计算机组成原理第八章输入输出系统8.1.ppt

计算机组成原理计算机组成原理 Principles of Computer Organization 主讲教师主讲教师:韩阳韩阳 Michael 2008-11-24 北京化工大学北京化工大学北京化工大学北京化工大学 BUCT BUCT 信息科学与技术学院信息科学与技术学院信息科学与技术学院信息科学与技术学院 本科课程教学本科课程教学本科课程教学本科课程教学 CSE32600DCSE32600DVERSION CSE32600D200601-03 COPYRIGHT 2006SIC&MIC 2008.9.1 ALL RIGHTS RESERVED.第第8章章主要内容：主要内容：I/O系统，系统，I/O接口接口主机与外设信息交换方式（重点主机与外设信息交换方式（重点是中断、是中断、DMA方式）方式）标准接口（标准接口（SCSI、IEEE1394、USB）第第8章章8.1.1 8.1.1 外设的定时方式外设的定时方式外设的定时方式外设的定时方式1.速度极慢或简单的外围设备速度极慢或简单的外围设备速度极慢或简单的外围设备速度极慢或简单的外围设备？2.慢速或中速的外设慢速或中速的外设慢速或中速的外设慢速或中速的外设？3.高速外设高速外设高速外设高速外设？I/OI/O过程过程过程过程CPUCPU送出地址送出地址送出地址送出地址ABUS ABUS 选选选选择择择择I/OI/O设备设备设备设备CPUDBUS CPUDBUS 接口对接口对接口对接口对应寄存器应寄存器应寄存器应寄存器 8.1 外设的定时方式与信息交换方式外设的定时方式与信息交换方式 8.1.2 主机和外设的连接方式主机和外设的连接方式1.1.辐射式辐射式 主机主机I/OI/OI/OI/OI/OI/O早期：不易扩展早期：不易扩展 主机主机 接口接口 接口接口I/OI/OI/OI/OI/OI/O现在：便于扩展现在：便于扩展 8.1 外设的定时方式与信息交换方式外设的定时方式与信息交换方式2.2.总线式总线式 主机主机 接口接口 接口接口I/OI/O I/O I/O I/O I/O便于扩展便于扩展总线总线3.3.通道式通道式 主机主机 通道通道 通道通道I/OI/OI/OI/OI/OI/O并行能力并行能力提高提高8.1.3 信息交换方式信息交换方式主机与外设信息交换方式主机与外设信息交换方式主机与外设信息交换方式主机与外设信息交换方式 程序查询程序查询程序查询程序查询 程序中断程序中断程序中断程序中断 DMADMA 通道通道通道通道 外围处理机外围处理机外围处理机外围处理机用用I/O指令编程实现信息传送。指令编程实现信息传送。用中断服务程序实现信息传送。用中断服务程序实现信息传送。用用DMA控制器实现信息传送。控制器实现信息传送。用通道实现信息传送。用通道实现信息传送。用外围处理机实现信息传送。用外围处理机实现信息传送。8.1 外设的定时方式与信息交换方式外设的定时方式与信息交换方式1.1.直接程序传送方式直接程序传送方式用用I/OI/O指令编程实现信息传送。指令编程实现信息传送。（程序查询）（程序查询）（1 1）外设状态）外设状态空闲空闲工作工作结束结束启动启动完成一次完成一次工作工作调用完调用完再请求再请求000001011010空闲空闲：调用前，设备：调用前，设备不工作；不工作；结束结束：调用后，设备：调用后，设备完成工作。完成工作。在接口中设在接口中设置置状态字状态字表表示这些状态。示这些状态。8.1.38.1.3 信息传送信息传送信息传送信息传送(交换交换交换交换)控制方式控制方式控制方式控制方式 8.1.3 信息传送信息传送(交换交换)控制方式控制方式（2 2 2 2）查询流程）查询流程）查询流程）查询流程 启动外设启动外设启动外设启动外设外设工作完成？外设工作完成？外设工作完成？外设工作完成？