硬件7 輸入輸出接口

第七章計算機(jī)輸入輸出接口I/O接口的概念、功能、結(jié)構(gòu)與編址方式；并行接口和串行接口的主要特點；主機(jī)與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送方式；中斷的概念、中斷響應(yīng)的條件與過程、中斷系統(tǒng)的功能及中斷處理方法；總線標(biāo)準(zhǔn)及常見的微機(jī)總線。本章要點：7.1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一、輸入輸出接口的引入1、外設(shè)類型不同：機(jī)械、電子、機(jī)電、電磁2、傳送信息類型：數(shù)字量、模擬量3、傳送方式：串行、并行4、傳送速度、編碼方式不同三、功能二、概念輸入輸出：CPU或主存與外設(shè)（I/O設(shè)備）交換信息的過程。輸入輸出接口：是計算機(jī)中協(xié)調(diào)、匹配外設(shè)與主機(jī)正常工作所設(shè)置的邏輯部件及相應(yīng)的控制軟件，簡稱I/O口。1、能進(jìn)行地址譯碼和設(shè)備選擇;2、能實現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖和數(shù)據(jù)鎖存;3、能完成信息格式和電平的轉(zhuǎn)換;4、能保證數(shù)據(jù)傳送的定時與協(xié)調(diào)。27.1.2輸入輸出接口的基本結(jié)構(gòu)CPU和外設(shè)之間通常傳遞的信息：數(shù)據(jù)、狀態(tài)、控制一、組成寄存器組、控制邏輯電路、主機(jī)與接口和接口與I/O設(shè)備之間的信號聯(lián)接線、地址線、數(shù)據(jù)線等信號線。CPU控制電路DRSRCRI/O設(shè)備地址數(shù)據(jù)IO/MRDWR數(shù)據(jù)狀態(tài)控制

數(shù)據(jù)寄存器

控制寄存器都由數(shù)據(jù)總線傳送

狀態(tài)寄存器接口電路中具有不同地址，可以由CPU進(jìn)行讀/寫操作的寄存器。通常有數(shù)據(jù)端口、狀態(tài)端口和控制端口。（一）數(shù)據(jù)口數(shù)據(jù)：外設(shè)輸入給CPU或從CPU輸出給外設(shè)的各種數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)口用于完成輸入與輸出數(shù)據(jù)。（二）狀態(tài)口狀態(tài)：反映外設(shè)當(dāng)前工作狀態(tài)的信息。如輸入設(shè)備是否準(zhǔn)備好（READY）；輸出設(shè)備是否忙（BUSY）等。狀態(tài)（輸入）口，用于使CPU了解外設(shè)狀態(tài)。（三）控制口控制：CPU發(fā)出的對外設(shè)或接口的控制信息。如外設(shè)的啟動或停止，接口的工作模式設(shè)置等?？刂疲ㄝ敵觯┛冢糜谕瓿蒀PU的控制操作。數(shù)據(jù)信息、控制信息和狀態(tài)信息都由數(shù)據(jù)線傳送，因此要通過不同的端口來區(qū)分。二、端口的概念7.1.3I/O接口分類1、傳送方式并行和串行串行接口：接口與外設(shè)之間以串行方式傳送數(shù)據(jù)，即每個字或字節(jié)逐位依次傳送。3、協(xié)調(diào)配合方式程序傳送、中斷傳送、DMA4、電路規(guī)模簡單接口、可編程接口、外設(shè)接口適配器并行接口：接口與外設(shè)之間以并行方式傳送數(shù)據(jù)，即各位數(shù)據(jù)同時傳送。2、收發(fā)配合方式同步和異步傳送方式7.1.4輸入輸出接口的編址方式在接口電路中通常都具有多個可由CPU進(jìn)行讀寫操作的寄存器——端口。不同計算機(jī)對端口的編址方式不同。2、I/O端口獨立編址給I/O接口中的各端口提供與存儲器空間完全分開、完全獨立的I/O地址空間。1、存儲器統(tǒng)一編址將I/O接口中的端口地址與存儲單元統(tǒng)一編址。優(yōu)點：訪存指令可訪問端口，指令類型多；端口地址空間大。缺點：占用存儲器空間；速度慢。優(yōu)點：專門的I/O指令，與訪存分開；執(zhí)行速度快；不占內(nèi)存地址空間。缺點：端口地址范圍小。7.2主機(jī)與外設(shè)間的信息傳送方式

