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  • 程序查询方式这种方式下,利用查询方式进行输入输出,就是通过CPU执行程序查询外设状态,判断外设是否准备好接收数据或准备好了向CPU输入数据, 中断方式 由程序控制1/O方法,其主要缺点在于CPU必须等待I/...

    直接程序控制(无条件传送/程序查询方式)

    无条件传送:在此情况下,外设总是准备好的,它可以无条件地随时接收CPU发来的输出数据,也能够无条件地随时向CPU提供需要输入的数据。

    程序查询方式:在这种方式下,利用查询方式进行输入输出,就是通过CPU执行程序查询外设的状态,判断外设是否准备好接收数据或准备好了向CPU输入的数据,

    中断方式

    由程序控制1/O的方法,其主要缺点在于CPU必须等待I/O系统完成数据传输任务,在此期间CPU需要定期地查询l/O系统的恶状态,以确认传输是否完成。因此整个系统的性能严重下降。

    直接主存存取(Direct Memory Access,DMA)

    是指数据在主存与I/O设备间的直接成块传送,即在主存与I/O设备间传送数据块的过程中**,不需要CPU作任何干涉**,只需在过程开始启动(即向设备发出“传送一块数据”的命令)与过程结束(CPU通过轮询或中断得知过程是否结束和下次操作是否准备就绪)时由CPU进行处理,实际操作由DMA硬件直接完成,CPU在传送过程中可做别的事情。

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  • 目录 IO结构功能: 查询、中断、DMA方式查询方式 中断方式 ...裸机中断,某一时刻中断发生,执行中断服务程序,中断服务程序执行完成后,返回中断发生处继续执行其它程序。(保护现场)。

     目录

    IO结构功能: 

    查询、中断、DMA方式。

    查询方式

    中断方式

    DMA 方式


    IO接口实现主机和外设之间的信息交换。

    IO结构功能: 

    • 设备选址
    • 传送命令
    • 传送数据
    • 反馈IO状态 

    查询、中断、DMA方式。

    查询方式

    中断方式

    中断更应该使我们关心(不论是裸机中断还是系统(OS)中的中断)。

    对于裸机中断和OS中断区别:

    在裸机中中断,在某一时刻中断发生,执行中断服务程序,中断服务程序执行完成后,返回中断发生处继续执行其它程序。(保护现场)。

    在OS中中断,在某一时刻中断发生,执行中断服务程序,中断服务程序执行完成后,并不是返回中断发生处,而是查询中断优先级高的的程序执行(即中断判优)。

    中断作用:

    1. 实现CPU与I/O设备的并行工作。
    2. 处理硬件故障和软件错误。
    3. 实现人机交互,用户干预机器。
    4. 实现多道程序、分时操作,多道程序的切换。
    5. 实现实时处理。
    6. 多处理系统中各个处理器之间的信息交流和任务切换。

    中断异常:

    中断就不说了,“异常”在这褒义词,可以指任务切换。即中断发生执行了中断服务程序。

     中断嵌套实现:是中断屏蔽技术实现。中断嵌套实现两个条件:

    1. 在中断服务程序中开中断。
    2. 中断优先级高的有权中断优先级低的中断。

    中断屏蔽技术在硬件层实现,有中断屏蔽寄存器,一般不用管,例如我们在 STM32开发中,只需设置优先级即可。

    中断处理流程:

    • 中断请求。
    • 中断响应。
    • 中断处理。

    可以看出中断请求发生时并非直接执行中断服务程序。 

    DMA 方式

    在DMA方式中,当I/O设备需要进行数据传送时,通过DMA控制器向CPU提出DMA传送请求,CPU响应之后将让出系统总线,由DMA控制器接管总线进行数据传送。(截取程序执行周期)

    中断方式与DMA方式比较: 

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  • 当需要输入输出时,CPU暂停执行主程序,转去执行设备输入/输出服务程序,根据服务程序中的I/O指令进行数据传输 1、接口 2、轮询 CPU周期性调用各I/O设备程序 3、特点 ①、数据传输完全依赖于程序控制 ②、...

