第5章 輸入輸出系

第５章輸入輸出系統(tǒng)5.6DMA方式5.5程序中斷方式5.4程序查詢方式5.3I/O接口5.2外部設(shè)備5.1概述系統(tǒng)總線存儲器運(yùn)算器控制器接口與通信輸入/輸出設(shè)備Cache一、I/O系統(tǒng)的發(fā)展

1.早期分散連接階段2.接口模塊和DMA階段I/O設(shè)備間獨(dú)立；CPU與I/O串行工作；增減困難主存CPUI/O設(shè)備總線連接;接口(查詢\中斷\DMA)管理;CPU和I/O并行工作主存CPUI/O設(shè)備1接口I/O設(shè)備2接口I/O設(shè)備n接口…總線BUS5.1概述3.通道結(jié)構(gòu)的階段通道作為輔助處理器代替CPU管理I/O設(shè)備主存CPU通道I/O設(shè)備1……設(shè)備控制器I/O設(shè)備2設(shè)備控制器I/O設(shè)備n設(shè)備控制器4.I/O處理機(jī)的階段I/O處理機(jī)與CPU并列地位主存主CPUI/OCPU1I/O設(shè)備1…設(shè)備控制器1I/O設(shè)備2I/O設(shè)備1I/OCPU2I/OCPU3存控…設(shè)備控制器mI/O設(shè)備2…………二、I/O系統(tǒng)的組成

I/O軟件I/O硬件通道指令（CCW,ChannelControlWord

I/O指令接口式：接口+設(shè)備

自身指令，指出數(shù)組首地址、傳送字節(jié)數(shù)、設(shè)備碼、操作命令屬于CPU指令,用來啟停設(shè)備、查詢狀態(tài)和操作操作碼命令碼設(shè)備碼通道式：通道(處理機(jī))+控制器+設(shè)備接口數(shù)據(jù)與CPU交換設(shè)備狀態(tài)測試設(shè)備操作與其它指令的區(qū)別代碼設(shè)備地址碼內(nèi)存空間FFFFFH供I/O接口使用00000HI/O端口NI/O端口2I/O端口0I/O端口1系統(tǒng)各I/O端口配置地址64KBI/O空間

…三、I/O設(shè)備與主機(jī)的聯(lián)系方式1.I/O設(shè)備編址方式統(tǒng)一編址——存儲器映射編址

把每個I/O設(shè)備地址都當(dāng)作一個存儲器單元看待，I/O設(shè)備與存儲器單元在同一地址空間中進(jìn)行統(tǒng)一編址。常常在整個地址空間中劃分出一小塊連續(xù)的地址分配給I/O設(shè)備。被分配給I/O設(shè)備的地址，存儲器不能再使用。統(tǒng)一編址的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：

（1）不需要專門的I/O指令（2）外設(shè)尋址方式就是內(nèi)存尋址方式，利于I/O程序設(shè)計缺點(diǎn)：

（1）I/O設(shè)備占用一部分存儲器的地址空間（2）在程序中不容易區(qū)分哪些指令是訪問存儲器、哪些指令是訪問外設(shè)，所以程序不易閱讀。

I/O端口NI/O端口2I/O端口0I/O端口1系統(tǒng)各I/O設(shè)備配置地址64KB內(nèi)存空間FFFFFH00000H1MBFFFFHI/O空間…獨(dú)立編址——I/O映射編址

將存儲器和I/O設(shè)備建立兩個完全獨(dú)立的地址空間。CPU使用專門的控制信號來區(qū)分是對存儲器訪問還是對I/O設(shè)備進(jìn)行訪問。這些控制信號的產(chǎn)生是由指令來控制。

獨(dú)立編址的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：

（1）使用專門的I/O指令，程序清晰易讀；（2）I/O設(shè)備的地址空間獨(dú)立，不占用存儲器的存儲空間，且地址譯碼電路相對簡單。缺點(diǎn)：

（1）訪問外設(shè)的指令沒有訪問存儲器的指令多（2）CPU需設(shè)置專門的控制信號，區(qū)分對存儲器的訪問和對外設(shè)地址的訪問。2.設(shè)備尋址

I/O指令設(shè)備碼段指出設(shè)備號，通過接口電路中的設(shè)備選擇電路SEL選中需要的外設(shè)。3.信息傳送方式串行：速度慢，需要1數(shù)據(jù)線1地址線，適合遠(yuǎn)距離并行：速度快，數(shù)據(jù)線多根，適合快速傳送CPUI/O地址數(shù)據(jù)CPUI/O地址數(shù)據(jù)4.連接方式輻射式：用于分散連接的外設(shè)總線式：用于現(xiàn)代計算機(jī)外設(shè)主機(jī)外設(shè)外設(shè)外設(shè)主機(jī)外設(shè)外設(shè)外設(shè)5.聯(lián)絡(luò)方式(1)立即響應(yīng)：CPU指令到，低速設(shè)備立即動作(2)異步工作采用應(yīng)答信號：速度不匹配，信號聯(lián)絡(luò)(3)同步工作采用同步時標(biāo)：專用電路產(chǎn)生同步信號并行串行“Ready”“Strobe”I/O接口I/O設(shè)備CPU并行數(shù)據(jù)字命令字命令字011010009.09ms2×

9.09ms起始位終止位9.09ms2×

9.09ms一、程序查詢方式工作原理：CPU查詢外設(shè)已準(zhǔn)備好后，才傳送數(shù)據(jù)。特點(diǎn)：CPU與外設(shè)間通過程序同步，CPU被外設(shè)獨(dú)占，CPU效率低下。要求：不需要增加額外的硬件電路。應(yīng)用：適用于CPU不太忙且傳送速度要求不高時。四、I/O設(shè)備與主機(jī)信息傳送的控制方式

