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1、1,第7章 输入输出系统,2,主要内容,输入输出系统的特点和功能 I/O端口及其编址方式 基本输入输出方法 中断控制技术,3,7.1 输入输出系统概述,主要内容： I/O系统特点 I/O接口与I/O端口的概念 I/O端口的编址方式 端口地址译码 数据传送方式,4,一、输入输出系统,将CPU及主存以外的部分叫做输入输出系统,输入输出接口 输入输出设备 输入输出软件,5,输入输出系统的特点,复杂性 异步性 时实性 与设备无关性,6,I/O接口,I/O接口： 负责将外设连接到总线上的一组逻辑电路的总称。 实现外设与主机之间的信息交换。,7,I/O接口要解决的问题,速度匹配(Buffer) 信号的驱动
2、能力(电平转换器、驱动器) 信号形式和电平的匹配(A/D、D/A) 信息格式(字节流、块、数据包、帧) 时序匹配(定时关系) 总线隔离(三态门),8,接口的功能,数据的缓冲与暂存 信号电平与类型的转换 增加信号的驱动能力 对外设进行监测、控制与管理，中断处理,9,二、I/O端口,数据端口 状态端口 控制端口,端 口,I/O端口：接口中的寄存器,10,I/O端口,CPU,数据,状态,控制,外设,11,I/O端口的编址方式,统一编址 独立编址,12,端口与内存的统一编址,特点： 指令及控制信号统一 内存地址资源减少,内存 地址 960KB,I/O地址 64KB,00000H,F0000H,FFFF
3、FH,13,端口的独立编址,特点： 内存地址资源充分利用 能够应用于端口的指令较少,内存 地址,I/O 地址,00000H,FFFFFH,FFFFH,0000H,14,端口的独立编址,8 0 8 6 总 线,A19-A0,A15-A0,MEMR、MEMW,IOR、IOW 、BHE,存储器,输入/输出,15,8086的I/O端口编址,采用I/O独立编址方式(但地址线与存储器共用)； 最小模式下由M/IO区分是访问内存还是访问端口； 最大模式下用总线控制器信号来区分访问对象 I/O操作只使用20位地址信号中的16位：A15A0 可寻址的I/O端口数为64K(65536)个 I/O地址范围为0FFF
4、FH IBM PC只使用了1024个I/O地址(03FFH),16,三、I/O地址的译码,目的： 确定端口的地址 参加译码的信号： IOR，IOW，A15 A0 OUT指令将使总线的IOW信号有效 IN指令将使总线的IOR信号有效,17,I/O地址的译码,当接口只有一个端口时，16位地址信号一般应全部参与译码，译码输出直接选择该端口；当接口具有多个端口时，则16位地址线的高位参与译码（决定接口的基地址），而低位则用于确定要访问哪一个端口。,18,I/O地址的译码,某外设接口有4个端口，地址为2F0H2F3H，试将其与系统连接。,19,四、输入输出数据的传送方式,并行 一个数据单位同时传送 串行
5、 数据按位传送,20,7.2 基本输入/输出方法,程序控制方式 中断方式传送 直接存储器存取(DMA),无条件传送 查询式传送,21,一、无条件传送,适用于总是处于准备好状态的外设 优点：软件及接口硬件简单 缺点：只适用于简单外设，适应范围较窄,22,无条件传送例,读取开关的状态； 当开关闭合时，输出编码使发光二极管亮,23,D,CP,Q,D0,D1,输出口地址38F3H,输入口地址38F0H,+5V,1,24,二、查询工作方式,适用场合： 外设并不总是准备好 对传送速率和效率要求不高 对外设及接口的要求： 外设应提供设备状态信息 接口应具备状态端口,25,查询工作方式,优点：软件比较简单 缺
