硬件7 輸入輸出接口

1、第七章第七章 計算機輸入輸出接口計算機輸入輸出接口I/OI/O接口的概念、功能、結構與編址方式；接口的概念、功能、結構與編址方式；并行接口和串行接口的主要特點；并行接口和串行接口的主要特點；主機與外設之間的數據傳送方式；主機與外設之間的數據傳送方式；中斷的概念、中斷響應的條件與過程、中中斷的概念、中斷響應的條件與過程、中斷系統(tǒng)的功能及中斷處理方法；斷系統(tǒng)的功能及中斷處理方法；總線標準及常見的微機總線。總線標準及常見的微機總線。本本 章章 要要 點：點：27.1 輸入輸出接口的基本知識輸入輸出接口的基本知識7.1.1 輸入輸出接口的概念及功能輸入輸出接口的概念及功能一、輸入輸出接口的引入一、輸入

2、輸出接口的引入1 1、外設類型不同：、外設類型不同：機械、電子、機電、電磁機械、電子、機電、電磁2 2、傳送信息類型：、傳送信息類型：數字量、模擬量數字量、模擬量3 3、傳送方式：、傳送方式：串行、并行串行、并行4 4、傳送速度、編碼方式不同、傳送速度、編碼方式不同三、功能三、功能二、概念二、概念輸入輸出：輸入輸出：CPU或主存與外設（或主存與外設（I/O設備）交換信息的過程。設備）交換信息的過程。輸入輸出接口：輸入輸出接口：是計算機中協(xié)調、匹配外設與主機正常工作是計算機中協(xié)調、匹配外設與主機正常工作所設置的邏輯部件及相應的控制軟件，簡稱所設置的邏輯部件及相應的控制軟件，簡稱I/O口?？?。1

3、1、能進行地址譯碼和設、能進行地址譯碼和設備選擇備選擇; ;2 2、能實現數據緩沖和數、能實現數據緩沖和數據鎖存據鎖存; ;3 3、能完成信息格式和電、能完成信息格式和電平的轉換平的轉換; ;4 4、能保證數據傳送的定時、能保證數據傳送的定時與協(xié)調。與協(xié)調。7.1.2 輸入輸出接口的基本結構輸入輸出接口的基本結構CPU和外設之間通常傳遞的信息：數據、狀態(tài)、控制和外設之間通常傳遞的信息：數據、狀態(tài)、控制一、組成一、組成寄存器組、控制邏輯電路、主機與接口和接口與寄存器組、控制邏輯電路、主機與接口和接口與I/O設備之設備之間的信號聯(lián)接線、地址線、數據線等信號線。間的信號聯(lián)接線、地址線、數據線等信號線

4、。CPU控制電路控制電路DRSRCRI/O設備設備地址地址數據數據IO/MRDWR數據數據狀態(tài)狀態(tài)控制控制 數據數據寄存器寄存器 控制控制寄存器寄存器都由數據都由數據總線傳送總線傳送 狀態(tài)狀態(tài)寄存器寄存器接口電路中具有不同地址，可以由接口電路中具有不同地址，可以由CPU進行讀進行讀/寫操作的寄存寫操作的寄存器。通常有數據端口、狀態(tài)端口和控制端口。器。通常有數據端口、狀態(tài)端口和控制端口。u（一）數據口（一）數據口u數據：外設輸入給數據：外設輸入給CPU或從或從CPU輸出給外設的各種數據信息。輸出給外設的各種數據信息。u數據口用于完成輸入與輸出數據。數據口用于完成輸入與輸出數據。u（二）狀態(tài)口（二

5、）狀態(tài)口u狀態(tài)：反映外設當前工作狀態(tài)的信息。狀態(tài)：反映外設當前工作狀態(tài)的信息。如輸入設備是否準備好如輸入設備是否準備好（READY）；）；輸出設備是否忙（輸出設備是否忙（BUSY）等。等。u狀態(tài)（狀態(tài)（輸入）口，用于使輸入）口，用于使CPU了解外設狀態(tài)。了解外設狀態(tài)。u（三）控制口（三）控制口u控制：控制：CPU發(fā)出的對外設或接口的控制信息。如外設的啟動或停止，接發(fā)出的對外設或接口的控制信息。如外設的啟動或停止，接口的工作模式設置等?？诘墓ぷ髂Ｊ皆O置等。u控制（輸出）口，用于完成控制（輸出）口，用于完成CPU的控制操作。的控制操作。u數據信息、控制信息和狀態(tài)信息都由數據線傳送，因此要通過不同的

