硬件7 输入输出接口

1、第七章第七章 计算机输入输出接口计算机输入输出接口 I/OI/O接口的概念、功能、结构与编址方式；接口的概念、功能、结构与编址方式； 并行接口和串行接口的主要特点；并行接口和串行接口的主要特点； 主机与外设之间的数据传送方式；主机与外设之间的数据传送方式； 中断的概念、中断响应的条件与过程、中中断的概念、中断响应的条件与过程、中 断系统的功能及中断处理方法；断系统的功能及中断处理方法； 总线标准及常见的微机总线。总线标准及常见的微机总线。 本本 章章 要要 点：点： 2 7.1 输入输出接口的基本知识输入输出接口的基本知识 7.1.1 输入输出接口的概念及功能输入输出接口的概念及功能 一、输入

2、输出接口的引入一、输入输出接口的引入 1 1、外设类型不同：、外设类型不同： 机械、电子、机电、电磁机械、电子、机电、电磁 2 2、传送信息类型：、传送信息类型： 数字量、模拟量数字量、模拟量 3 3、传送方式：、传送方式： 串行、并行串行、并行 4 4、传送速度、编码方式不同、传送速度、编码方式不同 三、功能三、功能 二、概念二、概念 输入输出：输入输出：CPU或主存与外设（或主存与外设（I/O设备）交换信息的过程。设备）交换信息的过程。 输入输出接口：输入输出接口：是计算机中协调、匹配外设与主机正常工作是计算机中协调、匹配外设与主机正常工作 所设置的逻辑部件及相应的控制软件，简称所设置的逻

3、辑部件及相应的控制软件，简称I/O口。口。 1 1、能进行地址译码和设、能进行地址译码和设 备选择备选择; ; 2 2、能实现数据缓冲和数、能实现数据缓冲和数 据锁存据锁存; ; 3 3、能完成信息格式和电、能完成信息格式和电 平的转换平的转换; ; 4 4、能保证数据传送的定时、能保证数据传送的定时 与协调。与协调。 7.1.2 输入输出接口的基本结构输入输出接口的基本结构 CPU和外设之间通常传递的信息：数据、状态、控制和外设之间通常传递的信息：数据、状态、控制 一、组成一、组成 寄存器组、控制逻辑电路、主机与接口和接口与寄存器组、控制逻辑电路、主机与接口和接口与I/O设备之设备之 间的信

4、号联接线、地址线、数据线等信号线。间的信号联接线、地址线、数据线等信号线。 CPU 控制电路控制电路 DR SR CR I/O 设备设备 地址地址 数据数据 IO/M RD WR 数据数据 状态状态 控制控制 数据数据 寄存器寄存器 控制控制 寄存器寄存器 都由数据都由数据 总线传送总线传送 状态状态 寄存器寄存器 接口电路中具有不同地址，可以由接口电路中具有不同地址，可以由CPU进行读进行读/写操作的寄存写操作的寄存 器。通常有数据端口、状态端口和控制端口。器。通常有数据端口、状态端口和控制端口。 u（一）数据口（一）数据口 u数据：外设输入给数据：外设输入给CPU或从或从CPU输出给外设的

5、各种数据信息。输出给外设的各种数据信息。 u数据口用于完成输入与输出数据。数据口用于完成输入与输出数据。 u（二）状态口（二）状态口 u状态：反映外设当前工作状态的信息。状态：反映外设当前工作状态的信息。如输入设备是否准备好如输入设备是否准备好 （READY）；）；输出设备是否忙（输出设备是否忙（BUSY）等。等。 u状态（状态（输入）口，用于使输入）口，用于使CPU了解外设状态。了解外设状态。 u（三）控制口（三）控制口 u控制：控制：CPU发出的对外设或接口的控制信息。如外设的启动或停止，接发出的对外设或接口的控制信息。如外设的启动或停止，接 口的工作模式设置等。口的工作模式设置等。 u控

6、制（输出）口，用于完成控制（输出）口，用于完成CPU的控制操作。的控制操作。 u数据信息、控制信息和状态信息都由数据线传送，因此要通过不同的端数据信息、控制信息和状态信息都由数据线传送，因此要通过不同的端 口来区分。口来区分。 二、端口的概念二、端口的概念 7.1.3 I/O接口分类接口分类 n1、传送方式、传送方式 n并行和串行并行和串行 串行接口串行接口：接口与外设之间以：接口与外设之间以 串行方式传送数据，即每个字串行方式传送数据，即每个字 或字节逐位依次传送。或字节逐位依次传送。 n3、协调配合方式协调配合方式 n程序传送、中断传送、程序传送、中断传送、DMA n4、电路规模、电路规模

