第七章計算機輸入輸出系統(tǒng)與接口技術

1、第七章 計算機輸入輸出系統(tǒng)與 接口技術本章主要內容n計算機的輸入輸出系統(tǒng)n微型計算機的外部設備n微型計算機的總線技術n基本輸入/輸出接口n微型計算機的中斷技術n微型計算機中的DMA通道計算機的輸入/輸出系統(tǒng)n輸入輸出系統(tǒng)的基本組成n適配器電路n適配器電路及其相應的程序稱為接口n接口管理程序n將用戶編制的程序（或數據）輸入主機內n將運算結果返回給用戶n實現I/O系統(tǒng)與主機之間協(xié)調地工作n輸入/輸出設備外存設備接口顯示/聲音設備接口工業(yè)控制接口通信設備接口輸入設備控制器輸出設備控制器CPU 和主存硬盤、磁盤、磁帶、光盤顯示器、音箱數/模、模/數轉換器調制解調器、網卡鍵盤、鼠標、光筆激光打印機、針式

2、打印機計算機 I/O 系統(tǒng)結構圖n設備編碼的方法n統(tǒng)一編址n用主存的低地址中256個字節(jié)作為設備訪問的地址，采用一般的訪存指令LDA，STA就可以實現對設備的訪問n特點n占用一部分存儲空間，減少了用戶使用主存的范圍n不需要專用的I/O指令nI/O獨立編址n主存的地址和I/O的地址是分開的，需要專門的指令進行訪問，如IN，OUTn特點n不占用主存空間n但需要專用的I/O指令nI/O接口電路nI/O接口電路的作用n實現設備的辨識和選擇n實現主機和設備之間的速度匹配n實現串 - 并格式的轉換n實現電平的轉換n計算機對設備的使用是通過接口發(fā)送命令實現的，接口需支持系統(tǒng)的命令n接口監(jiān)視設備的工作狀態(tài)，并

3、保存狀態(tài)信息，供CPU查詢n總線連接方式的接口電路n數據線：是I/O與主機之間數據代碼的傳送線，根數一般等于存儲字長的位數或字符的位數n設備選擇線：又稱為地址線（設備號可以看作是地址號），可以有一組，也可以有兩組，一組用于主機向設備發(fā)送設備碼，另一組用于設備向主機回送設備碼。n控制線：包括命令線和狀態(tài)線n命令線：用以傳輸CPU向設備發(fā)送的各種命令n狀態(tài)線：I/O設備的狀態(tài)報告給主機。I/O接口I/O接口設備設備.I/O總線I/O總線和接口部件：數據線：狀態(tài)線：地址線：命令線n接口的功能和組成n識別設備nCPU發(fā)送一個設備碼，各設備的接口電路將該設備碼和自身的設備碼進行比較，如果一致的話，向CP

4、U回送該設備碼，然后系統(tǒng)總線由該設備占用。n一般來講，一次只能選擇一個設備，該設備被選擇后，系統(tǒng)總線由該設備占用n將命令通過接口送到設備nCPU發(fā)送命令，接口中設有命令緩沖寄存器和命令譯碼器。n傳送數據的功能n接口處于主機和外部設備之間，通過接口才能實現主給與外部設備之間的數據傳送n接口中設置有數據緩沖寄存器，用以將數據暫存在接口內n反映設備工作狀態(tài)的功能n接口內設置一些反映設備工作狀態(tài)的觸發(fā)器，將設備的運行情況及時地反饋到系統(tǒng)n接口電路的數據傳送方式n接口的分類按傳輸二進制位數進行分類n并行接口n一次傳送一個字節(jié)或一個字n例如：打印機n串行接口n一次傳送一位二進制代碼n主要用于驅動傳輸距離較