查詢傳送流程返回二、程序中斷方式工作原理：在外設(shè)準(zhǔn)備數(shù)據(jù)時，CPU執(zhí)行與傳送數(shù)據(jù)無關(guān)的工作，外設(shè)在準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)后，主動向CPU發(fā)送一個中斷請求，當(dāng)CPU執(zhí)行完當(dāng)前指令后，停止當(dāng)前程序的執(zhí)行，自動轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序，在中斷服務(wù)程序中，完成一個數(shù)據(jù)的傳送，之后中斷返回至原來的斷點(diǎn)處，繼續(xù)執(zhí)行。特點(diǎn)：在外設(shè)準(zhǔn)備數(shù)據(jù)時，CPU與外設(shè)并行工作，CPU效率有所提高，并且CPU可以同時被多個外設(shè)占用。要求：接口中需要中斷控制邏輯支持。應(yīng)用：適用于中低速設(shè)備。取指令執(zhí)行指令中斷？響應(yīng)中斷中斷服務(wù)中斷返回啟動否是中斷傳送流程返回三、直接存儲器訪問（DMA）方式工作原理：將I/O過程中，與內(nèi)存交換數(shù)據(jù)的操作交由DMA控制器來控制，簡化了CPU對輸入輸出的控制，進(jìn)一步提高了CPU的效率。特點(diǎn)：數(shù)據(jù)的傳送不經(jīng)過CPU（由DMAC控制），而I/O設(shè)備管理由CPU控制，簡化了CPU對I/O的控制。硬件開銷大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但CPU的效率高。要求：需要DMA控制器及相關(guān)邏輯支持。應(yīng)用：適用與高速度大量數(shù)據(jù)傳送時。DMA請求DMA響應(yīng)發(fā)送內(nèi)存地址傳送一個數(shù)據(jù)字DMA結(jié)束修改地址指針修改字計數(shù)器檢測傳送是否結(jié)束否是DMA傳送流程返回三種方式的CPU工作效率比較存取周期結(jié)束CPU執(zhí)行現(xiàn)行程序CPU執(zhí)行現(xiàn)行程序DMA請求啟動I/OI/O準(zhǔn)備I/O準(zhǔn)備一個存取周期實(shí)現(xiàn)I/O與主存之間的傳送CPU

執(zhí)行現(xiàn)行程序CPU查詢等待并傳輸I/O數(shù)據(jù)CPU

執(zhí)行現(xiàn)行程序啟動I/OI/O準(zhǔn)備及傳送指令執(zhí)行周期結(jié)束CPU執(zhí)行現(xiàn)行程序CPU執(zhí)行現(xiàn)行程序啟動I/O中斷請求I/O準(zhǔn)備I/O準(zhǔn)備CPU處理中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)I/O與主機(jī)之間的傳送間斷啟動I/O啟動I/OI/O準(zhǔn)備中斷請求啟動I/OI/O準(zhǔn)備一個存取周期DMA請求程序查詢方式程序中斷方式DMA方式I/O準(zhǔn)備及傳送5.2I/O設(shè)備輸入設(shè)備：輸入的數(shù)據(jù)計算機(jī)可以識別。輸出設(shè)備：輸出計算機(jī)中存儲的數(shù)據(jù)。輸入輸出設(shè)備種類繁多，很難用一種結(jié)構(gòu)形式加以描述，一般結(jié)構(gòu)為接口輸入設(shè)備輸出設(shè)備接口例如：聲卡、顯示卡例如：顯示器、打印機(jī)1、輸入設(shè)備設(shè)備功能輸入程序、數(shù)據(jù)、聲音、文字、圖形、圖象輸入方式鍵盤方式、指點(diǎn)方式、手寫方式、掃描方式常用設(shè)備鍵盤、鼠標(biāo)、寫字板、掃描儀

鍵盤鼠標(biāo)寫字板掃描儀

鍵盤是微機(jī)中不可缺少的輸入設(shè)備，目前普遍使用的有101鍵、104鍵和108鍵等幾種形式，101鍵的鍵盤沒有Windows菜單快捷鍵。幾種鍵盤的主要差別是Windows功能鍵的多少，不影響使用。[101標(biāo)準(zhǔn)鍵盤][104標(biāo)準(zhǔn)鍵盤][帶托手板的104鍵盤][具有人體工程學(xué)的鍵盤]鍵盤的運(yùn)行原理

把每個鍵在鍵盤上的位置對應(yīng)為一個編碼。

具體實(shí)現(xiàn)：是用行列掃描的方法，即把每個鍵分配在一個m列*n行矩陣的一個交叉點(diǎn)上，通過并行接口向

n行依次送出僅有一行為零、其余各行均為一的值，再用并行接口讀入m列上的取值。

當(dāng)讀入值不為FFH（全1碼）時，表明有鍵按下，若該值僅含一位零，表明取值為0的行、列的交叉點(diǎn)的鍵被按下，用一個對照表即可得相應(yīng)鍵編碼。尚需解決如下的一些問題：鍵的抖動、多鍵同時按下、由哪個部件完成這些操作過程。并行接口并行接口+5V10K0列1列m-1列0行1行n-1行鍵盤鍵.....。。。。。。。。。。。。。。。。。。。?！?..011A鍵1101...

