第 7 章 主机与外部设备的信息交换本章简单介绍总线和接口的基本 概念，以及I/O指令的设备；然后详细 讨论三种I/O传送控制方式及相应的接 口，重点放在中断方式上；最后讨论 系统总线的组成和操作时序。学习目标v掌握：I/O接口的基本功能与组成，同步总 线与同步扩展总线，异步总线（应答关系 ）。直接程序控制方式。 v熟练掌握：中断方式（定义、特点、应用 、中断接口、中断过程、向量中断方式） ，DMA（定义、特点、应用、DMA过程 。 v理解：接口分类，系统总线的信号组成。 v了解：IOP。7.1 总线与接口 7.1.1 主机与外部设备的连接方式 7.1.2 系统总线的功能与分类 7.1.3 接口的功能与分类7.2 I/O指令与直接程序控制方式 7.2.1 I/O指令 7.2.2 直接程序控制7.3 程序中断方式 7.3.1 中断基本概念 7.3.2 中断接口模型 7.3.3 中断过程 7.4 DMA方式 7.4.1 DMA基本概念 7.4.2 DMA初始化及DMA传送过程 7.5 系统总线 7.5.1 总线标准及信号组成 7.5.2 总线的操作时序 7.5.3 典型总线举例不做要求7.1 总线与接口7.1.1 主机与外部设备的连接方式CPU主存接口接口I/O设备I/O设备图1-1 常见计算机硬件系统结构外设经I/O接 口到系统总线 上，再通过系 统总线与主机 相连。 1、带有IOP的总线连接方式CPU主存接口接口I/OI/OIOP即输入输出处理机，它的结构和 功能与CPU类似，有自己的指令系统 ，可以进行信息的码制转换、数据格 式更换、字带与字的装配和拆卸、数 据传送的检测与纠错等预处理操作。局部存储器接口接口I/OI/OIOP局部总线 2、多总线连接方式CPU主存接口接口高速I/O高速I/O为提高信息的传输效率，在 一些连接高速I/O设备的系 统中，设备多组总线。系统总线控制器接口接口I/OI/O系统总线主机在传统大型机中采 用通道连接方式， 即（P301）。7.1.2 系统总线的功能与分类 总线是一组能为多个部件分时共享的公 共的信息传送线路，以及相关的总线协 议和相应的控制逻辑。 1、总线的功能：是以共享、分时的方式 为多个部件提供信息交换通路。 几个概念：（教材P302） （1）共享 （2）分时 （3）总线协议2、总线的分类： （1）按总线在系统中的作用划分 CPU内部总线也称CPU内总线，用来连接 CPU内的各个寄存器与算术逻辑运算部件。 部件内总线也称片级总线，用来连接插件 板上的各个芯片，常称为局部总线。 系统总线也称板级总线，用来连接计算机 系统内各个大功能部件。包括三总线：地址线 、控制线、数据线。 外总线也称通讯总线，用来连接多个计算 机系统，或连接计算机系统与甚设备。（2）按数据传送格式划分 并行总线有多根数据线，可同时传 送多个数据位，因而传送速度快。计算 机系统内部的总路线多采用并行总线。 串行总线有一根数据线，串行逐位 地传送数据，传送速度慢，但节省传送 线。外总线多采用串行总线，以降低通 讯线路的成本，实现远距离传输。（3）按时序控制方式划分定义典型作法特点适用范围 同 步 总总 线线指总线 传送操 作由统 一的同 步时序 信号控 制由CPU或专 门的系统时 钟提供统一 时序，在固 定的时钟周 期内传送数 据，用同步 脉冲定时将 数据打入目 的地。有严格的时 钟周期划分 ，传送操作 所需的总线 周期可能包 含若干个固 定的时钟周 期，控制简 单，时间利 用率低。适用于系 统内各部 件之间的 传送时间 差异较、 传送时间 确定、传 送距离较 短的场合 。（3）按时序控制方式划分定义典型作法特点适用范围异 步 总总 线线指根据 各部件 的实际 需要， 以异步 应答方 式控制 总线 传送操 作。