一、程序直接控制傳遞方式二、程序中斷控制方式三、直接內(nèi)存訪問方式——DMA四、輸入、輸出處理機(jī)方式7.2.1程序直接控制傳送方式優(yōu)點：較好協(xié)調(diào)主機(jī)與外設(shè)之間的時間差異；所用硬件少。缺點：主機(jī)與外設(shè)只能串行工作，CPU效率低；主機(jī)一個時間段只能與一個外設(shè)進(jìn)行通信。讀外設(shè)狀態(tài)就緒？讀/寫YN一、無條件傳送方式無需了解外設(shè)狀態(tài)，但要求外設(shè)隨時處于準(zhǔn)備好的狀態(tài)。二、有條件傳送方式——查詢式傳送外設(shè)工作情況無法預(yù)先知道或無規(guī)律時一般采用。適用于對主機(jī)速度要求不高，外設(shè)數(shù)量不多的場合。7.2.2中斷傳送方式中斷——CPU暫時中止當(dāng)前程序運(yùn)行，轉(zhuǎn)而處理意外出現(xiàn)的情況或有意安排的任務(wù)，在處理結(jié)束后能自動恢復(fù)原程序的執(zhí)行。優(yōu)點：主機(jī)可以與一個或多個外設(shè)并行工作，提高了CPU的效率。缺點：執(zhí)行中斷服務(wù)程序時，保護(hù)斷點等工作占用時間，難以滿足成批快速交換數(shù)據(jù)的要求。7.2.3直接存儲器訪問——DMA方式

前兩種方式以CPU為中心，占用CPU時間，DMA方式以內(nèi)存為中心，由專門的DMA控制器向CPU請求并接管總線的控制權(quán)，但需要利用系統(tǒng)的地址、數(shù)據(jù)和控制總線。一、DMA方式的定義直接存儲器存取方式——DMA（DirectMemoryAccess）方式，是一種沒有CPU參與的、在高速外設(shè)與存儲器之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂品绞?。二、特點：數(shù)據(jù)傳送速度快，是高速外設(shè)與主機(jī)之間成批交換數(shù)據(jù)的有效方式。但有局限性，適合外設(shè)不多的微小型計算機(jī)系統(tǒng)。7.2.4輸入輸出處理機(jī)(IOP)方式