并行接口送來

10…1

的n位數(shù)值到二極管的負(fù)極，并行接口接收鍵盤線路m列送出的m位數(shù)據(jù)。當(dāng)A鍵按下去后，5V電源送出經(jīng)電阻、A鍵、二極管到0信號處的電流，從而在第2列產(chǎn)生0電平（綠線），其他各列都給出高電平（黑線），故并行接口接收到的是

110…1

這樣的m位數(shù)據(jù)110...。1101...二極管鼠標(biāo)：是一種指點(diǎn)式設(shè)備，替代光標(biāo)移動鍵進(jìn)行光標(biāo)定位操作和替代回車鍵操作；在軟件支持下，其按鈕可完成某種特定功能。有機(jī)械式、光電式和軌跡球式。機(jī)械式鼠標(biāo)：

摩擦底部可滾動的小球，小球滾動，與4個方位電位器接觸，測得上下左右位移量軌跡球鼠標(biāo)：

將小球放在上面，鼠標(biāo)不動，而用手轉(zhuǎn)動小球來移動屏幕光標(biāo)。光電式鼠標(biāo)：

內(nèi)部發(fā)光元件發(fā)射光經(jīng)過透鏡聚焦后從底部小孔向下射出，照在光柵板上再反射回。移動鼠標(biāo)，將板上反射光強(qiáng)弱變化變成電脈沖進(jìn)行計數(shù)即可測出鼠標(biāo)器移動的距離寫字板：

直接用光筆在寫字板上書寫漢字，即可將漢字錄入進(jìn)計算機(jī)里，不用記憶各種輸入法。寫字板上的光筆代替鼠標(biāo)作為指點(diǎn)設(shè)備。攝像機(jī)掃描儀2、輸出設(shè)備設(shè)備功能將計算機(jī)處理結(jié)果信息按所要求形式展示輸入方式文字、圖形、圖像、聲音，常用設(shè)備顯示器、打印機(jī)、繪圖儀

顯示器打印機(jī)繪圖儀顯示器

顯示器：顯示計算機(jī)的輸出信息輸出設(shè)備。有不同的類別、顯示方式和分辨率[類別]按顯示顏色分類：有單色顯示器和彩色顯示器。按掃描方式分類：隔行掃描顯示器和逐行掃描顯示器按顯像原理分類：CRT、LCD、PDP

按顯示器功能分類：普通顯示器、顯示終端[方式]顯示器的顯示方式:字符方式\圖形方式\圖像方式在字符方式下屏幕被劃分為一個個固定的行和列，按行列方式將字符顯示出來;在圖形方式下屏幕上的每個像素都可以被設(shè)置成不同的色彩和亮度，并由像素組合成字符或圖形。[分辨率]分辨率指屏幕有多少個發(fā)光點(diǎn)，由顯卡、顯示器決定。

單色字符顯示標(biāo)準(zhǔn)（MDA):像素720×350左右彩色圖形顯示標(biāo)準(zhǔn)（CGA）：像素在320×200左右；

中分辨率（EGA）：像素在640×350左右；

高分辨率（VGA）：像素在640×480及以上(SVGA\XGA\UXGA)[顯示卡]顯示卡是顯示器與主機(jī)連接的接口，由顯示內(nèi)存、寄存器組和控制電路三部分構(gòu)成。其功能是控制顯示器的顯示分辨率、顯示速度、顏色或灰度等級、圖形顯示能力等。CRT顯示器LCD顯示器PDP顯示器燈絲陰極聚焦極石墨層熒光屏顯示屏陽極帽偏轉(zhuǎn)線圈柵極陽極電子槍電子束陰極射線管（CRT）構(gòu)成工作原理液晶定義：

LiquidCrystal一種白濁有粘性的液體，具有多種彎曲性質(zhì)，是流動性結(jié)晶。

顯示棒狀的分子形狀，既有晶體各向異性，又有液體流動性，在分子長軸和短軸方向，折射率不同(雙折射)液晶基本性質(zhì)：

自然光經(jīng)過一偏振片后“過濾”為線性偏振光，由于液晶分子在盒子中的扭曲螺距遠(yuǎn)比可見光波長大得多，所以當(dāng)沿取向膜表面的液晶分子排列方向一致或正交的線性偏振光入射后，其偏光方向在經(jīng)過整個液晶層后會扭曲90°由另一側(cè)射出，正交偏振片起到透光的作用;如果在液晶盒上施加一定值的電壓，液晶長軸開始沿電場方向傾斜，當(dāng)電壓達(dá)到約2倍閾值電壓后，除電極表面的液晶分子外，所有液晶盒內(nèi)兩電極之間的液晶分子都變成沿電場方向的再排列，這時90°旋光的功能消失，在正交片振片間失去了旋光作用，使器件不能透光。如果使用平行偏振片則相反。利用給液晶盒通電或斷電的辦法使光改變其透-遮住狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)顯示。液晶顯示原理：

液晶顯示原理：

不加電，旋光通過顯示加電，無旋光，不顯示液晶顯示器結(jié)構(gòu)

用氣體放電激發(fā)熒光粉發(fā)光的顯示裝置，類似普通日光燈。相距幾百微米的兩塊玻璃板，中間排列大量的等離管密封組成。每個等離子管是在兩層間隔為100-200μm的玻璃襯板之間隔成的小室，每個小室內(nèi)都充有氖氙氣體(壓力為幾百托)。在等離子管電極間加上高壓后，封在兩層玻璃之間的等離子管小室中的氣體會產(chǎn)生輝光放電，產(chǎn)生紫外光(147nm)，激勵平板顯示屏上的紅綠藍(lán)三基色磷光體熒光粉發(fā)出可見光。每個等離子腔體等效一個像素。由像素的明暗和顏色變化，合成各種灰度和色彩的電視圖像。等離子體顯示技術(shù)(PDP，PlasmaDisplayPanel)等離子體(Plasma)：指正負(fù)電荷共存,處于電中性的放電氣體的狀態(tài)等離子顯示屏工作機(jī)理：等離子顯示屏工作機(jī)理：VRAM的地址由水平地址計數(shù)器(列地址)和垂直地址計數(shù)器(行地址)決定VRAM輸出ASCII代碼作為ROM的高位地址，ROM的低位地址來自光柵地址計數(shù)器ROM輸出在L控制下并行裝入移位寄存器，再在S控制下移位輸出形成視頻信號視頻信號輸出到顯示器顯示器在水平同步、垂直同步和視頻信號控制下，連續(xù)刷新呈現(xiàn)穩(wěn)定字符圖像字符顯示方式隨機(jī)掃描圖形顯示器

類似用筆作畫，將需要顯示圖形文件存放在緩存中，送矢量(線段)產(chǎn)生器，產(chǎn)生相應(yīng)模擬電壓，直接控制電子束在屏幕上的移動。分辨率高，曲線平滑，復(fù)雜圖形會有閃爍感。光柵掃描圖形顯示器

