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1、第七章 输入输出接口,7.1 输入输出接口基础 7.2 中断系统 7.3 DMA传送和DMA控制器8237 7.4 主机板上的计时计数逻辑,7 输入输出（I/O）接口,运算器,控制器,CPU,存储器,输出设备,I/O接口,输入设备,A.BUS,D.BUS,C.BUS,CPU,I/O设备,I/O接口,7 输入输出（I/O）接口,基本概念 I/O接口： 是介于CPU和I/O设备之间，把CPU和I/O设备连接起来，是CPU和I/O设备的桥梁。,CPU和I/O设备通过I/O接口进行信息交换，从而协调一致工作。,7 输入输出（I/O）接口,总线 控制 逻辑,ROM,RAM,协处理器,RT/COMS RA
2、M,I/O 接 口 板 组,键盘,磁盘驱动器,网卡,CRT显示器,打印机,微处理器,MODEM 鼠标,主机板,系统总线,微机系统硬件组成图,7 输入输出（I/O）接口,在主机板上，与I/O接口有关的逻辑包括： 1. 支持访问扩充板上存储器操作的逻辑 2. 支持执行输入输出指令的逻辑 3. 支持外部中断方式的以8259为核心的中断控制逻辑 4.支持存储器直接读写(DMA)操作的以8237为核心组成的DMA控制逻辑,这些逻辑是总线控制逻辑组成部分。,7 输入输出（I/O）接口,CPU,I/O 设备,总线控制逻辑,I/O插槽,I/O接口,I/O接口 板组,这些逻辑，一侧与CPU相连，受CPU控制和管
3、理，另一侧形成系统总线接到扩充插槽的节点上，与I/O接口板组相连。,注：I/O接口在主机板上。,7.1 输入输出（I/O）接口基础,I/O接口的几个基本问题：,数据输入输出的基本方式 2. I/O接口的结构 3. I/O指令要求的接口逻辑,7.1.1 输入输出（I/O）的基本方式,基本概念：I/O端口：,CPU,I/O设备,寄存器,寄存器,寄存器,寄存器,.,I/O接口,CPU,I/O设备,I/O接口,7.1.1 输入输出（I/O）的基本方式,CPU,I/O设备,I/O端口,I/O端口,I/O端口,I/O端口,.,I/O接口,每一个I/O端口都是一个8位寄存器，都有唯一的一个地址(I/O地址范
4、围000003FF即01023，这与内存物理地址相似)，CPU通过I/O端口与I/O外设进行通信。 CPU可以从I/O端口读入数据(IN指令)，也可以向I/O端口输出数据（OUT 指令）。,0000H,0001H,03FFH,7.1.1 CPU与I/O设备通信,通信过程,输入过程 I/O外设把数据送到I/O接口 I/O接口通过端口把数据送进CPU,输出过程 CPU把数据送到I/O接口 I/O外设从I/O接口中的端口中取数据,可见，CPU和I/O接口之间通信是通过I/O端口进行的。,7.1.1 输入输出（I/O）的基本方式,CPU,I/O设备,AX/AL,I/O端口,I/O端口,I/O端口,I/
5、O端口,.,I/O接口,格式：IN AL/AX , SRC 功能：CPU从指定端口读入数据，送到AL或AX,7.1.1 输入输出（I/O）的基本方式,格式：IN AL/AX , SRC ；不影响标志位 功能：CPU从端口（寄存器）读入数据，送到AL或AX,SRC有两种寻址方式：,直接寻址。SRC为端口地址，其范围为00HFFH(0255) 如： IN AL, 28H IN AX, 0F0H,(AL)(28H),(AX)(F1H:F0H ),2. 间接寻址。当端口地址大于FFH，即255时候，要通过寄存器DX进行数据传递。 如： MOV DX, 100H ;100H=256255 IN AX,
