第七章 计算机输入输出系统与接口技术.ppt

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1、第七章 计算机输入输出系统与 接口技术,本章主要内容,计算机的输入输出系统 微型计算机的外部设备 微型计算机的总线技术 基本输入/输出接口 微型计算机的中断技术 微型计算机中的DMA通道,计算机的输入/输出系统,输入输出系统的基本组成 适配器电路 适配器电路及其相应的程序称为接口 接口管理程序 将用户编制的程序（或数据）输入主机内 将运算结果返回给用户 实现I/O系统与主机之间协调地工作 输入/输出设备,设备编码的方法 统一编址 用主存的低地址中256个字节作为设备访问的地址，采用一般的访存指令LDA，STA就可以实现对设备的访问 特点 占用一部分存储空间，减少了用户使用主存的范围 不需要专用

2、的I/O指令 I/O独立编址 主存的地址和I/O的地址是分开的，需要专门的指令进行访问，如IN，OUT 特点 不占用主存空间 但需要专用的I/O指令,I/O接口电路 I/O接口电路的作用 实现设备的辨识和选择 实现主机和设备之间的速度匹配 实现串 - 并格式的转换 实现电平的转换 计算机对设备的使用是通过接口发送命令实现的，接口需支持系统的命令 接口监视设备的工作状态，并保存状态信息，供CPU查询,总线连接方式的接口电路 数据线：是I/O与主机之间数据代码的传送线，根数一般等于存储字长的位数或字符的位数 设备选择线：又称为地址线（设备号可以看作是地址号），可以有一组，也可以有两组，一组用于主机

3、向设备发送设备码，另一组用于设备向主机回送设备码。 控制线：包括命令线和状态线 命令线：用以传输CPU向设备发送的各种命令 状态线：I/O设备的状态报告给主机。,接口的功能和组成 识别设备 CPU发送一个设备码，各设备的接口电路将该设备码和自身的设备码进行比较，如果一致的话，向CPU回送该设备码，然后系统总线由该设备占用。 一般来讲，一次只能选择一个设备，该设备被选择后，系统总线由该设备占用 将命令通过接口送到设备 CPU发送命令，接口中设有命令缓冲寄存器和命令译码器。,传送数据的功能 接口处于主机和外部设备之间，通过接口才能实现主给与外部设备之间的数据传送 接口中设置有数据缓冲寄存器，用以将

4、数据暂存在接口内 反映设备工作状态的功能 接口内设置一些反映设备工作状态的触发器，将设备的运行情况及时地反馈到系统,接口电路的数据传送方式 接口的分类按传输二进制位数进行分类 并行接口 一次传送一个字节或一个字 例如：打印机 串行接口 一次传送一位二进制代码 主要用于驱动传输距离较远的设备,接口的分类 按I/O与主机信息传送的控制方式 程序查询方式 传输方式简单 工作中一直要占用CPU，极大地影响了CPU的工作效率 中断 消除了程序查询方式中CPU”踏步”的现象，提高了CPU的工作效率 CPU相应中断后，必须要停止现在运行的程序，转入中断服务程序 为了完成I/O与主存之间交换信息，还要占用CP

5、U内部的一些寄存器，也是对CPU资源的浪费,DMA CPU工作效率近一步提高 实现了主存和I/O设备之间的直接数据传输。 通道 用来负责管理I/O设备以及实现主存与I/O设备之间交换信息的部件，它可视为一种具有特殊功能的处理器 通道有专用的通道指令，它能独立地址行用通道指令编写的输入输出程序 不是一个完全独立的处理器，受CPU的I/O指令启动、停止或改变其工作状态，是从属于CPU的一个专用处理器,程序查询的工作方式 保存寄存器的内容 进行初始化的设置：如主机和设备之间交换数据的数目，设置欲传输数据在主存中的首地址 取设备状态标记，看设备是否准备就绪 CPU执行I/O指令，将数据送入到设备接口中