有單獨的存儲器和獨立的運(yùn)算部件，可訪問系統(tǒng)的內(nèi)部存儲器。功能：除數(shù)據(jù)傳輸外，還應(yīng)能處理傳送過程中出錯及異常情況，數(shù)據(jù)格式翻譯，數(shù)據(jù)塊校驗。特點：由專門的輸入輸出處理機(jī)來管理外設(shè)，提高主機(jī)的工作效率。應(yīng)用于大、中型計算機(jī)系統(tǒng)或分布式計算機(jī)系統(tǒng)。7.3中斷控制技術(shù)7.3.1中斷的概念一、基本概念中斷：CPU暫時中止當(dāng)前程序運(yùn)行，轉(zhuǎn)而處理意外出現(xiàn)的情況或有意安排的任務(wù)，在處理結(jié)束后能自動恢復(fù)原程序的執(zhí)行。中斷請求：當(dāng)外設(shè)準(zhǔn)備好后，向CPU發(fā)出要求傳送數(shù)據(jù)的信號，稱為中斷請求。禁止中斷：外設(shè)發(fā)出中斷請求后，由于某種條件的存在，CPU不能中止現(xiàn)行程序的執(zhí)行，稱為禁止中斷。一般在CPU內(nèi)部設(shè)有一個“中斷允許”觸發(fā)器，由軟件控制其狀態(tài)。只有該觸發(fā)器為“1”狀態(tài)時，才允許CPU響應(yīng)中斷——允許中斷，否則禁止中斷。中斷源：在機(jī)器中引起中斷產(chǎn)生的事件或發(fā)生中斷請求的來源統(tǒng)稱為中斷源。1、一般的輸入輸出設(shè)備：鍵盤，打印機(jī)，鼠標(biāo)等。2、數(shù)據(jù)通道中斷源：軟盤，硬盤等。3、實時時鐘：用外部時鐘定時發(fā)出中斷信號，由CPU進(jìn)行處理。4、故障源：電源掉電，內(nèi)存出錯，輸入輸出出錯等。5、測試程序設(shè)置的中斷源：如單步運(yùn)行和斷點運(yùn)行。內(nèi)部中斷:由機(jī)器內(nèi)部產(chǎn)生的中斷。電源故障、主機(jī)設(shè)備故障、運(yùn)算產(chǎn)生故障（溢出、除數(shù)為零、非法格式等）、定時時鐘中斷等。外部中斷：由外設(shè)引起的中斷。可屏蔽中斷（INTR）和非屏蔽中斷（NMI）。CPU主程序中斷請求中斷請求中斷響應(yīng)中斷返回中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序：為處理意外情況或有意安排的任務(wù)而編寫的程序。中斷響應(yīng)：CPU接到中斷請求信號，若某種條件滿足（允許中斷），就保存斷點，找到中斷服務(wù)程序入口，轉(zhuǎn)至中斷服務(wù)程序執(zhí)行，在中斷服務(wù)結(jié)束后恢復(fù)斷點，繼續(xù)原程序的執(zhí)行（中斷返回），這個過程稱作中斷響應(yīng)。斷點二、CPU響應(yīng)可屏蔽中斷的條件及過程（一）條件1、中斷源有中斷請求；2、CPU允許接受中斷請求；3、一般一條指令執(zhí)行完畢后CPU才能響應(yīng)中斷。（二）中斷響應(yīng)過程1、關(guān)中斷；2、保護(hù)斷點、保存現(xiàn)場；3、開中斷；4、執(zhí)行中斷服務(wù)程序；5、關(guān)中斷，恢復(fù)現(xiàn)場、恢復(fù)斷點；6、開中斷，返回斷點。取指令執(zhí)行指令中斷？響應(yīng)中斷關(guān)中斷、保護(hù)斷點、保存現(xiàn)場、開中斷執(zhí)行中斷服務(wù)程序Y關(guān)中斷、恢復(fù)現(xiàn)場、開中斷返回斷點N例：對于8086，IF=1時允許中斷申請(開中斷）；IF=0時禁止中斷申請(關(guān)中斷)。由指令STI和CLI軟件設(shè)置。7.3.2中斷系統(tǒng)的功能中斷系統(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(guān)系。1、中斷請求的檢測與中斷響應(yīng)的控制CPU必須有識別中斷源的電路；當(dāng)外部中斷源申請中斷時，CPU是否響應(yīng)還要取決于其內(nèi)部的中斷允許設(shè)置。斷點：程序被中斷的地址。斷點需保存，以備恢復(fù)執(zhí)行時使用，保存斷點的地方稱為棧區(qū)。CPU主程序中斷請求中斷響應(yīng)中斷返回中斷服務(wù)程序斷點中斷矢量2、斷點的保護(hù)中斷矢量：實際上就是一個指針，它指向中斷服務(wù)程序起始地址（入口地址）。（1）多個中斷源申請中斷時，CPU根據(jù)預(yù)先設(shè)定的中斷優(yōu)先級別進(jìn)行處理，先為高優(yōu)先級中斷服務(wù)，然后再為低優(yōu)先級中斷服務(wù)。（2）具有多重中斷的能力。多重中斷就是CPU在執(zhí)行某一中斷服務(wù)程序后，如果開中斷，則CPU還可以接受較高級的中斷申請，執(zhí)行其中斷服務(wù)程序，形成多重中斷（也稱為中斷嵌套）。3、實現(xiàn)多重中斷判別的能力7.4總線接口1、總線作用多個部件之間公用的傳送信息的一組連線，負(fù)責(zé)計算機(jī)各部件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、控制信號、地址信號的發(fā)送和接收。2、總線組成信號線、總線控制器、收發(fā)電路、轉(zhuǎn)換器等3、總線分類傳遞信息:并行總線、串行總線總線位置:器件總線、內(nèi)部總線、外部總線7.4.1總線的作用與分類(1)并行總線：多條線同時傳遞所有的二進(jìn)制數(shù)位。多位同時傳遞信息，速度快，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。計算機(jī)部件之間大量采用。(2)串行總線:多位二進(jìn)制信息公用一位信號線傳遞。速度慢，但結(jié)構(gòu)簡單。部件之間距離較遠(yuǎn)時,采用串行總線可降低成本。4、總線功能——傳遞信息5、總線位置(1)器件總線:大規(guī)模集成電路中采用的通信總線。(2)內(nèi)部總線:計算機(jī)機(jī)箱內(nèi)各部件之間的總線。(3)外部總線:主機(jī)與外部設(shè)備以及計算機(jī)與計算機(jī)之間使用的總線。7.4.2總線標(biāo)準(zhǔn)1、物理特性：指總線的物理連接方式，包括總線條數(shù)、連線的插頭、和插座形狀、引腳排列方式和次序等。2、功能特性：描述總線中每一條線的功能。如地址總線AB，數(shù)據(jù)總線DB和控制總線CB。