先由部件 甲向部件 乙发出传 送请求信 号，然后 启动总线 传送（读 传送或写 传送）。无固定的时钟 周期划分，用 异步应答方式 控制传送，用 于传送操作的 总线周期可长 可短，时间利 用率很高，但 控制较复杂。适用于各 部件传送 速度差异 较大，距 离较长、 传送时间 不确定的 场合。（3）按时序控制方式划分定义典型作法特点适用范围 扩扩 展 同 步 总总 线线采用以同 步方式为 基础，部 分 引入异 步控制的 做法，使 异步事件 同步化。以时钟周期 为时间 基准 ，总线周期 所包含的时 钟周期数可 以根据需要 而变化。周期长 度不固 定，时 间利用 率高， 控制简 单。为广义上 的同步总 线范畴。备备注：CPU内总线和局部总线采用同步总线，系 统总线 采用扩展同步总线或异步总线，外总线则 多为异步总线。7.1.3 接口的功能与分类 接口是两个部件之间的交接部分，或称界 面。（硬件接口、软件接口、软硬接口） I/O接口是指主机和外设之间的硬件接口 。 1、I/O接口的基本功能 （1）寻址 （2）数据缓冲 （3）预处理 （4）控制功能（具体内容见教材P304页）3、I/O接口的分类： （1）按数据传送格式划分 并行接口是指接口与系统总线之间 、接口与外设之间均按并行方式传送数 据。 串行接口是指接口与外设之间采取 串行方式传送数据，接口与系统总线之 间仍按并行方式进行传送。（2）按传送控制方式划分（P306） 直接程序传送接口指接口与CPU之间的信 息传送采用直接程序控制方式。即CPU在其程 序中访问接口，查询设备的状态，以决定等待 还是执行数据传送操作， 中断接口是指接口与CPU之间的采用中断 方式进行联络，即接口向CPU申请中断，CPU 响应后执行中断服务程序，与接口进行信息交 换。 DMA接口是指接口与主存之间采用DMA 方式进行数据交换。传送控制功能主要由DMA 控制器承担。7.2 I/O指令与直接程序控制方式 实现主机与外设之间的信息传送，采取 I/O传送控制方式，也称为信息交换方法 。 在一般的系统中采用直接程序控制方式 、程序中断方式和DMA方式。 在大型系统中可采用通道方式或IOP方式 。7.2.1 I/O指令 I/O指令的基本功能是实现各种信息的输入/输出。 这里的信息包括要交换的数据、主机的命令、设备 的状态等。 不同的计算机系统或CPU，在I/O指令的格式和功能 方面存在较大的差异。 （1）隐式I/O指令，即用通用的传送指令代替专用的 I/O指令。 （2）专用I/O指令（显式指令），该I/O接口分配单独 的端口地址，在I/O指令中以直接或间接方式给出接 口的端口地址，以访问接口中的相应寄存器。 （3）有的系统所设置的I/O指令不仅用于数据的输入/ 输出，还可在指令中向外设发出有关控制命令，或 直接根据外设的状态进行判断和转移。 1、输入指令 格式：IN 寄存器号，输入端口号 功能：将端口地址送入接口进行译码， 取出被选中的接口寄存器的内容，输入 CPU的寄存器中。 端口地址采用两种方法获得： （1）直接I/O端口寻址 （2）间接I/O端口寻址 2、输出指令 格式：OUT 输入端口号，寄存器号 功能：将直接或间接获得的端口地址送 入进行曲译码，并将CPU寄存器的内容 输出到被选中的接口寄存器中。 （1）直接I/O端口寻址 （2）间接I/O端口寻址7.2.2 直接程序控制方式1、定义：当CPU所运行的程序需要进行 I/O传送时，该程序直接使用I/O指令访问 I/O接口，实现数据传送。 2、两种情况： 一是CPU不需了解设备的状态，直接用I/O 指令与接口交换数据。 二是CPU启动外设后需要查询等待，直到 外设准备好才能进行数据交换。 3、程序查询方式按照启动、查询、等待、 交换的步骤进行。