计算机组成原理第八章课件白中英版.ppt

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计算机组成原理任课教师：

石磊郑州大学信息工程学院计算机系Email:

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13676986863第一章第一章计算机系统概论计算机系统概论第二章第二章运算方法和运算器运算方法和运算器第三章第三章存储系统存储系统第四章第四章指令系统指令系统第五章第五章中央处理器中央处理器第六章第六章总线系统总线系统第七章第七章外围设备外围设备第八章第八章输入输出系统输入输出系统第九章第九章并行组织并行组织目录n教材n白中英，计算机组成原理白中英，计算机组成原理网络版，科学出版网络版，科学出版社，社，20022002n参考书n石磊，计算机组成原理石磊，计算机组成原理第第22版版,清华大学出清华大学出版社，版社，20062006n钱晓捷，微型计算机原理及应用钱晓捷，微型计算机原理及应用,清华大学出清华大学出版社，版社，20062006n王爱英王爱英,计算机组成与结构计算机组成与结构第第33版版,清华大学清华大学出版社，出版社，20012001n白中英白中英邝坚，计算机组织与结构邝坚，计算机组织与结构网络版，网络版，科学出版社，科学出版社，20032003nI/OI/O接口概述接口概述n8.1CPU8.1CPU对外围设备的管理方式对外围设备的管理方式n程序查询方式程序查询方式n8.28.2程序中断方式程序中断方式n8.3DMA8.3DMA方式方式n8.48.4通道方式通道方式第8章输入输出系统I/O系统包括系统包括I/O接口接口硬件硬件电路电路和和I/O管理软件管理软件计算机组成原理计算机组成原理5I/O接口（电路）6.2.2l计算机的外围计算机的外围（外部外部）设备设备多种多样多种多样l工工作作原原理理、驱驱动动方方式式、信信息息格格式式、以以及及工工作作速速度方面彼此差别很大度方面彼此差别很大l外外设设不不能能与与CPUCPU直直接接相相连连，必必须须经经过过中中间间电电路路（I/OI/O接口电路）再与系统相连接口电路）再与系统相连lI/O接接口口电电路路是是位位于于系系统统与与外外设设间间、用用来来协协助助完成数据传送和控制任务的逻辑电路完成数据传送和控制任务的逻辑电路CPUCPU接口接口接口接口电路电路电路电路外设外设外设外设计算机组成原理计算机组成原理7I/O接口的典型结构l内部结构内部结构数据寄存器数据寄存器：

保存微处理器与外设之间交换的数据：

保存微处理器与外设之间交换的数据状态寄存器状态寄存器：

保存外设当前的工作状态信息：

保存外设当前的工作状态信息控控制制寄寄存存器器：

保保存存微微处处理理器器控控制制接接口口电电路路和和外外设设操操作的有关信息作的有关信息l外部特性外部特性面向微处理器一侧的信号：

与微处理器总线类似面向微处理器一侧的信号：

与微处理器总线类似面向外设一侧的信号：

与外设有关面向外设一侧的信号：

与外设有关示意图示意图计算机组成原理计算机组成原理8I/O接口的软件编程l接口电路具有可编程性（接口电路具有可编程性（ProgrammableProgrammable）根根据据具具体体要要求求，通通过过编编程程选选定定I/OI/O接接口口电电路路的的多多种种功能或工作方式之一功能或工作方式之一l初始化程序初始化程序选择选择I/OI/O接口工作方式、设置原始工作状态等接口工作方式、设置原始工作状态等l驱动程序驱动程序操纵操纵I/OI/O接口完成具体工作接口完成具体工作硬件接口电路需要软件编程配合工作硬件接口电路需要软件编程配合工作计算机组成原理计算机组成原理9I/O端口的编址lI/OI/O端口（端口（PortPort）泛指）泛指I/OI/O地址，对应地址，对应I/OI/O接口寄存器接口寄存器l一一个个接接口口电电路路可可以以具具有有多多个个I/OI/O端端口口，每每个个端端口口用用来来保存和交换不同的信息保存和交换不同的信息l数数据据寄寄存存器器、状状态态寄寄存存器器和和控控制制寄寄存存器器占占有有的的I/OI/O地地址址常常依依次次被被称称为为数数据据端端口口、状状态态端端口口和和控控制制端端口口，用用于保存数据、状态和控制信息于保存数据、状态和控制信息l输入、输出端口可以是同一个输入、输出端口可以是同一个I/OI/O地址地址l接口电路占用的接口电路占用的I/OI/O端口有两类编排形式端口有两类编排形式I/OI/O端口单独编址端口单独编址I/OI/O端口与存储器统一编址端口与存储器统一编址计算机组成原理计算机组成原理10I/O端口与存储器独立编址l将将I/OI/O端口单独编排地址，独立于存储器地址端口单独编排地址，独立于存储器地址l优点：

