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文檔簡介
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n計算機的輸入輸出系統(tǒng)n微型計算機的外部設(shè)備n微型計算機的總線技術(shù)n基本輸入/輸出接口n微型計算機的中斷技術(shù)n微型計算機中的DMA通道計算機的輸入/輸出系統(tǒng)n輸入輸出系統(tǒng)的基本組成n適配器電路n適配器電路及其相應(yīng)的程序稱為接口n接口管理程序n將用戶編制的程序(或數(shù)據(jù))輸入主機內(nèi)n將運算結(jié)果返回給用戶n實現(xiàn)I/O系統(tǒng)與主機之間協(xié)調(diào)地工作n輸入/輸出設(shè)備外存設(shè)備接口顯示/聲音設(shè)備接口工業(yè)控制接口通信設(shè)備接口輸入設(shè)備控制器輸出設(shè)備控制器CPU 和主存硬盤、磁盤、磁帶、光盤顯示器、音箱數(shù)/模、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)卡鍵盤、鼠標(biāo)、光筆激光打印機、針式
2、打印機計算機 I/O 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖n設(shè)備編碼的方法n統(tǒng)一編址n用主存的低地址中256個字節(jié)作為設(shè)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(shè)備的訪問n特點n占用一部分存儲空間,減少了用戶使用主存的范圍n不需要專用的I/O指令nI/O獨立編址n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,OUTn特點n不占用主存空間n但需要專用的I/O指令nI/O接口電路nI/O接口電路的作用n實現(xiàn)設(shè)備的辨識和選擇n實現(xiàn)主機和設(shè)備之間的速度匹配n實現(xiàn)串 - 并格式的轉(zhuǎn)換n實現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換n計算機對設(shè)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n接口監(jiān)視設(shè)備的工作狀態(tài),并
3、保存狀態(tài)信息,供CPU查詢n總線連接方式的接口電路n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)n設(shè)備選擇線:又稱為地址線(設(shè)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(shè)備發(fā)送設(shè)備碼,另一組用于設(shè)備向主機回送設(shè)備碼。n控制線:包括命令線和狀態(tài)線n命令線:用以傳輸CPU向設(shè)備發(fā)送的各種命令n狀態(tài)線:I/O設(shè)備的狀態(tài)報告給主機。I/O接口I/O接口設(shè)備設(shè)備.I/O總線I/O總線和接口部件:數(shù)據(jù)線:狀態(tài)線:地址線:命令線n接口的功能和組成n識別設(shè)備nCPU發(fā)送一個設(shè)備碼,各設(shè)備的接口電路將該設(shè)備碼和自身的設(shè)備碼進行比較,如果一致的話,向CP
4、U回送該設(shè)備碼,然后系統(tǒng)總線由該設(shè)備占用。n一般來講,一次只能選擇一個設(shè)備,該設(shè)備被選擇后,系統(tǒng)總線由該設(shè)備占用n將命令通過接口送到設(shè)備nCPU發(fā)送命令,接口中設(shè)有命令緩沖寄存器和命令譯碼器。n傳送數(shù)據(jù)的功能n接口處于主機和外部設(shè)備之間,通過接口才能實現(xiàn)主給與外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送n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)n反映設(shè)備工作狀態(tài)的功能n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)備的運行情況及時地反饋到系統(tǒng)n接口電路的數(shù)據(jù)傳送方式n接口的分類按傳輸二進制位數(shù)進行分類n并行接口n一次傳送一個字節(jié)或一個字n例如:打印機n串行接口n一次傳送一位二進制代碼n主要用于驅(qū)動傳輸距離較
5、遠的設(shè)備n接口的分類 按I/O與主機信息傳送的控制方式n程序查詢方式n傳輸方式簡單n工作中一直要占用CPU,極大地影響了CPU的工作效率n中斷n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nCPU相應(yīng)中斷后,必須要停止現(xiàn)在運行的程序,轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序n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nDMAnCPU工作效率近一步提高n實現(xiàn)了主存和I/O設(shè)備之間的直接數(shù)據(jù)傳輸。n通道n用來負(fù)責(zé)管理I/O設(shè)備以及實現(xiàn)主存與I/O設(shè)備之間交換信息的部件,它可視為一種具有特殊功能的處理器n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
6、入輸出程序n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n程序查詢的工作方式n保存寄存器的內(nèi)容n進行初始化的設(shè)置:如主機和設(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n取設(shè)備狀態(tài)標(biāo)記,看設(shè)備是否準(zhǔn)備就緒nCPU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),同時將設(shè)備的輸出狀態(tài)標(biāo)記復(fù)位n修改內(nèi)存緩沖區(qū)地址計數(shù)器n判斷數(shù)據(jù)是否傳送完畢,未完成,則重新啟動設(shè)備繼續(xù)傳輸n結(jié)束打印傳輸,執(zhí)行其它的程序n微型計算機的外部設(shè)備n鍵盤n鼠標(biāo)n打印機n顯示器n多媒體外部設(shè)備n微型計算機的總線技術(shù)n總線:CPU、主存、I/O各大部件之間
