计算机组成原理计算机组成原理第第9 9章章计算机组成原理与实验 冶金工业出版社第9章 输入输出系统 计算机组成原理计算机组成原理第第9 9章章计算机组成原理与实验 冶金工业出版社主要内容计算机的输入输出系统简称为I/O系统，它包括I/O接口、 I/O管理部件及有关软件，一个计算机系统的综合处理 能力，系统的可扩展性、兼容性和性能价格比，都和 I/O系统有密切关系 。 I/O接口 CPU与I/O接口之间的信息交换方式（程序控制方式、 中断方式、DMA方式、通道方式、外围处理机输入输出 方式） 计算机组成原理计算机组成原理第第9 9章章计算机组成原理与实验 冶金工业出版社9.1 I/O接口的类型及其功能 I/O接口（Interface）是计算机主机（CPU）与外围设备 的连接部件，它是CPU与外围设备进行信息交换时所必需 的电路，主要用于解决不同设备与CPU之间的速度差异、 数据变换与缓冲等问题。 9.1.1 I/O接口的类型 按照数据传送的方式分：并行接口和串行接口 按数据传送的控制方式分：程序控制方式接口（包括无条 件传送方式、程序查询方式、程序中断方式）、直接存 储器存取(DMA)接口、通道方式接口和I/O处理机等 按通用性分类：通用接口和专用接口。 按输入/输出的信号分类：I/O接口可分为数字接口和模拟 接口两种。 计算机组成原理计算机组成原理第第9 9章章计算机组成原理与实验 冶金工业出版社9.1.2 I/O接口的功能 1寻址 I/O接口为每一个外围设备都分配一个地址码。以便CPU 访问某个外围设备时能够根据给定的设备地址找到此 设备。 2数据缓冲 3预处理 4控制功能 计算机组成原理计算机组成原理第第9 9章章计算机组成原理与实验 冶金工业出版社9.2 CPU与I/O接口之间的信息传送方式 外围设备的定时方式：CPU 与外围设备的定时，有三种 情况： 速度极慢或简单的外围设备，如机械开关、显示二极 管等，CPU总是能足够快地作出响应。 慢速或中速的外围设备：这类设备的速度和CPU的速 度并不在一个数量级，或者由于设备（如键盘）本身 是在不规则时间间隔下操作的，因此，CPU与这类设 备之间的数据交换通常采用异步方式。 高速的外部设备：这类设备以相等的时间间隔操作， 而CPU也是以等间隔的速率执行输入/输出指令，因此 ，这种方式叫做同步定时方式。一旦CPU和外设发生 同步，它们之间的数据交换便靠时钟脉冲控制来进行 。计算机组成原理计算机组成原理第第9 9章章计算机组成原理与实验 冶金工业出版社9.2 CPU与I/O接口之间的信息传送方式 程序查询方式：数据在CPU和外围设备之间的传送完 全靠程序控制。 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受输出输出数据的一种方法 。通常，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 。 直接内存访问（DMA）方式 通道方式 外围处理机方式计算机组成原理计算机组成原理第第9 9章章计算机组成原理与实验 冶金工业出版社计算机组成原理计算机组成原理第第9 9章章计算机组成原理与实验 冶金工业出版社9.2.2 DMA方式 DMA方式即直接内存访问（Direct Memory Access）， 是一种完全由硬件执行I/O信息交换的工作方式。在这 种方式下，CPU并不参与实际的I/O数据传送，而是由 专门的DMA控制器来实现内存与外设之间，以及外设 与外设之间的直接高速传送。由于它基本是以硬件的 速度传递数据，几乎没有额外开销，因此传输效率很 高，并显著地减轻了CPU的负担。 