N N N NY Y Y Y 入入入入/出操作出操作出操作出操作（3 3 3 3）优缺点）优缺点）优缺点）优缺点硬件开销小；硬件开销小；硬件开销小；硬件开销小；实时处理能力差实时处理能力差实时处理能力差实时处理能力差,并行程度低。并行程度低。并行程度低。并行程度低。（4 4 4 4）应用场合）应用场合）应用场合）应用场合对对对对CPUCPUCPUCPU效率要求不高的场合，效率要求不高的场合，效率要求不高的场合，效率要求不高的场合，或诊断、或诊断、或诊断、或诊断、调试过程。调试过程。调试过程。调试过程。8.1.3 信息传送信息传送(交换交换)控制方式控制方式2 2.程序中断方式程序中断方式程序中断方式程序中断方式查询：查询：查询：查询：（1 1 1 1）中断的引入）中断的引入）中断的引入）中断的引入程序程序程序程序并行操作并行操作并行操作并行操作主机主机主机主机外设外设外设外设空闲空闲空闲空闲启动启动启动启动等待等待等待等待工作工作工作工作程序程序程序程序交换数据交换数据交换数据交换数据中断：中断：中断：中断：主机主机主机主机程序程序程序程序外设外设外设外设空闲空闲空闲空闲启动启动启动启动工作工作工作工作程序程序程序程序请求请求请求请求中断程序中断程序中断程序中断程序交换数据交换数据交换数据交换数据程序程序程序程序8.1.38.1.3 信息传送信息传送信息传送信息传送(交换交换交换交换)控制方式控制方式控制方式控制方式 8.1.3 信息传送信息传送(交换交换)控制方式控制方式 开中断开中断一条指令结束一条指令结束时有中断请求？时有中断请求？N NY Y继续原程序继续原程序（3 3）中断流程）中断流程CPUCPU内设置允许中断标志内设置允许中断标志CPUCPU暂时中止现行程序的执行，转去执行为某个随机事态服务的暂时中止现行程序的执行，转去执行为某个随机事态服务的中中断处理程序断处理程序。处理完毕后自动恢复原程序的执行。处理完毕后自动恢复原程序的执行。=1=1 允许响应中断允许响应中断（开中断）开中断）=0=0 不允许响应中断不允许响应中断（关中断）关中断）启动外设启动外设执行中断服执行中断服务程序务程序继续原程序继续原程序响应响应返回返回（2 2 2 2）中断定义）中断定义）中断定义）中断定义8.1.38.1.3 信息传送信息传送信息传送信息传送(交换交换交换交换)控制方式控制方式控制方式控制方式（4 4 4 4）程序安排）程序安排）程序安排）程序安排例例例例1.DJS-1001.DJS-1001.DJS-1001.DJS-100系列机系列机系列机系列机允许中断触发器允许中断触发器允许中断触发器允许中断触发器INTINTINTINT=0 0 0 0 关中断关中断关中断关中断1 1 1 1 开中断开中断开中断开中断 NIOS CPU NIOS CPU NIOS CPU NIOS CPU ；请求请求请求请求 开中断开中断开中断开中断 NIOS NIOS NIOS NIOS 设备码设备码设备码设备码；启动设备启动设备启动设备启动设备响应响应响应响应返回返回返回返回 CLI CLI CLI CLI；请求请求请求请求关中断，初始化关中断，初始化关中断，初始化关中断，初始化 启动启动启动启动；启动设备启动设备启动设备启动设备响应响应响应响应返回返回返回返回例例例例2.PC2.PC2.PC2.PC系列机系列机系列机系列机允许中断位允许中断位允许中断位允许中断位IFIFIFIF=0 0 0 0 关中断关中断关中断关中断1 1 1 1 开中断开中断开中断开中断 STI STI STI STI；开中断开中断开中断开中断（5 5 5 5）硬件设置）硬件设置）硬件设置）硬件设置响应逻响应逻响应逻响应逻辑辑辑辑CPUCPUCPUCPU禁止禁止禁止禁止/允许设备请求允许设备请求允许设备请求允许设备请求设备工作完成设备工作完成设备工作完成设备工作完成（6 6 6 6）应用场合）应用场合）应用场合）应用场合用于中、低速用于中、低速用于中、低速用于中、低速I/OI/OI/OI/O操作或处理复杂随机事态。