6、端數據信息、控制信息和狀態(tài)信息都由數據線傳送，因此要通過不同的端口來區(qū)分?？趤韰^(qū)分。二、端口的概念二、端口的概念7.1.3 I/O接口分類接口分類n1、傳送方式、傳送方式n并行和串行并行和串行串行接口串行接口：接口與外設之間以：接口與外設之間以串行方式傳送數據，即每個字串行方式傳送數據，即每個字或字節(jié)逐位依次傳送?；蜃止?jié)逐位依次傳送。n3、協(xié)調配合方式協(xié)調配合方式n程序傳送、中斷傳送、程序傳送、中斷傳送、DMAn4、電路規(guī)模、電路規(guī)模n簡單接口、可編程接口、外設接口適配器簡單接口、可編程接口、外設接口適配器并行接口并行接口：接口與外設之：接口與外設之間以并行方式傳送數據，間以并行方式傳送數據，

7、即各位數據同時傳送。即各位數據同時傳送。n2、收發(fā)配合方式收發(fā)配合方式n同步和異步同步和異步傳送方式傳送方式7.1.4 輸入輸出接口的編址方式輸入輸出接口的編址方式n在接口電路中通常都具有多個可由在接口電路中通常都具有多個可由CPU進行讀寫進行讀寫操作的寄存器操作的寄存器端口。不同計算機對端口的編端口。不同計算機對端口的編址方式不同。址方式不同。l2、I/O端口獨立編址端口獨立編址給給I/O接口中的各端口提接口中的各端口提供與存儲器空間完全分供與存儲器空間完全分開、完全獨立的開、完全獨立的I/O地址地址空間?？臻g。l1、存儲器統(tǒng)一編址、存儲器統(tǒng)一編址將將I/O接口中的端口地接口中的端口地址與存

8、儲單元統(tǒng)一編址與存儲單元統(tǒng)一編址。址。優(yōu)點優(yōu)點：訪存指令可訪問端口，：訪存指令可訪問端口，指令類型多；端口地址空間指令類型多；端口地址空間大。大。缺點缺點：占用存儲器空間；速：占用存儲器空間；速度慢。度慢。優(yōu)點優(yōu)點：專門的：專門的I/O指令，與訪指令，與訪存分開；執(zhí)行速度快；不占存分開；執(zhí)行速度快；不占內存地址空間。內存地址空間。缺點缺點：端口地址范圍小。：端口地址范圍小。7.2 主機與外設間的信息傳送方式主機與外設間的信息傳送方式 一、程序直接控制傳遞方式一、程序直接控制傳遞方式二、程序中斷控制方式二、程序中斷控制方式三、直接內存訪問方式三、直接內存訪問方式DMA四、輸入、輸出處理機方式四、

9、輸入、輸出處理機方式7.2.1 程序直接控制傳送方式程序直接控制傳送方式優(yōu)點：優(yōu)點：n較好協(xié)調主機與外設之間的時間差異；較好協(xié)調主機與外設之間的時間差異；n所用硬件少。所用硬件少。J缺點：缺點：n主機與外設只能串行工作，主機與外設只能串行工作，CPU效率低；效率低；n主機一個時間段只能與一個外設進行通信主機一個時間段只能與一個外設進行通信。讀外設狀態(tài)讀外設狀態(tài)就緒？就緒？讀讀/寫寫YN一、無條件傳送方式一、無條件傳送方式 無需了解外設狀態(tài)，但要求外設隨無需了解外設狀態(tài)，但要求外設隨時處于準備好的狀態(tài)。時處于準備好的狀態(tài)。二、有條件傳送方式二、有條件傳送方式查詢式傳送查詢式傳送 外設工作情況無法