计算机组成原理计算机组成原理第第9 9章章计算机组成原理与实验 冶金工业出版社9.2.3 I/O通道方式 I/O通道控制(I/O channel control)方式简称通道方式。它 用专门处理I/O操作的处理器（称为通道）协助CPU完 成输入输出操作。通道是一个具有特殊功能的处理器 ，在某些应用中称为输入输出处理器（IOP）。通道可 以实现对外围设备的统一管理以及外围设备与主存之 间的信息传送。同DMA方式相比，通道方式进一步提 高了CPU的效率。这种信息传送方式适用于配备外设 多、数据传送频繁的大、中型计算机中。 计算机组成原理计算机组成原理第第9 9章章计算机组成原理与实验 冶金工业出版社9.2.4 外围处理机方式 外围处理机(peripheral processor unit，简称PPU)方式是 通道方式的进一步发展。外围处理机的结构更接近于 一般的处理机，甚至就是微小型计算机，它基本上独 立于主机工作。在某些系统中设置了多台PPU，分别 承担I/O控制、通信、诊断等任务。从某种意义上说， 这种系统已经成为一种分布式的多机系统。 计算机组成原理计算机组成原理第第9 9章章计算机组成原理与实验 冶金工业出版社9.3 程序中断方式 9.3.1 中断的基本概念中断指CPU在正常运行程序时，由于内部外部事件 或由程序的预先安排使CPU中断正在运行的程序，而 转到为内部外部事件或为预先安排的事件服务的程 序中去。服务完毕，再返回去继续执行被暂时中断的 程序。内部外部事件或为预先安排的事件往往比 CPU当前正在运行的程序更加紧迫。这种暂时停止当 前运行的程序而去执行其它紧迫任务的过程叫做中断 。 计算机组成原理计算机组成原理第第9 9章章计算机组成原理与实验 冶金工业出版社程序中断方式与程序查询方式不同的是，程序中断方式并不需要CPU定期查询外 部设备是否准备好。需要传送信息时，CPU只需在主程序中发出启 动外设的命令，就可继续运行主程序的后续指令，不需要反复查 询外部设备的状态。当外设已准备好，需要和CPU交换数据时，它 就通过I/O接口给CPU一个中断请求信号。CPU于是响应接口的中断 请求，暂停正在执行的程序（通常称为主程序），插入I/O操作程 序（称为中断服务子程序），完成数据传输。由于CPU省去了对外 设状态查询和等待的时间，因此CPU与外设可以并行工作，这大大 提高了CPU的效率。中断方式一般适用于随机出现的服务，并且一 旦提出要求，应当立即执行。同查询方式，中断方式的硬件结构 要复杂一些，且服务开销时间较大。计算机组成原理计算机组成原理第第9 9章章计算机组成原理与实验 冶金工业出版社9.3.2 中断类型 1、自愿性中断与强迫性中断自愿性中断是用户在程序中有意识安排的中断，是由于用户在编制 程序时因为要求操作系统提供服务，有意在程序中安排有关指令 ，使中断发生。因此，自愿性中断又称为程序自中断。程序中执 行I/O操作、创建进程、分配内存，以及进行信号量操作、发送/ 接收消息等都属于自愿性中断。指令系统中的软中断指令INT n可 以用于在程序中设置自愿性中断。 强迫性中断则不是事先由程序安排好的中断，而是随机产生的中断 。强迫性中断是正在运行的程序所不期望的，往往由于某种硬件 故障或外部请求引起。例如，来自外部设备的I/O中断、程序性中 断（运算溢出、缺页中断、缺段中断、地址越界）、时钟中断、 控制台中断、硬件故障等都属于强迫性中断。计算机组成原理计算机组成原理第第9 9章章计算机组成原理与实验 冶金工业出版社2、程序中断和简单中断 程序中断，主机在响应中断请求后，通过执行一段中 断服务程序来处理更紧迫的任务。 简单中断即DMA方式，指外设与主存之间直接进行信 息交换的方法。这种中断并不执行中断服务程序，因 此不会破坏现行程序的状态。