第七章計算機輸入輸出系統(tǒng)與接口技術(shù)

1、第七章 計算機輸入輸出系統(tǒng)與 接口技術(shù),本章主要內(nèi)容,計算機的輸入輸出系統(tǒng)微型計算機的外部設備微型計算機的總線技術(shù)基本輸入/輸出接口微型計算機的中斷技術(shù)微型計算機中的DMA通道,計算機的輸入/輸出系統(tǒng),輸入輸出系統(tǒng)的基本組成適配器電路適配器電路及其相應的程序稱為接口接口管理程序?qū)⒂脩艟幹频某绦颍ɑ驍?shù)據(jù)）輸入主機內(nèi)將運算結(jié)果返回給用戶實現(xiàn)I/O系統(tǒng)與主機之間協(xié)調(diào)地工作輸入/輸出設備,設備編碼的

2、方法統(tǒng)一編址用主存的低地址中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(xiàn)對設備的訪問特點占用一部分存儲空間，減少了用戶使用主存的范圍不需要專用的I/O指令I/O獨立編址主存的地址和I/O的地址是分開的，需要專門的指令進行訪問，如IN，OUT特點不占用主存空間但需要專用的I/O指令,I/O接口電路I/O接口電路的作用實現(xiàn)設備的辨識和選擇實現(xiàn)主機和設備之間的速度匹配實現(xiàn)串 -- 并格

3、式的轉(zhuǎn)換實現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換計算機對設備的使用是通過接口發(fā)送命令實現(xiàn)的，接口需支持系統(tǒng)的命令接口監(jiān)視設備的工作狀態(tài)，并保存狀態(tài)信息，供CPU查詢,總線連接方式的接口電路數(shù)據(jù)線：是I/O與主機之間數(shù)據(jù)代碼的傳送線，根數(shù)一般等于存儲字長的位數(shù)或字符的位數(shù)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。控制線：包括命令線和狀態(tài)線命令線：用以傳輸

4、CPU向設備發(fā)送的各種命令狀態(tài)線：I/O設備的狀態(tài)報告給主機。,接口的功能和組成識別設備CPU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CPU回送該設備碼，然后系統(tǒng)總線由該設備占用。一般來講，一次只能選擇一個設備，該設備被選擇后，系統(tǒng)總線由該設備占用將命令通過接口送到設備CPU發(fā)送命令，接口中設有命令緩沖寄存器和命令譯碼器。,傳送數(shù)據(jù)的功能接口處于主機和外部設備之間，通過接口才能實現(xiàn)

5、主給與外部設備之間的數(shù)據(jù)傳送接口中設置有數(shù)據(jù)緩沖寄存器，用以將數(shù)據(jù)暫存在接口內(nèi)反映設備工作狀態(tài)的功能接口內(nèi)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),接口電路的數(shù)據(jù)傳送方式接口的分類—按傳輸二進制位數(shù)進行分類并行接口一次傳送一個字節(jié)或一個字例如：打印機串行接口一次傳送一位二進制代碼主要用于驅(qū)動傳輸距離較遠的設備,接口的分類 – 按I/O與主機信息傳送的控制方式程序查詢方式傳輸方式簡單工作

6、中一直要占用CPU，極大地影響了CPU的工作效率中斷消除了程序查詢方式中CPU”踏步”的現(xiàn)象，提高了CPU的工作效率CPU相應中斷后，必須要停止現(xiàn)在運行的程序，轉(zhuǎn)入中斷服務程序為了完成I/O與主存之間交換信息，還要占用CPU內(nèi)部的一些寄存器，也是對CPU資源的浪費,DMACPU工作效率近一步提高實現(xiàn)了主存和I/O設備之間的直接數(shù)據(jù)傳輸。通道用來負責管理I/O設備以及實現(xiàn)主存與I/O設備之間交換信息的部件，它可視為一種具有

