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1、本章主要内容:,第五章 输入/输出系统,I/O接口以及总线的基本概念,DMA方式及其接口组成和设计方法,中断方式及其接口组成和设计方法,5.1 概述,I/O接口指主机和外设的交接部分, 位于系统总线和外设之间。,为什么在外设与CPU之间需要接口?, 时间同步,不同速度外设如何与CPU之间进行时间同步, 数据格式的转换(如果需要),外设数据格式可能与CPU数据格式不同, CPU与外设之间一次数据传送量的控制, 其它因素,因此, 种类繁多的外设需要需要有相应的接口实现与CPU之间的连接, 以完成上述功能。,5.1.1 主机和外设的连接方式,1.辐射式,主机,I/O,I/O,I/O,早期：不易扩展,
2、主机,接口,接口,现在：便于扩展,2.总线式,主机,接口,接口,I/O,I/O,I/O,便于扩展,总线,3.通道式,主机,通道,通道,I/O,I/O,I/O,并行能力 提高,5.1.2 总线的基本概念,1. 定义,一组能为多个部件分时共享的信息传送线路。,2. 特点,分时、共享。(即设备公用且分时占有总线),通常作法: 发送部件通过OC组件(集电极开路)或三态门分时发送信息, 由打入脉冲将信息送入指定的接收部件。,3. 实体,一组传送线与相应控制逻辑,CPU内设置控制逻辑,设置总线控制器,4. 总线分类,(1)按功能分类 (按系统层次结构), CPU内部总线,CPU芯片内寄存器与算逻部件之间互
3、连的总线。,单组通信线(单向/双向)或多组数据线。, 片级总线 (CPU总线、元件级总线),插件板内各芯片之间互连的总线。,分为地址、数据、控制线。, 系统总线(板级总线),计算机系统内各功能部件之间, 或各插件板之间互连的总线。,分为地址、数据、控制线。, 外总线(通信总线),计算机系统之间, 或计算机系统与其它系统之间互连的总线。,分为数据线(与地址复用)、控制线。,局部总线,各类总线之间的关系:, 微机系统中, 总线的一般分类方法:,如EIAS总线、PCI总线等,如RS-232C、IEEE488总线等,例.,(2) 按时序控制方式划分, 同步总线,由统一时序控制总线传送操作。,时钟周期、
4、同步脉冲,在固定时钟周期内完成数据传送, 由同步脉冲定时完成收发部件的开门、打入等操作。,例. CPU读数据, 异步总线,无固定时钟周期划分, 总线周期时间由传送实际需要决定; 以异步应答方式控制总线传送操作。,Data,ACK,主设备检测到ACK, 采样数据总线,地址/读命令,CPU将地址/读命令变为无效,从设备停止驱动数据总线,将ACK变为无效,从设备,(I/O或M),CPU,(见课件“3.1.2 时序控制方法”), 扩展同步总线,以时钟周期为时序基础, 允许总线周期中的时钟数可变。,(3) 按数据传送格式划分, 并行总线:,同时传送各位信息。, 串行总线:,分时逐位传送各位信息。, CP
5、U内总线: 同步、并行, 系统总线: 同步、异步、扩展同步、并行, 外总线: 异步、并行、串行,计算机设计中不同总线类型可能采用的时序控制方式和数据传送格式:, 局部总线: 同步、异步、扩展同步、并行,现代微机系统中常采用(P83),1. 什么是总线标准,对总线四大特性所作统一的规范:,5. 总线标准,主要针对系统总线和外总线, 物理特性:, 功能特性:, 电气特性:, 时间特性:,如接插头大小/引脚数量/相对位置等,描述每一信号线的功能,如信号传送方向、,信号的正负逻辑等。,信号驱动能力、,抗干扰能力、,如信号有效的时机、持续时间等。,主要包括： 电源、地址、 数据、控制等,时序: 时钟、定
