。对于异步通信，常采用n=16。对于同步通信，则必须取n=1。,一、串行接口,图9.29 串行通信的简单原理,一、串行接口,通信协议（通信规程）：通信双方在信息传输格式上的一种约定。串行方式下有异步和同步两种通信方式，它们有不同的通信协议。,一、串行接口,2、异步串行通信协议：在异步串行通信中，收/发双方预先约定好时钟速率和通信协议。每个字符作为一帧独立的信息，可以随机出现在数据流中。因此，所谓异步主要体现在字符与字符之间的传送，同一字符内的位与位之间是同步的。,一、串行接口,通信协议：（1）、1位起始位，总是低电平；（2）、58位数据位，紧跟在起始位后，规定从最低有效位开始传送；（3）、没有或1位奇/偶校验位；（4）、1位/1.5位/2位停止位，规定为高电平。,一、串行接口,图9.30 异步串行数据的格式,一、串行接口,起始位和停止位用于确定字符传输的开始与结束。在字符与字符之间的空闲位时间长度是任意的，不必是位时间的整数倍。起始位采用低电平，停止位和空闲位采用高电平。发送器和接收器分别使用两个频率相同的局部时钟，以保证一个字符传送期间串行位的同步。,一、串行接口,为了避免因双方时钟的相对误差而导致接收端的采样错误，通常要采取以下两项措施：（1）、接收器在每个码元的中心进行采样。（2）、接收器采用比传送波特率更高频率的时钟进行采样。,一、串行接口,图9.31频率为16倍波特率的接收时钟再同步过程,一、串行接口,3、同步串行通信协议：假定在上述异步串行通信中数据帧的格式为：1位起始位、7位数据位、1位校验位、1位停止位，波特率为1200bps，则真正的数据传输率不是1200位/秒，而只有840位/秒。,一、串行接口,在同步串行通信中，数据流中的字符之间、每个字符内部的位与位之间都是同步的。采用同步字符来表示数据发送的开始。,一、串行接口,图9.32 SDLC/HDLC帧结构,二、并行接口,思考题,P264 1、3、4、19,