7、特殊功能的處理器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入輸出程序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,程序查詢的工作方式保存寄存器的內(nèi)容進行初始化的設置：如主機和設備之間交換數(shù)據(jù)的數(shù)目，設置欲傳輸數(shù)據(jù)在主存中的首地址取設備狀態(tài)標記，看設備是否準備就緒CPU執(zhí)行I/O指令，將數(shù)據(jù)送入到設備接口中的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)，同時將設備的輸出狀態(tài)標記復位修改

8、內(nèi)存緩沖區(qū)地址計數(shù)器判斷數(shù)據(jù)是否傳送完畢，未完成，則重新啟動設備繼續(xù)傳輸結(jié)束打印傳輸，執(zhí)行其它的程序,微型計算機的外部設備鍵盤鼠標打印機顯示器多媒體外部設備,微型計算機的總線技術(shù)總線：CPU、主存、I/O各大部件之間的數(shù)據(jù)傳輸線系統(tǒng)總線的組成數(shù)據(jù)總線：雙向，用于傳送數(shù)據(jù)，一般為8位、16位、32位地址總線：單向，指定數(shù)據(jù)所在存儲單元的地址或I/O地址控制總線：主要用于發(fā)出各種控制命令，如存儲器的讀/寫命令,總線的

9、分類數(shù)據(jù)傳輸線：包括地址線、數(shù)據(jù)線、控制線中斷信號線：中斷請求線、中斷認可線總線仲裁信號線：總線請求線、總線請求允許線系統(tǒng)線：電源線、地線、復位線待擴充線：用于一些特殊的功能，系統(tǒng)擴展或保留給用戶使用,總線性能指標總線帶寬：數(shù)據(jù)總線的根數(shù)，體現(xiàn)了總線本身能達到的最高數(shù)據(jù)傳輸率總線的傳輸率：總線上每秒能傳輸?shù)淖畲笞止?jié)數(shù)，用MB/s來表示。例如：總線的工作頻率為33MHz，假設總線的寬度為32位，則總線的傳輸率為 33M *

10、 32 = 132 MB/s時鐘同步/異步：總線上的數(shù)據(jù)與時鐘同步工作的總線，稱為同步總線，否則為異步總線總線復用：地址總線和數(shù)據(jù)總線共用一組線路，某一時刻傳輸?shù)刂沸盘?，另一時刻傳送數(shù)據(jù)。,信號線數(shù)：地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線的總和總線控制方式：包括并發(fā)工作方式、仲裁工作方式其它：如總線是否能擴展到64位，電源電壓是5V還是3.3V,總線的連接方式單總線結(jié)構(gòu)CPU、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

11、機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸瓶頸多總線結(jié)構(gòu)I/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信息,總線標準中的 “即插即用” 技術(shù)“即插即用” 技術(shù)是自動設置總線的技術(shù)，當外部接口卡插到主即接口電路板后立即可用工作過程查詢過程：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，進行匯總分配過程：對匯總的結(jié)果，操作系統(tǒng)的資源仲裁程序進行資源的分

12、配，并盡可能地避免沖突設置過程：將資源配置的結(jié)果提供給每個接口卡,幾種常用的總線標準ISA總線標準（工業(yè)標準總線結(jié)構(gòu)）又稱AT總線標準。IBM公司為286計算機指定的工業(yè)總線標準特點總線寬度16位總線頻率為8MHz，最大傳輸速率為16MB/s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(quán)的設備）,EISA（Extended Industrial Standard Architecture）在

13、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。它從CPU總分離出了總線控制權(quán)，是一種具有智能化的總線時鐘頻率：8MHz，最大傳輸速率33MB/s，數(shù)據(jù)總線為32位，地址總線為32位,PCI局部總線標準SIG（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總線完全兼容有多級緩沖，可以把一批數(shù)據(jù)塊寫入緩沖器中。在這些數(shù)據(jù)不斷寫入PCI設備過程中，CPU可執(zhí)行其它操作數(shù)據(jù)線為32位，可擴充到6