    计算机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)
    ④、通道方式

    一、程序查询方式
    又称程序控制I/O方式。当需要输入输出时,CPU暂停执行主程序,转去执行设备输入/输出的服务程序,根据服务程序中的I/O指令进行数据传输
    1、接口

    2、轮询
    CPU周期性的调用各I/O设备的子程序

    3、特点
    ①、数据传输完全依赖于程序控制
    ②、硬件结构简单
    ③、频繁的查询动作浪费了大量宝贵的CPU时间
    ④、目前只用在单片机中

    二、程序中断方式
    中断是指CPU暂时中止现行程序,转去处理随机发生的紧急事件,处理完后自动返回原程序的功能和技术,适合处理随机出现的事务
    1、中断系统
    计算机实现中断功能的软硬件总称
    ①、在CPU中设置中断机构
    ②、在外设接口中设置中断控制器
    ③、在软件上设置相应的中断服务程序
    2、中断流程
    ①、某外设数据准备就绪后,它主动向CPU发出中断请求信号
    ②、当CPU响应这个中断时,暂停运行主程序,自动转去执行该设备的中断服务程序
    ③、当中断服务程序执行完毕后,CPU又回到原来主程序继续执行


    3、中断技术
    (1)、响应中断时机
    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。外界中断请求是随机的,CPU只有在当前一条指令执行完毕后,即转入公操作时才受理中断请求
    (2)、断点保护
    断点:主程序被中断的地方(PC的值)
    保存现场: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位)都保存到堆栈中
    恢复现场:在中断服务程序执行完毕后,从堆栈中恢复PC内容和CPU状态,从断点处继续执行主程序
    (3)、多重中断处理
    多重中断:CPU响应中断后,在执行中断服务程序时,有新的中断源发出中断请求
    在CPU的中断管理部件中有一个中断屏蔽触发器,它可以在程序的控制下开关中断:
    置1:设置屏蔽,关中断
    置0:取掉屏蔽,开中断
    (4)、软硬件结合
    中断处理过程是由硬件和软件结合完成。中断周期的操作由硬件实现。中断服务程序由机器指令序列实现,其实现保存现场、恢复现场、开放中断并返回主程序的任务,同时还对要求中断的设备进行服务
    4、中断源
    能发出中断请求的事件,常见中断源:
    (1)、硬件中断
    ①、输入/输出设备中断
    ②、数据通道中断
    ③、实时时钟中断
    ④、硬件故障中断
    (2)、软件过程
    ①、运算出现溢出
    ②、数据格式非法
    ③、数据传输过程出现校验错
    ④、非法指令
    ⑤、调试断点
    5、基本I/O接口

    IR:中断请求触发器
    IM:中断屏蔽触发器
    EI:允许中断触发器
    RD:准备就绪标志
    例:数据输入流程:
    ①、程序启动外设,将BS置1,RD清0
    ②、接口向外设发出启动信号
    ③、数据由外设传到数据缓冲寄存器
    ④、外设动作结束或数据缓冲寄存器满时,设备将RD置1
    ⑤、EI为1时,接口向CPU发出中断请求信号
    ⑥、在执行公操作时,CPU检查中断请求线,将中断请求线的请求信号接收到IR寄存器
    ⑦、IM为0时,CPU受理中断请求,向外设发出中断响应信号INTA并关闭中断
    ⑧、中断服务程序的入口地址
    ⑨、中断服务程序将接口中数据缓冲寄存器数据读至CPU的寄存器中
    ⑩、CPU发出控制信号,将BS和RD复位
    6、单级中断
    所有的中断源都属于同一级,它们排成一行,离CPU近的优先权高。这是中断结构中最基本的形式。当响应某一中断请求时,执行该中断源的服务程序,在此过程中,不允许其他中断源再打断中断服务程序,即使优先权比它高的中断源也不能打断

    (1)、单级中断源的识别
    采用串行排队链法,IR为中断请求信号,IS为中断选中信号,INTI为中断排队输入,INTO为中断排队输出
    (2)、中断向量的产生
    向量中断:由于存储器的地址是一串二进制序列,所以常把地址码称为向量地址。CPU响应中断时,由硬件直接产生一个固定的地址(向量地址),指向每个中断源设备的中断服务程序入口
    每个中断源分别有一个中断服务程序,每个中断服务程序又有自己的向量地址

    7、多级中断
    多级中断系统指计算机系统中有相当多的中断源,根据中断事件的轻重缓急分成若干级别,每级有一个中断优先权,优先权高的中断可以打断优先级低的中断

    (1)、分类:
    ①、一维多级中断:每一级中断只有一个中断源
    ②、二维多级中断:每一级中断有多个中断源
    (2)、实现:
    一个系统有n级中断,则CPU有n个IR,n个IM。某级中断被响应后,则关闭本级和低于本级的IM,开放更高级的IM。每一级可以有多个中断源,多级中断可以嵌套,但同一级的中断不允许嵌套。使用多级堆栈保护现场,包括IM