10、預先知道或無外設工作情況無法預先知道或無規(guī)律時一般采用。規(guī)律時一般采用。 適用于對主機速度要求不高，外適用于對主機速度要求不高，外設數量不多的場合。設數量不多的場合。7.2.2 中斷傳送方式中斷傳送方式n中斷中斷CPU暫時中止當前程序運行，轉而暫時中止當前程序運行，轉而處理意外出現的情況或有意安排的任務，在處理意外出現的情況或有意安排的任務，在處理結束后能自動恢復原程序的執(zhí)行。處理結束后能自動恢復原程序的執(zhí)行。n優(yōu)點優(yōu)點：主機可以與一個或多個外設并行工作，：主機可以與一個或多個外設并行工作，提高了提高了CPU的效率。的效率。n缺點缺點：執(zhí)行中斷服務程序時，保護斷點等工：執(zhí)行中斷服務程序時，保護

11、斷點等工作占用時間，難以滿足成批快速交換數據的作占用時間，難以滿足成批快速交換數據的要求。要求。7.2.3 直接存儲器訪問直接存儲器訪問DMA方式方式n 前兩種方式以前兩種方式以CPUCPU為中心，占用為中心，占用CPUCPU時間，時間，DMADMA方式以內存為中心，由專門的方式以內存為中心，由專門的 DMADMA控制器向控制器向CPUCPU請請求并接管總線的控制權，但需要利用系統(tǒng)的地址、求并接管總線的控制權，但需要利用系統(tǒng)的地址、數據和控制總線。數據和控制總線。一、一、 DMA方式的定義方式的定義 直接存儲器存取方式直接存儲器存取方式DMA（Direct Memory Access）方式，是

12、一種沒有方式，是一種沒有CPU參與的、在高速外參與的、在高速外設與存儲器之間直接進行數據傳輸的控制方式設與存儲器之間直接進行數據傳輸的控制方式。二、特點：數據傳送速度快，是高速外設與主機之間二、特點：數據傳送速度快，是高速外設與主機之間成批交換數據的有效方式。但有局限性，適合外設成批交換數據的有效方式。但有局限性，適合外設不多的微小型計算機系統(tǒng)。不多的微小型計算機系統(tǒng)。7.2.4 輸入輸出處理機輸入輸出處理機(IOP)方式方式n 有單獨的存儲器和獨立的運算部件，可訪問有單獨的存儲器和獨立的運算部件，可訪問系統(tǒng)的內部存儲器。系統(tǒng)的內部存儲器。n功能：功能：除數據傳輸外，還應能處理傳送過程中出除數

13、據傳輸外，還應能處理傳送過程中出錯及異常情況，數據格式翻譯，數據塊校驗。錯及異常情況，數據格式翻譯，數據塊校驗。n特點：特點：由專門的輸入輸出處理機來管理外設，提由專門的輸入輸出處理機來管理外設，提高主機的工作效率。應用于大、中型計算機系統(tǒng)高主機的工作效率。應用于大、中型計算機系統(tǒng)或分布式計算機系統(tǒng)?；蚍植际接嬎銠C系統(tǒng)。7.3 中斷控制技術中斷控制技術7.3.1 中斷的概念中斷的概念一、基本概念一、基本概念中斷中斷： CPU暫時中止當前程序運行，轉而處理意暫時中止當前程序運行，轉而處理意外出現的情況或有意安排的任務，在處理結束后外出現的情況或有意安排的任務，在處理結束后能自動恢復原程序的執(zhí)行。

14、能自動恢復原程序的執(zhí)行。中斷請求中斷請求：當外設準備好后，向：當外設準備好后，向CPU發(fā)出要求傳送發(fā)出要求傳送數據的信號，稱為中斷請求。數據的信號，稱為中斷請求。禁止中斷禁止中斷：外設發(fā)出中斷請求后，由于某種條件的：外設發(fā)出中斷請求后，由于某種條件的存在，存在，CPU不能中止現行程序的執(zhí)行，稱為禁止不能中止現行程序的執(zhí)行，稱為禁止中斷。中斷。一般在一般在CPU內部設有一個內部設有一個“中斷允許中斷允許”觸發(fā)器，由軟件控觸發(fā)器，由軟件控制其狀態(tài)。只有該觸發(fā)器為制其狀態(tài)。只有該觸發(fā)器為“1”狀態(tài)時，才允許狀態(tài)時，才允許CPU響響應中斷應中斷允許中斷允許中斷，否則禁止中斷。，否則禁止中斷。n中斷源中