14、4位，數(shù)據(jù)傳輸率達132MB/s~246MB/s。,USB總線標準特點可雙向傳輸數(shù)據(jù)支持即插即用傳輸速度高：12MB/s內(nèi)置的電源供給提供對電話的雙路數(shù)據(jù)支持高保真音頻,基本輸入輸出接口80X86系列微機中的I/O接口I/O指令OUT DX, AX 向I/O設備傳送信息的命令IN AX, DX 從I/O設備讀出信息的命令AX 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指令中

15、的I/O地址，稱為端口。8位端口地址是優(yōu)先使用的，這樣可以減少譯碼電路的數(shù)量。,獨立編址I/OINTEL系列的PC機中，I/O傳送技術(shù)采用的是存儲器獨立編址8位端口地址用于驅(qū)動主板上的設備，如時鐘、鍵盤16位端口地址用于驅(qū)動串行口、并行口、視頻、磁盤驅(qū)動器等等0000H ~ 03FFH為INTEL微機中的系統(tǒng)保留區(qū)0400H ~ FFFFH之間的端口地址一般由用戶使用新的外部設備,基本輸入輸出端口,數(shù)據(jù)總線,8位I/O端口的譯

16、碼,設計一個I/O端口譯碼器，使用一個3-8譯碼器給出8位I/O端口地址20H、22H、24H、26H、28H、2AH、2CH、2EH的譯碼信號。,A0A4A6A7,微型計算機的中斷技術(shù)中斷的概念計算機在執(zhí)行程序的過程中，當出現(xiàn)異常情況或特殊請求時，計算機停止現(xiàn)行程序的運行，轉(zhuǎn)向?qū)@些異常情況或特殊請求的處理，處理結(jié)束后再返回到現(xiàn)行程序的間斷處，這就是中斷把實現(xiàn)中斷所需要的軟硬件技術(shù)稱為中斷技術(shù),中斷接口電路的組成基本概念

17、中斷源：凡能向CPU提出中斷請求的各種因素，同稱為中斷源CPU在任何瞬間只能接受一個中斷源的請求接口電路的組成中斷請求觸發(fā)器和中斷屏蔽觸發(fā)器完成觸發(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”中斷請求觸發(fā)器：發(fā)出中斷請求信號中斷屏蔽觸發(fā)器：屏蔽優(yōu)先級較低設備的中斷請求,排隊器只能有一個輸出為1中斷向量地址形成部件中斷向量位數(shù)與計算機可以處理中斷源的個數(shù)有關，即一個中斷源對應一個

18、向量地址,通過向量地址尋找入口地址,中斷的處理過程中斷請求中斷源向CPU發(fā)出中斷的要求中斷判優(yōu)將中斷源信號經(jīng)過排隊電路，通過優(yōu)先級選出中斷的優(yōu)先排序中斷響應CPU響應中斷的條件和時間CPU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）CPU響應中斷的時間一定是在每條指令執(zhí)行階段的結(jié)束時刻,中斷服務程序流程保護現(xiàn)場保存程序的斷點（中斷隱指令）保存通用寄存器和狀態(tài)寄存器的內(nèi)容（中

19、斷服務程序）中斷服務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(nèi)容是不同的恢復現(xiàn)場退出服務程序前，將原程序中斷時的“現(xiàn)場”恢復到原來的寄存器中中斷返回返回到原程序的斷點處，以便繼續(xù)執(zhí)行原程序,DMA（Direct Memory Access直接存儲器存?。┓绞?DMA與主存交換數(shù)據(jù)的方式停止CPU訪問主存工作過程當外設要求傳送一批數(shù)據(jù)時，由DMA接口向CPU發(fā)一個停止信號，要求CPU放棄地址線、數(shù)據(jù)線和有關