    (3)、多级中断的识别
    独立请求和链式查询方式相结合。级间采用独立请求方式,同一级内采用链式查询方式

    (4)、允许和禁止中断、开放和屏蔽中断
    允许中断:中断接口中某中断源EI被置1,此时允许该中断源发出中断请求
    禁止中断:中断接口中某中断源EI被置0,此时不允许中断源发出中断请求
    开放中断:CPU中IM置0,处于开中断,可以响应中断源的中断请求
    屏蔽中断:CPU中IM置1,处于关中断,屏蔽中断源的请求而不响应
    8、中断控制器
    中断控制器是一块专用的集成电路芯片,将中断接口与优先级判断等功能集于一身
    9、Pentium中断机制
    (1)、中断类型
    ①、中断:通常称为外部中断,由外部信号引发,分为可屏蔽中断和非屏蔽中断(不能被禁止)
    ②、异常:由指令执行引发,分为执行异常和软件中断指令
    Pentium共有256种中断和异常,每种中断有一个中断向量号(0-255),中断优先级分为5级
    (2)、中断服务程序进入过程
    中断服务子程序的入口地址信息存于中断向量号检索表内。实模式为中断向量表IVT,保护模式为中断描述符表IDT
    Pentium识别中断类型取的中断向量号的途径有三种:指令给出、外部提供、CPU识别错误故障现象

    三、DMA
    直接内存访问完全由硬件执行I/O数据交换,DMA控制器接管对总线的控制
    ①、数据交换不经过CPU,直接在内存和I/O设备之间进行
    ②、DMA控制器将向内存发出地址和控制信号
    ③、用于高速传送成组数据
    1、基本操作
    ①、外围设备发出DMA请求
    ②、CPU响应请求,DMA控制器从CPU接管总线的控制
    ③、由DMA控制器对内存寻址,即决定数据传送的内存单元地址及数据传送个数的计数,并执行数据传送的操作
    ④、向CPU报告DMA操作的结束
    注:数据传送前的准备、传送后的处理,均由程序承担,而DMA控制器仅负责数据传送的工作
    2、传送方式
    DMA进行数据传送时,CPU仍执行主程序,此时DMA控制器和CPU可能同时要访问主存,引起访问冲突。采用以下传送方式:
    原则:I/O数据要尽快处理以防丢失
    ①、停止CPU访问内存
    DMA控制器使用总线,控制内存,CPU处于等待状态

    优点:控制简单,适合高速设备成组传送数据
    缺点:内存效能没有充分发挥(申请总线、释放总线的时间)
    ②、周期挪用
    CPU让出一个或多个周期(内存读写周期)的总线控制权,由DMA控制权挪用,进行一次数据传送。传送结束后,CPU继续工作,并重复操作直到数据块传送完

    特点:较好地发挥了CPU和内存的效率
    ③、DMA和CPU交替访问
    内存工作周期分为C1和C2两个分周期,一个供CPU访存,一个供DMA控制器访存。总线采用时分控制

    适合DMA控制器频繁访问内存的场合,硬件逻辑复杂,没有DMA数据传送时,时间片被浪费
    特点:DMA传送效率很高,没有总线申请时间
    3、基本组成

    ①、内存地址寄存器:当DMA传送时,每传送一次数据,地址计数器加1
    ②、字计数器:每传送一次数据,该计数器加1,直到溢出,向CPU发出中断请求信号
    ③、数据缓冲寄存器:暂存传送的数据
    ④、DMA请求标志:外设准备好数据字后,该标志置1,该标志引发DMA请求
    ⑤、控制、状态逻辑:修改内存地址计数器和字计数器、指定传送方向、定时
    ⑥、中断机构:当一数据块传送完成,字节数器溢出信号触发中断机构,向CPU提出中断请求,CPU将进行DMA传送的收尾处理
    4、数据传输过程
    停止CPU访问访问内存方式流程图:

