1、第五章 IO子系统一、I/O系统 1、I/O设备：实现与主机的信息交换和人机交互 2、I/O接口：主机与外设之间的连接逻辑，控制外设的I/O操作 3、系统总线：连接系统各大部件的公共信息通道二、主机与外设的连接方式 1、辐射型： 1、每台I/O设备都有一套控制线路和信号线与主机直接相连2、不便扩展外设 2、总线型 1、各个外设通过系统总线与主机相连2、便于进行外设的扩展 3、可以有多级总线 3、通道式 1、执行通道程序，管理I/O设备2、提高并行能力 4、IOP式三、三种程序控制方式 1、直接程序传送方式 1、CPU通过在现行程序中直接执行I/O指令实现数据传送 2、分类： 1、立即程序传送方
2、式（无条件传送） 1、执行I/O操作时，CPU直接访问I/O接口，输入或输出数据2、简单,常用于控制纯电子部件 2、程序查询传送方式（条件传送）1、执行I/O指令之前，先查询设备状态，等待外设准备好、或完成一次操作，CPU再执行I/O指令与外设交换信息。2、3、接口模型 4、优缺点： 1、硬件开销小； 2、并行程度低,实时性差5、应用场合：对CPU效率要求不高的场合，或诊断、调试过程 2、程序中断方式 1、启动设备后，CPU执行自身程序，设备准备好后发中断请求，CPU再响应2、定义：CPU暂时中止现行程序的执行，转去执行为某个随机事态服务的中断处理程序。处理完毕后自动恢复原程序的执行。3、实质
3、：程序切换 1、方法：保存断点，保护现场，恢复现场，返回断点 2、时间：一条指令结束时切换（保证程序的完整性）4、特点：随机性 1、随机发生的事态（按键、故障） 2、有意调用,随机请求与处理的事态（调用打印机） 3、随机插入的事态(软中断指令可插入程序任何位置)5、典型应用 1、管理中、低速I/O操作,比如键盘、打印机等 2、处理突发故障 1、硬件故障：掉电、校验错。 2、软件故障：溢出、越界访问。 3、实时处理 4、系统调度 多任务切换、缺页中断。 5、人机交互6、分类 中断源：引起中断的原因或事件 1、硬中断与软中断 1、硬中断：由硬件请求信号引发中断 2、软中断：由软中断指令引发中断 2
4、、内中断与外中断 1、内中断：中断源来自主机内部 比如：掉电、除法错、溢出INTO、 2、外中断：外中断：中断源来自主机外部 比如打印机、键盘等外设 3、可屏蔽中断与非屏蔽中断 1、可屏蔽中断：可通过屏蔽字屏蔽请求；关中断时不响应请求。 2、非屏蔽中断：与屏蔽字无关；请求的响应与开/关中断无关。 4、向量中断与非向量中断 根据中断源获取服务程序入口地址 1、非向量中断：由软件提供服务程序入口地址 2、向量中断：由硬件提供服务程序入口地址7、中断全过程（外中断） 1、中断请求的提出与传递 1、请求的产生 1、先屏蔽后请求 2、先请求后屏蔽 2、请求的传送 1、使用单独请求线 2、使用公共请求线
5、3、使用混合请求线 2、中断请求优先级判断 1、优先顺序： 1、顺序：故障、内中断、DMA、外中断 2、原则：高速操作优于低速操作，输入优于输出 2、CPU现行程序与外设请求的判优： 1、CPU设置允许中断标志（模型机） 1、开中断 =1 2、关中断 =0 2、CPU设置程序状态字的优先级字段 3、各外设请求的判优 1、软键判优：由程序查询顺序确定优先级 2、硬件判优 3、专用芯片硬件判优中断控制器(8259) 集中解决请求信号的接收、屏蔽、判优、编码等问题 3、中断相应： 1、响应条件 1、外设有请求，且未被屏蔽 2、CPU开中断 3、中断源优先级高于当前程序的优先级 4、一条指令(非停机)
6、结束，即ET之后 2、进入中断周期安排一个过渡周期，位于主程序与中断服务程序之间，为转到中断服务程序做准备 3、响应过程 4、中断处理 1、主要任务：CPU执行中断服务程序 2、流程： 1、单重中断 2、多重中断 8、中断接口 1、组成 1、寄存器选择：对接口寄存器寻址。2、命令字寄存器：1、接收CPU发向外设的命令字，转换为相应操作命令送外设。2、用代码表示命令3、状态字寄存器： 1、反映设备和接口的运行状态。 2、用代码表示各种状态。4、数据缓冲器 1、传送数据，实现缓冲 2、单向：只担负输入缓冲或只担负输出缓冲 3、双向： 4、缓冲深度：缓冲容量5、控制逻辑 1、请求信号产生逻辑 2、电
