第七章計(jì)算機(jī)輸入輸出系統(tǒng)與接口技術(shù)

1、第七章 計(jì)算機(jī)輸入輸出系統(tǒng)與 接口技術(shù),本章主要內(nèi)容,計(jì)算機(jī)的輸入輸出系統(tǒng)微型計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備微型計(jì)算機(jī)的總線技術(shù)基本輸入/輸出接口微型計(jì)算機(jī)的中斷技術(shù)微型計(jì)算機(jī)中的DMA通道,計(jì)算機(jī)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(yīng)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(jī)內(nèi)將運(yùn)算結(jié)果返回給用戶實(shí)現(xiàn)I/O系統(tǒng)與主機(jī)之間協(xié)調(diào)地工作輸入/輸出設(shè)備,設(shè)備編碼的

2、方法統(tǒng)一編址用主存的低地址中256個(gè)字節(jié)作為設(shè)備訪問(wèn)的地址，采用一般的訪存指令LDA，STA就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的訪問(wèn)特點(diǎn)占用一部分存儲(chǔ)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(lǐng)/O獨(dú)立編址主存的地址和I/O的地址是分開(kāi)的，需要專門的指令進(jìn)行訪問(wèn)，如IN，OUT特點(diǎn)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(shí)現(xiàn)設(shè)備的辨識(shí)和選擇實(shí)現(xiàn)主機(jī)和設(shè)備之間的速度匹配實(shí)現(xiàn)串 -- 并格

3、式的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)對(duì)設(shè)備的使用是通過(guò)接口發(fā)送命令實(shí)現(xiàn)的，接口需支持系統(tǒng)的命令接口監(jiān)視設(shè)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(jī)之間數(shù)據(jù)代碼的傳送線，根數(shù)一般等于存儲(chǔ)字長(zhǎng)的位數(shù)或字符的位數(shù)設(shè)備選擇線：又稱為地址線（設(shè)備號(hào)可以看作是地址號(hào)），可以有一組，也可以有兩組，一組用于主機(jī)向設(shè)備發(fā)送設(shè)備碼，另一組用于設(shè)備向主機(jī)回送設(shè)備碼?？刂凭€：包括命令線和狀態(tài)線命令線：用以傳輸

4、CPU向設(shè)備發(fā)送的各種命令狀態(tài)線：I/O設(shè)備的狀態(tài)報(bào)告給主機(jī)。,接口的功能和組成識(shí)別設(shè)備CPU發(fā)送一個(gè)設(shè)備碼，各設(shè)備的接口電路將該設(shè)備碼和自身的設(shè)備碼進(jìn)行比較，如果一致的話，向CPU回送該設(shè)備碼，然后系統(tǒng)總線由該設(shè)備占用。一般來(lái)講，一次只能選擇一個(gè)設(shè)備，該設(shè)備被選擇后，系統(tǒng)總線由該設(shè)備占用將命令通過(guò)接口送到設(shè)備CPU發(fā)送命令，接口中設(shè)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(jī)和外部設(shè)備之間，通過(guò)接口才能實(shí)現(xiàn)