    DMA的数据块传送过程可分为三个阶段:传送前预处理、正式传送、传送后处理
    (1)、传送前
    主机向DMA接口传送以下信息
    ①、测试设备状态
    ②、向内存地址计数器送数据块在内存中首地址
    ③、启动设备
    ④、向字计数器送字个数
    这些做完后,CPU继续原来的工作
    (2)、数据传送阶段
    ①、外设准备好收发数据时,由DMA控制器向主机发DMA请求
    ②、CPU响应请求,让出总线使用权
    ③、DMA控制器接管总线控制权,发送内存地址、读写命令
    ④、每传送一个字,主存地址计数器加1,字计数器加1
    ⑤、若字计数器为0时,进入传送后处理
    (3)、传送后处理
    ①、DMA控制器向CPU发出中断请求,报告数据传送结束
    ②、CPU停止主程序执行,转向中断服务程序进行DMA操作的后处理,包括校验送入内存的数据、决定是否继续DMA数据传送、测试是否发生错误
    5、DMA控制器类型
    (1)、选择型DMA控制器

    物理上可以连接多个设备,而逻辑上只允许连接一个设备。即:某一段时间内只能为一个设备服务
    (2)、多路型DMA控制器

    物理上可以连接多个设备,逻辑上允许这些设备同时工作,适合于同时为多个慢速设备服务。对于每个DMA通路,控制器内部都有独立的寄存器组用于保存各自的传送参数

    6、优点
    速度快:
    ①、省去了CPU取指令、取数、送数等操作
    ②、没有保存现场、恢复现场等操作
    ③、主存地址的修改、传送字个数的计数用硬件实现
    7、DMA方式与中断控制方式的比较
    ①、中断方式通过程序实现数据传送,而DMA直接用硬件实现
    ②、CPU在执行完一条指令后响应中断,而在一个机器周期(指令周期)后响应DMA请求
    ③、中断方式不仅具有传送数据的能力,还能处理异常事件,而DMA只能进行数据传送
    ④、中断方式需要切换程序、保护现场和恢复现场,而DMA不改变CPU现场
    ⑤、DMA请求比中断请求优先级高。之所以优先响应DMA请求,是为了防止丢失DMA高速传送的数据
    ⑥、DMA利用了中断技术

    四、通道方式
    通道是一个特殊功能的处理器,吸取了DMA技术,增加了软件管理,设有专用通道指令负责数据输入输出的传输控制。CPU只负责数据处理,进一步提高了CPU的效率

    1、总线
    从逻辑结构上将,I/O系统一般具有四级连接

    总线有2种类型:
    ①、系统总线:承担通道与内存、CPU与内存之间的数据传送
    ②、I/O总线:承担外围设备与通道之间的数据传送
    这2种总线可以按照各自时序同时进行工作
    2、类型
    (1)、选择通道
    在物理上可以连接多个设备,但这些设备不能同时工作,在某一时间内通道只能选择一个设备进行工作
    (2)、多路通道
    在同一时间能处理多个I/O设备的数据传送,又分为数组多路通道和字节多路通道
    ①、数组多路通道
    当某设备进行数据传送时,通道只为该设备服务。当设备在执行寻址等控制性动作时,通道暂时断开与这个设备的连接,挂起该设备的通道程序,去为其他设备服务,即执行其他设备的通道程序
    ②、字节多路通道
    字节多路通道主要用于连接大量的低速设备,如键盘、打印机

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    1、无条件传送
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    前三种都是通过CPU执行某一段程序,实现计算机内存与外设间的数据交换。
    4、直接存储器存取DMA):在DMA方式下,CPU交出计算机系统总线的控制权不参与内存与外设间的数据交换。工作原理:DMA控制硬件的控制下实现内存与外设的直接传送,不需要CPU参与工作,所以这种方式传送的速度最快。DMA请求的监测点设置再每个机器周期即总线周期结束时执行,使总线利用率最高

    中断响应时间:从发出中断请求开始进入中断处理程序
    中断嵌套:当系统中有多个中断请求时,中断系统按优先级进行排队,若在处理低级中断过程有高级中断申请中断,则高级中断可以打断低级中断处理,转去处理高级中断,处理完之后再返回处理低级中断。实现中断嵌套用后进先出的栈来保护断电和现场最有效。
    中断按屏蔽分类
    1、不可屏蔽中断(非屏蔽中断:不可屏蔽中断源一旦提出请求,CPU必须无条件响应。典型:电源掉线,软中断(不受中断允许标志位(IF位)的影响,所以属于非屏蔽中断范畴)
    2、可屏蔽中断:可屏蔽中断源的请求,CPU可以响应和不响应。典型:打印机中断请求

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在程序查询的输入输出方式的系统中