操作或处理复杂随机事态。操作或处理复杂随机事态。操作或处理复杂随机事态。判优逻判优逻判优逻判优逻辑辑辑辑请求逻请求逻请求逻请求逻辑辑辑辑屏蔽逻屏蔽逻屏蔽逻屏蔽逻辑辑辑辑非屏蔽非屏蔽非屏蔽非屏蔽CPUCPUCPUCPU送屏蔽字送屏蔽字送屏蔽字送屏蔽字(动态改变设备优先级动态改变设备优先级动态改变设备优先级动态改变设备优先级)设备提出请求设备提出请求设备提出请求设备提出请求判别设备优先级判别设备优先级判别设备优先级判别设备优先级CPUCPUCPUCPU响应请求，并转相应服务响应请求，并转相应服务响应请求，并转相应服务响应请求，并转相应服务程序入口程序入口程序入口程序入口CPUCPUCPUCPU接口接口接口接口注意区分注意区分注意区分注意区分CPUCPUCPUCPU对请求的对请求的对请求的对请求的屏蔽屏蔽屏蔽屏蔽和对请求的和对请求的和对请求的和对请求的响应响应响应响应。送屏蔽字送屏蔽字送屏蔽字送屏蔽字开开开开/关中断关中断关中断关中断禁止或允许设备提请求禁止或允许设备提请求禁止或允许设备提请求禁止或允许设备提请求3.3.直接存储器存取直接存储器存取直接存储器存取直接存储器存取(DMADMA)方式方式方式方式（1 1 1 1）定义）定义）定义）定义DMADMA控制器接控制器接控制器接控制器接直接依靠直接依靠直接依靠直接依靠硬件硬件硬件硬件实现实现实现实现主存主存主存主存与与与与I/OI/O间的数据传送，间的数据传送，间的数据传送，间的数据传送，传送期间不需传送期间不需传送期间不需传送期间不需CPUCPU程序干预。程序干预。程序干预。程序干预。1)1)1)1)I/OI/O与与与与主存主存主存主存，而不是，而不是，而不是，而不是I/OI/O与与与与CPUCPU或或或或I/OI/O与与与与主机主机主机主机。2)2)2)2)早期由早期由早期由早期由CPUCPU控制传送；控制传送；控制传送；控制传送；现在由现在由现在由现在由DMADMA控制器控制器控制器控制器控制传送，控制传送，控制传送，控制传送，管总线权，管总线权，管总线权，管总线权，传送完毕再交还总线权。传送完毕再交还总线权。传送完毕再交还总线权。传送完毕再交还总线权。3)3)3)3)传送期间只要传送期间只要传送期间只要传送期间只要CPUCPUCPUCPU不访存，可并行操作。不访存，可并行操作。不访存，可并行操作。不访存，可并行操作。4)4)4)4)传送前和传送后需要程序干预。传送前和传送后需要程序干预。传送前和传送后需要程序干预。传送前和传送后需要程序干预。8.1.3 信息传送信息传送(交换交换)控制方式控制方式（2 2 2 2）硬件设置）硬件设置）硬件设置）硬件设置 操作类型操作类型操作类型操作类型 地址计数地址计数地址计数地址计数控制传送方向控制传送方向控制传送方向控制传送方向DMADMADMADMA控制器控制器控制器控制器接口接口接口接口提供主存地址提供主存地址提供主存地址提供主存地址 交换量计数交换量计数交换量计数交换量计数控制传送次数控制传送次数控制传送次数控制传送次数 请求请求请求请求DMADMADMADMA中断中断中断中断 数据缓冲数据缓冲数据缓冲数据缓冲传递请求传递请求传递请求传递请求暂存交换数据暂存交换数据暂存交换数据暂存交换数据 外设寻址外设寻址外设寻址外设寻址提供外设地址提供外设地址提供外设地址提供外设地址初初初初始始始始化化化化信信信信息息息息 8.1.3 信息传送信息传送(交换交换)控制方式控制方式 启动外设启动外设启动外设启动外设一个总线周期结一个总线周期结一个总线周期结一个总线周期结束时有束时有束时有束时有DMADMADMADMA请求？请求？请求？请求？N N N NY Y Y Y 继续程序继续程序继续程序继续程序传送操作类型、主存首址、传送操作类型、主存首址、传送操作类型、主存首址、传送操作类型、主存首址、交换量、外设寻址信息交换量、外设寻址信息交换量、外设寻址信息交换量、外设寻址信息一次一次一次一次DMADMADMADMA传送传送传送传送 地址地址地址地址+1 1 交换量交换量交换量交换量-1 1一条指令结束一条指令结束一条指令结束一条指令结束时有中断请求？