优点：

I/OI/O端口的地址空间独立端口的地址空间独立控制和地址译码电路相对简单控制和地址译码电路相对简单专门的专门的I/OI/O指令使程序清晰易读指令使程序清晰易读l缺点：

缺点：

I/OI/O指令没有存储器指令丰富指令没有存储器指令丰富主存主存空间空间I/O空间空间FFFFF0FFFF80x86采用采用I/O端口独立编址端口独立编址计算机组成原理计算机组成原理11I/O端口与存储器统一编址l将将I/OI/O端端口口与与存存储储器器地地址址统统一一编编排排，共共享享一一个个地址空间地址空间l优点：

优点：

不需要专门的不需要专门的I/O指令指令I/O数据存取灵活数据存取灵活l缺点：

缺点：

占去部分存储器空间占去部分存储器空间程序不易阅读（在汇编语言级程序不易阅读（在汇编语言级不容易区别访问存储器和访问外设）不容易区别访问存储器和访问外设）主存主存部分部分I/O部分部分存储器空间存储器空间00000FFFFF计算机组成原理计算机组成原理128.1CPU对外围设备的管理方式I/O控制方式控制方式主要由程序实现主要由程序实现主要由附加硬件实现主要由附加硬件实现程序程序查询方式查询方式程序程序中断方式中断方式DMA方式方式通道方式通道方式PPU方式方式计算机组成原理计算机组成原理13CPU和外设之间信息交换的方式l程序控制下的数据传送程序控制下的数据传送通过通过CPU执行程序中的执行程序中的I/O指令来完成传送指令来完成传送程序查询方式程序查询方式程序中断方式程序中断方式l直接存储器存取直接存储器存取DMA方式方式外外设设经经DMA控控制制器器向向CPU申申请请总总线线，由由DMA控控制制器利用系统总线完成外设和存储器间的数据传送器利用系统总线完成外设和存储器间的数据传送l通道方式通道方式通道通道（I/O处理处理器器）管理外设，完成传送和数据处理管理外设，完成传送和数据处理l外围外围处理机处理机方式方式通道方式的进一步发展，基本独立于主机工作通道方式的进一步发展，基本独立于主机工作计算机组成原理计算机组成原理14程序查询方式lCPU需需要要先先了了解解（查查询询）外外设设的的工工作作状状态态，然然后后在在外外设设可可以以交交换换信信息息的的情情况况下下（就就绪绪）实实现现数据输入或输出数据输入或输出l对多个外设的情况，对多个外设的情况，按顺序依次查询（轮询）按顺序依次查询（轮询）l有有查询查询和和传送传送两个环节两个环节l实际中常引入超时判断实际中常引入超时判断l查询需大量时间，效率较低查询需大量时间，效率较低计算机组成原理计算机组成原理15查询输入接口l读读取取状状态态端端口口查查询询外外设设状状态态，若若已已就就绪绪，读读取取数据端口得到外设提供的数据数据端口得到外设提供的数据计算机组成原理计算机组成原理16查询输出接口l读读取取状状态态端端口口查查询询外外设设状状态态，若若已已就就绪绪，将将数数据写入数据端口输出给外设据写入数据端口输出给外设计算机组成原理计算机组成原理178.2程序中断方式l处处理理器器在在执执行行程程序序过过程程中中，被被内内部部或或外外部部的的事事件件所所打打断断，转转去去执执行行一一段段预预先先安安排排好好的的中中断断服服务务程程序序；服服务务结束后，又返回原来的断点，继续执行原来的程序结束后，又返回原来的断点，继续执行原来的程序l中断源：