6、的数据缓冲区内，同时将设备的输出状态标记复位 修改内存缓冲区地址计数器 判断数据是否传送完毕，未完成，则重新启动设备继续传输 结束打印传输，执行其它的程序,微型计算机的外部设备 键盘 鼠标 打印机 显示器 多媒体外部设备,微型计算机的总线技术 总线：CPU、主存、I/O各大部件之间的数据传输线 系统总线的组成 数据总线：双向，用于传送数据，一般为8位、16位、32位 地址总线：单向，指定数据所在存储单元的地址或I/O地址 控制总线：主要用于发出各种控制命令，如存储器的读/写命令,总线的分类 数据传输线：包括地址线、数据线、控制线 中断信号线：中断请求线、中断认可线 总线仲裁信号线：总线请求线、

7、总线请求允许线 系统线：电源线、地线、复位线 待扩充线：用于一些特殊的功能，系统扩展或保留给用户使用,总线性能指标 总线带宽：数据总线的根数，体现了总线本身能达到的最高数据传输率 总线的传输率：总线上每秒能传输的最大字节数，用MB/s来表示。 例如：总线的工作频率为33MHz，假设总线的宽度为32位，则总线的传输率为 33M * 32 = 132 MB/s 时钟同步/异步：总线上的数据与时钟同步工作的总线，称为同步总线，否则为异步总线 总线复用：地址总线和数据总线共用一组线路，某一时刻传输地址信号，另一时刻传送数据。,信号线数：地址总线、数据总线、控制总线的总和 总线控制方式：包括并发工作方式

8、、仲裁工作方式 其它：如总线是否能扩展到64位，电源电压是5V还是3.3V,总线的连接方式 单总线结构 CPU、主存和I/O设备都在一组总线上，所有设备共享总线，造成计算机系统的数据传输瓶颈 多总线结构 I/O设备可以和主存之间交换信息而不影响CPU的工作，CPU可以和主存之间交换信息,总线标准中的 “即插即用” 技术 “即插即用” 技术是自动设置总线的技术，当外部接口卡插到主即接口电路板后立即可用 工作过程 查询过程：BIOS初始化所有的接口，搜索每个接口卡的卡号和所需要的资源 汇总过程：操作系统检查所有的接口的编号和需要的系统资源，进行汇总 分配过程：对汇总的结果，操作系统的资源仲裁程序进

9、行资源的分配，并尽可能地避免冲突 设置过程：将资源配置的结果提供给每个接口卡,几种常用的总线标准 ISA总线标准（工业标准总线结构） 又称AT总线标准。IBM公司为286计算机指定的工业总线标准 特点 总线宽度16位 总线频率为8MHz，最大传输速率为16MB/s 总线没有支持总线仲裁的硬件逻辑，因此它不能支持多台主设备（具有申请总线控制权的设备）,EISA（Extended Industrial Standard Architecture） 在ISA总线基础上扩充开放的总线标准，与ISA总线可以完全兼容。 它从CPU总分离出了总线控制权，是一种具有智能化的总线 时钟频率：8MHz，最大传输速

10、率33MB/s，数据总线为32位，地址总线为32位,PCI局部总线标准 SIG（美国计算机协会专业集团）提出的新一代64为总线标准。与EISA、ISA总线完全兼容 有多级缓冲，可以把一批数据块写入缓冲器中。在这些数据不断写入PCI设备过程中，CPU可执行其它操作 数据线为32位，可扩充到64位，数据传输率达132MB/s246MB/s。,USB总线标准 特点 可双向传输数据 支持即插即用 传输速度高：12MB/s 内置的电源供给 提供对电话的双路数据支持 高保真音频,基本输入输出接口 80X86系列微机中的I/O接口 I/O指令 OUT DX, AX 向I/O设备传送信息的命令 IN AX,

11、DX 从I/O设备读出信息的命令 AX 用来存放于I/O设备传送的信息 DX 用来存放访问的端口地址 指令中的I/O地址，称为端口。8位端口地址是优先使用的，这样可以减少译码电路的数量。,独立编址I/O INTEL系列的PC机中，I/O传送技术采用的是存储器独立编址 8位端口地址用于驱动主板上的设备，如时钟、键盘 16位端口地址用于驱动串行口、并行口、视频、磁盘驱动器等等 0000H 03FFH为INTEL微机中的系统保留区 0400H FFFFH之间的端口地址一般由用户使用新的外部设备,基本输入输出端口,数据总线,8位I/O端口的译码,设计一个I/O端口译码器，使用一个3-8译码器给出8位I

