上海交通大学 “计算机组成与系统结构”(第8章 输入输出系统).pptVIP

计算机组成与系统结构 上海交通大学 网络教育学院 陈泽宇 博士、副教授 前言 第1章 计算机系统概论 第2章 运算方法和运算器 第3章 存储系统 第4章 指令系统 第5章 中央处理器 第6章 总线系统 ×第7章 外围设备 第8章 输入输出系统 第9章 并行组织 第8章 输入输出系统 8.1 CPU对外围设备的管理方式 8.2 程序中断方式 8.3 DMA方式 8.4 通道方式 8.5 通用I/O标准接口 8.1 CPU对外围设备的管理方式 在计算机系统中，CPU管理外围设备有几种方式： 1．程序查询方式 2．程序中断方式 3．直接内存访问(DMA)方式 4．通道方式 5．外围处理机(PPU)方式 1．程序查询方式 程序查询方式是早期计算机中使用的一种方式 数据在CPU和外围设备之间的传送完全靠计算机程序控制 优点是CPU的操作和外围设备的操作能够同步，而且硬件结构比较简单 问题是，外围设备动作很慢，程序进入查询循环时将白白浪费掉CPU很多时间。CPU此时只能等待，不能处理其他业务 当前除单片机外，很少使用程序查询方式。 2．程序中断方式 中断是外围设备用来“主动”通知CPU，准备送出输入数据或接收输出数据的一种方法 通常，当一个中断发生时，CPU暂停它的现行程序，而转向中断处理程序，从而可以输入或输出一个数据。当中断处理完毕后，CPU又返回到它原来的任务，并从它停止的地方开始执行程序 节省了CPU宝贵的时间，是管理I/O操作的一个比较有效的方法 一般适用于随机出现的服务，并且一旦提出要求，应立即进行 硬件结构相对复杂一些，服务开销时间较大 3．直接内存访问(DMA)方式 直接内存访问(DMA)方式是一种完全由硬件执行I/O交换的工作方式 DMA控制器从CPU完全接管对总线的控制，数据交换不经过CPU，而直接在内存和外围设备之间进行，以高速传送数据 主要优点是数据传送速度很高，传送速率仅受到内存访问时间的限制 需要更多的硬件 适用于内存和高速外围设备之间大批数据交换的场合 4．通道方式 DMA方式的出现已经减轻了CPU对I/O操作的控制，使得CPU的效率有显著的提高，而通道的出现则进一步提高了CPU的效率 CPU将部分权力下放给通道。通道是一个具有特殊功能的处理器，某些应用中称为输入输出处理器(IOP)，它可以实现对外围设备的统一管理和外围设备与内存之间的数据传送 大大提高了CPU的工作效率 以花费更多硬件为代价 5．外围处理机(PPU)方式 外围处理机(PPU)方式是通道方式的进一步发展 由于PPU基本上独立于主机工作，它的结构更接近一般处理机，甚至就是微小型计算机 在一些系统中，设置了多台PPU，分别承担I/O控制、通信、维护诊断等任务 从某种意义上说，这种系统已变成分布式的多机系统 外围设备的输入/输出方式 P273图8.1，CAI演示 程序查询方式和程序中断方式适用于数据传输率比较低的外围设备 DMA方式、通道方式和PPU方式适用于数据传输率比较高的设备 8.2 程序中断方式 8.2.1 中断的基本概念 × 8.2.2 程序中断方式的基本接口 8.2.3 单级中断 8.2.4 多级中断 × 8.2.5 中断控制器 8.2.6 Pentium中断机制 8.2.1 中断的基本概念 中断概念 中断概念的出现，是计算机系统结构设计中的一个重大变革 在程序中断方式中，某一外设的数据准备就绪后，它“主动”向CPU发出请求中断的信号，请求CPU暂时中断目前正在执行的程序而进行数据交换。 当CPU响应这个中断时，便暂停运行主程序，并自动转移到该设备的中断服务程序。 当中断服务程序结束以后，CPU又回到原来的主程序。 中断方式特别适合于随机出现的服务 中断处理过程 P273图8.2 主程序只是在设备A，B，C数据准备就绪时，才去处理A，B ，C，进行数据交换 在速度较慢的外围设备准备自己的数据时，CPU照常执行自己的主程序 在这个意义上说，CPU和外围设备的一些操作是并行地进行的，因而同串行进行的程序查询方式相比，计算机系统的效率是大大提高了 中断处理过程的详细流程 P274图8.3，CAI演示 CPU只有在当前一条指令执行完毕后，即转入公操作时才受理设备的中断请求 保存现场 为了在中断服务程序执行完毕以后，能够正确地返回到原来主程序被中断的断点(PC内容)而继续执行主程序，必须把程序计数器PC的内容，以及当前指令执行结束后CPU的状态都保存到堆栈中去 中断屏蔽 当一条指令执行完毕CPU接受中断请求并作出响应时，它关闭中断。这样，CPU不能再受理另外的新的中断源发来的中断请求。只有在CPU把中断服务程序执行完毕以后，它才重新