第七章计算机输入输出系统与接口技术.ppt

第七章 计算机输入输出系统与 接口技术本章主要内容n计算机的输入输出系统n微型计算机的外部设备n微型计算机的总线技术n基本输入/输出接口n微型计算机的中断技术n微型计算机中的DMA通道计算机的输入/输出系统n输入输出系统的基本组成n适配器电路n适配器电路及其相应的程序称为接口n接口管理程序n将用户编制的程序（或数据）输入主机内n将运算结果返回给用户n实现I/O系统与主机之间协调地工作n输入/输出设备外存设备接口显示/声音设备接口工业控制接口通信设备接口输入设备控制器输出设备控制器CPU 和主存硬盘、磁盘、磁带、光盘显示器、音箱数/模、模/数转换器调制解调器、网卡键盘、鼠标、光笔激光打印机、针式打印机计算机 I/O 系统结构图n设备编码的方法n统一编址n用主存的低地址中256个字节作为设备访问的地址，采用一般的访存指令LDA，STA就可以实现对设备的访问n特点n占用一部分存储空间，减少了用户使用主存的范围n不需要专用的I/O指令nI/O独立编址n主存的地址和I/O的地址是分开的，需要专门的指令进行访问，如IN，OUTn特点n不占用主存空间n但需要专用的I/O指令nI/O接口电路nI/O接口电路的作用n实现设备的辨识和选择n实现主机和设备之间的速度匹配n实现串-并格式的转换n实现电平的转换n计算机对设备的使用是通过接口发送命令实现的，接口需支持系统的命令n接口监视设备的工作状态，并保存状态信息，供CPU查询n总线连接方式的接口电路n数据线：是I/O与主机之间数据代码的传送线，根数一般等于存储字长的位数或字符的位数n设备选择线：又称为地址线（设备号可以看作是地址号），可以有一组，也可以有两组，一组用于主机向设备发送设备码，另一组用于设备向主机回送设备码。n控制线：包括命令线和状态线n命令线：用以传输CPU向设备发送的各种命令n状态线：I/O设备的状态报告给主机。n总线连接方式的接口电路n数据线：是I/O与主机之间数据代码的传送线，根数一般等于存储字长的位数或字符的位数n设备选择线：又称为地址线（设备号可以看作是地址号），可以有一组，也可以有两组，一组用于主机向设备发送设备码，另一组用于设备向主机回送设备码。n控制线：包括命令线和状态线n命令线：用以传输CPU向设备发送的各种命令n状态线：I/O设备的状态报告给主机。I/O接口I/O接口设备设备.I/O总线I/O总线和接口部件：数据线：状态线：地址线：命令线n接口的功能和组成n识别设备nCPU发送一个设备码，各设备的接口电路将该设备码和自身的设备码进行比较，如果一致的话，向CPU回送该设备码，然后系统总线由该设备占用。n一般来讲，一次只能选择一个设备，该设备被选择后，系统总线由该设备占用n将命令通过接口送到设备nCPU发送命令，接口中设有命令缓冲寄存器和命令译码器。n传送数据的功能n接口处于主机和外部设备之间，通过接口才能实现主给与外部设备之间的数据传送n接口中设置有数据缓冲寄存器，用以将数据暂存在接口内n反映设备工作状态的功能n接口内设置一些反映设备工作状态的触发器，将设备的运行情况及时地反馈到系统n接口电路的数据传送方式n接口的分类按传输二进制位数进行分类n并行接口n一次传送一个字节或一个字n例如：打印机n串行接口n一次传送一位二进制代码n主要用于驱动传输距离较远的设备n接口的分类 按I/O与主机信息传送的控制方式n程序查询方式n传输方式简单n工作中一直要占用CPU，极大地影响了CPU的工作效率n中断n消除了程序查询方式中CPU”踏步”的现象，提高了CPU的工作效率nCPU相应中断后，必须要停止现在运行的程序，转入中断服务程序n为了完成I/O与主存之间交换信息，还要占用CPU内部的一些寄存器，也是对CPU资源的浪费n接口的分类 按I/O与主机信息传送的控制方式n程序查询方式n传输方式简单n工作中一直要占用CPU，极大地影响了CPU的工作效率n中断n消除了程序查询方式中CPU”踏步”的现象，提高了CPU的工作效率nCPU相应中断后，必须要停止现在运行的程序，转入中断服务程序n为了完成I/O与主存之间交换信息，还要占用CPU内部的一些寄存器，也是对CPU资源的浪费nDMAnCPU工作效率近一步提高n实现了主存和I/O设备之间的直接数据传输。