第8章输入输出系统.ppt
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第8章输入输出系统.ppt
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第八章第八章输入输出系统输入输出系统内容简介CPUCPU对外围设备的管理方式、程序中断方对外围设备的管理方式、程序中断方式、式、DMADMA方式、通道方式方式、通道方式重点、难点11、基本概念基本概念:
DMADMA方式、方式、DMADMA周期挪用、通道周期挪用、通道22、程序中断方式处理过程。
、程序中断方式处理过程。
3、Pentium采用向量中断法,中断源、中断向量表、采用向量中断法,中断源、中断向量表、中断服务子程序入口地址的形成过程。
中断服务子程序入口地址的形成过程。
4、通道的功能。
、通道的功能。
81CPU对外围设备的管理方式例例假设一个幼儿园老师带10个孩子,要给每个孩子分4块水果糖。
她可以采用哪些办法呢?
方法方法1:
她先给孩子甲一块糖,盯着甲吃完,然后再给第二块,等吃完第二块又给第三块,吃完第三块又给第四块。
接着给孩子乙,其过程与孩子甲完全一样。
依次类推,直至到第10个孩子发完四块糖。
这种办法效率太低;吃糖的这段时间老师不能干别的事情。
程序程序查询查询方式方式81CPU对外围设备的管理方式方法方法2:
每人发一块糖各自去吃,并约定谁吃完就举手报告,再发第二块。
没有孩子们举手报告的空闲时间,老师可以做别的事情。
这种方法的效率比第一种高,但这种方法还可以改进。
程序程序中断中断方式方式方法方法3:
进行批处理:
每人拿4块糖各自去吃,吃完4块糖后再向老师举手报告。
显然这种方法的效率比第二种还高,老师可以有更多的空闲时间做别的事情。
DMA方式方式方法方法4:
权力下放:
把发糖的事交给生活阿姨管。
开始、结束时过问一下即可,老师可以专心做别的事情。
通道方式;通道方式;外围处理机外围处理机PPU方式方式81CPU对外围设备的管理方式1、程序查询方式读外设状态(状态字)查询外设状态字(数据是否准备好)读数据(数据字)YESYESNONO发送读命令(控制字)循环查询延迟程序开始结束(CPU读外设数据的操作流程)读外设数据的操作流程)外外设设准准备备数数据据81CPU对外围设备的管理方式1、程序查询方式读外设状态(状态字)查询外设状态字(是否可以接收数据)写数据(数据字)YESYESNONO发送写命令(控制字)循环查询延迟程序开始结束(CPU写外设数据的操作流程)写外设数据的操作流程)外外设设准准备备接接收收81CPU对外围设备的管理方式1、程序查询方式程序查询方式依靠CPU执行程序,输出控制字、查询外设状态、数据的输入输出。
优点优点:
CPU的操作和外围设备的操作能够同步,适应各种速度的外设,而且硬件结构比较简单。
缺点:
缺点:
程序进入循环查询时,将白白浪费掉宝贵的CPU时间,CPU不能干任何事情。
81CPU对外围设备的管理方式2、程序中断方式CPU执行的主程序:
启动I/O设备(地址、读命令)I/O设备开始准备数据数据准备好中断请求报告给CPUCPU、I/O设备并行工作设备并行工作CPU接收到请求,排优、决定是否响应CPU执行的中断服务子程序:
保护现场读一个字数据读一个字数据恢复现场保护断点PCold形成入口地址PCnew形成返回地址PCold继续执行主程序继续执行主程序(程序中断方式处理过程)程序中断方式处理过程)81CPU对外围设备的管理方式2、程序中断方式外设接收到I/O命令,准备数据或准备接收的这段时间,CPU和外设可以并行工作并行工作。
中断方式一般适用于随机事件随机事件的服务。
程序中断过程(保护断点、形成中断服务子程序入口地址、保护现场、中断处理、恢复现场、中断返回等)也需要占用额外的CPU时间开销。
81CPU对外围设备的管理方式3、直接内存访问(DMA)方式程序查询方式、程序中断方式一次只能交换一个字的数据,很难适应成组数据的交换。
DMA方式是一种完全由硬件(DMADMA控制器控制器)来实现内存和I/O设备之间的高速的批量数据交换。