5、主給與外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送接口中設(shè)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(shè)備工作狀態(tài)的功能接口內(nèi)設(shè)置一些反映設(shè)備工作狀態(tài)的觸發(fā)器，將設(shè)備的運(yùn)行情況及時(shí)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(jìn)制位數(shù)進(jìn)行分類并行接口一次傳送一個(gè)字節(jié)或一個(gè)字例如：打印機(jī)串行接口一次傳送一位二進(jìn)制代碼主要用于驅(qū)動(dòng)傳輸距離較遠(yuǎn)的設(shè)備,接口的分類 – 按I/O與主機(jī)信息傳送的控制方式程序查詢方式傳輸方式簡(jiǎn)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(yīng)中斷后，必須要停止現(xiàn)在運(yùn)行的程序，轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序?yàn)榱送瓿蒊/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(duì)CPU資源的浪費(fèi),DMACPU工作效率近一步提高實(shí)現(xiàn)了主存和I/O設(shè)備之間的直接數(shù)據(jù)傳輸。通道用來(lái)負(fù)責(zé)管理I/O設(shè)備以及實(shí)現(xiàn)主存與I/O設(shè)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(dú)立地址行用通道指令編寫的輸入輸出程序不是一個(gè)完全獨(dú)立的處理器，受CPU的I/O指令啟動(dòng)、停止或改變其工作狀態(tài)，是從屬于CPU的一個(gè)專用處理器,程序查詢的工作方式保存寄存器的內(nèi)容進(jìn)行初始化的設(shè)置：如主機(jī)和設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)的數(shù)目，設(shè)置欲傳輸數(shù)據(jù)在主存中的首地址取設(shè)備狀態(tài)標(biāo)記，看設(shè)備是否準(zhǔn)備就緒CPU執(zhí)行I/O指令，將數(shù)據(jù)送入到設(shè)備接口中的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)，同時(shí)將設(shè)備的輸出狀態(tài)標(biāo)記復(fù)位修改

8、內(nèi)存緩沖區(qū)地址計(jì)數(shù)器判斷數(shù)據(jù)是否傳送完畢，未完成，則重新啟動(dòng)設(shè)備繼續(xù)傳輸結(jié)束打印傳輸，執(zhí)行其它的程序,微型計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備鍵盤鼠標(biāo)打印機(jī)顯示器多媒體外部設(shè)備,微型計(jì)算機(jī)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：?jiǎn)蜗颍付〝?shù)據(jù)所在存儲(chǔ)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(chǔ)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(hào)線：中斷請(qǐng)求線、中斷認(rèn)可線總線仲裁信號(hào)線：總線請(qǐng)求線、總線請(qǐng)求允許線系統(tǒng)線：電源線、地線、復(fù)位線待擴(kuò)充線：用于一些特殊的功能，系統(tǒng)擴(kuò)展或保留給用戶使用,總線性能指標(biāo)總線帶寬：數(shù)據(jù)總線的根數(shù)，體現(xiàn)了總線本身能達(dá)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(lái)表示。例如：總線的工作頻率為33MHz，假設(shè)總線的寬度為32位，則總線的傳輸率為 33M *

10、 32 = 132 MB/s時(shí)鐘同步/異步：總線上的數(shù)據(jù)與時(shí)鐘同步工作的總線，稱為同步總線，否則為異步總線總線復(fù)用：地址總線和數(shù)據(jù)總線共用一組線路，某一時(shí)刻傳輸?shù)刂沸盘?hào)，另一時(shí)刻傳送數(shù)據(jù)。,信號(hào)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(kuò)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(shè)備都在一組總線上，所有設(shè)備共享總線，造成計(jì)算

11、機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸瓶頸多總線結(jié)構(gòu)I/O設(shè)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(biāo)準(zhǔn)中的 “即插即用” 技術(shù)“即插即用” 技術(shù)是自動(dòng)設(shè)置總線的技術(shù)，當(dāng)外部接口卡插到主即接口電路板后立即可用工作過(guò)程查詢過(guò)程：BIOS初始化所有的接口，搜索每個(gè)接口卡的卡號(hào)和所需要的資源匯總過(guò)程：操作系統(tǒng)檢查所有的接口的編號(hào)和需要的系統(tǒng)資源，進(jìn)行匯總分配過(guò)程：對(duì)匯總的結(jié)果，操作系統(tǒng)的資源仲裁程序進(jìn)行資源的分

12、配，并盡可能地避免沖突設(shè)置過(guò)程：將資源配置的結(jié)果提供給每個(gè)接口卡,幾種常用的總線標(biāo)準(zhǔn)ISA總線標(biāo)準(zhǔn)（工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)）又稱AT總線標(biāo)準(zhǔn)。IBM公司為286計(jì)算機(jī)指定的工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)特點(diǎn)總線寬度16位總線頻率為8MHz，最大傳輸速率為16MB/s總線沒(méi)有支持總線仲裁的硬件邏輯，因此它不能支持多臺(tái)主設(shè)備（具有申請(qǐng)總線控制權(quán)的設(shè)備）,EISA（Extended Industrial Standard Architecture）在