CPU发现有简单中断请 求（DMA请求）时，让出一个或几个主存的存取周期 供外设与主存交换信息，然后继续执行程序。 计算机组成原理计算机组成原理第第9 9章章计算机组成原理与实验 冶金工业出版社3、内部中断和外部中断 由于CPU内部硬件或软件原因引起的中断称为内部中 断。运算溢出、除法出错、单步中断、单字节中断（ 断点中断）以及INT n指令中断都属于内部中断。 外部中断是指由CPU以外的部件引起的中断。通常外 部中断又可以分为不可屏蔽中断和可屏蔽中断两种。 不可屏蔽中断优先级别较高，常用于应急处理，如掉 电、主存读写校验错等。可屏蔽中断级别较低，常 用于一般I/O设备的数据传送。 计算机组成原理计算机组成原理第第9 9章章计算机组成原理与实验 冶金工业出版社4、向量中断和非向量中断 向量中断指中断服务程序的入口地址由中断事件自己 提供的中断。CPU响应中断后，将由中断结构自动将向 量地址提供给主机，由向量地址指明中断向量位置， 即中断服务程序的入口地址（向量地址），并进一步 实现向量切换。 非向量中断不能直接提供中断服务程序的入口地址， 而必须采用软件查询措施最后找到服务程序入口地址 ，然后才能转入相应的中断服务程序。 计算机组成原理计算机组成原理第第9 9章章计算机组成原理与实验 冶金工业出版社5、单级中断和多级中断 单级中断在CPU执行中断服务程序的过程中不能被再 打断。多级中断在执行某个中断服务程序的过程中， CPU可去响应级别更高的中断请求，又称为中断嵌套 。多级中断体现了计算机中断功能的强弱。计算机组成原理计算机组成原理第第9 9章章计算机组成原理与实验 冶金工业出版社9.3.3 中断的作用 （1）中断方式在一定程度上实现了CPU与外围设备并行 工作，使CPU的效率得到了更充分的发挥。 （2）中断方式便于实现故障处理。 （3）实现人机联系。 （3）实现多道程序和分时操作。 （4）实现实时处理。 （5）实现应用程序和操作系统的联系。 （6）实现多处理机系统中各处理机间的联系。 计算机组成原理计算机组成原理第第9 9章章计算机组成原理与实验 冶金工业出版社9.3.4 中断源的组织方式 多个中断源的组织方式一般有独立请求方式、菊花链方式和混合组 织方式3种。 1、独立请求方式 在独立请求方式中，每个中断源单独设置中断请求线，将中断请求 信号直接送往CPU。CPU要响应某个中断源的中断请求时，也通过 单独的中断响应线响应该中断源。这种方式的优点是CPU在接到中 断请求的同时也就知道了中断源是谁，其中断服务程序的入口地 址在哪里。这有利于实现向量中断，提高中断的响应速度。独立 请求方式的缺点是硬件代价较大，并且由于CPU所能连接的中断请 求线的数目有限，因此，中断源数目难以扩充。计算机组成原理计算机组成原理第第9 9章章计算机组成原理与实验 冶金工业出版社1、独立请求方式 计算机组成原理计算机组成原理第第9 9章章计算机组成原理与实验 冶金工业出版社2、菊花链方式 在菊花链方式中，多个中断源都利用公共的中断请求线 和中断响应线。多个中断源通过公共的中断响应线连接 成菊花链形状。同独立请求方式相比，菊花链方式需要 的中断请求线和中断响应都是最少的；并且在负载允许 的情况下，中断源的数目可以随意扩充。 计算机组成原理计算机组成原理第第9 9章章计算机组成原理与实验 冶金工业出版社3、混合组织方式 将独立请求方式和菊花链方式结合起来，就构成了中 断源的混合组织方式。在这种方式中，首先给不同的 中断源分配不同的优先级别，分级时要考虑设备对数 据的传输率和服务程序的要求。各级中断源以独立请 求方式连接到CPU，处于同一级的中断源则按缓急程 度的不同按菊花链方式连接，共用一根中断请求线。 同一级中离CPU最近的中断源的优先级最高，最远的 优先级最低。 计算机组成原理计算机组成原理