白中英計算機(jī)組成原理輸入輸出系統(tǒng)PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1白中英計算機(jī)組成原理輸入輸出系統(tǒng)白中英計算機(jī)組成原理輸入輸出系統(tǒng)2021年10月8日星期五2了解第1頁/共76頁2021年10月8日星期五33. DMA方式DMA控制器的組成；DMA傳送過程。4. 通道方式第第7 7章章中斷的基本概念中斷的基本概念中斷響應(yīng)過程中斷響應(yīng)過程中斷處理過程中斷處理過程多重中斷和中斷屏蔽的概念多重中斷和中斷屏蔽的概念第2頁/共76頁2021年10月8日星期五4第3頁/共76頁2021年10月8日星期五5nCPU以等間隔的速率執(zhí)行輸入輸出指令。詢問信號詢問信號應(yīng)答信號應(yīng)答信號由時鐘脈沖控制由時鐘脈沖控制如何使如何使CPUCPU與外與外設(shè)同步工作設(shè)同步工作如：機(jī)械

2、開關(guān)、發(fā)光二極管如：機(jī)械開關(guān)、發(fā)光二極管如：鍵盤、顯示器如：鍵盤、顯示器如：主存、輔存如：主存、輔存第4頁/共76頁2021年10月8日星期五6通道，將CPU的輸入輸出權(quán)力下放。n外圍處理機(jī)方式(PPU)n是通道方式的進(jìn)一步發(fā)展。動畫演示：動畫演示：8-1.swf8-1.swf第5頁/共76頁2021年10月8日星期五7n每次查詢之后只能傳送一個字或一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸率不高，CPU時間浪費(fèi)較多。n適用場合nCPU不太忙且對傳送速度要求不高的系統(tǒng)。第6頁/共76頁2021年10月8日星期五8n且每次數(shù)據(jù)傳送只能傳送一個字或一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳送效率低。n適用場合nCPU與慢速外設(shè)之間的數(shù)

3、據(jù)傳送。第7頁/共76頁2021年10月8日星期五9n，件控制；n外設(shè)與存儲器之間的數(shù)據(jù)傳送量大。n適用場合n包含有高速外設(shè)的系統(tǒng)中。存儲器與外設(shè)之間存儲器與外設(shè)之間數(shù)據(jù)交換時使用數(shù)據(jù)交換時使用第8頁/共76頁2021年10月8日星期五10nnIO傳送的效率高，并且減輕了CPU的工作負(fù)擔(dān)。n適用場合n高性能要求的系統(tǒng)中。第9頁/共76頁2021年10月8日星期五11 CPUIN AL , DX數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線地址總線地址總線/RD/WR/MIOIO0地址信息地址信息0ALOUT DX , AL00地址信息地址信息AL數(shù)據(jù)的輸入數(shù)據(jù)的輸入輸出完全由輸出完全由程序控制！程序控制！第10頁/共76頁

4、2021年10月8日星期五12nI/O訪問的指令字長較長，執(zhí)行速度慢。00000HFFFFFH以以2020位主存地址位主存地址、1616位位I/OI/O地址為地址為例例主主存存儲儲器器I/O設(shè)設(shè)備備EFFFFHF0000H第11頁/共76頁2021年10月8日星期五1300000HFFFFFH主主存存儲儲器器I/O設(shè)設(shè)備備0000HFFFFH以以2020位主存地址、位主存地址、1616位位I/OI/O地址為例地址為例第12頁/共76頁2021年10月8日星期五14n輸入或輸出數(shù)據(jù)；nCPU與IO接口之間的數(shù)據(jù)傳送； 以數(shù)據(jù)形式傳送以數(shù)據(jù)形式傳送控制、狀態(tài)信息控制、狀態(tài)信息第13頁/共76頁20