把對應(yīng)于屏幕上每個像素的信息都用存儲器存起來，然后按需要顯示圖形的地址順序逐個地刷新顯示，屏幕上相鄰像素串接而成曲線。通用性強(qiáng)，灰度層次多，色調(diào)豐富，顯示復(fù)雜圖形時無閃爍現(xiàn)象；產(chǎn)生圖形有陰影效應(yīng)、隱藏面消除、涂色等功能。成為目前流行的顯示器。圖形顯示方式：顯示由點(diǎn)、線、面組合的平面、立體圖像圖像顯示方式：顯示由攝像機(jī)攝取下來的數(shù)字化逐點(diǎn)存儲客觀圖像圖像輸入板信號轉(zhuǎn)換。它接收攝像機(jī)模擬視頻信號，經(jīng)A/D變?yōu)閿?shù)字量存入刷存用于顯示，并可傳送到主機(jī)進(jìn)行圖像處理。處理結(jié)果送回刷存，經(jīng)D/A變成模擬信號，監(jiān)視器（或電視機(jī)）顯示輸出。采用光柵掃描方式，有顯像、灰度變換、窗口技術(shù)、真彩色、偽彩色等功能

打印機(jī)將輸出信息（文字、數(shù)字、圖形）打印在某種載體（如紙）上。目前主要有針式打印機(jī)、噴墨打印機(jī)和激光打印機(jī)。[針式打印機(jī)]

針式打印機(jī)由控制信號驅(qū)動的打印針撞擊色帶打印在紙上產(chǎn)生打印效果。打印頭有9、16和24針，打印針分一或兩列整齊排列在打印頭上，針點(diǎn)間距越小打印質(zhì)量越高。

優(yōu)點(diǎn)是價格、耗材便宜，比較耐用；缺點(diǎn)是打印質(zhì)量不高，打印速度慢、打印噪聲較大。[噴墨打印機(jī)]

噴墨打印機(jī)是非擊打式數(shù)據(jù)輸出設(shè)備，由墨盒與噴墨頭組成。噴墨頭上排列著兩列細(xì)小的噴墨孔，打印時控制信號控制噴墨孔噴出小墨滴在紙上產(chǎn)生打印效果。分辨率高于針式打印機(jī)，打印質(zhì)量較高，小巧，無噪聲。有單色和彩色。[激光打印機(jī)]

激光打印機(jī)是激光掃描技術(shù)和電子照排技術(shù)結(jié)合的新型數(shù)據(jù)輸出設(shè)備。由激光掃描系統(tǒng)、電子照相系統(tǒng)和文字發(fā)生器三部分組成。打印時，先將文字和圖象的信息進(jìn)行編碼，然后用激光掃描到特殊的轉(zhuǎn)鼓上，通過靜電作用再將墨粉復(fù)印到紙上，類似于復(fù)印機(jī)原理。

優(yōu)點(diǎn)是打印分辨率高、速度快、噪聲小，適合高質(zhì)量圖文輸出。但機(jī)器及耗材價格較高。針式打印機(jī)構(gòu)造打印紙導(dǎo)軌打印針永磁鐵

鐵芯銜鐵

線圈色帶色帶保護(hù)片滾筒噴墨式打印機(jī)墨水槽噴墨頭過濾器收集槽高壓電源振蕩發(fā)生器字符發(fā)生器打印紙充電電極壓電陶瓷偏轉(zhuǎn)電極墨水泵回收器墨滴偏轉(zhuǎn)方向噴墨頭移動方向組成與打印原理字符打印過程充了電的墨滴偏轉(zhuǎn)射向打印紙不帶電的墨滴射入回收器被回收(以7*5點(diǎn)陣為例)激光打印機(jī)的組成激光部分印字機(jī)控制部分(微處理機(jī)漢字字形庫)記錄鼓(硒鼓)顯象部分+…..定形部分

加熱輥預(yù)熱板輸紙用輥轉(zhuǎn)寫清掃輥帶電器印寫部分清掃部分轉(zhuǎn)寫部分接紙

部分紙激光

繪圖儀用于工程圖紙專用輸出設(shè)備。按輸紙形式分平板繪圖儀和滾筒繪圖儀兩種。繪圖筆輸出形式出圖較慢；新型繪圖儀采用噴墨方式繪圖出圖速度快、質(zhì)量高。[平板繪圖儀]

平板繪圖儀將繪圖紙放在繪圖儀的平面上，輸出頭在平面上可進(jìn)行二維移動，繪出圖形。通常繪制的圖紙受平面尺寸限制不能很大。[滾筒繪圖儀]

滾筒繪圖儀的輸出將繪圖紙放在繪圖儀的滾筒上，滾筒滾動送紙，輸出頭在滾筒上進(jìn)行一維移動，繪出圖形。滾筒做得愈長，繪制的圖紙愈大，如0號圖紙。3、其它外設(shè)1、終端設(shè)備

2、A/D轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器原理圖產(chǎn)品芯片3、漢字處理設(shè)備漢字輸入：輸入碼數(shù)字碼——GB2313拼音碼——搜狗拼音字形碼——王碼五筆漢字存儲：