7、的數(shù)據(jù)傳輸線n系統(tǒng)總線的組成n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n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n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n總線的分類n數(shù)據(jù)傳輸線:包括地址線、數(shù)據(jù)線、控制線n中斷信號線:中斷請求線、中斷認(rèn)可線n總線仲裁信號線:總線請求線、總線請求允許線n系統(tǒng)線:電源線、地線、復(fù)位線n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n總線性能指標(biāo)n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n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。n例如:總線的工作頻率為33MHz,假設(shè)
8、總線的寬度為32位,則總線的傳輸率為 33M * 32 = 132 MB/sn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n總線復(fù)用:地址總線和數(shù)據(jù)總線共用一組線路,某一時刻傳輸?shù)刂沸盘?,另一時刻傳送數(shù)據(jù)。n信號線數(shù):地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線的總和n總線控制方式:包括并發(fā)工作方式、仲裁工作方式n其它:如總線是否能擴展到64位,電源電壓是5V還是3.3Vn總線的連接方式n單總線結(jié)構(gòu)nCPU、主存和I/O設(shè)備都在一組總線上,所有設(shè)備共享總線,造成計算機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸瓶頸n多總線結(jié)構(gòu)nI/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
9、信息I/O接口1 I/O接口2I/O接口n主存CPU單總線結(jié)構(gòu)框圖主存CPUI/O接口I/O接口1I/O接口n雙總線結(jié)構(gòu)框圖n總線標(biāo)準(zhǔn)中的 “即插即用” 技術(shù)n“即插即用” 技術(shù)是自動設(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n工作過程n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n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n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配,并盡可能地避免沖突n設(shè)置過程:將資源配置的結(jié)果提供給每個接口卡n幾種常用的總線標(biāo)準(zhǔn)nISA總線標(biāo)準(zhǔn)(工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu))n又稱AT總線標(biāo)準(zhǔn)。IBM公司
10、為286計算機指定的工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)n特點n總線寬度16位n總線頻率為8MHz,最大傳輸速率為16MB/sn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(shè)備(具有申請總線控制權(quán)的設(shè)備)nEISA(Extended Industrial Standard Architecture)n在ISA總線基礎(chǔ)上擴充開放的總線標(biāo)準(zhǔn),與ISA總線可以完全兼容。n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n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nPCI局部總線標(biāo)準(zhǔn)nSIG(美國計算機協(xié)會專業(yè)集團)提出的新一代64為總線標(biāo)準(zhǔn)。與EISA、ISA總線完全兼容
11、n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(shè)備過程中,CPU可執(zhí)行其它操作n數(shù)據(jù)線為32位,可擴充到64位,數(shù)據(jù)傳輸率達132MB/s246MB/s。nUSB總線標(biāo)準(zhǔn)n特點n可雙向傳輸數(shù)據(jù)n支持即插即用n傳輸速度高:12MB/sn內(nèi)置的電源供給n提供對電話的雙路數(shù)據(jù)支持n高保真音頻n基本輸入輸出接口n80X86系列微機中的I/O接口nI/O指令nOUT DX, AX 向I/O設(shè)備傳送信息的命令nIN AX, DX 從I/O設(shè)備讀出信息的命令nAX 用來存放于I/O設(shè)備傳送的信息 DX 用來存放訪問的端口地址n指令中的I/O地址,稱為端口。8位端口地址是優(yōu)先使用的,這樣
12、可以減少譯碼電路的數(shù)量。n獨立編址I/OnINTEL系列的PC機中,I/O傳送技術(shù)采用的是存儲器獨立編址n8位端口地址用于驅(qū)動主板上的設(shè)備,如時鐘、鍵盤n16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n0000H 03FFH為INTEL微機中的系統(tǒng)保留區(qū)n0400H FFFFH之間的端口地址一般由用戶使用新的外部設(shè)備n基本輸入輸出端口Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7A0A1A2A3A4A5A6A71G2GGND電 阻VCC片選數(shù)據(jù)總線Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7D0D1D2D3D4D5D6D7OCCLK數(shù)據(jù)總線VCCGND片選ABCY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7G1G2AG2