15、斷源：在機器中引起中斷產生的事件或發(fā)生：在機器中引起中斷產生的事件或發(fā)生中斷請求的來源統(tǒng)稱為中斷源。中斷請求的來源統(tǒng)稱為中斷源。u1、一般的輸入輸出設備：鍵盤，打印機，鼠標等。、一般的輸入輸出設備：鍵盤，打印機，鼠標等。u2、數據通道中斷源：軟盤，硬盤等。、數據通道中斷源：軟盤，硬盤等。u3、實時時鐘：用外部時鐘定時發(fā)出中斷信號，由、實時時鐘：用外部時鐘定時發(fā)出中斷信號，由CPU進行進行處理。處理。u4、故障源：電源掉電，內存出錯，輸入輸出出錯等。、故障源：電源掉電，內存出錯，輸入輸出出錯等。u5、測試程序設置的中斷源：如單步運行和斷點運行。、測試程序設置的中斷源：如單步運行和斷點運行。內部中

16、斷內部中斷:由機器內部產生的中斷。由機器內部產生的中斷。l電源故障、主機設備故障、運算產生故障（溢出、電源故障、主機設備故障、運算產生故障（溢出、除數為零、非法格式等）、定時時鐘中斷等。除數為零、非法格式等）、定時時鐘中斷等。外部中斷：由外設引起的中斷。外部中斷：由外設引起的中斷。l可屏蔽中斷（可屏蔽中斷（INTR）和非屏蔽中斷（和非屏蔽中斷（NMI）。）。CPU主程序中斷請求中斷請求中斷響應中斷返回中斷服務程序中斷服務程序中斷服務程序：為處理意：為處理意外情況或有意安排的任務外情況或有意安排的任務而編寫的程序。而編寫的程序。中斷響應中斷響應：CPU接到中斷接到中斷請求信號，若請求信號，若某種

17、條件滿某種條件滿足（允許中斷），就保存足（允許中斷），就保存斷點，找到中斷服務程序斷點，找到中斷服務程序入口，轉至中斷服務程序入口，轉至中斷服務程序執(zhí)行，執(zhí)行，在中斷服務結束后在中斷服務結束后恢復斷點，繼續(xù)原程序的恢復斷點，繼續(xù)原程序的執(zhí)行（執(zhí)行（中斷返回中斷返回），這個），這個過程過程稱作中斷響應。稱作中斷響應。斷點二、二、CPU響應可屏蔽中斷的條件及過程響應可屏蔽中斷的條件及過程（一）條件（一）條件1、中斷源有中斷請求；、中斷源有中斷請求；2、CPU允許接受中斷請求；允許接受中斷請求；3、一般一條指令執(zhí)行完畢后、一般一條指令執(zhí)行完畢后CPU才能響應中斷。才能響應中斷。（二）中斷響應過程（二

18、）中斷響應過程1、關中斷；關中斷；2、保護斷點、保存現場；、保護斷點、保存現場；3、開中斷；、開中斷；4、執(zhí)行中斷服務程序；、執(zhí)行中斷服務程序；5、關中斷，恢復現場、恢復斷點；、關中斷，恢復現場、恢復斷點；6、開中斷，返回斷點。、開中斷，返回斷點。取指令取指令執(zhí)行指令執(zhí)行指令中斷？中斷？響應中斷響應中斷關中斷、保護斷點、保存關中斷、保護斷點、保存現場、開中斷現場、開中斷執(zhí)行中斷服務程序執(zhí)行中斷服務程序Y關中斷、恢復現場、開中斷關中斷、恢復現場、開中斷返回斷點返回斷點N例：對于例：對于8086， IF=1 時允許中斷申請時允許中斷申請(開中開中斷）斷）；IF=0 時禁止中斷申請時禁止中斷申請(關