12、/O端口地址20H、22H、24H、26H、28H、2AH、2CH、2EH的译码信号。,A0 A4 A6 A7,主要内容 中断的基本概念 中断接口电路和组成 中断处理过程 中断服务程序处理流程 8086的中断系统,微型计算机的中断技术,中断的基本概念,中断 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，这就是中断 中断技术 把实现中断所需要的软硬件技术称为中断技术,中断的基本概念,中断的基本概念,中断系统的功能 反映中断源是否有请求(引起中断的设备或原因) 判优(排队) 找到中断服务程序的

13、入口地址 保护现场(程序断点、寄存器) 中断处理 恢复现场 中断返回 多重中断,基本概念 中断源：凡能向CPU提出中断请求的各种因素，同称为中断源 CPU在任何瞬间只能接受一个中断源的请求 接口电路的组成 中断请求触发器和中断屏蔽触发器 完成触发器D：当设备欲提出中断请求时，设备本身准备就绪，也即完成触发器D必须为“1” 中断请求触发器：发出中断请求信号 中断屏蔽触发器：屏蔽优先级较低设备的中断请求,中断接口电路的组成,排队器 只能有一个输出为1 中断向量地址形成部件 中断向量位数与计算机可以处理中断源的个数有关，即一个中断源对应一个向量地址,中断接口电路的组成,通过向量地址寻找入口地址,中断

14、接口电路的组成,中断请求 中断源向CPU发出中断的要求 中断判优 将中断源信号经过排队电路，通过优先级选出中断的优先排序,中断的处理过程,中断的处理过程,CPU响应中断的条件 开中断状态(允许中断触发器为“1”) IF = 1 允许中断 IF = 0 中断关闭 中断源有请求 中断请求触发器为1 请求源未被屏蔽 中断屏蔽触发器为0,中断的处理过程,CPU响应中断的时间 指令周期的执行阶段的最后时刻(最后一个时钟周期),中断的处理过程,CPU对中断的响应 CPU一旦响应中断，完成下列三个任务(同时发出INTA中断响应信号)： 硬件关中断(IF置0) 程序断点自动进栈(CS、IP) 寻找中断服务程序

15、的入口地址,保护现场 保存程序的断点（中断隐指令） 保存通用寄存器和状态寄存器的内容（中断服务程序） 中断服务 中断服务程序的主体部分，不同的中断请求源的中断服务操作内容是不同的 恢复现场 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 中断返回 返回到原程序的断点处，以便继续执行原程序,中断服务程序流程,单重中断,多重中断,8086的中断系统,外部中断(NMI和INTR) 不可屏蔽中断(NMI) 可屏蔽中断(INTR，CPU可以不响应),8086的中断系统,内部中断 除法中断(类型0) 单步中断(陷阱中断，类型1，TF = 1) 断点中断(类型3) 溢出中断(类型4)，OF =

16、 1时，CPU执行INTO INT n 指令中断,8086的中断系统,8086的中断优先级,8086的中断系统,中断向量表(找入口地址),DMA（Direct Memory Access直接存储器存取）方式,DMA与主存交换数据的方式 停止CPU访问主存 工作过程 当外设要求传送一批数据时，由DMA接口向CPU发一个停止信号，要求CPU放弃地址线、数据线和有关控制线的使用权。 DMA接口获得总线控制权后，开始进行数据传送。 在数据传送结束后，DMA接口通知CPU可以使用主存，并把总线控制权交给CPU 特点 控制简单 DMA接口访存时，CPU基本处于不工作状态或保持原状态,周期挪用（周期窃取） 工作方式 每当I/O设备发出DMA请求时，I/O设备便挪用或窃取总线占用权一个或几个主存周期；DMA不请求时，CPU仍继续访问主存 I/O设备要求DMA传送会遇到三种情况： 1 CPU不需要访问主存 2 I/O要求DMA传送时，CPU正在访存 3 I/O设备要求访存时，CPU也要求访存 特点 实现了I/O传送，有较好的发挥了主存与CPU的效率，是广泛采用的一种方法,DMA与CPU交替