5、21年10月8日星期五15當(dāng)前“忙”狀態(tài)；nCPU與外設(shè)通過接口內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩沖器傳送數(shù)據(jù)；動畫演示：動畫演示：8-8-2.swf2.swf第14頁/共76頁2021年10月8日星期五16設(shè)備就緒為止。CPU輸入或輸出數(shù)據(jù)，同時復(fù)位接口中的狀態(tài)標(biāo)志。n特點(diǎn)n可通過改變查詢順序修改設(shè)備的優(yōu)先權(quán)；nCPU工作效率低；動畫演示：動畫演示：8-8-3.swf3.swf第15頁/共76頁2021年10月8日星期五17第16頁/共76頁2021年10月8日星期五18設(shè)置好的；n結(jié)束中斷返回原程序時，要以原狀態(tài)返回暫停處繼續(xù)執(zhí)行。動畫演示：動畫演示：8-8-4.swf4.swf第17頁/共76頁2021年10

6、月8日星期五19 IRET主主程程序序中中斷斷服服務(wù)務(wù)程程序序IP中斷請中斷請求求主程主程序序中斷響中斷響應(yīng)應(yīng)中斷服中斷服務(wù)程序務(wù)程序中斷返中斷返回回IRET斷斷點(diǎn)點(diǎn)IP IP IP第18頁/共76頁2021年10月8日星期五20nCPUn有多個中斷源時，如何確定優(yōu)先級；nCPU在什么條件、什么時候、以什么方式響應(yīng)中斷；n如何保護(hù)/恢復(fù)現(xiàn)場、如何轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序的入口地址；n如何處理多重中斷。第19頁/共76頁2021年10月8日星期五21n開中斷；n恢復(fù)CPU現(xiàn)場；4.中斷返回n恢復(fù)斷點(diǎn)現(xiàn)場，返回主程序繼續(xù)執(zhí)行；由硬件自動完成由硬件自動完成由軟件完成由軟件完成第一個問題：第一個問題：CPUC

7、PU公操作時檢測保存中公操作時檢測保存中斷請求信號的寄存器斷請求信號的寄存器對對CPU內(nèi)部寄存器的保護(hù)與恢復(fù)內(nèi)部寄存器的保護(hù)與恢復(fù)第三個問題：第三個問題：避免再次中斷影響當(dāng)前中避免再次中斷影響當(dāng)前中斷響應(yīng)，屏蔽中斷源；斷響應(yīng)，屏蔽中斷源；可實現(xiàn)中斷優(yōu)先權(quán)管理可實現(xiàn)中斷優(yōu)先權(quán)管理第四個問題：第四個問題：中斷處理過程由中斷處理過程由軟硬件結(jié)合完成軟硬件結(jié)合完成由軟硬件共同完成由軟硬件共同完成第二個問題：第二個問題：為保證為保證CPUCPU能夠正常能夠正常返回主程序返回主程序第20頁/共76頁2021年10月8日星期五2203FFH的1024個單元作為中斷向量表，每個向量占用4個字節(jié)，可容納256個

8、中斷向量。第21頁/共76頁2021年10月8日星期五23 0000 : 00000000 : 00010000 : 00020000 : 0003 0000 : 00200000 : 00210000 : 00220000 : 0023 0000 : 03FC0000 : 03FD0000 : 03FE0000 : 03FF類型號類型號 0類型號類型號 8類型號類型號 255偏移地址偏移地址段地段地址址偏移地址偏移地址段地段地址址偏移地址偏移地址段地段地址址每個中斷向量每個中斷向量在中斷向量表在中斷向量表中的序號，值中的序號，值為為0 0255255。中斷類型號中斷類型號第22頁/共76頁2

9、021年10月8日星期五24用中斷向量賦值用中斷向量賦值CSCS、IPIP中斷源提供中斷源提供中斷類型號中斷類型號n4中斷向量中斷向量地址地址查表查表中斷向量中斷向量CPU轉(zhuǎn)向中斷轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序執(zhí)行服務(wù)程序執(zhí)行 CPU使用向量中斷的過程：使用向量中斷的過程：第23頁/共76頁2021年10月8日星期五25動畫演示：動畫演示：8-8-5.swf5.swf由中由中斷隱斷隱指令指令執(zhí)行執(zhí)行第24頁/共76頁2021年10月8日星期五26在中斷響應(yīng)期間屏蔽其他中斷源。n第四個問題n中斷處理過程是由硬件和軟件結(jié)合來完成的；n中斷周期由硬件實現(xiàn)，中斷處理程序由機(jī)器指令序列實現(xiàn)。中斷返回時再恢復(fù)斷點(diǎn)狀態(tài)中