7、 n简单接口、可编程接口、外设接口适配器简单接口、可编程接口、外设接口适配器 并行接口并行接口：接口与外设之：接口与外设之 间以并行方式传送数据，间以并行方式传送数据， 即各位数据同时传送。即各位数据同时传送。 n2、收发配合方式收发配合方式 n同步和异步同步和异步传送方式传送方式 7.1.4 输入输出接口的编址方式输入输出接口的编址方式 n在接口电路中通常都具有多个可由在接口电路中通常都具有多个可由CPU进行读写进行读写 操作的寄存器操作的寄存器端口。不同计算机对端口的编端口。不同计算机对端口的编 址方式不同。址方式不同。 l2、I/O端口独立编址端口独立编址 给给I/O接口中的各端口提接口

8、中的各端口提 供与存储器空间完全分供与存储器空间完全分 开、完全独立的开、完全独立的I/O地址地址 空间。空间。 l1、存储器统一编址、存储器统一编址 将将I/O接口中的端口地接口中的端口地 址与存储单元统一编址与存储单元统一编 址。址。 优点优点：访存指令可访问端口，：访存指令可访问端口， 指令类型多；端口地址空间指令类型多；端口地址空间 大。大。 缺点缺点：占用存储器空间；速：占用存储器空间；速 度慢。度慢。 优点优点：专门的：专门的I/O指令，与访指令，与访 存分开；执行速度快；不占存分开；执行速度快；不占 内存地址空间。内存地址空间。 缺点缺点：端口地址范围小。：端口地址范围小。 7.

9、2 主机与外设间的信息传送方式主机与外设间的信息传送方式 一、程序直接控制传递方式一、程序直接控制传递方式 二、程序中断控制方式二、程序中断控制方式 三、直接内存访问方式三、直接内存访问方式DMA 四、输入、输出处理机方式四、输入、输出处理机方式 7.2.1 程序直接控制传送方式程序直接控制传送方式 优点：优点： n较好协调主机与外设之间的时间差异；较好协调主机与外设之间的时间差异； n所用硬件少。所用硬件少。 J缺点：缺点： n主机与外设只能串行工作，主机与外设只能串行工作，CPU效率低；效率低； n主机一个时间段只能与一个外设进行通信主机一个时间段只能与一个外设进行通信。 读外设状态读外设

10、状态 就绪？就绪？ 读读/写写 Y N 一、无条件传送方式一、无条件传送方式 无需了解外设状态，但要求外设随无需了解外设状态，但要求外设随 时处于准备好的状态。时处于准备好的状态。 二、有条件传送方式二、有条件传送方式查询式传送查询式传送 外设工作情况无法预先知道或无外设工作情况无法预先知道或无 规律时一般采用。规律时一般采用。 适用于对主机速度要求不高，外适用于对主机速度要求不高，外 设数量不多的场合。设数量不多的场合。 7.2.2 中断传送方式中断传送方式 n中断中断CPU暂时中止当前程序运行，转而暂时中止当前程序运行，转而 处理意外出现的情况或有意安排的任务，在处理意外出现的情况或有意安

11、排的任务，在 处理结束后能自动恢复原程序的执行。处理结束后能自动恢复原程序的执行。 n优点优点：主机可以与一个或多个外设并行工作，：主机可以与一个或多个外设并行工作， 提高了提高了CPU的效率。的效率。 n缺点缺点：执行中断服务程序时，保护断点等工：执行中断服务程序时，保护断点等工 作占用时间，难以满足成批快速交换数据的作占用时间，难以满足成批快速交换数据的 要求。要求。 7.2.3 直接存储器访问直接存储器访问DMA方式方式 n 前两种方式以前两种方式以CPUCPU为中心，占用为中心，占用CPUCPU时间，时间，DMADMA 方式以内存为中心，由专门的方式以内存为中心，由专门的 DMADMA