6、点：CPU效率低，数据传送的实时性 差，速度较慢,单一外设时的工作流程,26,超时?,READY?,与外设进 行数据交换,超时错,读入并测试外设状态,Y,N,Y,N,传送完？,防止死循环,复位计时器,N,Y,27,查询工作方式例,外设状态端口地址为03FBH，第5位(bit5)为状态标志（=1忙，=0准备好） 外设数据端口地址为03F8H，写入数据会使状态标志置1 ；外设把数据读走后又把它置0。 试画出其电路图，并将DATA下100B数输出,28,三、中断控制方式,特点： 外设在需要时向CPU提出请求，CPU再去为它服务。服务结束后或在外设不需要时，CPU可执行自己的程序 优点：CPU效率高，
7、实时性好，速度快。 缺点：程序编制较为复杂。,29,以上三种I/O方式的共性,均需CPU作为中介： 软件： 外设与内存之间的数据传送是通过CPU 执行程序来完成的（PIO方式）； 硬件： I/O接口和存储器的读写控制信号、地址 信号都是由CPU发出的。 缺点：程序的执行速度限定了传送的最大速度 （约为几十KB/秒）,30,四、DMA控制方式,特点： 外设直接与存储器进行数据交换 ，CPU不再担当数据传输的中介者； 总线由DMA控制器（DMAC）进行控制（CPU要放弃总线控制权），内存/外设的地址和读写控制信号均由DMAC提供。,31,DMA控制方式,DMAC,外设 接口,CPU,QRD,MEM
8、,DACK,HOLD,HLDA,BUS,控制信号,32,DMA控制方式的工作过程,外设向DMA控制器发出“DMA传送请求”信号DRQ； DMA控制器收到请求后，向CPU发出“总线请求”信号HOLD； CPU在完成当前总线周期后会立即发出HLDA 信号，对HOLD信号进行响应； DMA控制器收到HLDA信号后，就开始控制总线，并向外设发出DMA响应信号DACK,33,DMA控制方式的工作过程,DMA控制器送出地址信号和相应的控制信号，实现外设与内存或内存与内存之间的直接数据传送； 例：从外设向内存传送一个字节 DMAC向I/O接口发出读信号，同时往地址总线上发出存储器的地址和存储器写信号和AEN
9、信号。,34,DMA控制方式的工作过程,DMA控制器自动修改地址和字节计数器，并判断是否需要重复传送操作。当规定的数据传送完后，DMA控制器就撤销发往CPU的HOLD信号。CPU检测到HOLD失效后，紧接着撤销HLDA信号，并在下一时钟周期重新开始控制总线。,35,DMA的三种传送方式,连续传送（块传送）： DMAC在申请到总线后，将一块数据传送完后才释放总线，而不管中间DREQ是否有效。 单次传送（每次传送一个字节）： 每个DMA周期只传送一个字节就立即释放总线。 按需传送（猝发传送）： 只要I/O接口的数据缓冲可用，就可进行传送。此时I/O接口需要有一定大小的FIFO缓冲区。,36,数据块
10、传送：,Y,N,允许DMA,DMA请求？,DMAC请求总线,CPU响应, DMAC获总线控制权,DMA传送一个字节,块结束？,地址增量，计数器减量,DMAC释放总线,Y,N,37,每次传送一个字节：,N,Y,N,允许DMA,DMAC请求总线,CPU响应, DMAC获总线控制权,DMA传送一个数据,块结束？,释放总线至少一个总线周期,地址增量，计数器减量,DMAC释放总线,Y,测试I/O的DREQ DMA请求？,38,按需传送：,N,Y,CPU响应, DMAC获总线控制权,DMA传送一个字节,块结束？,测试I/O的DREQ 有效？,地址增量，计数器减量,释放总线，请求中断,无效，释放总线,允许D