內(nèi)碼存儲——三字節(jié)內(nèi)碼字形碼存儲——字模點(diǎn)陣庫漢字輸出：

打印輸出——打印機(jī)顯示輸出——顯示器4、多媒體技術(shù)多媒體(Multimedia)：多種媒體相結(jié)合的交互式系統(tǒng)，可作為高度智能計算機(jī)系統(tǒng)的平臺。媒體：信息傳遞和存儲的技術(shù)和手段，如下圖音樂、語言、圖片、文件書籍、電視、廣播、電話、舞蹈、報紙1、定義：2、關(guān)鍵技術(shù)：視頻、音頻的壓縮與解壓縮技術(shù)多媒體專用芯片大容量存儲器適用于多媒體技術(shù)的軟件3、多媒體系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)：應(yīng)用系統(tǒng)創(chuàng)作系統(tǒng)多媒體核心系統(tǒng)多媒體輸入輸出控制與接口多媒體實(shí)時壓縮與解壓縮計算機(jī)硬件廠家用戶軟件編輯播放軟件多媒體操作系統(tǒng)接口卡壓縮與解壓縮卡PC、DV、REC音樂、語言、圖片書籍、電視、廣播電話、舞蹈、報紙一.接口的基本概念I(lǐng)/O設(shè)備適配器簡稱為接口。接口指CPU和外圍設(shè)備之間通過總線進(jìn)行連接的邏輯部件。

接口部件在它動態(tài)連接的兩個部件之間起著“轉(zhuǎn)換器”的作用，以便實(shí)現(xiàn)彼此之間的信息傳送。5.3輸入輸出接口微機(jī)系統(tǒng)各類接口框圖

為什么要設(shè)置接口？1.實(shí)現(xiàn)設(shè)備的選擇2.實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖達(dá)到速度匹配4.實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換5.傳送控制命令6.反映設(shè)備的狀態(tài)（“忙”、“就緒”、“中斷請求”）3.實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)串并格式轉(zhuǎn)換一、接口定義1、接口：兩個系統(tǒng)或兩個部件之間的交接部分部件1部件2接口軟件1軟件2接口硬件電路及其控制軟件軟件邏輯邊界2、I/O接口：主機(jī)與設(shè)備之間的交接界面主機(jī)I/O設(shè)備I/O接口3、接口與總線連接方式I/O接口設(shè)備BI/O接口設(shè)備A數(shù)據(jù)線命令線狀態(tài)線I/O總線（地址、數(shù)據(jù)、控制）設(shè)備選擇線總線連接方式的I/O接口電路二、接口功能1.實(shí)現(xiàn)設(shè)備選址的功能（SELECT電路)3.實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送功能（緩沖寄存器DBR)2.傳送控制命令的功能（命令寄存器、命令譯碼器）5.反映設(shè)備的狀態(tài)功能（系列觸發(fā)器）4.實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能（串\并格式轉(zhuǎn)換、電平轉(zhuǎn)換電路）D———完成觸發(fā)器B———工作觸發(fā)器MASK—屏蔽觸發(fā)器INTR—中斷請求觸發(fā)器ERROR—出錯觸發(fā)器DB(I/O)STATE00PAUSE10READY01BUSY命令寄存器和命令譯碼器設(shè)備選擇電路設(shè)備狀態(tài)標(biāo)記數(shù)據(jù)緩沖寄存器DBR控制邏輯電路I/O接口外部設(shè)備數(shù)據(jù)線命令狀態(tài)數(shù)據(jù)線命令線狀態(tài)線CPU地址線三、I/O接口的組成端口：接口電路中可以被CPU直接訪問的寄存器，如數(shù)據(jù)端口、命令端口、狀態(tài)端口接口：若干端口加上相應(yīng)的控制邏輯電路組成并行接口串行接口可編程接口不可編程接口通用接口專用接口1.按接口與外設(shè)數(shù)據(jù)傳送方式分類2.按功能選擇的靈活性分類3.按

通用性

分類4.按數(shù)據(jù)傳送的

控制方式

分類DMA接口IO通道Intel8255Intel8251Intel8255、Intel8251Intel8212Intel8255、Intel8251Intel8279、Intel8275查詢接口中斷接口四、接口類型程序查詢方式、程序中斷方式：適用于慢速外設(shè)與CPU交換數(shù)據(jù)，DMA方式、通道方式和PPU方式：適用于高速外設(shè)與CPU交換數(shù)據(jù)。目前，微型機(jī)中多采用：程序中斷方式和DMA方式。大中型計算機(jī)中多采用：通道方式和PPU方式。程序中斷方式I/O設(shè)備與CPU數(shù)據(jù)交換方式輸入/輸出設(shè)備與CPU交換數(shù)據(jù)的控制方式：方法1方法2方法3方法45.4程序查詢方式1.程序查詢流程檢查狀態(tài)標(biāo)記交換數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒?是否（1）單個設(shè)備檢查狀態(tài)標(biāo)記1設(shè)備1準(zhǔn)備就緒？檢查狀態(tài)標(biāo)記N設(shè)備N準(zhǔn)備就緒？…處理設(shè)備1是否否處理設(shè)備N是（2）多個設(shè)備測試指令轉(zhuǎn)移指令傳送指令2.程序流程設(shè)置內(nèi)存緩沖區(qū)首址No設(shè)置計數(shù)器啟動外設(shè)傳送一個數(shù)據(jù)修改內(nèi)存地址修改計數(shù)值結(jié)束I/O傳送準(zhǔn)備好？傳送完？YesYesNoYES的含義：輸入緩沖器滿，CPU可以讀出數(shù)輸出緩沖器空，CPU可再次送數(shù)傳輸一個數(shù)據(jù)的含義：CPU讀出數(shù)，并將狀態(tài)標(biāo)志復(fù)位CPU送入數(shù)，并將狀態(tài)標(biāo)志復(fù)位②設(shè)備選擇電路DBRQQ&數(shù)據(jù)線準(zhǔn)備就緒啟動命令地址線SEL輸入數(shù)據(jù)啟動設(shè)備設(shè)備工作結(jié)束①③④⑤⑥D(zhuǎn)B①②③⑤1010④以輸入為例⑥3、程序查詢方式的接口電路——輸入電路CPU用一段程序?qū)崿F(xiàn)輸入、輸出，期間不能做其它事情，效率低下CPU執(zhí)行主程序CPU查詢等待并傳輸I/O數(shù)據(jù)CPU執(zhí)行主程序啟動I/OI/O準(zhǔn)備及傳送啟動I/OI/O準(zhǔn)備及傳送該方式簡單，但是存在以下缺點(diǎn)：（1）是CPU主動去查詢，而不是外設(shè)有數(shù)據(jù)傳送時，CPU才去查詢。（2）查詢過程中，CPU長期處于等待狀態(tài)不能處理其他業(yè)務(wù)，效率低。（3）CPU在一段時間內(nèi)只能和一臺外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)。（4）CPU不能發(fā)現(xiàn)和處理預(yù)先無法估計的錯誤和異常情況。因此，目前，除單片機(jī)外，很少使用程序查詢方式。CPU與外設(shè)串行工作CPU工作外設(shè)工作（CPU查詢等待，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間很短）CPU工作程序查詢方式：CPU和外設(shè)之間的傳送數(shù)據(jù)，完全靠程序軟件來控制。例5.1、在采用程序查詢方式的輸入輸出系統(tǒng)中，假設(shè)不考慮處理時間，每一個查詢操作需要100個時鐘周期，CPU的時鐘頻率為50MHz。現(xiàn)有鼠標(biāo)和硬盤兩個設(shè)備，而且CPU必須每秒鐘對鼠標(biāo)進(jìn)行30次查詢，硬盤以32位字長為單位傳輸數(shù)據(jù)，即每傳輸32位被CPU查詢一次，傳輸率為2MB/s。求CPU對這兩個設(shè)備所花費(fèi)的時間比率，由此可得出什么結(jié)論。解：1）CPU每秒對鼠標(biāo)進(jìn)行30次查詢，每秒鐘CPU查詢所需的時鐘周期為 100*30=3000

