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第12讲——第5章 输入输出系统(5.5)公开课

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计算机组成原理 课程教案（第12次课）

章 节

名 称 第5章 输入输出系统

（5.5） 课 时

安 排 第6周 2学时

授 课

方 式 理论课 教学环境及

教具准备 有投影仪的教室

PPT多媒体教学课件

教 学

目 的 让学生掌握中断服务程序的流程，对程序中断方式有全面的认识

教 学

重 点 程序中断方式的接口电路、CPU响应中断的条件、中断服务程序流程

教 学

难 点 单重中断和多重中断的服务程序流程

教 学 基 本 内 容 是否重、难点 方法及手段

 5.5程序中断方式

 5.5.1中断的概念

 5.5.2 I/O中断的产生

 5.5.3程序中断方式的接口电路

 5.5.4 I/O中断处理过程

 5.5.5中断服务程序的流程

了解

了解

重点

重点

重点&难点

多媒体讲解

多媒体讲解

多媒体讲解

多媒体讲解

举例讲解

教 学 过 程 与 设 计

复习旧课：程序查询服务方式存在的主要问题是什么？

引入新课：引入程序中断方式的理由和响应中断的条件？

5.5程序中断方式

5.5.1中断的概念

 计算机在执行程序的过程中，当出现异常情况或特殊请求时，计算机停止现行程序的运行，转向对这些异常情况或特殊请求的处理，处理结束后再返回到现行程序的间断处，继续执行原程序，这就是“中断”。

5.5.2 I/O中断的产生

 如果在设备准备的同时，CPU不作无谓的等待，而继续执行现行程序，只有当I/O设备准备就绪向CPU提出请求后，再暂时中断CPU现行程序转入I/O服务程序，这便产生了I/O中断。