5、遠的設備n接口的分類 按I/O與主機信息傳送的控制方式n程序查詢方式n傳輸方式簡單n工作中一直要占用CPU，極大地影響了CPU的工作效率n中斷n消除了程序查詢方式中CPU”踏步”的現象，提高了CPU的工作效率nCPU相應中斷后，必須要停止現在運行的程序，轉入中斷服務程序n為了完成I/O與主存之間交換信息，還要占用CPU內部的一些寄存器，也是對CPU資源的浪費nDMAnCPU工作效率近一步提高n實現了主存和I/O設備之間的直接數據傳輸。n通道n用來負責管理I/O設備以及實現主存與I/O設備之間交換信息的部件，它可視為一種具有特殊功能的處理器n通道有專用的通道指令，它能獨立地址行用通道指令編寫的輸

6、入輸出程序n不是一個完全獨立的處理器，受CPU的I/O指令啟動、停止或改變其工作狀態(tài)，是從屬于CPU的一個專用處理器n程序查詢的工作方式n保存寄存器的內容n進行初始化的設置：如主機和設備之間交換數據的數目，設置欲傳輸數據在主存中的首地址n取設備狀態(tài)標記，看設備是否準備就緒nCPU執(zhí)行I/O指令，將數據送入到設備接口中的數據緩沖區(qū)內，同時將設備的輸出狀態(tài)標記復位n修改內存緩沖區(qū)地址計數器n判斷數據是否傳送完畢，未完成，則重新啟動設備繼續(xù)傳輸n結束打印傳輸，執(zhí)行其它的程序n微型計算機的外部設備n鍵盤n鼠標n打印機n顯示器n多媒體外部設備n微型計算機的總線技術n總線：CPU、主存、I/O各大部件之間

7、的數據傳輸線n系統(tǒng)總線的組成n數據總線：雙向，用于傳送數據，一般為8位、16位、32位n地址總線：單向，指定數據所在存儲單元的地址或I/O地址n控制總線：主要用于發(fā)出各種控制命令，如存儲器的讀/寫命令n總線的分類n數據傳輸線：包括地址線、數據線、控制線n中斷信號線：中斷請求線、中斷認可線n總線仲裁信號線：總線請求線、總線請求允許線n系統(tǒng)線：電源線、地線、復位線n待擴充線：用于一些特殊的功能，系統(tǒng)擴展或保留給用戶使用n總線性能指標n總線帶寬：數據總線的根數，體現了總線本身能達到的最高數據傳輸率n總線的傳輸率：總線上每秒能傳輸的最大字節(jié)數，用MB/s來表示。n例如：總線的工作頻率為33MHz，假設

8、總線的寬度為32位，則總線的傳輸率為 33M * 32 = 132 MB/sn時鐘同步/異步：總線上的數據與時鐘同步工作的總線，稱為同步總線，否則為異步總線n總線復用：地址總線和數據總線共用一組線路，某一時刻傳輸地址信號，另一時刻傳送數據。n信號線數：地址總線、數據總線、控制總線的總和n總線控制方式：包括并發(fā)工作方式、仲裁工作方式n其它：如總線是否能擴展到64位，電源電壓是5V還是3.3Vn總線的連接方式n單總線結構nCPU、主存和I/O設備都在一組總線上，所有設備共享總線，造成計算機系統(tǒng)的數據傳輸瓶頸n多總線結構nI/O設備可以和主存之間交換信息而不影響CPU的工作，CPU可以和主存之間交換

9、信息I/O接口1 I/O接口2I/O接口n主存CPU單總線結構框圖主存CPUI/O接口I/O接口1I/O接口n雙總線結構框圖n總線標準中的 “即插即用” 技術n“即插即用” 技術是自動設置總線的技術，當外部接口卡插到主即接口電路板后立即可用n工作過程n查詢過程：BIOS初始化所有的接口，搜索每個接口卡的卡號和所需要的資源n匯總過程：操作系統(tǒng)檢查所有的接口的編號和需要的系統(tǒng)資源，進行匯總n分配過程：對匯總的結果，操作系統(tǒng)的資源仲裁程序進行資源的分配，并盡可能地避免沖突n設置過程：將資源配置的結果提供給每個接口卡n幾種常用的總線標準nISA總線標準（工業(yè)標準總線結構）n又稱AT總線標準。IBM公司

