计算机组成原理_8

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1、第八章输入输出系统8.1外围设备的定时方式与信息交换方式8.2程序中断方式8.3DMA方式8.4通道方式8.5通用I/O标准接口8.1外围设备的定时方式与信息交换方式8.1.1外围设备的定时方式外围设备的种类相当繁多，有机械式和电动式，也有电子式和其他形式。从信息传输速率来讲，相差也很悬殊。如果把高速工作的主机同不同速度工作的外围设备相连接，如何保证主机与外围设备在时间上同步？这就是我们要讨论的外围设备的定时问题。问题的关键在于：究竟什么时候数据才成为有效?很显然，由于输入/输出设备本身的速度差异很大，因此，对于不同速度的外围设备，需要有不同的定时方式，总的说来，CP

2、U与外围设备之间的定时，有以下三种情况。1.速度极慢或简单的外围设备这类设备CPU只要接收或发送数据即可。2.慢速或中速的外围设备CPU与这类设备之间的数据交换通常采用异步定时方式，即为应答式的数据交换。3.高速的外围设备通常采用同步定时方式，或采用直接内存访问(DMA)方式8.1.2信息交换方式在计算机系统中，CPU管理外围设备有以下几种方式：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

3、，查询方式的优点是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。但问题是，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。即使CPU采用定期地由主程序转向查询设备状态的子程序进行扫描轮询的办法，CPU宝贵资源的浪费也是可观的。因此当前除单片机外，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

4、停止的地方开始执行程序。可以看出，它节省了CPU宝贵的时间，是管理I/O操作的一个比较有效的方法。中断方式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。同程序查询方式相比，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)方式用中断方式交换数据时，每处理一次I/O数据交换。对于一些高速的外围设备以及成组交换数据时，仍然速度太慢。DMA方式是一种完全由硬件执行I/O交换的工作方式。此时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。其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

5、的限制。与中断方式相比，需要更多的硬件。DMA方式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。这是因为，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。然而这种提高CPU效率的办法是以花费更多硬件为代价的。5.外围处理机方式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

6、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。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，而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。目前单片机和微型机中多采用程序查询方式、程序中断方式和DMA方式。通道方式和PPU方式大都用在中、大型计算机中。8.2程序中断方式8.2.1中断的基本概念图8.2中断处理示意图问题说明：(1)尽管外界中断请求是随机的，但CPU只有在当前一条指令执行完毕后，即转入公操作时才

7、受理设备的中断请求，这样才不致于使当前指令的执行受到干扰。公操作是指一条指令执行结束后CPU所进行的操作，如中断处理、直接内存传送、取下条指令等。外界中断请求信号通常存放在接口中的中断源锁存器里，并通过中断请求线连至CPU，每当一条指令执行到末尾，CPU便检查中断请求信号。若中断请求信号为“1”，则CPU转入“中断周期”，受理外界中断。(2)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(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(包括寄存器的内容和一些状态标志