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第八章 输入输出系统 1、 I/O系统的基本功能： （1）CPU如何寻址相应的I/O设备，以实现与该设备之间的通信。 （2）某一外围设备如何与微处理器连接，以进行数据、状态和控制信号的转换。 2、I/O系统的组成 （1）外围设备；（2）设备控制器；（3）I/O接口 （4）CPU和I/O软件 3、 I/O设备和CPU交换数据的过程 输入过程： CPU把一个地址值放在地址总线上，这一步将选择一个输入设备 CPU等候输入设备的数据成为有效 CPU从数据总线上读入数据，并放在一个相应的寄存器中 输出过程： CPU把一个地址值放在地址总线上，这一步将选择一个输出设备 CPU把数据放在数据总线上 输出设备认为数据有效，从而把数据取走。 4、 I/O的寻址方式 独立编址的I/O寻址方式： 给I/O接口中的各端口提供与存储器空间完全分开、完全独立的I/O地址空间。 优：专门的I/O指令（IN，OUT） ，与访存分开；不占内存地址空间。 缺：需设置专门的控制引脚、寻址方式少。 存储器映像I/O寻址方式： 将接口电路中的端口地址与存储单元统一编址 优：访存指令可访问端口，寻址类型多。 缺：占用存储器空间。 5、主机和外设的信息传送 共有五种控制方式 程序查询方式 程序中断方式 直接内存访问（DMA）方式 通道方式 外围处理机方式 程序直接控制方式是指通过由I/O指令所编的程序，来控制主机与外设之间的信息传送。 根据外设的不同性质，程序直接控制传送方式可分为无条件传送和程序查询方式。 无条件：假设外设处于就绪状态 无条件传送的缺点：无法确保数据的正确传送。 程序查询方式基本思想： 先由主机通过启动指令启动外设工作，启动后主机用测试指令不断查询外设工作状态，当输入设备处于准备好状态或输出设备处于空闲状态时，CPU执行输入或输出指令与外设交换数据。 程序查询方式——程序流程图 特点： （1）方式简单，节省硬件； （2）CPU效率低； （3）不能响应设备提出的随机请求。 程序查询方式输入接口电路 程序查询方式输出接口电路 中断问题的提出 中断的基本思想 中断类型 多重中断和单级中断 中断的过程 1、中断问题的提出： 程序查询方式中存在明显的缺点： （1）在查询的过程中，CPU长期处于踏步等待状态，使系统效率大大降低。 （2）CPU在一段时间只能和一台外设交互，其它设备不能工作。 （3）不能发现和处理预先无法估计的错误和异常情况。 CPU在程序中安排好某一时刻启动某一台外设，然后CPU继续执行原来的程序，不需要像查询方式那样一直等待外设的准备就绪状态。 一旦外设完成准备工作，便主动给CPU发出一个中断请求，请求CPU为自己服务，CPU暂时停止正在执行的程序，转去执行中断服务程序，为中断请求者服务，在中断服务程序中完成—次CPU与外设之间的数据传送。 传送完成后，CPU仍然返回原来的程序，从断点处继续执行 3、中断类型： 按中断产生的位置： 外部中断：CPU以外的部件引起的中断。外中断又可分为不可屏蔽中断和可屏蔽中断两种。不可屏蔽中断优先级较高，常用于应急处理，如掉电、内存读写校验错等。可屏蔽中断级别较低，常用于一般I/O设备的数据传送。 内部中断：由CPU内部硬件或软件引起的中断，如单步中断、溢出中断。 按中断产生的方式分类： 强迫中断：是随机产生的实时中断，不是程序中的事先安排，当这种中断产生后，由中断系统强迫计算机终止正在进行的程序并转入中断服务程序。 自愿中断（程序自中断）：事先在程序某初设置断点，并借用中断处理方式保护现场，引出一段服务程序。比如指令系统中的软中断指令INT n。 按中断源是否提供向量地址分类： 向量中断：指中断服务程序的入口地址是由中断事件自己提供的中断。中断事件在提出中断请求的同时，通过硬件向主机提供中断服务程序的入口地址，即向量地址。 非向量中断：中断事件不能提供中断服务程序的入口地址。 4、中断的分级 单级中断：在执行中断的过程中，如果只能为本次中断服务，不允许打断服务程序，只有在服务程序完成后，才能响应新的请求。 多级中断：如在一次服务程序执行中，允许优先级高的中断源中断优先级低的中断服务程序，在保存断点和现场后，转去响应优先级别更高的中断程序。 （1）中断请求：即中断源向CPU发出中断请求。 （2）中断判优：CPU在同时提出中断请求的多个外设中判断优先级最高的一个，以便进行响应。 （3）中断响应：CPU判优后，便响应优先级最高的中断请求，包括： 中断现行程序并保护断点 关中断 发出中断响应信号 得到中断服务程序入口地址 （4）中断处理：包括如下处理： 保护现场 执行中断服务程序 （5）中断返回：CPU执行中