7.3 程序中断方式 7.3.1 中断基本概念 1、中断方式： 定义：中断方式是指CPU在执行程序的 过程中，若因出现某种随机事件而收到 中断请求，遇暂时停止现行程序的执行 ，转去执行下一段中断服务程序，以处 理该事件，并在处理完毕后自动恢复原 程序的执行。 特点：程序切换（程序转移）和随机性 。程序切换 切换方式：原来程序-中断服务程序-保存 断点-保护现场 断点 PC切换的时间要在一条指令结束时切换，保证程序 的完整性。原来的程序中断服务程序原来的程序分别由键盘和打印机提出中断请示为例: 1.键盘:不是由CPU在程序中有意调用的,而 是由键盘主动提出随机请求.步骤如下:CPU执行程序用户按键,键盘请示(随机 )CPU继续执行程序CPU执行键盘中断程序(输入按键编码)2.打印机:由CPU在程序中有意调用,打印机 被动随机请求处理.CPU执行程序CPU启动打印机(有意调用)打印机准备好或完成操作(随机请求)CPU继续执行程序CPU执行打印机中断程序(输出打印数据 )2、中断方式应用范围： （1）处理中、低速I/O操作，可用来处理复 杂的随机事件，实现主机与外设的并行工 作 （2）处理故障 （3）进行实时处理 （4）使用软中断 （5）实现人机对话 （6）实现多机通信，主要指多机系统和网 络中节点机之间的数据交换。3、怎样组织中断方式？ 采用模块化的思想，将现行程序（主程序 ）与中断处理程序（中断子程序）分开组 织。 主程序主要完成初始化中断接口、开中断 、启动I/O等工作，以便在主程序的执行过 程中能响应随机提出的中断请求。 中断处理程序则需针对系统中各中断源的 情况事先编写，并存放在主存储器中。 获取中断服务程序的入口地址主要通过非 向量中断和向量中断两种方式实现。（1）非向量中断方式：将各个中断服务程序 的入口地址编写在一个查询程序中。当CPU响应 中断时，按固定地址转入查询程序执行，查找并 确定中断源，再由查询程序切换到相应的中断服 务程序。 （2）向量中断方式：将各中断服务程序的入口 地址（中断向量）组织在中断向量表中。当CPU 响应中断时，由硬件直接产生对应于中断源的向 量地址，按该地址访问向量表，取得服务程序的 入口，转入相应的中断服务程序。l 其最大的优点是能快速地获得中断程序服务的 入口地址,直接转入对应的中断服务程序.几个概念:P314 中断向量:在向量中断方式中,常将中断服务 程序入口地址和服务程序的状态字,称为 中断向量. 中断向量表:将各个中断服务程序的入中地 址及其程序状态字集中存放在一张一维 表格中,该表称为中断向量表,通常安排在 主存的一段连续存储区中. 向量地址:访问中断向量表的存储器地址称 为向量地址,也称中断指针.4.中断系统的组成(1)软件:中断服务程序及中断向量表 (2)硬件:响应 逻辑请求 逻辑屏蔽 逻辑传递 逻辑判优 逻辑CPU接口CPU响应请求并 转相应服务程序 入口判别设备 的优先级CPU禁止/ 允许设备 请求传递请求设备提出 请求 参见P315页图7-7 中断接口组成模型。 1、寄存器选择逻辑：作用是对接口中 的寄存器寻址。选择逻辑对系统总线送 来的地址译码形成一组选择信号，选中 某个寄存器供CPU访问。 2、命令字寄存器：作用是传送CPU命令 。 3、状态字寄存器：作用是反映设备和接 口的运行状态。7.3.2 中断接口模型4、数据缓冲寄存器：暂时存放主机与 外设需要交换的数据，起到数据缓冲的 作用。5、控制逻辑： 6、公用的中断控制器：7.3.3 中断过程1、中断请求 将中断请求信号传送到CPU可采用两类 传送模式：单独请求和公共请求。 2、中断判优与屏蔽 （1）现行程序与中断请求之间的判优 （2）中断请求之间的判优3、中断响应 （1）发中断响应信号、查询中断源 （2）关中断 （3）保存断点 （4）取中断向量 4、中断处