20、控制線的使用權(quán)。DMA接口獲得總線控制權(quán)后，開始進行數(shù)據(jù)傳送。在數(shù)據(jù)傳送結(jié)束后，DMA接口通知CPU可以使用主存，并把總線控制權(quán)交給CPU特點控制簡單DMA接口訪存時，CPU基本處于不工作狀態(tài)或保持原狀態(tài),周期挪用（周期竊?。┕ぷ鞣绞矫慨擨/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(quán)一個或幾個主存周期；DMA不請求時，CPU仍繼續(xù)訪問主存I/O設備要求DMA傳送會遇到三種情況： 1 CPU不需要訪問主

21、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也要求訪存特點實現(xiàn)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,DMA與CPU交替訪存工作方式適合于CPU的工作周期比主存存取周期長的情況。例如：CPU的工作周期為1.2us，主存的存取周期小于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訪存特點不需要總線使用權(quán)的申請

22、和歸還的過程CPU既不停止主程序的運行也不進入等待狀態(tài),DMA接口的功能和組成功能向CPU申請DMA傳送在CPU允許DMA工作時，處理總線控制權(quán)的轉(zhuǎn)交在DMA期間管理總線，控制數(shù)據(jù)傳輸確定數(shù)據(jù)傳送的起始地址和數(shù)據(jù)長度，修正數(shù)據(jù)傳送過程中的數(shù)據(jù)地址和數(shù)據(jù)長度在數(shù)據(jù)塊傳送結(jié)束時，給出DMA操作完成的信號組成主存地址寄存器AR：用于存放主存中要交換數(shù)據(jù)的地址,字計數(shù)器：記錄傳送數(shù)據(jù)的總字節(jié)數(shù)，通常以交換字數(shù)的補碼值預置。在D

23、MA傳送過程中，每傳送一個字，字計數(shù)器加1，直到計數(shù)器為0，表示數(shù)據(jù)傳送完畢。DMA接口向CPU發(fā)出中斷請求信號數(shù)據(jù)緩沖寄存器：暫存每次傳送的數(shù)據(jù)DMA控制邏輯：負責管理DMA的傳送過程。包括對主存地址寄存器、字計數(shù)器的修改，指定傳送類型（輸入/輸出）等等中斷機構(gòu)：數(shù)據(jù)傳送完畢，DMA向CPU發(fā)送中斷請求，報告這一批數(shù)據(jù)傳送結(jié)束。設備地址寄存器DAR：存放設備的設備碼或設備信息存取的尋址信息。如判斷數(shù)據(jù)所在的區(qū)號、盤號、煮面號等

24、等,DMA的數(shù)據(jù)傳送過程預處理DMA控制邏輯指明數(shù)據(jù)傳送方向是輸入還是輸出設備地址寄存器送入設備號，并啟動設備DMA主存地址寄存器送入交換數(shù)據(jù)的主存起始地址對字計數(shù)器賦以交換數(shù)據(jù)的個數(shù)數(shù)據(jù)傳送 – DMA是以塊為單位傳送數(shù)據(jù)的從設備讀入一個字到DMA接口的數(shù)據(jù)緩沖寄存器設備向DMA接口發(fā)請求DMA接口向CPU申請總線控制權(quán)CPU返回HLDA信號，允許將總線控制權(quán)交給DMA接口,將DMA主存地址寄存器中的主存地址送地址

25、總線通知設備已被賦予一個DMA周期，并為交換下一個字做準備將DMA數(shù)據(jù)緩沖寄存器的內(nèi)容送數(shù)據(jù)總線命令存儲器做寫操作修改主存地址和字計數(shù)值判斷數(shù)據(jù)塊是否傳送結(jié)束，若未結(jié)束，繼續(xù)傳送。若已結(jié)束，向CPU發(fā)中斷請求，標志數(shù)據(jù)塊傳送結(jié)束后處理DMA中斷請求得到相應后，CPU停止源程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務程序，做一些DMA結(jié)束工作。包括：教研送入主存的數(shù)據(jù)是否正確、是否繼續(xù)用DMA傳送其它數(shù)據(jù)塊，測試傳送過程中是否發(fā)生錯誤，若出