11、MA,DMA请求？,DMAC请求总线,Y,N,Y,N,39,DMA控制方式,优点： 数据传输由DMA硬件来控制，数据直接在内存和外设之间交换，可以达到很高的传输速率（可达几MB/秒）,40,五、I/O通道控制方式,具有自己的指令系统 专门负责外部设备的控制,41,7.3 中断技术,掌握： 中断的基本概念 中断响应的一般过程 中断向量表及其初始化 8088/8086中断系统,42,一、中断的基本概念,中断： CPU执行程序时，由于发生了某种随机的事件(外部或内部)，引起CPU暂时中断正在运行的程序，转去执行一段特殊的服务程序(称为中断服务程序或中断处理程序)，以处理该事件，该事件处理完后又返回被
12、中断的程序继续执行，这一过程称为中断。,43,中断源,引起CPU中断的事件，发出中断请求的来源,内部中断,外部中断,异常中断,软件中断,可屏蔽中断,非屏蔽中断,异常事件引起,中断指令引起,INTR中断,NMI中断,44,引入中断的原因,提高数据传输率； 避免了CPU不断检测外设状态的过程，提高了CPU的利用率。 实现对特殊事件的实时响应。,45,二、外部中断响应的一般过程,中断请求 中断判优及中断源识别 中断响应 中断处理（服务） 中断返回,46,中断请求,中断请求信号应保持到中断被处理为止； CPU响应中断后，中断请求信号应及时撤销。,NMI INTR,47,中断源识别,软件查询法 中断矢量
13、法。由中断源提供中断类型号，CPU根据类型确定中断源。,48,中断判优 要解决的问题,对同时产生的中断： 首先处理优先级别较高的中断；若优先级别相同，则按先来先服务的原则 对非同时产生的中断： 低优先级的中断程序允许被高优先级的中断源所中断,中断嵌套,49,中断判优 控制方法,软件判优 顺序查询中断请求，先查询的先服务 （即先查询的优先级别高） 硬件判优 链式判优、并行判优（中断向量法）,50,菊花链逻辑电路,INTAin,IREQ,INTR,&,1,INTAout,DB,三态门,中 断 向 量 码,E,外设接口,中断确认,菊花链 逻辑电路,51,中断响应,向中断源发出INTA中断响应信号；
14、保护断点。包括FLAGS、 CS和IP 获得中断服务程序入口地址,固定入口法 中断向量法,52,中断处理,中断服务子程序的特点： 为“远过程” 用IRET指令返回,53,中断服务子程序完成的工作,保护现场 开中断（STI） 中断处理 关中断（CLI） 恢复现场 中断返回,54,中断返回,执行IRET指令，使IP、CS和FLAGS从堆栈弹出,55,三、8088/8086中断系统,内部中断 外部中断,除法错中断 溢出中断 单步中断 软件中断,非屏蔽中断 可屏蔽中断,256个中断源,56,NMI,INTR,中断逻辑,软件中断指令,溢出中断,除法错,单步中断,非屏蔽中断请求,中断控 制器 8259A
15、PIC,8086/8088CPU内部逻辑,断点中断,可 屏 蔽 中 断 请 求,n,4,3,0,1,2,8086/8088中断源类型：,57,中断向量表,00000H,003FFH,1KB,58,中断向量表,存放各类中断的中断服务程序的入口地址 每个入口占用4 Bytes，低字为段内偏移，高字为段基址 表的地址位于内存的00000H003FFH，大小为1KB，共256个入口,59,中断向量表的初始化,将用户自定义的中断服务程序入口地址放入向量表 两种方法： 直接写中断向量表 利用DOS中断功能调用：INT 25H 例：将中断向量码为48H的服务程序入口地址放入向量表,60,中断向量表的初始化,直接写中断向量表 MOV AX，0 MOV DS，AX MOV SI， 48H*4 MOV DX，OFFSET int_proc MOV SI，DX MOV DX，SEG int_proc MOV SI+2，DX 利用DOS中断功能调用：INT 25H MOV DX，SEG int_proc MOV DS，DX MOV DX，OFFSET int_proc MOV AX，2548H INT 21H,P319,61,8088/8086
