6.2 IO 控制方式 (1)（课件）-《计算机原理》(电工版第五版) 同步精品课堂

计算机原理 -第25课时- 电工版第五版 I/O 控制方式 (1) 教学目标 了解 I/O 控制方式的定义和分类 掌握程序控制方式（无条件传送和程序查询传送）的原理、特点及应用 理解中断控制方式的基本概念、特征及典型应用 教学重难点 程序控制方式 了解不同数制的表示 中断控制方式的原理和应用 让我们一起开启单片机的学习之旅。 导入新课 同学们，在计算机系统中，主机与外围设备之间的信息交换至关重要。 它们之间是采用何种方式来保障信息能够正确、可靠地送达对方呢？ 带着这个问题，我们开始今天关于 I/O 控制方式的学习。 新知讲授 I/O 控制方式是指主机与外围设备在交换信息之前，采用何种联络方式以保障信息能够正确、可靠地送达对方。 I/O 控制方式概述 在微型计算机中，主要有程序查询方式、中断控制方式、通道控制和直接存储器存取 (DMA) 方式。 新知讲授 观看下面的视频，在微型计算机中，五种常用I/O控制方式的的工作原理分别是什么？ I/O 控制方式概述 新知讲授 I/O 控制方式进行信息交换的方式 无条件传送方式假定外围设备已经准备好，直接利用输入指令 (IN 指令) 或输出指令 (OUT 指令) 与外围设备传送信息，不检测外围设备的工作状态。 优点是控制程序简单。但必须在外围设备已准备好的情况下才能使用，常用于对简单外设的操作，如可编程序接口芯片的初始化、开关信号输入、LED 显示器输出等。 新知讲授 I/O 控制方式——程序查询方式 程序查询方式：CPU不断轮询检查I/O控制器中的“状态寄存器”，检测到状态为“已完成”之后，再从数据寄存器取出输入数据 程序控制方式是指在程序控制下进行的信息传送方式。 新知讲授 I/O 控制方式——程序查询方式 新知讲授 I/O 控制方式——程序查询传送方式 1.完成一次读/写操作的流程（见右图） 2. CPU干预的频率 很频繁，I/O操作开始之前、完成之后需要CPU介入，并且在等待l/O完成的过程中CPU需要不断地轮询检查。 3.数据传送的单位 每次读/写一个字 4. 数据的流向 读操作（数据输入）：I/O设备→CPU>内存 写操作（数据输出）：内存→CPU→I/O设备 新知讲授 I/O 控制方式——程序中断方式 程序中断方式：等待键盘I/O时CPU可以先去执行其他程序，键盘I/O完成后I/O控制器向CPU发出中断请求，CPU响应中断请求，并取走输入数据 等待键盘I/O时CPU可以先去执行其他程序，键盘I/O完成后I/O控制器向CPU发出中断请求，CPU响应中断请求，并取走输入数据 新知讲授 I/O 控制方式——程序中断方式 1.完成一次读/写操作的流程（见右图） 2. CPU干预的频率 每次I/O操作开始之前、完成之后需要CPU介入。 等待I/O完成的过程中CPU可以切换到别的进程执行。 3.数据传送的单位 每次读写一个字。 4. 数据的流向 读操作（数据输入）: I/O设备→CPU→内存 写操作（数据输出）:内存→CPU→>I/O设备每个字的读/写都需要CPU的帮助 新知讲授 思考：对于快速I/O设备，如“磁盘”，准备好一个字就给CPU发送一次中断请求，导致什么问题？ 答：CPU需要花大量的时间来处理中断服务程序，CPU利用率严重下降。 I/O 控制方式——程序中断方式 新知讲授 I/O 控制方式——DMA控制方式 与“中断驱动方式”相比，DMA方式（Direct MemoryAccess，直接存储器存取。主要用于块设备的 1/O控制）有这样几个改进： ① 数据的传送单位是“块”。不再是一个字、一个字的传送； ② 数据的流向是从设备直接放入内存，或者从内存直接到设备。不再需要CPU作为“快递小哥”。 ③ 仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需要CPU干预。 新知讲授 I/O 控制方式——DMA控制方式 新知讲授 I/O 控制方式——DMA控制器 DR（Data Register，数据寄存器）暂存从设备到内存，或从内存到设备的数据。 MAR（MemoryAddress Register，内存地址寄存器）在输入时，MAR表示数据应放到内存中的什么位置：输出时MAR表示要输出的数据放在内存中的什么位置。 DC（Data Counter，数据计数器）表示剩余要读/写的字节数。 CR（Command Register，命令/状态寄存器）用于存放CPU发来的I/O命令，或设备的状态信息。 新知讲授 I/O 控制方式——DMA控制方式 DMA控制方式：主存与高速I/O设备之间有一条直接数据通路（DMA总线） CPU向DMA接口发出“读/写”命令，并指明主存地址、磁盘地址、读写数据量等参数。 