动画演示P194页图5.36所示为由打印机引起的I/O中断时，CPU与打印机并行工作的时间示意图。 5.5.3程序中断方式的接口电路

为处理I/O中断，在I/O接口电路中必须配置相关的硬件线路。

（1）中断源配置中断请求触发器和中断屏蔽触发器

 每台外部设备都必须配置一个中断请求触发器INTR，当其为“1”时，表示该设备向CPU提出中断请求。

 每台外部设备一般还配置一个中断屏蔽触发器MASK，当其为“1”时，表示该设备向CPU提出的中断请求被屏蔽。

动画演示P195页图5.37所示接口电路中D、INTR、MASK和中断查询信号的关系。

问题1：中断查询信号的含义？由什么部件发出？

（2）排队器

 当多个中断源有中断请求时，CPU只能按优先级予以响应。

 如硬件法链式排队器。

 第八章介绍软件排队法。

动画演示P196页图5.38所示经修正的完整链式排队器电路。

（3）中断向量地址形成部件（设备编码器）

 完成中断服务程序入口地址寻找。

 如由软件产生，详见第八章。

 硬件向量法。由硬件产生向量地址，再由向量地址找到入口地址，如P197页图5.39、图5.40所示。

FLASH动画演示链式排队及中断向量产生电路。

P212页题5.25剖析：根据要求设计一个产生3个设备向量地址的电路。

① 3个设备的优先级按A→B→C降序排列。

② A、B、C的向量地址分别为110100、010100、000110。

③ 排队器采用链式排队电路。

④ 当CPU发来中断响应信号INTA时，可将向量地址取至CPU。

（4）程序中断方式接口电路的基本组成

P198页图5.41所示程序中断方式接口电路的基本组成。

5.5.4 I/O中断处理过程

（1）CPU响应中断的条件和时间

 CPU响应I/O设备提出中断请求的条件是必须满足CPU中的允许中断触发器EINT为“1”，该触发器可以通过软硬件法控制置位、复位。

 CPU响应中断的时间一定是在每条指令执行阶段的结束时刻。

（2）I/O中断处理过程 动画演示P198页图5.41所示程序中断方式输入设备接口电路的中断处理过程。

5.5.5中断服务程序的流程

（1）中断服务程序的流程

不同设备的服务程序是不相同的，可它们的程序流程又是类似的。一般中断服务程序的流程分四大部分：保护现场、中断服务、恢复现场和中断返回。

1）保护现场

 保护现场有两个含义，其一是保存程序的断点；

 其二是保存通用寄存器和状态寄存器的内容。

 前者由中断隐指令完成，后者由中断服务程序完成。

2）中断服务（设备服务）

 这是中断服务程序的主体部分，对于不同的中断请求源，其中断服务操作内容是不同的。

3）恢复现场

 这是中断服务程序的结尾部分，要求在退出服务程序前，将原程序中断时的“现场”恢复到原来的寄存器中。

4）中断返回

 中断服务程序的最后一条指令通常是一条中断返回指令，使其返回到原程序的断点处，以便继续执行原程序。

全国硕士研究生入学考试计算机组成原理试题分析：单级中断系统中，中断服务程序执行顺序是：I、保护现场 II、开中断 III、关中断 IV、保存断点 V、中断事件处理 VI、恢复现场 VII、中断返回

A．I、V、VI、II、VII

B．III、I、V、VII

C．III、IV、V、VI、VII

D．IV、I、V、VI、VII

答案：A

#有关中断的几点说明：

 CPU一旦响应了某中断源的中断请求后，便由硬件线路自动关中断，即中断允许触发器EINT被置“0”。

 程序中断方式克服了程序查询方式中的CPU“踏步”现象，实现了CPU与I/O的并行工作，提高了CPU的资源利用率。

 根据需要可以设置多重中断。

（2）单重中断和多重中断  单重中断：不允许中断 现行的 中断服务程序。

 多重中断：允许级别更高的中断源中断现行的中断服务程序。

（3）单重中断和多重中断的服务程序流程

动画演示P201页图5.43所示单重中断和多重中断的服务程序流程。

问题2：单重中断和多重中断的主要区别？

主程序和服务程序抢占CPU示意图如P201页图5.44所示。

程序中断接口芯片 8259A 的内部结构图。

实 验

内 容 本章无安排实验

课 内

练 习 PPT多媒体教学课件后的课堂练习题

课 外

作 业 P213页教材课后练习题5.26、5.31

考 核

要 求 1.本章考试题型主要有：选择题、填空题、简答题、设计应用题

2.本章主要考核I/O设备与主机的联系方式、I/O设备与主机信息传送控制方式，单重、多重中断服务程序流程、DMA与主存交换数据的三种方法和过程

参 考

资 料 [1]白中英.计算机组成原理（第四版.立体化教材）.科学出版社,2012

[2]唐朔飞.计算机组成原理学习指导与习题解答.高等教育出版社,2010

[3]李淑芝.计算机组成原理考研指定教材习题解答.自编,2013

[4]李淑芝,欧阳城添,等.计算机组成原理实验指导书(2013版), 自编,2013

教 学

后 记 学生通过输入输出系统章节的学习，能够了解计算机五大组成部分中I/O人机交互接口对CPU和主存构成的主机的重要影响，从而建立起各部件缺一不可的“整机”概念

合集下载

第10讲——第5章 输入输出系统(5.1-5.2)

第10讲——第5章 输入输出系统(5.1-5.2)