10、為286計算機指定的工業(yè)總線標準n特點n總線寬度16位n總線頻率為8MHz，最大傳輸速率為16MB/sn總線沒有支持總線仲裁的硬件邏輯，因此它不能支持多臺主設備（具有申請總線控制權的設備）nEISA（Extended Industrial Standard Architecture）n在ISA總線基礎上擴充開放的總線標準，與ISA總線可以完全兼容。n它從CPU總分離出了總線控制權，是一種具有智能化的總線n時鐘頻率：8MHz，最大傳輸速率33MB/s，數據總線為32位，地址總線為32位nPCI局部總線標準nSIG（美國計算機協(xié)會專業(yè)集團）提出的新一代64為總線標準。與EISA、ISA總線完全兼容

11、n有多級緩沖，可以把一批數據塊寫入緩沖器中。在這些數據不斷寫入PCI設備過程中，CPU可執(zhí)行其它操作n數據線為32位，可擴充到64位，數據傳輸率達132MB/s246MB/s。nUSB總線標準n特點n可雙向傳輸數據n支持即插即用n傳輸速度高：12MB/sn內置的電源供給n提供對電話的雙路數據支持n高保真音頻n基本輸入輸出接口n80X86系列微機中的I/O接口nI/O指令nOUT DX, AX 向I/O設備傳送信息的命令nIN AX, DX 從I/O設備讀出信息的命令nAX 用來存放于I/O設備傳送的信息 DX 用來存放訪問的端口地址n指令中的I/O地址，稱為端口。8位端口地址是優(yōu)先使用的，這樣

12、可以減少譯碼電路的數量。n獨立編址I/OnINTEL系列的PC機中，I/O傳送技術采用的是存儲器獨立編址n8位端口地址用于驅動主板上的設備，如時鐘、鍵盤n16位端口地址用于驅動串行口、并行口、視頻、磁盤驅動器等等n0000H 03FFH為INTEL微機中的系統(tǒng)保留區(qū)n0400H FFFFH之間的端口地址一般由用戶使用新的外部設備n基本輸入輸出端口Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7A0A1A2A3A4A5A6A71G2GGND電 阻VCC片選數據總線Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7D0D1D2D3D4D5D6D7OCCLK數據總線VCCGND片選ABCY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7G1G2AG2

13、BA0A1A2A3A4A5A6A70E8H0E9H0EAH0EBH0ECH0EDH0EEH0EFH8位I/O端口的譯碼ABCY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7G1G2AG2BA0A1A2系統(tǒng)控制線A7A30FFF8H0FFF9H0FFFAH0FFFBH0FFFCH0FFFDH0FFFEH0FFFFHA15A816位I/O端口的譯碼設計一個設計一個I/O端口譯碼器，使用一個端口譯碼器，使用一個3-8譯碼器給出譯碼器給出8位位I/O端口地址端口地址20H、22H、24H、26H、28H、2AH、2CH、2EH的譯碼信號。的譯碼信號。 A Y0B Y1C Y2Y3Y4G1 Y5G2A Y6G2B Y7

14、A1A2A3A5+20H22H24H26H28H2AH2CH2EHA0A4A6A7n微型計算機的中斷技術n中斷的概念n計算機在執(zhí)行程序的過程中，當出現異常情況或特殊請求時，計算機停止現行程序的運行，轉向對這些異常情況或特殊請求的處理，處理結束后再返回到現行程序的間斷處，這就是中斷n把實現中斷所需要的軟硬件技術稱為中斷技術n中斷接口電路的組成n基本概念n中斷源：凡能向CPU提出中斷請求的各種因素，同稱為中斷源nCPU在任何瞬間只能接受一個中斷源的請求n接口電路的組成n中斷請求觸發(fā)器和中斷屏蔽觸發(fā)器n完成觸發(fā)器D：當設備欲提出中斷請求時，設備本身準備就緒，也即完成觸發(fā)器D必須為“1”n中斷請求觸發(fā)