n通道n用来负责管理I/O设备以及实现主存与I/O设备之间交换信息的部件，它可视为一种具有特殊功能的处理器n通道有专用的通道指令，它能独立地址行用通道指令编写的输入输出程序n不是一个完全独立的处理器，受CPU的I/O指令启动、停止或改变其工作状态，是从属于CPU的一个专用处理器n程序查询的工作方式n保存寄存器的内容n进行初始化的设置：如主机和设备之间交换数据的数目，设置欲传输数据在主存中的首地址n取设备状态标记，看设备是否准备就绪nCPU执行I/O指令，将数据送入到设备接口中的数据缓冲区内，同时将设备的输出状态标记复位n修改内存缓冲区地址计数器n判断数据是否传送完毕，未完成，则重新启动设备继续传输n结束打印传输，执行其它的程序n微型计算机的外部设备n键盘n鼠标n打印机n显示器n多媒体外部设备n微型计算机的总线技术n总线：CPU、主存、I/O各大部件之间的数据传输线n系统总线的组成n数据总线：双向，用于传送数据，一般为8位、16位、32位n地址总线：单向，指定数据所在存储单元的地址或I/O地址n控制总线：主要用于发出各种控制命令，如存储器的读/写命令n总线的分类n数据传输线：包括地址线、数据线、控制线n中断信号线：中断请求线、中断认可线n总线仲裁信号线：总线请求线、总线请求允许线n系统线：电源线、地线、复位线n待扩充线：用于一些特殊的功能，系统扩展或保留给用户使用n总线的分类n数据传输线：包括地址线、数据线、控制线n中断信号线：中断请求线、中断认可线n总线仲裁信号线：总线请求线、总线请求允许线n系统线：电源线、地线、复位线n待扩充线：用于一些特殊的功能，系统扩展或保留给用户使用n总线性能指标n总线带宽：数据总线的根数，体现了总线本身能达到的最高数据传输率n总线的传输率：总线上每秒能传输的最大字节数，用MB/s来表示。n例如：总线的工作频率为33MHz，假设总线的宽度为32位，则总线的传输率为 33M*32=132 MB/sn时钟同步/异步：总线上的数据与时钟同步工作的总线，称为同步总线，否则为异步总线n总线复用：地址总线和数据总线共用一组线路，某一时刻传输地址信号，另一时刻传送数据。n信号线数：地址总线、数据总线、控制总线的总和n总线控制方式：包括并发工作方式、仲裁工作方式n其它：如总线是否能扩展到64位，电源电压是5V还是3.3Vn总线的连接方式n单总线结构nCPU、主存和I/O设备都在一组总线上，所有设备共享总线，造成计算机系统的数据传输瓶颈n多总线结构nI/O设备可以和主存之间交换信息而不影响CPU的工作，CPU可以和主存之间交换信息I/O接口1 I/O接口2I/O接口n主存CPU单总线结构框图主存CPUI/O接口I/O接口1I/O接口n双总线结构框图n总线标准中的“即插即用”技术n“即插即用”技术是自动设置总线的技术，当外部接口卡插到主即接口电路板后立即可用n工作过程n查询过程：BIOS初始化所有的接口，搜索每个接口卡的卡号和所需要的资源n汇总过程：操作系统检查所有的接口的编号和需要的系统资源，进行汇总n分配过程：对汇总的结果，操作系统的资源仲裁程序进行资源的分配，并尽可能地避免冲突n设置过程：将资源配置的结果提供给每个接口卡n总线标准中的“即插即用”技术n“即插即用”技术是自动设置总线的技术，当外部接口卡插到主即接口电路板后立即可用n工作过程n查询过程：BIOS初始化所有的接口，搜索每个接口卡的卡号和所需要的资源n汇总过程：操作系统检查所有的接口的编号和需要的系统资源，进行汇总n分配过程：对汇总的结果，操作系统的资源仲裁程序进行资源的分配，并尽可能地避免冲突n设置过程：将资源配置的结果提供给每个接口卡n几种常用的总线标准nISA总线标准（工业标准总线结构）n又称AT总线标准。