DMA控制器自动控制磁盘与主存的数据读写每完成一整块数据读写（如1KB为一整块），才向CPU发出一次中断请求。 DMA接口也是一种 I/O接口，只不过DMA接口负责高速外设； 新知讲授 I/O 控制方式——DMA控制方式 1.完成一次读/写操作的流程（见右图） 2. CPU干预的频率 仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需要CPU干预。 3. 数据传送的单位 每次读/写一个或多个块（注意：每次读写的只能是连续的多个块，且这些块读入内存后在内存中也必须是连续的） 4.数据的流向（不再需要经过CPU） 读操作（数据输入）：VO设备>内存 写操作（数据输出）：内存→I/O设备 新知讲授 I/O 控制方式——通道控制方式 通道控制方式区别于DMA方式：当CPU请求I/O设备时，会先在内存的任务清单中添加任务，然后通道检查内存中的任务清单，若有任务则由通道负责与I/O设备的数据传输。所以每次可以进行一组数据块的读写。 新知讲授 I/O 控制方式——通道控制方式 1.完成一次读/写操作的流程（见右图） 2. CPU干预的频率 极低，通道会根据CPU的指示执行相应的通道程序，只有完成一组数据块的读/写后才需要发出中断信号，请求CPU干预。 3.数据传送的单位 每次读/写一组数据块 4.数据的流向（在通道的控制下进行） 读操作（数据输入）：IVO设备→内存 写操作（数据输出）：内存→I/O设备 新知讲授 I/O 控制方式对比 新知讲授 中断方式的典型应用 采用中断方式管理I/O设备，使CPU能与I/O设备并行工作。如键盘管理，按下某键时提出中断请求，CPU转入中断处理程序接受按键编码；打印机管理，主机准备好打印信息启动打印后继续执行其他程序，打印机准备好接收信息时发出中断请求，CPU响应后送出打印信息。 中断方式管理I/O设备 可处理硬件故障（如掉电、存储器校验出错等）和软件故障（如定点运算溢出、除0错、地址越界、使用非法指令等），事先编写好故障中断处理程序，一旦发生故障，立即转入处理。 中断方式处理突发故障 新知讲授 中断方式的典型应用 - 其他应用 实时处理 还可用于实时处理（如反导弹系统对拦截导弹的控制）。 人机对话 还可用于人机对话（通过输入设备选择功能项等以中断方式进行）。 系统调度 还可用于系统调度（如多道程序切换、虚拟存储器缺页中断）。 多机通信 还可用于多机通信（节点间通信以中断方式请求和响应）。 指令中断 还可用于指令中断（如8088 指令系统中的 INT type 和 INTO 指令）。 随堂检测1 说明中断控制方式的基本概念和重要特征。 【答案】中断控制方式是指当有随机中断请求后，CPU 暂停执行现行程序，转去执行中断处理程序，为相应的随机事件服务，处理完毕后，CPU 恢复执行被暂停的现行程序。中断有两个重要特征，即程序切换 (控制权的转移) 和随机性。 简述程序控制方式的分别是？ 【答案】程序控制方式分为无条件传送和程序查询传送两种。 练一练 随堂检测2 程序查询传送方式比无条件传送方式准确和可靠。（ ） 【答案】√ 【解析】程序查询传送方式采用这种传送方式时，会检测外围设备的状态，只有在外围设备确实已经准备就绪的情况下，才进行信息传送，所以比无条件传送方式准确和可靠。 软件故障和硬件故障都可以用中断方式处理。（ ） 【答案】√ 【解析】如掉电、存储器校验出错等硬件故障，以及除 0 错中断等软件故障，都可以预先编写好中断处理程序，一旦发生故障，立即转入这些处理程序。 练一练 随堂检测3 无条件传送方式的优点是（ ）。 A. 控制程序简单 B. 适用范围广 C. 可靠性高 D. 速度快 【答案】A 【解析】无条件传送方式的优点是控制程序简单，但它必须在外围设备已准备好的情况下才能使用，否则传送就会出错，所以在实际应用中使用较少。 练一练 随堂检测4 中断有两个重要特征，即（ ）。 A. 程序切换和确定性 B. 程序切换和随机性 C. 数据传送和确定性 D. 数据传送和随机性 【答案】B 【解析】中断有两个重要特征，即程序切换 (控制权的转移) 和随机性。 练一练 师生互动 1 请同学们分组讨论，在实际的计算机系统中，如何根据不同的应用场景选择合适的 I/O 控制方式？ 课题小结 1. I/O 控制方式概述 I/O 控制方式 (1) 2. 程序控制方式 无条件传送方式 程序查询传送方式 I/O 控制方式的定义 主要的 I/O 控制方式 中断控制方式的基本概念 中断方式的典型应用 3. 中断控制方式 谢谢观看 THANKS $