81CPU对外围设备的管理方式CPU内存I/O接口I/O接口-I/O设备I/O设备DMA控制器1)I/O设备需要和内存交换一个数据块,向CPU发出DMA请求;2)CPU同意响应DMA请求后,将总线控制权交给DMA控制器,并将读写命令、数据块长度、内存起始地址发送给DMA控制器;3)I/O设备和内存之间逐个进行数据交换,直至整个数据块交换完毕,向CPU报告。
数据交换期间CPU不干预;4)CPU接收到结束报告,作相关善后处理,收回总线控制权。
81CPU对外围设备的管理方式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,这是因为,CPU进一步将管理I/O操作的权力下放给通道。
通道是一个具有特殊功能的处理器CPU,有的称为输入输出处理器(IOP),通道可以引出总线、并统一管理连接到该总线上的所有设备的I/O操作。
81CPU对外围设备的管理方式81CPU对外围设备的管理方式5、外围处理机PPU方式通道一般是部件级产品,而外围处理机PPU则是通道的进一步发展。
PPU基本上独立于主机工作,它的结构更接近一台计算机、或者就是一台通用计算机,一般称为前置机。
在一些系统中,可以设置多台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。
81CPU对外围设备的管理方式适用范围:
程序查询方式、程序中断方式一般适用于低速设备,而DMA、通道、PPU适用于高速设备。
实现方式:
实现方式:
程序查询方式、程序中断方式主要通过执行程序(软件)实现,而DMA、通道、PPU主要是硬件实现。
82程序中断方式中断的基本概念程序中断方式的基本接口单级中断多级中断Pentium中断机制821中断的基本概念CPU执行的主程序:
启动I/O设备(地址、读命令)I/O设备开始准备数据数据准备好中断请求报告给CPUCPU、I/O设备并行工作设备并行工作CPU接收到请求,排优、决定是否响应CPU执行的中断服务子程序:
保护现场读一个字数据读一个字数据恢复现场保护断点PCold形成入口地址PCnew形成返回地址PCold继续执行主程序继续执行主程序821中断的基本概念(11)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。
(22)在外围设备准备自己的数据时,CPU照常执行自己的主程序;CPU和外围设备的一些操作是并行地进行的。
821中断的基本概念(11)中断请求的获取)中断请求的获取中断请求是随机的,但CPU只有在当前一条指令执行完毕后,即转入公操作公操作时才会受理设备的中断请求,这样才不致于干扰当前指令的执行。
公操作公操作是指每条指令取指/执行结束后的一段时间。
在这段时间里,CPU会查询是否有中断请求、是否有DMA请求等。
821中断的基本概念(22)中断周期中断周期如果CPU在公操作期间检测到有中断请求,则CPU转入“中断周期中断周期”。
在中断周期中,CPU决定是否响应中断、关中断、寻找中断源、保存断点、形成中断服务子程序的入口地址等工作。
中断周期的工作一般由硬件/系统实现。
821中断的基本概念(44)单优先级)单优先级开关中断开关中断关中断:
关中断:
当CPU响应中断后,可能有新的中断请求。
为了不致造成混乱,应关中断,即中断屏蔽触发器置“1”,禁止响应其它的中断请求。
开中断:
开中断:
中断服务处理程序执行后、中断返回之前,应开中断,即中断屏蔽触发器置“0”,允许响应新的中断请求。
821中断的基本概念(55)多优先级)多优先级开关中断开关中断关中断:
关中断:
当CPU响应中断后,应将本级及低优先级的中断屏蔽触发器置“1”,禁止响应本级及低优先级的中断请求,允许响应高优先级的嵌套中断。
开中断:
开中断:
中断服务处理程序执行后、中断返回之前,应将本级及低优先级的中断屏蔽触发器置“0”,允许响应新的中断请求。
821中断的基本概念(66)寻找)寻找中断源中断源某级(菊花链)的中断请求线,可能连接了多个I/O设备,或者说可能同时有多个同级的中断请求。