IBM公司为286计算机指定的工业总线标准n特点n总线宽度16位n总线频率为8MHz，最大传输速率为16MB/sn总线没有支持总线仲裁的硬件逻辑，因此它不能支持多台主设备（具有申请总线控制权的设备）nEISA（Extended Industrial Standard Architecture）n在ISA总线基础上扩充开放的总线标准，与ISA总线可以完全兼容。n它从CPU总分离出了总线控制权，是一种具有智能化的总线n时钟频率：8MHz，最大传输速率33MB/s，数据总线为32位，地址总线为32位nPCI局部总线标准nSIG（美国计算机协会专业集团）提出的新一代64为总线标准。与EISA、ISA总线完全兼容n有多级缓冲，可以把一批数据块写入缓冲器中。在这些数据不断写入PCI设备过程中，CPU可执行其它操作n数据线为32位，可扩充到64位，数据传输率达132MB/s246MB/s。nUSB总线标准n特点n可双向传输数据n支持即插即用n传输速度高：12MB/sn内置的电源供给n提供对电话的双路数据支持n高保真音频n基本输入输出接口n80X86系列微机中的I/O接口nI/O指令nOUT DX,AX 向I/O设备传送信息的命令nIN AX,DX 从I/O设备读出信息的命令nAX 用来存放于I/O设备传送的信息 DX 用来存放访问的端口地址n指令中的I/O地址，称为端口。8位端口地址是优先使用的，这样可以减少译码电路的数量。n基本输入输出接口n80X86系列微机中的I/O接口nI/O指令nOUT DX,AX 向I/O设备传送信息的命令nIN AX,DX 从I/O设备读出信息的命令nAX 用来存放于I/O设备传送的信息 DX 用来存放访问的端口地址n指令中的I/O地址，称为端口。8位端口地址是优先使用的，这样可以减少译码电路的数量。n独立编址I/OnINTEL系列的PC机中，I/O传送技术采用的是存储器独立编址n8位端口地址用于驱动主板上的设备，如时钟、键盘n16位端口地址用于驱动串行口、并行口、视频、磁盘驱动器等等n0000H 03FFH为INTEL微机中的系统保留区n0400H FFFFH之间的端口地址一般由用户使用新的外部设备n基本输入输出端口Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7A0A1A2A3A4A5A6A71G2GGND电 阻VCC片选数据总线Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7D0D1D2D3D4D5D6D7OCCLK数据总线VCCGND片选ABCY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7G1G2AG2BA0A1A2A3A4A5A6A70E8H0E9H0EAH0EBH0ECH0EDH0EEH0EFH8位I/O端口的译码ABCY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7G1G2AG2BA0A1A2系统控制线A7A30FFF8H0FFF9H0FFFAH0FFFBH0FFFCH0FFFDH0FFFEH0FFFFHA15A816位I/O端口的译码ABCY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7G1G2AG2BA0A1A2系统控制线A7A30FFF8H0FFF9H0FFFAH0FFFBH0FFFCH0FFFDH0FFFEH0FFFFHA15A816位I/O端口的译码设计一个设计一个I/O端口译码器，使用一个端口译码器，使用一个3-8译码器给出译码器给出8位位I/O端口地址端口地址20H、22H、24H、26H、28H、2AH、2CH、2EH的译码信号。