中断源：

引起中断的事件或原因引起中断的事件或原因l例如：

例如：

外设的数据传送请求外设的数据传送请求系统定时请求系统定时请求电源掉电等故障电源掉电等故障运算出错等错误运算出错等错误程序异常或调试请求程序异常或调试请求计算机组成原理计算机组成原理18中断的基本概念（1/3）11、概概念念：

当当计计算算机机执执行行正正常常程程序序时时，系系统统中中出出现现某某些些异异常常情情况况或或特特殊殊请请求求，这这些些情情况况和和请请求求可可能能来来自自计计算算机机内内部部，也也可可能能来来自自计计算算机机外外部部；一一旦旦有有上上述述事事件件发发生生，计计算算机机执执行行正正常常程程序序的的状状态态被被中中断断，就就是是说说，CPUCPU要要暂暂停停它它正正在在执执行行的的程程序序，而而转转去去处处理理所所发发生生的的事事件件（通通常常就就是是执执行行一一段段特特殊殊程程序序，被被称称为为中中断断服服务务程程序序）；CPUCPU处处理理完完毕毕后后，自自动动返返回回到到原原来来被被中中断断了了的的程序继续运行。

程序继续运行。

计算机组成原理计算机组成原理19中断的基本概念（2/3）22、与子程序调用的比较、与子程序调用的比较（11）相同点：

正常程序：

主程序）相同点：

正常程序：

主程序中断服务程序：

子程序中断服务程序：

子程序（22）区别：

）区别：

（AA）子程序的执行是程序员事先安排好的；子程序的执行是程序员事先安排好的；中中断断服服务务程程序序的的执执行行则则是是由由随随机机的的中中断断事事件件引引起起的的，比比如如电电源源掉电、请求掉电、请求I/OI/O数据传送、现场报警等。

数据传送、现场报警等。

（BB）子程序的执行往往与主程序有关；子程序的执行往往与主程序有关；中断服务程序可能与被中断的程序毫无关系。

中断服务程序可能与被中断的程序毫无关系。

（CC）有有可可能能出出现现多多个个中中断断事事件件同同时时请请求求的的情情况况，此此时时，主机就需要进行判优，进而决定为哪一个请求服务。

主机就需要进行判优，进而决定为哪一个请求服务。

子程序不存在此种情况。

子程序不存在此种情况。

计算机组成原理计算机组成原理20中断的基本概念（3/3）33、中断的作用、中断的作用

（1）

（1）主机与外部设备并行工作主机与外部设备并行工作

（2）

（2）实现实时处理实现实时处理（3）（3）硬件故障处理硬件故障处理（4）（4）实现多道程序和分时操作实现多道程序和分时操作计算机组成原理计算机组成原理21CPU响应中断的条件（1/11）一、中断源一、中断源（11）概概念念：

能能够够引引起起CPUCPU中中断断的的原原因因就就是是中中断断源源。

中中断断源源是是指指形形成成这这个个原原因的设备、部件或条件。

因的设备、部件或条件。

（22）种类：

）种类：

输输入入输输出出设设备备。

系系统统中中的的外外部部设设备备都都可可以以设设计计成成为为以以中中断断方方式式与与主主机机进行数据的交换，从而作为系统的中断源。

进行数据的交换，从而作为系统的中断源。

故故障障与与错错误误。

系系统统运运行行中中会会出出现现诸诸如如电电源源掉掉电电、运运算算出出错错、非非法法指指令令等问题，它们也常采用中断方式请求等问题，它们也常采用中断方式请求CPUCPU立即处理。

立即处理。

实实时时时时钟钟。

系系统统中中的的时时钟钟定定时时电电路路是是必必不不可可少少的的，若若定定时时时时间间到到，时时钟电路就可以通过中断告知主机。

钟电路就可以通过中断告知主机。

程程序序调调试试和和软软件件中中断断。

程程序序调调试试中中常常常常采采用用设设置置中中断断断断点点的的方方法法来来观观察察程程序序运运行行是是否否正正确确；有有些些机机器器的的指指令令系系统统设设计计有有软软件件中中断断指指令令，利利用用中中断断机机制制实实现现操操作作系系统统的的功功能能调调用用以以及及调调试试程程序序。

需需要要说说明明一一点点，这这类类中中断断是是由由程程序序员员事事先先安安