13、BA0A1A2A3A4A5A6A70E8H0E9H0EAH0EBH0ECH0EDH0EEH0EFH8位I/O端口的譯碼ABCY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7G1G2AG2BA0A1A2系統(tǒng)控制線A7A30FFF8H0FFF9H0FFFAH0FFFBH0FFFCH0FFFDH0FFFEH0FFFFHA15A816位I/O端口的譯碼設(shè)計一個設(shè)計一個I/O端口譯碼器,使用一個端口譯碼器,使用一個3-8譯碼器給出譯碼器給出8位位I/O端口地址端口地址20H、22H、24H、26H、28H、2AH、2CH、2EH的譯碼信號。的譯碼信號。 A Y0B Y1C Y2Y3Y4G1 Y5G2A Y6G2B Y7
14、A1A2A3A5+20H22H24H26H28H2AH2CH2EHA0A4A6A7n微型計算機的中斷技術(shù)n中斷的概念n計算機在執(zhí)行程序的過程中,當(dāng)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n把實現(xiàn)中斷所需要的軟硬件技術(shù)稱為中斷技術(shù)n中斷接口電路的組成n基本概念n中斷源:凡能向CPU提出中斷請求的各種因素,同稱為中斷源nCPU在任何瞬間只能接受一個中斷源的請求n接口電路的組成n中斷請求觸發(fā)器和中斷屏蔽觸發(fā)器n完成觸發(fā)器D:當(dāng)設(shè)備欲提出中斷請求時,設(shè)備本身準(zhǔn)備就緒,也即完成觸發(fā)器D必須為“1”n中斷請求觸發(fā)
15、器:發(fā)出中斷請求信號n中斷屏蔽觸發(fā)器:屏蔽優(yōu)先級較低設(shè)備的中斷請求n排隊器n只能有一個輸出為1n中斷向量地址形成部件n中斷向量位數(shù)與計算機可以處理中斷源的個數(shù)有關(guān),即一個中斷源對應(yīng)一個向量地址排隊電路INTP1INTP2INTP3INTP4中斷源1中斷源2中斷源3中斷源4中斷向量地址形成部件中斷向量INTP1INTPn服務(wù)程序入口1服務(wù)程序入口2服務(wù)程序入口3打印機服務(wù)程序聲卡服務(wù)程序鍵盤服務(wù)程序向量地址1向量地址2向量地址3服務(wù)程序入口1服務(wù)程序入口2服務(wù)程序入口3通過向量地址尋找入口地址n中斷的處理過程n中斷請求n中斷源向CPU發(fā)出中斷的要求n中斷判優(yōu)n將中斷源信號經(jīng)過排隊電路,通過優(yōu)先級
16、選出中斷的優(yōu)先排序n中斷響應(yīng)nCPU響應(yīng)中斷的條件和時間nCPU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(guān)中斷指令或硬件使其復(fù)位)nCPU響應(yīng)中斷的時間一定是在每條指令執(zhí)行階段的結(jié)束時刻n中斷服務(wù)程序流程n保護現(xiàn)場n保存程序的斷點(中斷隱指令)n保存通用寄存器和狀態(tài)寄存器的內(nèi)容(中斷服務(wù)程序)n中斷服務(wù)n中斷服務(wù)程序的主體部分,不同的中斷請求源的中斷服務(wù)操作內(nèi)容是不同的n恢復(fù)現(xiàn)場n退出服務(wù)程序前,將原程序中斷時的“現(xiàn)場”恢復(fù)到原來的寄存器中n中斷返回n返回到原程序的斷點處,以便繼續(xù)執(zhí)行原程序取指令執(zhí)行指令中斷否?中斷響應(yīng)程序斷點進棧關(guān)中斷向量地址PC保護現(xiàn)場設(shè)備服務(wù)恢復(fù)現(xiàn)場
17、開中斷中斷返回否是中斷服務(wù)程序中斷周期取指令執(zhí)行指令中斷否?中斷響應(yīng)程序斷點進棧關(guān)中斷向量地址PC保護現(xiàn)場設(shè)備服務(wù)恢復(fù)現(xiàn)場中斷返回否是中斷服務(wù)程序中斷周期開中斷nDMA(Direct Memory Access直接存儲器存?。┓绞街鞔鍭CC中斷接口DMA接口I/O設(shè)備輸入指令輸出指令DMA和程序中斷兩種方式的數(shù)據(jù)通路nDMA與主存交換數(shù)據(jù)的方式n停止CPU訪問主存n工作過程n當(dāng)外設(shè)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(guān)控制線的使用權(quán)。nDMA接口獲得總線控制權(quán)后,開始進行數(shù)據(jù)傳送。n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
18、控制權(quán)交給CPUn特點n控制簡單nDMA接口訪存時,CPU基本處于不工作狀態(tài)或保持原狀態(tài)n周期挪用(周期竊取)n工作方式n每當(dāng)I/O設(shè)備發(fā)出DMA請求時,I/O設(shè)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nI/O設(shè)備要求DMA傳送會遇到三種情況: 1 CPU不需要訪問主存 2 I/O要求DMA傳送時,CPU正在訪存 3 I/O設(shè)備要求訪存時,CPU也要求訪存n特點n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nDMA與CPU交替訪存n工作方式n適合于CPU的工作周期比主存存取周期長的情況。n例如:CPU的工作周期為1.2us,主
19、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n特點n不需要總線使用權(quán)的申請和歸還的過程nCPU既不停止主程序的運行也不進入等待狀態(tài)nDMA接口的功能和組成n功能n向CPU申請DMA傳送n在CPU允許DMA工作時,處理總線控制權(quán)的轉(zhuǎn)交n在DMA期間管理總線,控制數(shù)據(jù)傳輸n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n在數(shù)據(jù)塊傳送結(jié)束時,給出DMA操作完成的信號n組成n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n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?jǐn)?shù)的補碼值預(yù)置。在DMA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。
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