13、ISA總線基礎(chǔ)上擴(kuò)充開(kāi)放的總線標(biāo)準(zhǔn)，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(shí)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(biāo)準(zhǔn)SIG（美國(guó)計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)專業(yè)集團(tuán)）提出的新一代64為總線標(biāo)準(zhǔn)。與EISA、ISA總線完全兼容有多級(jí)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(shè)備過(guò)程中，CPU可執(zhí)行其它操作數(shù)據(jù)線為32位，可擴(kuò)充到6

14、4位，數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)132MB/s~246MB/s。,USB總線標(biāo)準(zhǔn)特點(diǎn)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(duì)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(jī)中的I/O接口I/O指令OUT DX, AX 向I/O設(shè)備傳送信息的命令I(lǐng)N AX, DX 從I/O設(shè)備讀出信息的命令A(yù)X 用來(lái)存放于I/O設(shè)備傳送的信息 DX 用來(lái)存放訪問(wèn)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(dú)立編址I/OINTEL系列的PC機(jī)中，I/O傳送技術(shù)采用的是存儲(chǔ)器獨(dú)立編址8位端口地址用于驅(qū)動(dòng)主板上的設(shè)備，如時(shí)鐘、鍵盤16位端口地址用于驅(qū)動(dòng)串行口、并行口、視頻、磁盤驅(qū)動(dòng)器等等0000H ~ 03FFH為INTEL微機(jī)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(shè)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(shè)計(jì)一個(gè)I/O端口譯碼器，使用一個(gè)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(hào)。,A0A4A6A7,微型計(jì)算機(jī)的中斷技術(shù)中斷的概念計(jì)算機(jī)在執(zhí)行程序的過(guò)程中，當(dāng)出現(xiàn)異常情況或特殊請(qǐng)求時(shí)，計(jì)算機(jī)停止現(xiàn)行程序的運(yùn)行，轉(zhuǎn)向?qū)@些異常情況或特殊請(qǐng)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(shí)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(qǐng)求的各種因素，同稱為中斷源CPU在任何瞬間只能接受一個(gè)中斷源的請(qǐng)求接口電路的組成中斷請(qǐng)求觸發(fā)器和中斷屏蔽觸發(fā)器完成觸發(fā)器D：當(dāng)設(shè)備欲提出中斷請(qǐng)求時(shí)，設(shè)備本身準(zhǔn)備就緒，也即完成觸發(fā)器D必須為“1”中斷請(qǐng)求觸發(fā)器：發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)中斷屏蔽觸發(fā)器：屏蔽優(yōu)先級(jí)較低設(shè)備的中斷請(qǐng)求,排隊(duì)器只能有一個(gè)輸出為1中斷向量地址形成部件中斷向量位數(shù)與計(jì)算機(jī)可以處理中斷源的個(gè)數(shù)有關(guān)，即一個(gè)中斷源對(duì)應(yīng)一個(gè)

18、向量地址,通過(guò)向量地址尋找入口地址,中斷的處理過(guò)程中斷請(qǐng)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(hào)經(jīng)過(guò)排隊(duì)電路，通過(guò)優(yōu)先級(jí)選出中斷的優(yōu)先排序中斷響應(yīng)CPU響應(yīng)中斷的條件和時(shí)間CPU中的允許中斷觸發(fā)器EINT為1（該觸發(fā)器用開(kāi)中斷指令置位，用關(guān)中斷指令或硬件使其復(fù)位）CPU響應(yīng)中斷的時(shí)間一定是在每條指令執(zhí)行階段的結(jié)束時(shí)刻,中斷服務(wù)程序流程保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)保存程序的斷點(diǎn)（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(wù)程序）中斷服務(wù)中斷服務(wù)程序的主體部分，不同的中斷請(qǐng)求源的中斷服務(wù)操作內(nèi)容是不同的恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)退出服務(wù)程序前，將原程序中斷時(shí)的“現(xiàn)場(chǎng)”恢復(fù)到原來(lái)的寄存器中中斷返回返回到原程序的斷點(diǎn)處，以便繼續(xù)執(zhí)行原程序,DMA（Direct Memory Access直接存儲(chǔ)器存取）方式,DMA與主存交換數(shù)據(jù)的方式停止CPU訪問(wèn)主存工作過(guò)程當(dāng)外設(shè)要求傳送一批數(shù)據(jù)時(shí)，由DMA接口向CPU發(fā)一個(gè)停止信號(hào)，要求CPU放棄地址線、數(shù)據(jù)線和有關(guān)