时有中断请求？时有中断请求？时有中断请求？中断处理中断处理中断处理中断处理Y Y Y Y交换量交换量交换量交换量=0=0=0=0？N N N NY Y Y Y申请中断申请中断申请中断申请中断N N N NN N N Na aa a成组方式成组方式成组方式成组方式单字方式单字方式单字方式单字方式b bb bc cc c响应响应响应响应a a（3 3 3 3）DMADMADMADMA流程流程流程流程主程序主程序主程序主程序实现初始化。实现初始化。实现初始化。实现初始化。三个阶段：三个阶段：三个阶段：三个阶段：程序准备阶段：程序准备阶段：程序准备阶段：程序准备阶段：DMADMADMADMA传送阶段：传送阶段：传送阶段：传送阶段：传送结束阶段：传送结束阶段：传送结束阶段：传送结束阶段：（4 4 4 4）应用场合）应用场合）应用场合）应用场合用于高速、简单、批量数据用于高速、简单、批量数据用于高速、简单、批量数据用于高速、简单、批量数据传送。传送。传送。传送。硬件硬件硬件硬件实现实现实现实现MMI/OI/O。中断处理程序中断处理程序中断处理程序中断处理程序判断传送的正误。判断传送的正误。判断传送的正误。判断传送的正误。DMADMADMADMA与中断的相同点：与中断的相同点：与中断的相同点：与中断的相同点：能响应随机请求；可并行操作。能响应随机请求；可并行操作。能响应随机请求；可并行操作。能响应随机请求；可并行操作。DMADMADMADMA与中断的不同点：与中断的不同点：与中断的不同点：与中断的不同点：中断：用程序实现中、低速中断：用程序实现中、低速中断：用程序实现中、低速中断：用程序实现中、低速I/OI/OI/OI/O传送；能处理复杂传送；能处理复杂传送；能处理复杂传送；能处理复杂 一条指令结束时响应请求。一条指令结束时响应请求。一条指令结束时响应请求。一条指令结束时响应请求。事态；事态；事态；事态；DMADMADMADMA：用硬件实现高速、简单用硬件实现高速、简单用硬件实现高速、简单用硬件实现高速、简单I/OI/OI/OI/O传送；一个总线传送；一个总线传送；一个总线传送；一个总线 周期结束时响应请求。周期结束时响应请求。周期结束时响应请求。周期结束时响应请求。程序切换程序切换程序切换程序切换总线权切换总线权切换总线权切换总线权切换4.4.通道控制方式通道控制方式通道控制方式通道控制方式 用通道代替用通道代替用通道代替用通道代替CPUCPU控制主存和外设的数据传送，控制主存和外设的数据传送，控制主存和外设的数据传送，控制主存和外设的数据传送，提高提高提高提高CPUCPU工作效率。工作效率。工作效率。工作效率。5.5.外围处理机方式外围处理机方式外围处理机方式外围处理机方式(PPU(PPU方式方式方式方式)是通道方式的进一步扩展，外围处理机基本独是通道方式的进一步扩展，外围处理机基本独是通道方式的进一步扩展，外围处理机基本独是通道方式的进一步扩展，外围处理机基本独立于主机工作。立于主机工作。立于主机工作。立于主机工作。8.1.3 信息传送信息传送(交换交换)控制方式控制方式8.1 外设的定时方式与信息交换方式外设的定时方式与信息交换方式信息交换控制方式信息交换控制方式v直接程序传送方式（程序查询）直接程序传送方式（程序查询）直接程序传送方式（程序查询）直接程序传送方式（程序查询）v程序中断方式程序中断方式程序中断方式程序中断方式v直接存储器存取方式直接存储器存取方式直接存储器存取方式直接存储器存取方式(DMA)(DMA)v通道控制方式通道控制方式通道控制方式通道控制方式v外围处理机方式外围处理机方式外围处理机方式外围处理机方式(PPU(PPU方式方式方式方式)CAI 8.1.3 信息传送信息传送(交换交换)控制方式控制方式