计算机组成原理 课程教案（第10次课）

章 节

名 称 第5章 输入输出系统

（5.1~5.2） 课 时

安 排 第5周 2学时

授 课

方 式 理论课 教学环境及

教具准备 有投影仪的教室

PPT多媒体教学课件

教 学

目 的 了解输入输出系统的发展和组成，掌握I/O设备与主机的联系方式与信息传送控制方式；了解常见I/O设备的组成和工作原理

教 学

重 点 I/O设备与主机的联系方式与信息传送控制方式

教 学

难 点 选择采用中断方式或DMA方式的理由

教 学 基 本 内 容 是否重、难点 方法及手段

 5.1概述

 5.1.1输入输出系统的发展概况

 5.1.2输入输出系统的组成

 5.1.3 I/O设备与主机的联系方式

 5.1.4 I/O设备与主机信息传送控制方式

 5.2 I/O设备

 5.2.1概述

 5.2.2输入设备

 5.2.3输出设备

 5.2.4其他I/O设备

 5.2.5多媒体技术

了解

了解

重点

重点&难点

了解

了解

了解

了解

了解

多媒体讲解

多媒体讲解

多媒体讲解

多媒体讲解

多媒体讲解

多媒体讲解

多媒体讲解

学生带着问题自学

学生带着问题自学

教 学 过 程 与 设 计

复习旧课：计算机中的数据怎么样才能“永久性”保存呢？

引入新课：数据是如何输入到存储器？又是怎样从存储器输出的？

5.1概述

5.1.1输入输出系统的发展概况

输入输出系统的发展大致可分为4个阶段。

（1）早期阶段

 早期的I/O设备种类较少，I/O设备与主存交换信息都必须通过CPU。

 分散连接、CPU和I/O串行工作，如程序查询方式。

（2）接口模块和DMA阶段

 这个阶段I/O设备通过接口模块与主机连接，计算机系统采用了总线结构。

（3）具有通道结构的阶段

 在小型和微型计算机中，采用DMA方式可实现高速I/O设备与主机之间成组数据的交换，但在大中型计算机中，I/O设备配置繁多，数据传送频繁，若仍采用DMA方式会出现一系列的问题。

第11讲——第5章 输入输出系统(5.3-5.4)

第11讲——第5章 输入输出系统(5.3-5.4)

计算机组成原理 课程教案（第11次课）

章 节

名 称 第5章 输入输出系统

（5.3~5.4） 课 时

安 排 第6周 2学时

授 课

方 式 理论课 教学环境及

教具准备 有投影仪的教室

PPT多媒体教学课件

教 学

目 的 了解I/O接口的“桥梁”作用，对程序查询方式有更深入的了解

教 学

重 点 接口的功能和组成、程序查询方式的接口电路

教 学

难 点 程序查询方式接口电路输入、输出工作流程

教 学 基 本 内 容 是否重、难点 方法及手段

 5.3 I/O接口

 5.3.1概述

 5.3.2接口的功能和组成

 5.3.3接口的类型

 5.4程序查询方式

 5.4.1程序查询流程

 5.4.2程序查询方式的接口电路

了解

重点

了解

了解

重点&难点

多媒体讲解

多媒体讲解

多媒体讲解

多媒体讲解

多媒体讲解

教 学 过 程 与 设 计

复习旧课：计算机中的数据是怎么样在I/O设备与主机之间流动的呢？

引入新课：慢速的I/O设备与主机如何信息交换？

5.3 I/O接口

5.3.1概述

主机与I/O设备之间设置接口的理由如下：

 实现设备的选择

 实现数据缓冲达到速度匹配

 实现数据串-并格式转换

 实现电平转换

 传送控制命令

 反映设备的状态（“忙”、“就绪”、“中断请求”）

5.3.2接口的功能和组成

（1）总线连接方式的I/O接口电路  图5.28所示为总线结构的计算机，每一台I/O设备都是通过I/O接口挂到系统总线上的。

 图中的I/O总线包括数据线、设备选择线、命令线和状态线。

1）数据线

 数据线是I/O设备与主机之间数据代码的传送线。

2）设备选择线

 设备选择线是用来传送设备码的，它的根数取决于I/O指令中设备码的位数。

3）命令线

 命令线主要用以传输CPU向设备发出的各种命令信号。

4）状态线

（2）接口的功能和组成

【操作系统】输入输出系统

【操作系统】输入输出系统

【操作系统】输入输出系统

六、输入输出系统

前言

I/O系统是OS的重要组成部分，用于管理诸如打印机和扫描仪等I/O设备，以及用于存储数据，如磁盘驱动器和磁带机等各种存储设备。由于I/O系统所含设备类型繁多，差异又非常大，致使I/O系统成为操作系统中最繁杂且与硬件最紧密相关的部分。