10、斷返回時再恢復(fù)斷點(diǎn)狀態(tài)對中斷源的優(yōu)先權(quán)管理對中斷源的優(yōu)先權(quán)管理第25頁/共76頁2021年10月8日星期五27外設(shè)準(zhǔn)備就緒后，向CPU請求中斷CPU接受請求，完成數(shù)據(jù)傳送第26頁/共76頁2021年10月8日星期五28就緒觸發(fā)器就緒觸發(fā)器允許觸發(fā)器允許觸發(fā)器忙狀態(tài)觸發(fā)忙狀態(tài)觸發(fā)器器中斷請求中斷請求觸發(fā)器觸發(fā)器中斷屏蔽中斷屏蔽觸發(fā)器觸發(fā)器 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)一條指令結(jié)束一條指令結(jié)束 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)10110IF=0001動畫演示：動畫演示：8-8-6.swf6.swf第27頁/共76頁2021年10月8日星期五29n實現(xiàn)方法n進(jìn)入中斷服務(wù)時的中斷屏蔽設(shè)置；第28頁/共76頁2021年10月8日星期五30中斷請求

11、信號中斷請求信號優(yōu)先權(quán)高優(yōu)先權(quán)高優(yōu)先權(quán)低優(yōu)先權(quán)低中斷響應(yīng)信號中斷響應(yīng)信號動畫演示：動畫演示：8-8-7.swf7.swf第29頁/共76頁2021年10月8日星期五31動畫演示：動畫演示：8-8.swf8-8.swf排隊鏈排隊鏈中斷響中斷響應(yīng)信號應(yīng)信號中斷排隊輸入信號；中斷排隊輸入信號；由高優(yōu)先權(quán)中斷得到由高優(yōu)先權(quán)中斷得到中斷排隊中斷排隊輸出信號輸出信號選中選中信號信號中斷源的中中斷源的中斷請求信號斷請求信號第30頁/共76頁2021年10月8日星期五323.向量地址轉(zhuǎn)移n由硬件直接產(chǎn)生一個該中斷源對應(yīng)的固定地址碼，該地址碼中存放可轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序的入口地址。第31頁/共76頁2021年10月

12、8日星期五33n暫停當(dāng)前的中斷服務(wù)程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行新的中斷服務(wù)程序。n多級中斷中需要進(jìn)行優(yōu)先權(quán)的控制和判斷。第32頁/共76頁2021年10月8日星期五34制n當(dāng)某中斷源的請求被響應(yīng)時，將同時設(shè)置低級中斷源的IM=1，而高級中斷源的IM=0，可以發(fā)生中斷嵌套。第33頁/共76頁2021年10月8日星期五35設(shè)備E；n此時，若設(shè)備D請求中斷，則不響應(yīng)；n若設(shè)備B請求中斷，則打斷設(shè)備E的中斷服務(wù)，嵌套響應(yīng)設(shè)備B；動畫動畫演示演示: : 8-9.swf8-9.swf第34頁/共76頁2021年10月8日星期五36nCPU響應(yīng)中斷時，系統(tǒng)需要進(jìn)行優(yōu)先權(quán)控制，實現(xiàn)正常的中斷嵌套；n置“1”（關(guān)閉）本級和低