的译码信号。A Y0B Y1C Y2Y3Y4G1 Y5G2A Y6G2B Y7A1A2A3A5+20H22H24H26H28H2AH2CH2EHA0A4A6A7n微型计算机的中断技术n中断的概念n计算机在执行程序的过程中，当出现异常情况或特殊请求时，计算机停止现行程序的运行，转向对这些异常情况或特殊请求的处理，处理结束后再返回到现行程序的间断处，这就是中断n把实现中断所需要的软硬件技术称为中断技术n中断接口电路的组成n基本概念n中断源：凡能向CPU提出中断请求的各种因素，同称为中断源nCPU在任何瞬间只能接受一个中断源的请求n接口电路的组成n中断请求触发器和中断屏蔽触发器n完成触发器D：当设备欲提出中断请求时，设备本身准备就绪，也即完成触发器D必须为“1”n中断请求触发器：发出中断请求信号n中断屏蔽触发器：屏蔽优先级较低设备的中断请求n排队器n只能有一个输出为1n中断向量地址形成部件n中断向量位数与计算机可以处理中断源的个数有关，即一个中断源对应一个向量地址排队电路INTP1INTP2INTP3INTP4中断源1中断源2中断源3中断源4中断向量地址形成部件中断向量INTP1INTPn服务程序入口1服务程序入口2服务程序入口3打印机服务程序声卡服务程序键盘服务程序向量地址1向量地址2向量地址3服务程序入口1服务程序入口2服务程序入口3通过向量地址寻找入口地址服务程序入口1服务程序入口2服务程序入口3打印机服务程序声卡服务程序键盘服务程序向量地址1向量地址2向量地址3服务程序入口1服务程序入口2服务程序入口3通过向量地址寻找入口地址n中断的处理过程n中断请求n中断源向CPU发出中断的要求n中断判优n将中断源信号经过排队电路，通过优先级选出中断的优先排序n中断响应nCPU响应中断的条件和时间nCPU中的允许中断触发器EINT为1（该触发器用开中断指令置位，用关中断指令或硬件使其复位）nCPU响应中断的时间一定是在每条指令执行阶段的结束时刻n中断服务程序流程n保护现场n保存程序的断点（中断隐指令）n保存通用寄存器和状态寄存器的内容（中断服务程序）n中断服务n中断服务程序的主体部分，不同的中断请求源的中断服务操作内容是不同的n恢复现场n退出服务程序前，将原程序中断时的“现场”恢复到原来的寄存器中n中断返回n返回到原程序的断点处，以便继续执行原程序取指令执行指令中断否？中断响应程序断点进栈关中断向量地址PC保护现场设备服务恢复现场开中断中断返回否是中断服务程序中断周期取指令执行指令中断否？中断响应程序断点进栈关中断向量地址PC保护现场设备服务恢复现场中断返回否是中断服务程序中断周期开中断nDMA（Direct Memory Access直接存储器存取）方式主存ACC中断接口DMA接口I/O设备输入指令输出指令DMA和程序中断两种方式的数据通路nDMA与主存交换数据的方式n停止CPU访问主存n工作过程n当外设要求传送一批数据时，由DMA接口向CPU发一个停止信号，要求CPU放弃地址线、数据线和有关控制线的使用权。nDMA接口获得总线控制权后，开始进行数据传送。n在数据传送结束后，DMA接口通知CPU可以使用主存，并把总线控制权交给CPUn特点n控制简单nDMA接口访存时，CPU基本处于不工作状态或保持原状态nDMA与主存交换数据的方式n停止CPU访问主存n工作过程n当外设要求传送一批数据时，由DMA接口向CPU发一个停止信号，要求CPU放弃地址线、数据线和有关控制线的使用权。