1.I/O系统的功能、模型和接口

1.1 I/O系统的基本功能

为了满足系统和用户的要求，I/O系统应具有下述几方面的基本功能，其中，第一、二方面的功能是为了方便用户使用I/O设备；第三、四方面的功能是用于提高CPU和I/O设备的利用率；第五、六方面的功能是为用户在共享设备时提供方便，以保证系统能有条不紊的运行，当系统发生错误时能及时发现错误，甚至能自动修正错误。

1. 隐藏物理设备的细节

2. 与设备的无关性

3. 提供处理机和I/O设备的利用率

4. 对I/O设备进行控制

5. 确保对设备的正确共享

6. 错误处理

1.2 I/O系统的层次结构和模型

1. I/O软件的层次结构

通常把I/O软件组织成四个层次，如下图，各层次及功能如下，图中的箭头表示I/O的控制流：

(1) 用户层I/O软件，实现与用户交互的接口，用户可直接调用该层所提供的、与I/O操作有关的库函数对设备进行操作。

(2) 设备独立性软件，用于实现用户程序与设备驱动器的统一接口、设备命名、设备的保护以及设备的分配与释放等，同时为设备管理和数据传送提供必要的存储空间。 (3) 设备驱动程序，与硬件直接相关，用于具体实现系统对设备发出的操作指令，驱动I/O设备工作的驱动程序。

(4) 中断处理程序，用于保存被中断进程的CPU环境，转入相应的中断处理程序进行处理，处理完毕再恢复被中断进程的现场后，返回到被中断的进程。

2. I/O系统中各种模块之间的层次视图

1.3 I/O系统接口

1. 块接口

块设备接口是块设备管理程序与高层之间的接口。该接口反映了大部分磁盘存储器和光盘存储器的本质特征，用于控制该类设备的输入或输出。

第5章基本输入输出系统

第5章基本输入输出系统

- 1 - 第5章 基本输入输出系统

【教学目的】掌握接口的基本概念、IO端口的编址方法和基本的数据传送方式

【教学重点】IO端口的编址方法和基本的数据传送方式

【教学难点】中断方式和DMA方式

【教学方法和手段】课堂教学

【课外作业】P193习题3，4，7，10

【学时分配】6学时

【自学内容】8237的使用

【讲授内容】

5.1 概述

输入输出系统包括：

① 外部设备（输入输出设备和辅助存储器）

② 设备控制器----主机（CPU和存储器）之间的控制部件，诸如磁盘控制器、打印机控制器等，有时也称为设备适配器或接口，其作用是控制并实现主机与外部设备之间的数据传送。

5.1.1 接口的基本概念

1、什么是接口

计算机在工作过程中，CPU要不断地与其它部件交换信息。CPU不是直接与外部设备交换信息的，而是经过一个中间电路，这个电路就称为“接口电路”，简称“接口”。所谓接口就是主机与外部设备连接的桥梁，由它来完成CPU与外部设备之间信息的传递。

一般将外部设备与接口合称为“I/O系统”。接口又称为“设备控制器”或“适配器”。

2、为什么要有接口电路

外部设备为什么要通过接口电路与CPU连接？为什么不直接与CPU的总线相连接呢？

从CPU的角度来看，对外部设备的访问（读/写）与对存储器的访问是类似的，为什么存储器可以直接通过总线与CPU连接，而外部设备却要通过接口电路来与CPU连接呢？

这是因为：

存储器的基本结构简单（只有很少几种），只要求几个简单的控制信号，而且存储器的访问速度一般都比较快，CPU与存储器之间的定时与协调比较容易，因此存储器可以直接通过总线与CPU连接。

而外部设备一般具有以下特点：

⑴ 外部设备的品种繁多

从类型上看：有输入设备、输出设备、输入/输出设备、测量设备、通信设备、控制设备等。

从结构上看：有机械式的、电子式的、机电混合式的。

从原理上看：各类设备的工作原理又是各不相同的。