CPU的時鐘頻率為50MHz，一個時鐘周期為1/50M秒，即每秒鐘50*106個時鐘周期。

CPU對鼠標(biāo)查詢占用CPU時間比率為：3000/50*106=0.006%

2）對硬盤每傳輸32位被CPU查詢一次，每秒鐘查詢次數(shù)為 2MB/4B=512K 每秒鐘CPU查詢所需的時鐘周期為

100*512K=52.4*106

CPU對鍵盤查詢占用CPU時間比率為：52.4*106/50*106=104.8%

可見，即使CPU將全部時間都用于對硬盤的查詢也不能滿足磁盤傳輸?shù)囊螅虼薈PU一般不采用程序查詢方式與磁盤交換數(shù)據(jù)。中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序入口1入口212一、中斷的概念…KK+1QQ+1……中斷服務(wù)程序1中斷服務(wù)程序25.5程序中斷方式

CPU在執(zhí)行現(xiàn)行程序過程中出現(xiàn)某些突發(fā)事件急需處理，CPU暫停當(dāng)前程序轉(zhuǎn)而處理突發(fā)事件，處理結(jié)束后返回原程序被中斷的位置繼續(xù)執(zhí)行中斷示意圖中斷斷點(diǎn)IRET中斷服務(wù)子程序主程序以打印機(jī)為例：CPU與打印機(jī)并行工作發(fā)中斷請求空閑接收數(shù)據(jù)接收數(shù)據(jù)準(zhǔn)備發(fā)中斷請求打印打印打印機(jī)執(zhí)行主程序繼續(xù)執(zhí)行主程序繼續(xù)執(zhí)行主程序響應(yīng)中斷中斷返回響應(yīng)中斷中斷返回啟動打印機(jī)傳送數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)CPU程序中斷處理示意圖主程序A請求中斷B請求中斷C請求中斷A中斷服務(wù)子程序B中斷服務(wù)子程序C中斷服務(wù)子程序三、程序中斷方式的接口電路1.配置中斷請求觸發(fā)器和中斷屏蔽觸發(fā)器DQ&1INTR中斷請求觸發(fā)器INTR=1有請求MASK中斷屏蔽觸發(fā)器MASK=1被屏蔽來自CPU的中斷查詢信號受設(shè)備本身控制INTRDMASKQD完成觸發(fā)器中斷請求D=1設(shè)備準(zhǔn)備好111102.排隊器排隊在CPU內(nèi)或在接口電路中（鏈?zhǔn)脚抨犉鳎┯布浖蘒NTP1′INTP2′INTP3′INTP4′INTR1INTR2INTR3INTR41&1&1&1&INTR1設(shè)備1#、2#、3#、4#優(yōu)先級按降序排列INTRi

=1有請求即INTRi=0解決多個中斷源同時向CPU請求時的響應(yīng)優(yōu)先權(quán)問題1INTP11INTP21INTP31INTP4&&&&INTR1INTR2INTR3INTR4INTR1INTR2INTR3INTR41&1&1&1&INTP1′INTP2′INTP3′INTP4′INTR2INTR1INTR1INTR21&INTP2如果2#、3#同時有請求：經(jīng)過上排電路競爭后，僅2#勝出，INTP2=1,向CPU請求2#中斷軟件判優(yōu)軟件查詢接口示意CPU響應(yīng)中斷后，轉(zhuǎn)入執(zhí)行一特定地址的中斷服務(wù)程序，該中斷服務(wù)程序查詢狀態(tài)口，確定發(fā)出中斷請求的外設(shè)，然后進(jìn)行相應(yīng)的處理。軟件查詢流程圖保護(hù)現(xiàn)場恢復(fù)現(xiàn)場A申請服務(wù)？B申請服務(wù)？C申請服務(wù)？外設(shè)A中斷服務(wù)程序NNN外設(shè)B中斷服務(wù)程序外設(shè)C中斷服務(wù)程序YYY3.配置中斷向量地址形成部件CPU響應(yīng)中斷請求轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序，從該程序入口地址開始執(zhí)行…向量地址…排隊器輸出由軟件產(chǎn)生硬件向量法