20、控制線的使用權(quán)。DMA接口獲得總線控制權(quán)后，開(kāi)始進(jìn)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(diǎn)控制簡(jiǎn)單DMA接口訪存時(shí)，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?dāng)I/O設(shè)備發(fā)出DMA請(qǐng)求時(shí)，I/O設(shè)備便挪用或竊取總線占用權(quán)一個(gè)或幾個(gè)主存周期；DMA不請(qǐng)求時(shí)，CPU仍繼續(xù)訪問(wèn)主存I/O設(shè)備要求DMA傳送會(huì)遇到三種情況： 1 CPU不需要訪問(wèn)主

21、存 2 I/O要求DMA傳送時(shí)，CPU正在訪存 3 I/O設(shè)備要求訪存時(shí)，CPU也要求訪存特點(diǎn)實(shí)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(zhǎng)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(gè)分周期，C1供DMA訪存，C2供CPU訪存特點(diǎn)不需要總線使用權(quán)的申請(qǐng)

22、和歸還的過(guò)程CPU既不停止主程序的運(yùn)行也不進(jìn)入等待狀態(tài),DMA接口的功能和組成功能向CPU申請(qǐng)DMA傳送在CPU允許DMA工作時(shí)，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(zhǎng)度，修正數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中的數(shù)據(jù)地址和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度在數(shù)據(jù)塊傳送結(jié)束時(shí)，給出DMA操作完成的信號(hào)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(jì)數(shù)器：記錄傳送數(shù)據(jù)的總字節(jié)數(shù)，通常以交換字?jǐn)?shù)的補(bǔ)碼值預(yù)置。在D

23、MA傳送過(guò)程中，每傳送一個(gè)字，字計(jì)數(shù)器加1，直到計(jì)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(qǐng)求信號(hào)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(fù)責(zé)管理DMA的傳送過(guò)程。包括對(duì)主存地址寄存器、字計(jì)數(shù)器的修改，指定傳送類型（輸入/輸出）等等中斷機(jī)構(gòu)：數(shù)據(jù)傳送完畢，DMA向CPU發(fā)送中斷請(qǐng)求，報(bào)告這一批數(shù)據(jù)傳送結(jié)束。設(shè)備地址寄存器DAR：存放設(shè)備的設(shè)備碼或設(shè)備信息存取的尋址信息。如判斷數(shù)據(jù)所在的區(qū)號(hào)、盤號(hào)、煮面號(hào)等

24、等,DMA的數(shù)據(jù)傳送過(guò)程預(yù)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(shè)備地址寄存器送入設(shè)備號(hào)，并啟動(dòng)設(shè)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(duì)字計(jì)數(shù)器賦以交換數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)數(shù)據(jù)傳送 – DMA是以塊為單位傳送數(shù)據(jù)的從設(shè)備讀入一個(gè)字到DMA接口的數(shù)據(jù)緩沖寄存器設(shè)備向DMA接口發(fā)請(qǐng)求DMA接口向CPU申請(qǐng)總線控制權(quán)CPU返回HLDA信號(hào)，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(shè)備已被賦予一個(gè)DMA周期，并為交換下一個(gè)字做準(zhǔn)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(chǔ)器做寫操作修改主存地址和字計(jì)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(qǐng)求，標(biāo)志數(shù)據(jù)塊傳送結(jié)束后處理DMA中斷請(qǐng)求得到相應(yīng)后，CPU停止源程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)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(cè)試傳送過(guò)程中是否發(fā)生錯(cuò)誤，若出