19、中斷關中斷)。由指令。由指令STI和和CLI軟件設置。軟件設置。中斷系統(tǒng)就是完成一次中斷操作的全過程所需中斷系統(tǒng)就是完成一次中斷操作的全過程所需要的各種部件及其相互關系。要的各種部件及其相互關系。1、中斷請求的檢測與中斷響應的控制、中斷請求的檢測與中斷響應的控制CPU必須有識別中斷源的電路；必須有識別中斷源的電路；當外部中斷源申請中斷時，當外部中斷源申請中斷時，CPU是否響應還是否響應還要取決于其內部的中斷允許設置要取決于其內部的中斷允許設置。斷點：斷點：程序被中斷的地址。程序被中斷的地址。斷點需保存，以備恢復執(zhí)行斷點需保存，以備恢復執(zhí)行時使用，保存斷點的地方稱時使用，保存斷點的地方稱為棧區(qū)。

20、為棧區(qū)。CPU主程序中斷請求中斷響應中斷返回中斷服務程序斷點中斷矢量2、斷點的保護、斷點的保護中斷矢量中斷矢量：實際上就是一個指：實際上就是一個指針，它指向中斷服務程序起始針，它指向中斷服務程序起始地址（入口地址）。地址（入口地址）。（1）多個中斷源申請中斷時，）多個中斷源申請中斷時，CPU根據預先根據預先設定的設定的中斷優(yōu)先級別進行處理中斷優(yōu)先級別進行處理，先為高優(yōu)先，先為高優(yōu)先級中斷服務，然后再為低優(yōu)先級中斷服務。級中斷服務，然后再為低優(yōu)先級中斷服務。（2）具有）具有多重中斷的能力多重中斷的能力。u多重中斷就是多重中斷就是CPU在執(zhí)行某一中斷服務程在執(zhí)行某一中斷服務程序后，如果開中斷序后，

21、如果開中斷，則則 CPU還可以接受較高還可以接受較高級的中斷申請，執(zhí)行其中斷服務程序，形成級的中斷申請，執(zhí)行其中斷服務程序，形成多重中斷（也稱為多重中斷（也稱為中斷嵌套中斷嵌套）。）。3、實現實現多重中斷判別的能力多重中斷判別的能力1 1、總線作用、總線作用 多個部件之間公用的傳送信息的一組連線，多個部件之間公用的傳送信息的一組連線，負責計算機各部件進行數據交換、控制信號、負責計算機各部件進行數據交換、控制信號、地址信號的發(fā)送和接收。地址信號的發(fā)送和接收。2 2、總線組成、總線組成信號線、總線控制器、收發(fā)電路、轉換器等信號線、總線控制器、收發(fā)電路、轉換器等3 3、總線分類、總線分類傳遞信息傳遞

22、信息: :并行總線、串行總線并行總線、串行總線總線位置總線位置: :器件總線、內部總線、外部總線器件總線、內部總線、外部總線7.4.1 總線的作用與分類總線的作用與分類(1) (1) 并行總線：多條線同時傳遞所有的二進制數位。并行總線：多條線同時傳遞所有的二進制數位。l多位同時傳遞信息，速度快，結構復雜。多位同時傳遞信息，速度快，結構復雜。l計算機部件之間大量采用。計算機部件之間大量采用。(2) (2) 串行總線串行總線: :多位二進制信息公用一位信號線傳遞。多位二進制信息公用一位信號線傳遞。l速度慢，但結構簡單。速度慢，但結構簡單。l部件之間距離較遠時部件之間距離較遠時, ,采用串行總線可降

23、低成本。采用串行總線可降低成本。4 4、總線功能、總線功能傳遞信息傳遞信息5 5、總線位置、總線位置(1)(1)器件總線器件總線: :大規(guī)模集成電路中采用的通信總線。大規(guī)模集成電路中采用的通信總線。(2)(2)內部總線內部總線: :計算機機箱內各部件之間的總線。計算機機箱內各部件之間的總線。(3)(3)外部總線外部總線: :主機與外部設備以及計算機與計算機之主機與外部設備以及計算機與計算機之間使用的總線。間使用的總線。l1、物理特性物理特性：指總線的物理連接方式，包括總線指總線的物理連接方式，包括總線條數、連線的插頭、和插座形狀、引腳排列方式條數、連線的插頭、和插座形狀、引腳排列方式和次序等。