13、級的中斷屏蔽觸發(fā)器；n清“0”（開放）更高級的中斷屏蔽觸發(fā)器；第35頁/共76頁2021年10月8日星期五37單重中斷和多重中斷的服務(wù)程序流程單重中斷和多重中斷的服務(wù)程序流程中斷否？中斷否？保護(hù)現(xiàn)場保護(hù)現(xiàn)場設(shè)備服務(wù)設(shè)備服務(wù)恢復(fù)現(xiàn)場恢復(fù)現(xiàn)場 開中斷開中斷中斷返回中斷返回取指令取指令執(zhí)行指令執(zhí)行指令中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序 中斷響應(yīng)中斷響應(yīng) 程序斷點(diǎn)進(jìn)棧程序斷點(diǎn)進(jìn)棧 關(guān)中斷關(guān)中斷 向量地址向量地址 PC中斷周期中斷周期是是中斷返回中斷返回保護(hù)現(xiàn)場保護(hù)現(xiàn)場設(shè)備服務(wù)設(shè)備服務(wù)恢復(fù)現(xiàn)場恢復(fù)現(xiàn)場開中斷開中斷開中斷開中斷開中斷開中斷中斷隱指令中斷隱指令中斷隱指令中斷隱指令否否取指令取指令執(zhí)行指令執(zhí)行指令中斷否

14、？中斷否？否否 中斷響應(yīng)中斷響應(yīng) 程序斷點(diǎn)進(jìn)棧程序斷點(diǎn)進(jìn)棧 關(guān)中斷關(guān)中斷向量地址向量地址 PC中斷周期中斷周期是是中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序單重單重 多重多重 第36頁/共76頁2021年10月8日星期五38與中斷向量產(chǎn)生邏輯；第37頁/共76頁2021年10月8日星期五39第38頁/共76頁2021年10月8日星期五40第39頁/共76頁2021年10月8日星期五41CPU?n使設(shè)備C的優(yōu)先權(quán)最高，即可滿足題目要求；n可將設(shè)備C單獨(dú)設(shè)置為第3級中斷，并令I(lǐng)M3=0即可。第40頁/共76頁2021年10月8日星期五42先級低的中斷服務(wù)。由屏蔽字決定是否有權(quán)中斷由屏蔽字決定是否有權(quán)中斷第41頁/共

15、76頁2021年10月8日星期五43n則可設(shè)置第3級中的屏蔽字設(shè)為：00001011第2級中的屏蔽字設(shè)為：00001111第42頁/共76頁2021年10月8日星期五44中斷源中斷源屏蔽字（屏蔽字（ L0L1L2L3L4 ）L0L1L2L3L41010011111001001011110101第43頁/共76頁2021年10月8日星期五45第44頁/共76頁2021年10月8日星期五46中斷源中斷源外部中斷外部中斷異常中斷異常中斷不可屏蔽中斷不可屏蔽中斷NMI可屏蔽中斷可屏蔽中斷INTR異常中斷異常中斷指令中斷指令中斷INT n除法錯中斷除法錯中斷單步中斷單步中斷斷點(diǎn)中斷斷點(diǎn)中斷溢出中斷溢出中

16、斷由執(zhí)行指令引起由執(zhí)行指令引起的中斷。的中斷。由由隨機(jī)的硬件信隨機(jī)的硬件信號號引起的中斷；引起的中斷；動畫演示：動畫演示： 8-12.swf第45頁/共76頁2021年10月8日星期五47n常見的NMI中斷：n系統(tǒng)RAM奇偶校驗錯、I/O通道校驗錯、協(xié)處理器出錯等。第46頁/共76頁2021年10月8日星期五48n常見的INTR中斷：n外部設(shè)備的中斷請求，如I/O設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送請求，用戶可自行設(shè)計；第47頁/共76頁2021年10月8日星期五49n中斷類型號的范圍為5n255 ；n這類中斷包括BIOS中斷、DOS中斷以及一些未定義的自由中斷（可由系統(tǒng)擴(kuò)充或根據(jù)應(yīng)用需要自定義）。第48頁/共76