相同的指令系統(tǒng)，相同的功能，不同廠家生產(chǎn)的各功能部件在實現(xiàn)方法上幾乎沒有相同的，但各廠家生產(chǎn)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系統(tǒng)總線的要求，這就是系統(tǒng)總線的標(biāo)準(zhǔn)化問題。3、電氣特性：每條線上的信號傳送方向、有效電平范圍。4、時間特性：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(biāo)，單位：兆字節(jié)每秒(MB/s)?！纠?1)某總線在一個總線周期中并行傳送4個字節(jié)的數(shù)據(jù)，假設(shè)一個總線周期等于一個總線時鐘周期，總線時鐘頻率為33MHz，則總線帶寬是多少?(2)如果一個總線周期中并行傳送64位數(shù)據(jù)，總線時鐘頻率升為66MHz，則總線帶寬是多少?[解](1)設(shè)總線帶寬用Dr表示，總線時鐘周期用T=1/f表示，一個總線周期傳送的數(shù)據(jù)量用D表示，根據(jù)定義可得：Dr=D/T=D×1/T=D×f=4B×33×106/s=132MB/s(2)64位=8B，Dr=D×f=8B×66×106/s=528MB/s

總線帶寬：總線本身所能達(dá)到的最高傳輸速率。7.4.3微機(jī)總線簡介多數(shù)計算機(jī)采用了分層次的多總線結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，速度差異大的設(shè)備使用不同速度的總線。Pentium計算機(jī)主板就是一個三層次的多總線結(jié)構(gòu)，即有CPU總線、PCI總線和ISA總線。CPU總線：也稱CPU——存儲器總線，它是一個64位數(shù)據(jù)線和32位地址線的同步總線?？偩€時鐘頻率為66MHZ、100MHZ等，CPU內(nèi)部時鐘是此時鐘頻率的倍頻（超頻）。可以把CPU總線看成是CPU引腳信號的延伸。

數(shù)據(jù)寬度16位/8位，工作頻率8MHz，傳輸速率8MB/s，24位地址線。適合速度要求不太高的板卡和外設(shè)。分兩組，長的一組用于插8位的與ISA兼容的板卡。該總線支持7個DMA通道和15級可屏蔽硬件中斷。另外還與主板上的實時鐘/日歷、鍵盤控制器等相接。98線黑色插槽。80286處理器主存儲器顯示器外存儲器外通信號16位總線8MHz1、ISA總線（IndustryStandardArchitecture）2、PCI總線（PeripheralComponentInterconnect）

PCI總線控制器在CPU和外設(shè)之間插入一個復(fù)雜的管理層協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸。用于連接高速的I/O設(shè)備模塊，如顯卡、網(wǎng)卡、硬盤控制器等。通過“北橋”上面與高速的CPU-存儲器總線相連，通過“南橋”下面與低速的ISA總線相連。PCI總線是一個同步總線，32位（或64位）數(shù)據(jù)/地址線是分時復(fù)用的同一組線。PCI總線有專用的PC