第五章 IO子系统.docx
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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:
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、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
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)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:
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(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
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