6、DX,(AX)(101H:100H ),7.1.1 输入输出（I/O）的基本方式,CPU,I/O设备,AX/AL,I/O端口,I/O端口,I/O端口,I/O端口,.,I/O接口,格式：OUT DST , AL/AX 功能：CPU 把AL或AX中的数据送到指定端口,7.1.1 输入输出（I/O）的基本方式,格式：OUT DST , AL/AX ；不影响标志位 功能：CPU从AL或AX输出数据，送到端口（即寄存器里）,DST有两种寻址方式：,直接寻址。DST为端口地址，其范围为00HFFH(0255) 如： OUT 28H , AL OUT F0H , AX,(28H) (AL),(F1H:F0H
7、 ) (AX),2. 间接寻址。当端口地址大于FFH，即255时候，要通过寄存器DX进行数据传递。 如： MOV DX, 03FDH ;3FDH=1021255 OUT DX , AX,(3FEH:3FDH ) (AX),7.1.1 输入输出（I/O）的基本方式,输入输出同步问题,CPU与外设之间，如何向对方提供联络信息，并以什么方式响应和处理对方提供的联络信息。 当多个外设同时要求与CPU交换信息时，以什么策略解决多个外设传输请求。,7.1.1 数据输入输出基本方式,CPU与I/O设备之间传输信息的三种基本方式：,程序直接控制传送方式（查询方式）,程序中断控制传送方式（中断方式）,存储器直接
8、存取方式 （DMA方式）,CPU,I/O设备,I/O接口,可实现CPU与I/O设备之间数据信息、状态信息和命令信息的传输。,程序直接控制传送方式（查询方式）,查询方式,查询方式是CPU在向接口输入或输出数据时，主动去检查I/O外设是否“准备好”，只有当确认I/O外设已具备传输条件后，才进行数据交换。,输入状态信息,准备好了？,输入数据,查询输入方式流程图,N,Y,状态端口地址：STATUSPORT 数据端口地址：DATAPORT 状态口的D7位为接口 “准备好” 位 AGAIN：IN AL,STATUSPORT AND AL, 80H JZ AGAIN IN AL, DATAPORT,程序直接
9、控制传送方式（查询方式）,查询方式,显然，在查询方式下，CPU需要花费许多时间来查询外设的状态，并等外设进行数据传输的准备。 优点：不需要增加额外的硬件电路，易于实现。 缺点：CPU工作效率很低,程序中断控制方式（中断方式）,程序中断：指主机在运行程序时，出现了特殊情况，暂时停止执行正在运行的程序，转到另一段处理特殊情况的程序（中断处理子程序），等特殊情况处理程序执行完后，返回到被暂时停止的程序接着运行。,内部中断（软件中断）,外部中断（硬件中断）,特殊情况就是中断。,中断,中 断 处 理 子 程 序,中断请求,主机 运行 程序,类似于主程序调用子程序,程序中断控制方式（中断方式）,程序中断控
10、制方式： 借助于CPU响应外中断的能力，实现输入输出的控制。,当外设需要向CPU传输数据或者从CPU接收数据时候，首先向 CPU产生一个中断请求，然后CPU相应此请求，从而执行中断处理子程序，进行数据的传输。,当然，数据的传输仍然是靠IN或者OUT指令来完成的。,程序中断控制方式（中断方式）,程序中断控制方式特点：,1. 虽然程序中断功能参与了控制，但数据的传输仍然要靠IN或者OUT指令来完成。,2. 外设要求与 CPU传输数据的状态信息，不是用指令输入和测试的，而是从CPU的中断请求输入端直接加入的。,中断控制输入输出是靠硬件和软件相配合来实现的。不需要进行查询，避免了用指令查询外设状态造成
11、的大量时间浪费提高了CPU的时间利用率。 需要有专门的接口逻辑电路中断控制器。,程序中断控制方式（中断方式）,程序中断控制方式：,在外设没有准备好时候，CPU可以运行与数据传输无关的其他指令。外设准备好后，主动向CPU请求中断， CPU响应这一请求，暂停正在运行的程序而运行与外设进行数据传输的中断处理程序。 由此可见，中断方式是CPU和外设进行I/O传输的有效方式，它可以避免因反复查询外设的状态而浪费时间，提高了CPU的工作效率。,存储器直接存取方式（DMA方式）,DMA: 在外设和存储器(内存)之间开辟直接的数据传输通道，数据传输不靠执行I/O指令，数据不经过CPU的任何寄存器，不破坏任何寄