15、器：發(fā)出中斷請求信號n中斷屏蔽觸發(fā)器：屏蔽優(yōu)先級較低設備的中斷請求n排隊器n只能有一個輸出為1n中斷向量地址形成部件n中斷向量位數與計算機可以處理中斷源的個數有關，即一個中斷源對應一個向量地址排隊電路INTP1INTP2INTP3INTP4中斷源1中斷源2中斷源3中斷源4中斷向量地址形成部件中斷向量INTP1INTPn服務程序入口1服務程序入口2服務程序入口3打印機服務程序聲卡服務程序鍵盤服務程序向量地址1向量地址2向量地址3服務程序入口1服務程序入口2服務程序入口3通過向量地址尋找入口地址n中斷的處理過程n中斷請求n中斷源向CPU發(fā)出中斷的要求n中斷判優(yōu)n將中斷源信號經過排隊電路，通過優(yōu)先級

16、選出中斷的優(yōu)先排序n中斷響應nCPU響應中斷的條件和時間nCPU中的允許中斷觸發(fā)器EINT為1（該觸發(fā)器用開中斷指令置位，用關中斷指令或硬件使其復位）nCPU響應中斷的時間一定是在每條指令執(zhí)行階段的結束時刻n中斷服務程序流程n保護現場n保存程序的斷點（中斷隱指令）n保存通用寄存器和狀態(tài)寄存器的內容（中斷服務程序）n中斷服務n中斷服務程序的主體部分，不同的中斷請求源的中斷服務操作內容是不同的n恢復現場n退出服務程序前，將原程序中斷時的“現場”恢復到原來的寄存器中n中斷返回n返回到原程序的斷點處，以便繼續(xù)執(zhí)行原程序取指令執(zhí)行指令中斷否？中斷響應程序斷點進棧關中斷向量地址PC保護現場設備服務恢復現場

17、開中斷中斷返回否是中斷服務程序中斷周期取指令執(zhí)行指令中斷否？中斷響應程序斷點進棧關中斷向量地址PC保護現場設備服務恢復現場中斷返回否是中斷服務程序中斷周期開中斷nDMA（Direct Memory Access直接存儲器存?。┓绞街鞔鍭CC中斷接口DMA接口I/O設備輸入指令輸出指令DMA和程序中斷兩種方式的數據通路nDMA與主存交換數據的方式n停止CPU訪問主存n工作過程n當外設要求傳送一批數據時，由DMA接口向CPU發(fā)一個停止信號，要求CPU放棄地址線、數據線和有關控制線的使用權。nDMA接口獲得總線控制權后，開始進行數據傳送。n在數據傳送結束后，DMA接口通知CPU可以使用主存，并把總線

18、控制權交給CPUn特點n控制簡單nDMA接口訪存時，CPU基本處于不工作狀態(tài)或保持原狀態(tài)n周期挪用（周期竊?。﹏工作方式n每當I/O設備發(fā)出DMA請求時，I/O設備便挪用或竊取總線占用權一個或幾個主存周期；DMA不請求時，CPU仍繼續(xù)訪問主存nI/O設備要求DMA傳送會遇到三種情況： 1 CPU不需要訪問主存 2 I/O要求DMA傳送時，CPU正在訪存 3 I/O設備要求訪存時，CPU也要求訪存n特點n實現了I/O傳送，有較好的發(fā)揮了主存與CPU的效率，是廣泛采用的一種方法nDMA與CPU交替訪存n工作方式n適合于CPU的工作周期比主存存取周期長的情況。n例如：CPU的工作周期為1.2us，主

19、存的存取周期小于0.6us。那么可將CPU周期分為C1、C2兩個分周期，C1供DMA訪存，C2供CPU訪存n特點n不需要總線使用權的申請和歸還的過程nCPU既不停止主程序的運行也不進入等待狀態(tài)nDMA接口的功能和組成n功能n向CPU申請DMA傳送n在CPU允許DMA工作時，處理總線控制權的轉交n在DMA期間管理總線，控制數據傳輸n確定數據傳送的起始地址和數據長度，修正數據傳送過程中的數據地址和數據長度n在數據塊傳送結束時，給出DMA操作完成的信號n組成n主存地址寄存器AR：用于存放主存中要交換數據的地址n字計數器：記錄傳送數據的總字節(jié)數，通常以交換字數的補碼值預置。在DMA傳送過程中，每傳送一個字，字計數器加1，直到計數器為0，表示數據傳送完畢。