顯示器服務(wù)程序

打印機(jī)服務(wù)程序JMP400JMP300JMP200…………主存12H13H14H200300向量地址入口地址入口地址中斷向量地址形成部件設(shè)備編碼器1000…000100100100…00010011第8章由硬件產(chǎn)生向量地址再由其找到入口地址設(shè)備選擇電路DBRDQ&數(shù)據(jù)線啟動命令地址線SEL輸入數(shù)據(jù)啟動設(shè)備設(shè)備工作結(jié)束&1QQDINTRBQQMASK設(shè)備編碼器排隊器中斷查詢來自高一級的排隊器至低一級的排隊器向量地址中斷響應(yīng)INTA中斷請求命令譯碼①②③④⑤⑥⑦⑧①10&DBR④⑤⑦⑧設(shè)備選擇電路01以輸入為例②5.5③⑥4.程序中斷方式接口電路的基本組成例5.2現(xiàn)有3個設(shè)備A、B、C，它們的優(yōu)先級按降序排列。此3個設(shè)備的向量地址分別是001010、001011、001100。設(shè)計一個鏈?zhǔn)脚抨犽娐泛彤a(chǎn)生3個向量地址的設(shè)備編碼器。解：設(shè)3個設(shè)備的中斷請求信號分別是INTi（i=A，B，C），有請求時INTi=1；排隊電路的輸出為INTPi（i=A，B，C），INTA為中斷響應(yīng)信號；當(dāng)INTA有效時設(shè)備編碼器將被被選中的排隊信號INTPi進(jìn)行編碼形成向量地址由數(shù)據(jù)總線送給CPU。電路如下：INTRA11&&來自高一級的排隊器INTRB&INTRC&1&&至低一級的排隊器設(shè)備編碼器INTPAINTPBINTPC數(shù)據(jù)總線001010001011001100INTAINTRAINTRBINTRC四、I/O中斷處理過程1.CPU響應(yīng)中斷的條件和時間(1)條件(2)時間允許中斷觸發(fā)器EINT=1用開中斷

指令將EINT置“1”用關(guān)中斷

指令將EINT置“0”或硬件自動復(fù)位當(dāng)D=1（隨機(jī)）且MASK=0時在每條指令執(zhí)行階段的結(jié)束前CPU

發(fā)中斷查詢信號（將INTR置“1”）中斷過程五個步驟：中斷請求中斷判優(yōu)/排隊(有時還要進(jìn)行中斷源識別)中斷響應(yīng)中斷服務(wù)/處理中斷返回請求排隊響應(yīng)服務(wù)/處理返回IRET

硬/軟INTn

主程序中斷服務(wù)程序五、中斷服務(wù)程序流程1.中斷服務(wù)程序的流程(1)保護(hù)現(xiàn)場(2)中斷服務(wù)(3)恢復(fù)現(xiàn)場(4)中斷返回對不同的I/O設(shè)備具有不同內(nèi)容的設(shè)備服務(wù)中斷返回指令2.單重中斷和多重中斷不允許中斷

現(xiàn)行的中斷服務(wù)程序單重

中斷多重

中斷允許級別更高

的中斷源中斷

現(xiàn)行的中斷服務(wù)程序中斷隱指令完成進(jìn)棧指令出棧指令程序斷點(diǎn)的保護(hù)寄存器內(nèi)容的保護(hù)3.單重中斷和多重中斷的服務(wù)程序流程中斷否？保護(hù)現(xiàn)場設(shè)備服務(wù)恢復(fù)現(xiàn)場開中斷中斷返回取指令執(zhí)行指令中斷服務(wù)程序

中斷響應(yīng)程序斷點(diǎn)進(jìn)棧關(guān)中斷向量地址PC中斷周期是中斷返回保護(hù)現(xiàn)場設(shè)備服務(wù)恢復(fù)現(xiàn)場開中斷開中斷開中斷中斷隱指令中斷隱指令否取指令執(zhí)行指令中斷否？否

中斷響應(yīng)程序斷點(diǎn)進(jìn)棧關(guān)中斷向量地址PC中斷周期是中斷服務(wù)程序單重多重程序中斷接口芯片8259A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

內(nèi)部總線緩沖器讀/寫邏輯級聯(lián)緩沖器/比較器優(yōu)先權(quán)判別器(PR)

中斷服務(wù)寄存器(ISR)

中斷

請求

寄存

器(IRR)中斷屏蔽寄存器（IMR）控制邏輯INTINTAD7~D0A0RDWRCSCAS0CAS1CAS2SP/ENIR0IR1IR2IR3IR4IR5IR6IR7內(nèi)部總線主程序和服務(wù)程序搶占CPU示意圖準(zhǔn)備工作準(zhǔn)備工作準(zhǔn)備工作傳送數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)發(fā)中斷請求發(fā)中斷請求I/O宏觀上CPU和I/O并行工作微觀上CPU中斷現(xiàn)行程序?yàn)镮/O服務(wù)主程序繼續(xù)執(zhí)行主程序啟動外設(shè)