12、存器原有内容，在存储器与外设之间的通路上直接传输数据。,这种I/O方式的实现主要靠硬件的功能。,在数据传输时没有程序和指令的介入，但在数据传输前的准备工作，如传输涉及的存储区的开始地址、要传输的字节数等参数，还是要用程序指令来实现的。适合大批量的数据传输。,存储器,I/O接口,I/O外设,总线 控制逻辑,DMA控制器,CPU,系 统 总 线,7.1.2 输入输出接口的基本结构,I/O接口包含硬件 主机板上的接口逻辑； 系统总线； 具体外设的接口逻辑。,总线 控制 逻辑,ROM,RAM,协处理器,RT/COMS RAM,I/O 接 口 板 组,键盘,磁盘驱动器,网卡,CRT显示器,打印机,微处理
13、器,MODEM 鼠标,主机板,系统总线,7.1.2 输入输出接口的基本结构,2. IBM PC系统提供的接口资源,IBM PC/XT及其兼容机的基本配置包括：主机箱、键盘、CRT显示器、打印机和软、硬盘机。,IBM PC系统为I/O接口提供的资源： 1. 硬件接口资源 2. 软件接口资源,7.1.2 输入输出接口的基本结构,IBM PC系统为I/O接口提供的硬件资源： (1) 在扩充插槽上提供了系统级总线； (2) 主机板上有键盘接口逻辑和扬声器接口逻辑； (3) 主机板上有以两片8259为核心组成的中断控制逻辑； (4) 主机板上以两片8237DMA控制器为核心组成的DMA传送控制逻辑； (
14、5) 一片8254定时/计数器芯片； (6) 基本配置的I/O接口卡：显示器接口；两个并行口；两个RS232串行口；磁盘驱动器接口。,7.1.2 输入输出接口的基本结构,IBM PC系统为I/O接口提供的软件资源： 1. DOS功能调用 2. BIOS功能调用,7.1.2 输入输出接口的基本结构,几种常用的系统总线： 1. 最早的是IBM PC/XT系统总线。 2. ISA（industrial standard architecture）总线标准是IBM 公司1984年为推出PC/AT机而建立的系统总线标准，所以也叫AT总线。 3. EISA总线是1988年由Compaq等9家公司联合推出的
15、总线标准。它是在ISA总线的基础上使用双层插座，在原来ISA总线的98条信号线上又增加了98条信号线，也就是在两条ISA信号线之间添加一条EISA信号线。 4. VESA（video electronics standard association）总线是 1992年由60家附件卡制造商联合推出的一种局部总线，简称为VL(VESA local bus)总线。,7.1.2 输入输出接口的基本结构,几种常用的系统总线： 5. PCI（peripheral component interconnect）总线是当前最流行的总线之一，它是由Intel公司推出的一种局部总线。它定义了32位数据总线，且可扩
16、展为64位。PCI总线主板插槽的体积比原ISA总线插槽还小，其功能比VESA、ISA有极大的改善，支持突发读写操作，最大传输速率可达132MB/s，可同时支持多组外围设备。 PCI局部总线不能兼容现有的ISA、EISA、MCA（micro channel architecture）总线，但它不受制于处理器，是基于奔腾等新一代微处理器而发展的总线。 6. Compact PCI的意思是“坚实的PCI”，是当今第一个采用无源总线底板结构的PCI系统，是PCI总线的电气和软件标准加欧式卡的工业组装标准，是当今最新的一种工业计算机标准。,7.1.5 IBM PC/AT机的I/O端口地址分配,I/O端口（类似于内存单元）是存在于I/O接口中的8