12、控制器向控制器向CPUCPU请请 求并接管总线的控制权，但需要利用系统的地址、求并接管总线的控制权，但需要利用系统的地址、 数据和控制总线。数据和控制总线。 一、一、 DMA方式的定义方式的定义 直接存储器存取方式直接存储器存取方式DMA（Direct Memory Access）方式，是一种没有方式，是一种没有CPU参与的、在高速外参与的、在高速外 设与存储器之间直接进行数据传输的控制方式设与存储器之间直接进行数据传输的控制方式。 二、特点：数据传送速度快，是高速外设与主机之间二、特点：数据传送速度快，是高速外设与主机之间 成批交换数据的有效方式。但有局限性，适合外设成批交换数据的有效方式。

13、但有局限性，适合外设 不多的微小型计算机系统。不多的微小型计算机系统。 7.2.4 输入输出处理机输入输出处理机(IOP)方式方式 n 有单独的存储器和独立的运算部件，可访问有单独的存储器和独立的运算部件，可访问 系统的内部存储器。系统的内部存储器。 n功能：功能：除数据传输外，还应能处理传送过程中出除数据传输外，还应能处理传送过程中出 错及异常情况，数据格式翻译，数据块校验。错及异常情况，数据格式翻译，数据块校验。 n特点：特点：由专门的输入输出处理机来管理外设，提由专门的输入输出处理机来管理外设，提 高主机的工作效率。应用于大、中型计算机系统高主机的工作效率。应用于大、中型计算机系统 或分

14、布式计算机系统。或分布式计算机系统。 7.3 中断控制技术中断控制技术 7.3.1 中断的概念中断的概念 一、基本概念一、基本概念 中断中断： CPU暂时中止当前程序运行，转而处理意暂时中止当前程序运行，转而处理意 外出现的情况或有意安排的任务，在处理结束后外出现的情况或有意安排的任务，在处理结束后 能自动恢复原程序的执行。能自动恢复原程序的执行。 中断请求中断请求：当外设准备好后，向：当外设准备好后，向CPU发出要求传送发出要求传送 数据的信号，称为中断请求。数据的信号，称为中断请求。 禁止中断禁止中断：外设发出中断请求后，由于某种条件的：外设发出中断请求后，由于某种条件的 存在，存在，CP

15、U不能中止现行程序的执行，称为禁止不能中止现行程序的执行，称为禁止 中断。中断。 一般在一般在CPU内部设有一个内部设有一个“中断允许中断允许”触发器，由软件控触发器，由软件控 制其状态。只有该触发器为制其状态。只有该触发器为“1”状态时，才允许状态时，才允许CPU响响 应中断应中断允许中断允许中断，否则禁止中断。，否则禁止中断。 n中断源中断源：在机器中引起中断产生的事件或发生：在机器中引起中断产生的事件或发生 中断请求的来源统称为中断源。中断请求的来源统称为中断源。 u1、一般的输入输出设备：键盘，打印机，鼠标等。、一般的输入输出设备：键盘，打印机，鼠标等。 u2、数据通道中断源：软盘，硬

16、盘等。、数据通道中断源：软盘，硬盘等。 u3、实时时钟：用外部时钟定时发出中断信号，由、实时时钟：用外部时钟定时发出中断信号，由CPU进行进行 处理。处理。 u4、故障源：电源掉电，内存出错，输入输出出错等。、故障源：电源掉电，内存出错，输入输出出错等。 u5、测试程序设置的中断源：如单步运行和断点运行。、测试程序设置的中断源：如单步运行和断点运行。 内部中断内部中断:由机器内部产生的中断。由机器内部产生的中断。 l电源故障、主机设备故障、运算产生故障（溢出、电源故障、主机设备故障、运算产生故障（溢出、 除数为零、非法格式等）、定时时钟中断等。除数为零、非法格式等）、定时时钟中断等。 外部中断

17、：由外设引起的中断。外部中断：由外设引起的中断。 l可屏蔽中断（可屏蔽中断（INTR）和非屏蔽中断（和非屏蔽中断（NMI）。）。 CPU主程序 中断请求 中断请求 中 断 响 应 中断 返 回 中断服务程序 中断服务程序中断服务程序：为处理意：为处理意 外情况或有意安排的任务外情况或有意安排的任务 而编写的程序。而编写的程序。 中断响应中断响应：CPU接到中断接到中断 请求信号，若请求信号，若某种条件满某种条件满 足（允许中断），就保存足（允许中断），就保存 断点，找到中断服务程序断点，找到中断服务程序 入口，转至中断服务程序入口，转至中断服务程序 执行，执行，在中断服务结束后在中断服务结束后