服務(wù)程序（傳送數(shù)據(jù)）

服務(wù)程序（傳送數(shù)據(jù)）繼續(xù)執(zhí)行主程序CPU5.6DMA方式一、DMA方式的特點(diǎn)1.DMA和程序中斷兩種方式的數(shù)據(jù)通路CPU主存ACC中斷接口DMA接口I/O設(shè)備中斷方式數(shù)據(jù)傳送通路輸入指令輸出指令DMA方式數(shù)據(jù)傳送通路DMA傳送過程示意圖總線響應(yīng)總線請求CPUDMAC內(nèi)存外設(shè)DMA請求DREQDMA響應(yīng)DACK總線停止CPU訪問主存（獨(dú)占總線方式）內(nèi)存工作時間CPU控制并使用內(nèi)存DMA控制并使用內(nèi)存CPU不執(zhí)行程序DMA不工作DMA不工作當(dāng)DMA傳送數(shù)據(jù)時，CPU停止工作，把主存使用權(quán)交給DMA控制邏輯。在DMA傳送數(shù)據(jù)過程中，CPU處于等待狀態(tài)在這批數(shù)據(jù)傳送結(jié)束后，DMA再交還主存使用權(quán)2.DMA與主存交換數(shù)據(jù)的三種方式周期挪用內(nèi)存工作時間CPU控制并使用內(nèi)存DMA控制并使用內(nèi)存DMA要求訪問主存時，CPU暫停一個或多個存儲周期。一個數(shù)據(jù)傳送結(jié)束后，CPU繼續(xù)運(yùn)行。CPU現(xiàn)場并沒有變動，只是延緩了對指令的執(zhí)行，這種技術(shù)稱為周期挪用，或稱周期竊取。如發(fā)生訪存沖突，則DMA優(yōu)先訪問。DMA與CPU交替訪內(nèi)內(nèi)存工作時間CPU控制并使用內(nèi)存DMA控制并使用內(nèi)存C1C2C2C1C2C1C2C1C2C1每個CPU工作周期分成兩個時間段，一段用于DMA訪問主存，一段用于CPU訪問主存。CPU和DMA都能訪問主存，沒有主存使用權(quán)移交過程，所以這種方式的效率較高，但是硬件投資較大，而且要求CPU工作周期比存儲周期長很多。二、DMA接口的功能和組成1.DMA接口功能(1)向CPU申請DMA傳送(2)處理總線控制權(quán)的轉(zhuǎn)交(3)管理系統(tǒng)總線、控制

數(shù)據(jù)傳送(4)確定數(shù)據(jù)傳送的首地址和長度(5)DMA傳送結(jié)束時，給出操作完成信號修正傳送過程中的數(shù)據(jù)地址和長度地址總線HRQDREQDMACHLDADACK總線請求總線響應(yīng)

HOLDHLDACPUDMA請求DMA響應(yīng)I/O設(shè)備控制總線數(shù)據(jù)總線DMA接口主存CPU2.DMA接口組成DMA控制邏輯

中斷機(jī)構(gòu)設(shè)備HLDAARWCDARHRQ中斷請求數(shù)據(jù)線地址線+1+1溢出信號DREQDACKBR②①主存地址寄存器AR。它用來存放所需讀寫的數(shù)據(jù)的起始地址D。②字計數(shù)器WC。用來對要傳送的字節(jié)數(shù)目計數(shù)。③中斷機(jī)構(gòu)。當(dāng)一個數(shù)據(jù)塊傳送完畢后觸發(fā)中斷機(jī)構(gòu),向CPU提出中斷請求,CPU將進(jìn)行DMA傳送的結(jié)尾處理。④數(shù)據(jù)緩沖寄存器BR。用來暫存每次傳送的數(shù)據(jù)。⑤DMA控制邏輯。負(fù)責(zé)管理DMA的傳送過程，由控制電路、時序電路及命令狀態(tài)寄存器等組成。⑥設(shè)備地址寄存器DAR。存放I/O設(shè)備的設(shè)備碼或表示設(shè)備信息存儲區(qū)的尋址信息。傳送前預(yù)處理（CPU）正式傳送（DMA控制器）傳送后處理（CPU）DMA數(shù)據(jù)傳送是以數(shù)據(jù)塊為單位進(jìn)行的，因此，每次DMA控制器占用總線后，無論是輸入還是輸出操作，都是通過循環(huán)來實(shí)現(xiàn)的。硬件DMA請求DMA響應(yīng)發(fā)送內(nèi)存地址傳送一個數(shù)據(jù)字中斷請求修改主存地址數(shù)據(jù)個數(shù)計數(shù)傳送結(jié)束?否是軟件軟件三、DMA的工作過程1.DMA傳送過程預(yù)處理、數(shù)據(jù)傳送、后處理(1)預(yù)處理通過幾條輸入輸出指令預(yù)置如下信息通知DMA控制邏輯傳送方向（入/出）設(shè)備地址DMA的DAR主存地址DMA的AR傳送字?jǐn)?shù)DMA的WC預(yù)處理：主存起始地址設(shè)備地址傳送數(shù)據(jù)個數(shù)啟動設(shè)備DMADMADMA數(shù)據(jù)傳送：繼續(xù)執(zhí)行主程序同時完成一批數(shù)據(jù)傳送后處理：中斷服務(wù)程序做DMA結(jié)束處理繼續(xù)執(zhí)行主程序CPU(2)DMA傳送過程示意允許傳送？主存地址送總線數(shù)據(jù)送I/O設(shè)備（或主存）修改主存地址修改字計數(shù)器數(shù)據(jù)塊傳送結(jié)束？向CPU申請程序中斷DMA請求否否是是數(shù)據(jù)傳送2、數(shù)據(jù)傳送設(shè)備準(zhǔn)備好一個數(shù)據(jù)的傳送后，接口向主機(jī)發(fā)出DMA請求。CPU中DMA控制邏輯響應(yīng)DMA請求，將主存使用權(quán)讓給DMA。DMA送來主存單元地址、讀或?qū)懨?。若是寫命令，DMA還送來數(shù)據(jù)。DMA挪用一個周期對主存進(jìn)行讀寫操作。周期挪用結(jié)束后給DMA接口應(yīng)答信號。DMA接口接到應(yīng)答信號，撤除DMA請求，將主存數(shù)據(jù)緩沖區(qū)地址指示器加1，指向下一個數(shù)據(jù)要傳送的單元地址，字?jǐn)?shù)計數(shù)器減1。DMA接口控制邏輯判斷數(shù)據(jù)是否全部傳送完。若傳送完畢，則進(jìn)入結(jié)束階段；若沒傳完則又開始下一個循環(huán)操作。數(shù)據(jù)傳送過程（輸入）BR設(shè)備DMA控制邏輯中斷邏輯ARWCDARDMA接口主存CPU+1+1DREQ②HRQ③HLDA④地址線⑤DACK⑥①數(shù)據(jù)線⑦溢出信號中斷請求ARWC+1+1BRBRBRBRBRBRBR設(shè)備DMA控制邏輯中斷邏輯ARWCDARDMA接口主存CPU+1+1DRE