24、和次序等。l2、功能特性功能特性：描述總線中每一條線的功能。如地描述總線中每一條線的功能。如地址總線址總線ABAB，數據總線數據總線DBDB和控制總線和控制總線CBCB。 相同的指令系統(tǒng)，相同的功能，不同廠家生產的各功相同的指令系統(tǒng)，相同的功能，不同廠家生產的各功能部件在實現方法上幾乎沒有相同的，但各廠家生產的相同能部件在實現方法上幾乎沒有相同的，但各廠家生產的相同功能部件卻可以互換使用，其原因在于它們都遵守了相同的功能部件卻可以互換使用，其原因在于它們都遵守了相同的系統(tǒng)總線的要求，這就是系統(tǒng)總線的標準化問題。系統(tǒng)總線的要求，這就是系統(tǒng)總線的標準化問題。l3、電氣特性電氣特性：每條線上的信號傳

25、送方向、有效電每條線上的信號傳送方向、有效電平范圍。平范圍。l4、時間特性時間特性：每條線上的信號在什么時間上有效。每條線上的信號在什么時間上有效?？偩€帶寬是衡量總線性能的重要指標，總線帶寬是衡量總線性能的重要指標，單位：兆字節(jié)每秒單位：兆字節(jié)每秒(MB/s)。【例】例】(1)某總線在一個總線周期中并行傳送某總線在一個總線周期中并行傳送4個字個字節(jié)的數據，假設一個總線周期等于一個總線時鐘周節(jié)的數據，假設一個總線周期等于一個總線時鐘周期，總線時鐘頻率為期，總線時鐘頻率為33MHz，則總線帶寬是多少則總線帶寬是多少? (2)如果一個總線周期中并行傳送如果一個總線周期中并行傳送64位數據，總線位數據

26、，總線時鐘頻率升為時鐘頻率升為66MHz，則總線帶寬是多少則總線帶寬是多少?解解(1)設總線帶寬用設總線帶寬用Dr表示，總線時鐘周期用表示，總線時鐘周期用T=1/f表示，一個總線周期傳送的數據量用表示，一個總線周期傳送的數據量用D表示，表示， 根據定義可得根據定義可得 ：Dr = D/T = D1/T = Df =4B33106/s=132MB/s(2)64位位=8B， Dr= Df =8B66 106/ s=528MB/s 總線帶寬總線帶寬：總線本身所能達到的最高傳輸速率?？偩€本身所能達到的最高傳輸速率。 多數計算機采用了分層次的多總線結構。在多數計算機采用了分層次的多總線結構。在這種結構中

27、，速度差異大的設備使用不同速度的這種結構中，速度差異大的設備使用不同速度的總線?？偩€。 Pentium 計算機主板就是一個三層次的多計算機主板就是一個三層次的多總線結構，即有總線結構，即有CPU總線、總線、PCI總線和總線和ISA總線?？偩€。 CPU總線總線：也稱：也稱CPU存儲器總線，它是一個存儲器總線，它是一個64位數據線和位數據線和32位地址線的同步總線?？偩€時鐘位地址線的同步總線。總線時鐘頻率為頻率為66MHZ、100MHZ等，等，CPU內部時鐘是此內部時鐘是此時鐘頻率的倍頻（超頻）?？梢园褧r鐘頻率的倍頻（超頻）?？梢园袰PU總線看成總線看成是是CPU引腳信號的延伸。引腳信號的延伸。數據寬度數據寬度16位位/8位，工作頻率位，工作頻率8MHz，傳輸速率傳輸速率8MB/s，24位地址線。位地址線。適合速度要求不太高的板卡和外設。適合速度要求不太高的板卡和外設。分兩組，長的一組用于插分兩組，長的一組用于插8位的與位的與ISA兼容的板卡。兼容的板卡。該總線支持該總線支持7個個DMA通道和通道和15級可屏蔽硬件