18、 恢复断点，继续原程序的恢复断点，继续原程序的 执行（执行（中断返回中断返回），这个），这个 过程过程称作中断响应。称作中断响应。 断点 二、二、CPU响应可屏蔽中断的条件及过程响应可屏蔽中断的条件及过程 （一）条件（一）条件 1、中断源有中断请求；、中断源有中断请求； 2、CPU允许接受中断请求；允许接受中断请求； 3、一般一条指令执行完毕后、一般一条指令执行完毕后CPU 才能响应中断。才能响应中断。 （二）中断响应过程（二）中断响应过程 1、关中断；关中断； 2、保护断点、保存现场；、保护断点、保存现场； 3、开中断；、开中断； 4、执行中断服务程序；、执行中断服务程序； 5、关中断，恢复

19、现场、恢复断点；、关中断，恢复现场、恢复断点； 6、开中断，返回断点。、开中断，返回断点。 取指令取指令 执行指令执行指令 中断？中断？ 响应中断响应中断 关中断、保护断点、保存关中断、保护断点、保存 现场、开中断现场、开中断 执行中断服务程序执行中断服务程序 Y 关中断、恢复现场、开中断关中断、恢复现场、开中断 返回断点返回断点 N 例：对于例：对于8086， IF=1 时允许中断申请时允许中断申请(开中开中 断）断）；IF=0 时禁止中断申请时禁止中断申请(关中断关中断)。由指令。由指令 STI和和CLI软件设置。软件设置。 中断系统就是完成一次中断操作的全过程所需中断系统就是完成一次中断

20、操作的全过程所需 要的各种部件及其相互关系。要的各种部件及其相互关系。 1、中断请求的检测与中断响应的控制、中断请求的检测与中断响应的控制 CPU必须有识别中断源的电路；必须有识别中断源的电路； 当外部中断源申请中断时，当外部中断源申请中断时，CPU是否响应还是否响应还 要取决于其内部的中断允许设置要取决于其内部的中断允许设置。 断点：断点：程序被中断的地址。程序被中断的地址。 断点需保存，以备恢复执行断点需保存，以备恢复执行 时使用，保存断点的地方称时使用，保存断点的地方称 为栈区。为栈区。 CPU主程序 中断请求 中 断 响 应 中断 返 回 中断服务程序 断点 中断 矢量 2、断点的保护

21、、断点的保护 中断矢量中断矢量：实际上就是一个指：实际上就是一个指 针，它指向中断服务程序起始针，它指向中断服务程序起始 地址（入口地址）。地址（入口地址）。 （1）多个中断源申请中断时，）多个中断源申请中断时，CPU根据预先根据预先 设定的设定的中断优先级别进行处理中断优先级别进行处理，先为高优先，先为高优先 级中断服务，然后再为低优先级中断服务。级中断服务，然后再为低优先级中断服务。 （2）具有）具有多重中断的能力多重中断的能力。 u多重中断就是多重中断就是CPU在执行某一中断服务程在执行某一中断服务程 序后，如果开中断序后，如果开中断，则则 CPU还可以接受较高还可以接受较高 级的中断申

22、请，执行其中断服务程序，形成级的中断申请，执行其中断服务程序，形成 多重中断（也称为多重中断（也称为中断嵌套中断嵌套）。）。 3、实现实现多重中断判别的能力多重中断判别的能力 1 1、总线作用、总线作用 多个部件之间公用的传送信息的一组连线，多个部件之间公用的传送信息的一组连线， 负责计算机各部件进行数据交换、控制信号、负责计算机各部件进行数据交换、控制信号、 地址信号的发送和接收。地址信号的发送和接收。 2 2、总线组成、总线组成 信号线、总线控制器、收发电路、转换器等信号线、总线控制器、收发电路、转换器等 3 3、总线分类、总线分类 传递信息传递信息: :并行总线、串行总线并行总线、串行总

23、线 总线位置总线位置: :器件总线、内部总线、外部总线器件总线、内部总线、外部总线 7.4.1 总线的作用与分类总线的作用与分类 (1) (1) 并行总线：多条线同时传递所有的二进制数位。并行总线：多条线同时传递所有的二进制数位。 l多位同时传递信息，速度快，结构复杂。多位同时传递信息，速度快，结构复杂。 l计算机部件之间大量采用。计算机部件之间大量采用。 (2) (2) 串行总线串行总线: :多位二进制信息公用一位信号线传递。多位二进制信息公用一位信号线传递。 l速度慢，但结构简单。速度慢，但结构简单。 l部件之间距离较远时部件之间距离较远时, ,采用串行总线可降低成本。采用串行总线可降低成