6、时、应答,3. 系统总线信号组成,数传控制: 存储器读写和IO读/写,中断请求、响应,总线请求、响应,复位,采用总线结构的优势:, 从技术和工程角度: 简化硬件设计、易于扩充; 从用户的角度: 具有“易获得性”; 从厂商的角度: 易于生产、降低成本。,2. 为何制定总线标准,5.1.3 接口功能及分类,1. 接口主要功能,接收CPU送来的地址码, 选择接口中的寄存器(或其它按地址寻址的设备)供CPU访问。,(1) 寻址,(2) 数据缓冲, 实现主机与外设的速度匹配。,传送的数据量与缓冲深度(缓冲器容量) 有关。, 提高CPU效率, 串-并格式转换 (串口),(3) 预处理,传送控制命令与状态信
7、息, 实现I/O传送控制方式。, 数据通路寬度转换(并口), 电平转换,(4) 控制功能,(1) 按数据传送格式划分, 并行接口,接口与系统总线、接口与外设均按并行方式传送数据。,数据各位同时传送。, 串行接口,适用于设备本身并行工作, 并且距主机较近的场合。,接口与系统总线并行传送, 接口与外设串行传送。,数据逐位分时传送。,适用于设备本身串行工作, 或距主机较远, 或需减少传送线的情况。,2. 接口的分类, 异步接口,(2) 按时序控制方式划分, 同步接口,接口与系统总线的信息传送由统一时序信号控制。,没有统一的时钟周期控制, 接口与系统总线的信息传送采用异步应答方式。,应答信号之间的三种
8、关系:,应答信号之间的三种关系:,无互锁,请求和响应的结束时间由设备自身定时决定,T1和T2的时间长度由设备自身决定,半互锁,请求的维持时间由回答信号的时间来决定,T时间长度由设备自身决定, 而请求信号的维持时间取决于什么时候收到回答信号,全互锁,请求和回答信号的维持时间取决与双方有效的时间, 扩展的同步接口, 直接程序传送接口(查询传送),(该接口中也可以有查询方式),(3) 按信息传送的控制方式划分, 中断接口, DMA接口,(可插入中断作DMA善后处理),5.3 直接程序传送方式与接口,CPU直接用I/O指令编程实现信息传送。,分为无条件传送和条件传送两种,1、无条件传送,如果I/O操作
9、时间固定并且已知, 则CPU在相应时间执行I/O指令即可完成I/O操作。,在实际的计算机系统中, 上述情况比较少见。,2、条件传送(查询传送),在实际的计算机系统中, 不同设备的速度不同, 可能同一设备的不同操作的时间也不同。,即: I/O操作时间不固定, 对CPU是未知的。,为此, 需要设置外设工作状态, CPU通过查询外设工作状态, 以决定何时进行I/O传送(执行用于数据传送的I/O指令),查询传送的一般设计过程:,(1) 外设状态,启动,完成一次传送,调用完,再请求, 在接口中设置状态字表示这些状态(用寄存器或触发器存放状态)。, 空闲: 调用前, 设备不工作;, 结束: 调用后, 设备
10、完成工作。,(2) 根据外设的具体情况设计接口电路,查询接口的一般原理图:,(3) 按查询方式一般程序流程,启动外设,N,Y,读取或输出数据,用输出指令,设置启动信号,用输入指令,读取工作状态并判断,输入或输出指令进行数据传送,N,Y,查询传送例:,假设:,04,03,01,02,复位端口地址01H,启动端口地址04H,数据端口地址03H,状态端口地址02H,按查询方式的输入程序如下(假设输入5个数据)：,OUT 04, AL ; 启动输入设备,MOV BL, 05 ; 设置计数值,SHR AL, 1 ; AL右移一位,JNC POLL ; 未准备好, 再次查询,IN AL, 03 ; 已准备好, 读数据,MOV DI, DSTOR ; 设置内存地址,MOV DI, AL ; 数据送内存,INC DI ; 地址加1,DEC BL ; 计数值减1,JNE AGAIN ; 再次启动输入设备,