当CPU决定响应某级的中断请求后,应明确定位到究竟响应哪个I/O设备的中断请求,即寻找中断源。
821中断的基本概念(77)保存断点)保存断点为了在中断服务程序执行完毕以后正确地返回到原来主程序被中断的断点(程序计数器PCold)而继续执行主程序,必须把PCold的内容、状态标志(标志寄存器PSW)保存到堆栈中。
所谓断点实际上是本条指令的下条指令的首单元地址。
821中断的基本概念(88)形成中断服务子程序的入口地址)形成中断服务子程序的入口地址通过某种策略,形成中断服务子程序的首地址,并保存到程序计数器PCnew中,实现转移,下次取的指令就是中断服务子程序的首条指令。
一般采用向量中断法向量中断法形成中断服务子程序的入口地址。
821中断的基本概念(99)中断服务子程序)中断服务子程序开关中断。
保护/恢复现场:
主要是将主程序中使用的通用寄存器,保存到堆栈。
中断处理。
821中断的基本概念中断服务子程序一般结构:
中断服务子程序一般结构:
入口地址入口地址DI;关中断PUSHAXPUSHDX;保护现场;中断处理;中断处理POPDXPOPAX;恢复现场EI;开中断RETI;中断返回主程序结构:
主程序结构:
MOVIE,XX;中断允许设置MOVIP,XX;中断优先级设置EI;开中断;随机中断822程序中断方式基本接口问题描述:
程序中断方式基本接口讨论的是:
当I/O设备和CPU之间采用程序中断方式时,接口的概念性结构及组成。
822程序中断方式基本接口处理过程描述:
处理过程描述:
(11)启动外设S、置忙标志BS=1、准备就绪标志RD=0。
(22)通过BS标志启动外设,外设开始准备数据。
(33)数据准备好以后,数据从外设到数据缓冲寄存器,同时置准备就绪标志RD=1。
822程序中断方式基本接口处理过程描述:
处理过程描述:
(44)RD=1且EI=1(允许中断),则产生中断请求IR=1,向CPU申请中断。
(55)CPU公操作期间检测到中断请求,进入中断周期。
(66)中断周期:
IR=1且IM=0(未屏蔽、允许中断),则产生中断响应信号INTA,并输出到接口的中断向量产生逻辑。
822程序中断方式基本接口处理过程描述:
处理过程描述:
(77)中断向量逻辑根据设备号,形成该设备唯一的中断向量,经过DBUS到CPU内部寄存器。
(88)CPU接收到的中断向量,按一定的规则形成中断服务子程序的入口地址,改变PC、从而转到中断服务子程序执行。
(99)CPU输出C复位信号使BS=0、RD=0,一次中断操作过程结束。
823单级中断单级中断系统中,所有的中断源都属于同一个优先级,通过菊花链寻找中断源。
824多级中断计算机系统中的中断源,根据各中断源事件的轻重缓急程度不同而分成若干级别,每一中断级别分配一个优先权。
优先权高的中断可以打断优先权低的中断服务程序,多级中断以程序嵌套方式程序嵌套方式进行工作。
主程序主程序1级级2级级3级级824多级中断寻找中断源:
寻找中断源:
首先,优先级排队,决定响应哪个优先级的中断请求;其次,链式查询,识别出究竟是选中优先级中的哪个设备提出的中断请求。
824多级中断关中断:
关中断:
如果某级中断被响应,则需要修改中断屏蔽寄存器的内容,即将高优先级的对应标志位置“0”,而将本级、低优先级的标志位置“1”。
826Pentium中断机制1、中断类型Pentium的中断类型有两种:
中断、异常中断:
外部中断异常:
内部中断826Pentium中断机制2、外部中断由来自于CPU的中断请求线上的信号引发的。
可屏蔽中断:
可屏蔽中断:
来自CPU的INTR引脚的中断请求信号,如果CPU中PSW.IF=1时,允许中断;PSW.IF=0时,中断请求信号在CPU内部被禁止。
非屏蔽中断:
非屏蔽中断:
来自CPU的NMI引脚收到的中断请求信号而引发的中断,这类中断不能被禁止。
一般用于计算机本身的故障处理系统,如掉电监测系统。
奔腾cpuINTRNMI826Pentium中断机制3
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