24、本。 4 4、总线功能、总线功能传递信息传递信息 5 5、总线位置、总线位置 (1)(1)器件总线器件总线: :大规模集成电路中采用的通信总线。大规模集成电路中采用的通信总线。 (2)(2)内部总线内部总线: :计算机机箱内各部件之间的总线。计算机机箱内各部件之间的总线。 (3)(3)外部总线外部总线: :主机与外部设备以及计算机与计算机之主机与外部设备以及计算机与计算机之 间使用的总线。间使用的总线。 l1、物理特性物理特性：指总线的物理连接方式，包括总线指总线的物理连接方式，包括总线 条数、连线的插头、和插座形状、引脚排列方式条数、连线的插头、和插座形状、引脚排列方式 和次序等。和次序等。

25、 l2、功能特性功能特性：描述总线中每一条线的功能。如地描述总线中每一条线的功能。如地 址总线址总线ABAB，数据总线数据总线DBDB和控制总线和控制总线CBCB。 相同的指令系统，相同的功能，不同厂家生产的各功相同的指令系统，相同的功能，不同厂家生产的各功 能部件在实现方法上几乎没有相同的，但各厂家生产的相同能部件在实现方法上几乎没有相同的，但各厂家生产的相同 功能部件却可以互换使用，其原因在于它们都遵守了相同的功能部件却可以互换使用，其原因在于它们都遵守了相同的 系统总线的要求，这就是系统总线的标准化问题。系统总线的要求，这就是系统总线的标准化问题。 l3、电气特性电气特性：每条线上的信号

26、传送方向、有效电每条线上的信号传送方向、有效电 平范围。平范围。 l4、时间特性时间特性：每条线上的信号在什么时间上有效。每条线上的信号在什么时间上有效。 总线带宽是衡量总线性能的重要指标，总线带宽是衡量总线性能的重要指标， 单位：兆字节每秒单位：兆字节每秒(MB/s)。 【例】例】(1)某总线在一个总线周期中并行传送某总线在一个总线周期中并行传送4个字个字 节的数据，假设一个总线周期等于一个总线时钟周节的数据，假设一个总线周期等于一个总线时钟周 期，总线时钟频率为期，总线时钟频率为33MHz，则总线带宽是多少则总线带宽是多少? (2)如果一个总线周期中并行传送如果一个总线周期中并行传送64位

27、数据，总线位数据，总线 时钟频率升为时钟频率升为66MHz，则总线带宽是多少则总线带宽是多少? 解解(1)设总线带宽用设总线带宽用Dr表示，总线时钟周期用表示，总线时钟周期用T=1/f 表示，一个总线周期传送的数据量用表示，一个总线周期传送的数据量用D表示，表示， 根据定义可得根据定义可得 ：Dr = D/T = D1/T = Df =4B33106/s=132MB/s (2)64位位=8B， Dr= Df =8B66 106/ s=528MB/s 总线带宽总线带宽：总线本身所能达到的最高传输速率。总线本身所能达到的最高传输速率。 多数计算机采用了分层次的多总线结构。在多数计算机采用了分层次的

28、多总线结构。在 这种结构中，速度差异大的设备使用不同速度的这种结构中，速度差异大的设备使用不同速度的 总线。总线。 Pentium 计算机主板就是一个三层次的多计算机主板就是一个三层次的多 总线结构，即有总线结构，即有CPU总线、总线、PCI总线和总线和ISA总线。总线。 CPU总线总线：也称：也称CPU存储器总线，它是一个存储器总线，它是一个 64位数据线和位数据线和32位地址线的同步总线。总线时钟位地址线的同步总线。总线时钟 频率为频率为66MHZ、100MHZ等，等，CPU内部时钟是此内部时钟是此 时钟频率的倍频（超频）。可以把时钟频率的倍频（超频）。可以把CPU总线看成总线看成 是是CPU引脚信号的延伸。引脚信号的延伸。 数据宽度数据宽度16位位/8位，工作频率位，工作频率8MHz，传输速率传输速率 8MB/s，24位地址线。位地址线。 适合速度要求不太高的板卡和外设。适合速度要求不太高的板卡和外设。 分两组，长的一组用于插分两组，长的一组用于插8位的与位的与ISA兼容的板卡。兼容的板卡。 该总线支持该总线支持7个个DMA通道和通道和1