17、頁2021年10月8日星期五50nn由CPU運(yùn)行過程中的突發(fā)事件引起系統(tǒng)在適當(dāng)位置自動添加一條中斷指令，然后由CPU執(zhí)行該指令引起的中斷；n同指令中斷一樣，處理該中斷時，CPU不需要發(fā)響應(yīng)信號。第49頁/共76頁2021年10月8日星期五51外部中斷外部中斷指令中斷指令中斷內(nèi)部異常中斷內(nèi)部異常中斷硬件故障中斷硬件故障中斷軟軟 件件 故故 障障 中中 斷斷第50頁/共76頁2021年10月8日星期五52中斷產(chǎn)生中斷產(chǎn)生的特點(diǎn)的特點(diǎn)中斷類型號的中斷類型號的來源來源CPU是是否應(yīng)答否應(yīng)答可屏蔽性可屏蔽性NMI中斷中斷隨機(jī)性隨機(jī)性突發(fā)性突發(fā)性系統(tǒng)固定為系統(tǒng)固定為2 2不需要不需要不可屏蔽不可屏蔽INT

18、R中斷中斷隨機(jī)性隨機(jī)性突發(fā)性突發(fā)性由中斷源提供由中斷源提供需要需要可屏蔽（可屏蔽（IFIF）指令中斷指令中斷可預(yù)期可預(yù)期由指令提供由指令提供不需要不需要不可屏蔽不可屏蔽內(nèi)部中斷內(nèi)部中斷隨機(jī)性隨機(jī)性突發(fā)性突發(fā)性系統(tǒng)固定為系統(tǒng)固定為0 0、1 1、3 3、4 4不需要不需要不可屏蔽不可屏蔽( (除單步中斷除單步中斷TF)TF)第51頁/共76頁2021年10月8日星期五53nDMA方式中，DMAC的工作：n接受外設(shè)的DMA請求，并提交給CPU；n接管總線的控制權(quán)，控制主存和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送；n完成數(shù)據(jù)傳送后，交還總線使用權(quán)。磁盤與主存之間的數(shù)據(jù)傳送磁盤與主存之間的數(shù)據(jù)傳送8.4.1 DMA的基本

19、概念的基本概念第52頁/共76頁2021年10月8日星期五54nDMA與CPU交替訪問方式（透明DMA方式）n適用于CPU周期大于主存存取周期的系統(tǒng)中；每次挪用的一個總線每次挪用的一個總線周期，對于周期，對于DMACDMAC來說來說需要需要2-52-5個周期，用個周期，用于總線控制權(quán)的申請于總線控制權(quán)的申請、建立和歸還。、建立和歸還。第53頁/共76頁2021年10月8日星期五55第54頁/共76頁2021年10月8日星期五56第55頁/共76頁2021年10月8日星期五57第56頁/共76頁2021年10月8日星期五58第57頁/共76頁2021年10月8日星期五59存之間的數(shù)據(jù)傳送，并檢測

20、是否傳送結(jié)束；nDMA結(jié)束nDMAC歸還總線使用權(quán)。之前要有對之前要有對DMAC芯芯片的編程操作片的編程操作傳傳送前的預(yù)處理送前的預(yù)處理第58頁/共76頁2021年10月8日星期五60線的使用權(quán)；n是否需要保護(hù)現(xiàn)場n中斷需要；DMA不需要（CPU不參與數(shù)據(jù)傳送）；nDMA的優(yōu)先權(quán)高于中斷的優(yōu)先權(quán)。第59頁/共76頁2021年10月8日星期五61可實現(xiàn)為多個設(shè)備服務(wù)的目的；n適用于數(shù)據(jù)傳輸率很高的設(shè)備；第60頁/共76頁2021年10月8日星期五62進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送；nDMAC內(nèi)部需要多組寄存器；n設(shè)備對DMAC的請求可采用鏈?zhǔn)?，或?dú)立請求方式；第61頁/共76頁2021年10月8日星期五63第62頁/共76頁2021年10月8日星期五64 T4T6 T7T2為磁盤為磁盤 服務(wù)服務(wù)T5T8T3為磁帶為磁帶 服務(wù)服務(wù)為打印為打印機(jī)服務(wù)機(jī)服務(wù)T15sDMA 請求請求打印機(jī)打印機(jī)tDMA 請求請求DMA 請求請求DMA 請求請求45s磁帶磁帶t