7、平转换逻辑 3、串并转换逻辑 4、扩展中断源6、公用的中断控制器 1、接收外设请求，判优，送出公共请求INT； 2、接收中断批准INTA，送出中断号（中断类型码） 2、工作过程（外中断） 3、直接存储器访问（DMA）方式1、设备准备好后发DMA请求，DMA控制器控制总线权，控制外设与主存之间直接数据传送2、DMA方式直接依靠硬件控制主存与I/O设备之间的数据传送，传送期间不需CPU干预。3、实质：总线权切换4、特点：随机性、并行性、简单高速传送5、应用 1：主存与高速外设之间的简单数据传输 2：高速数据采集，比如实时音频、视频采集 3：DRAM的自动刷新6、DMA过程 7、DMA传送操作方式：
8、 1、单字操作方式 每请求一次DMA仅传送一个字或字节 2、块传送操作方式DMA被批准后，连续占用若干个总线周期，成组连续批量地传送，结束后将总线的控制权交回给CPU。 8、DMA接口 1、分类 1、单通道DMA接口：一个DMA接口对应一台设备 2、选择型DMA接口：一个DMA接口通过局部总线连接多台设备 3、集中多路型DMA控制器：DMA控制逻辑中的公用部分从接口中分离 2、DMA控制器功能 1、接收初始化信息-初始化 传送方向、主存首址、交换量 2、接收外设DMA请求，判优，向CPU申请总线-传送前 3、接管总线权，发地址、读/写命令。-传送期间 3、DMA接口的功能 1、接收初始化信息（
9、外设寻址信息）-初始化 2、向DMA控制器发请求-传送前，外设准备好 3、传送数据-传送期间 9、磁盘存储器接口（磁盘适配器） 4、中断与DMA的比较 1、相同点：能响应随机请求；可并行操作 2、不同点： 1、中断：1、用程序实现中、低速I/O传送2、能处理复杂事态3、一条指令结束时响应请求4、实质：程序切换 2、DMA： 1、用硬件实现高速、简单I/O传送 2、一个总线周期结束时响应请求 3、实质：总线权切换四、I/O接口：1、概念：指主机和外设之间的连接电路 2、 3、接口的主要功能 1、寻址：1、接收CPU送来的地址码2、选择接口中的寄存器供CPU访问。 2、数据缓冲：1、实现主机与外设
10、的速度匹配。2、缓冲深度与传送的数据量有关。 3、预处理：1、串-并格式转换（串口）2、数据通路寬度转换（并口）3、电平转换4、控制功能：传送控制命令与状态信息，实现I/O传送控制方式。 4、分类 1、按数据传送格式划分 1、并行接口： 1、接口与系统总线、接口与外设均按并行方式传送数据； 2、数据各位同时传送； 3、适合设备本身并行工作，距主机较近的场合。 2、串行接口： 1、接口与系统总线并行传送，接口与外设串行传送。 2、数据逐位分时传送。 2、按时序控制方式划分1、同步接口：连接同步总线，接口与系统总线的信息传送由统一时序信号控制。 2、异步接口： 连接异步总线，接口与系统总线的信息传
11、送采用异步应答方式。 3、按I/O传送控制方式划分 1、程序控制接口： 通过硬件或软件方式按指定优先级查询各设备是否要进行输入/输出 2、中断接口：设备提出中断请求，主机响应后与设备交换信息，接口中包含中断控制逻辑 3、DMA接口 替代CPU完成高速外设与主机之间的成块数据交换5、接口编址 1、统一编址： 1、为每个端口分配总线地址 2、通用的传送类指令 2、单独编址： 1、编址到设备端口 2、有专门的I/O指令五、总线 1、概念：一组为多个部件分时共享的信息传送线路2、特点：1、分时共享2、特定时刻只允许一个部件送出数据到总线上 3、分类 1、按传输信号的类型 1、数据总线：负责数据信号的传
12、输 2、地址总线：传输地址信号，决定寻址能力 3、控制总线：传输控制信号和状态信号 2、按数据传送格式划分 1、并行总线：多条数据线，并行传送各位信息 2、串行总线：一条数据线，分时逐位传送各位信息 3、按功能（层次结构）划分 1、内总线2、片级总线3、系统总线4、外总线 4、按时序控制方式划分 1、同步总线1、由统一时序信号控制总线传送操作 2、在固定时钟周期内完成数据传送，由同步脉冲定时打入 2、异步总线 无固定时钟周期划分，以异步应答方式控制传送 3、扩展同步总线 以时钟周期为时序基础，允许总线周期中的时钟数可变 4、几个周期的概念 1、时钟周期：CPU执行一步操作的时间 2、总线周期：经过总线的一次数据传送(访存)时间，通常包含若干时钟周期 3、工作周期：指令周期中的一个操作阶段，可包含多个总线周期 5、常用总线的分类 6、总线的主要性能参数 1、总线宽度 2、总线频率 3、总线数据传输率 7、总线的信号组成 8、模型机的信号组成