nDMA接口获得总线控制权后，开始进行数据传送。n在数据传送结束后，DMA接口通知CPU可以使用主存，并把总线控制权交给CPUn特点n控制简单nDMA接口访存时，CPU基本处于不工作状态或保持原状态n周期挪用（周期窃取）n工作方式n每当I/O设备发出DMA请求时，I/O设备便挪用或窃取总线占用权一个或几个主存周期；DMA不请求时，CPU仍继续访问主存nI/O设备要求DMA传送会遇到三种情况：1 CPU不需要访问主存 2 I/O要求DMA传送时，CPU正在访存 3 I/O设备要求访存时，CPU也要求访存n特点n实现了I/O传送，有较好的发挥了主存与CPU的效率，是广泛采用的一种方法nDMA与CPU交替访存n工作方式n适合于CPU的工作周期比主存存取周期长的情况。n例如：CPU的工作周期为1.2us，主存的存取周期小于0.6us。那么可将CPU周期分为C1、C2两个分周期，C1供DMA访存，C2供CPU访存n特点n不需要总线使用权的申请和归还的过程nCPU既不停止主程序的运行也不进入等待状态nDMA接口的功能和组成n功能n向CPU申请DMA传送n在CPU允许DMA工作时，处理总线控制权的转交n在DMA期间管理总线，控制数据传输n确定数据传送的起始地址和数据长度，修正数据传送过程中的数据地址和数据长度n在数据块传送结束时，给出DMA操作完成的信号n组成n主存地址寄存器AR：用于存放主存中要交换数据的地址n字计数器：记录传送数据的总字节数，通常以交换字数的补码值预置。在DMA传送过程中，每传送一个字，字计数器加1，直到计数器为0，表示数据传送完毕。DMA接口向CPU发出中断请求信号n数据缓冲寄存器：暂存每次传送的数据nDMA控制逻辑：负责管理DMA的传送过程。包括对主存地址寄存器、字计数器的修改，指定传送类型（输入/输出）等等n中断机构：数据传送完毕，DMA向CPU发送中断请求，报告这一批数据传送结束。n设备地址寄存器DAR：存放设备的设备码或设备信息存取的寻址信息。如判断数据所在的区号、盘号、煮面号等等nDMA的数据传送过程n预处理nDMA控制逻辑指明数据传送方向是输入还是输出n设备地址寄存器送入设备号，并启动设备nDMA主存地址寄存器送入交换数据的主存起始地址n对字计数器赋以交换数据的个数n数据传送 DMA是以块为单位传送数据的n从设备读入一个字到DMA接口的数据缓冲寄存器n设备向DMA接口发请求nDMA接口向CPU申请总线控制权nCPU返回HLDA信号，允许将总线控制权交给DMA接口nDMA的数据传送过程n预处理nDMA控制逻辑指明数据传送方向是输入还是输出n设备地址寄存器送入设备号，并启动设备nDMA主存地址寄存器送入交换数据的主存起始地址n对字计数器赋以交换数据的个数n数据传送 DMA是以块为单位传送数据的n从设备读入一个字到DMA接口的数据缓冲寄存器n设备向DMA接口发请求nDMA接口向CPU申请总线控制权nCPU返回HLDA信号，允许将总线控制权交给DMA接口n将DMA主存地址寄存器中的主存地址送地址总线n通知设备已被赋予一个DMA周期，并为交换下一个字做准备n将DMA数据缓冲寄存器的内容送数据总线n命令存储器做写操作n修改主存地址和字计数值n判断数据块是否传送结束，若未结束，继续传送。若已结束，向CPU发中断请求，标志数据块传送结束n后处理nDMA中断请求得到相应后，CPU停止源程序的执行，转去执行中断服务程序，做一些DMA结束工作。包括：教研送入主存的数据是否正确、是否继续用DMA传送其它数据块，测试传送过程中是否发生错误，若出错，则转入错误诊断及处理错误程序。