N计算机硬件技术基础第5章

上课公用信息邮箱：上面有讲课PPTEmail:tju101@163.comPassword:tju101tju101第五章输入输出接口技术5.1节输入输出系统的基本概念一、输入输出系统的特点1.多样性和复杂性①输入输出设备种类繁多涉及不同学科。②各种多样的设备操作复杂。提供了一个隔离接口层把操作简化。用户可以通过在操作系统和BIOS中的功能调用来使用。2.异步性、实时性和与设备无关性①外设相对于处理器的异步性和时间上的任意性②有些外设的服务必须及时响应。否则要丢失数据。③.独立于具体设备的标准接口，并行、串行、SCSI接口。二、输入输出接口的基本功能

书上P147图5.11.数据缓冲：匹配各种设备速度上的差别。2.数据格式转换：如串-并、并-串转换等。3.数据类型转换4.时序匹配对外围设备进行运行控制。5.传送命令与状态信息：CPU向外设传送命令，外设向CPU反馈状态信息。6.提供程序中断服务：外设可以向CPU请求某种服务，发请求信号。7.地址译码：每个外设都有一个地址编码，以决定选择哪一个设备运行。三、I/O端口1.I/O端口的寻址方式①统一编址:与存储单元统一编址，只有一个地址空间。②独立编址:把I/O端口看成是独立于存储空间的I/O空间，采用专用的I/O指令。2.I/O端口地址的译码①固定式端口地址译码:端口地址不改变。②可选式地址译码:开关式可选地址译码,使I/O接口芯片的地址号能适应不同场合进行地址分配以及为系统以后的扩展留有余地。3.微型计算机(PC)中I/O端口布局①I/O端口寻址布局注：PC机只用10根中的10根地址线，A9-A0a.端口地址210=1024个=1Kb.使用专门的控制信号(IO/M)c.使用I/O指令对端口进行编程②PC机I/O端口的地址分配（1024个）a.前256个（000H–0FFH)

专供主板上的I/O接口芯片使用。b.后768个（100H–3FFH)专供扩展板上的I/O接口芯片使用。5.2节常用的输入/输出方法一、程序控制方式1.CPU与外设之间的数据交换在程序控制下进行,直接利用I/O指令(IN或OUT)实现数据输入/输出。程序控制又可以分为下面两种工作方式。

①直通方式（无条件传送）a.用于处理时间已知的外设b.适用于那些总是处于准备好状态的外设。c.优点：软件及接口硬件简单d.缺点：只适用于简单外设，适应范围较窄e.无条件传送的例子(a)输入读取开关的状态；(b)输出显示，使发光二极管点亮②查询工作方式a.处理时间未知或不确定b.适用外设并不总是准备好传输的情况c.要求外设及接口应提供设备状态控制信息。（Busy/Ready,Strobe)二、中断控制方式1.外设在需要时向CPU提出请求，CPU再去为它服务。服务结束后或在外设不需要服务时，CPU可继续执行自己的程序。2.优点：CPU效率高，实时性好，速度快。3.缺点：中断程序编制较为复杂。三、直接存储器存取方式1.DMA的基本概念：数据交换在内存与外设之间直接进行，CPU不再担当数据传输的中介者。由DMA控制器完成。①DMA的一般步骤a.外设向CPU发DMA请求b.CPU响应DMA请求，交出总线控制权。c.由DMA控制器负责直接传送。d.向CPU报告，DMA操作结束。CPU收回总线控制权。2.DMA的特点①DMA控制器建立了外设直接与内存之间数据交换的直接通道。②由DMA控制器（DMAC）控制数据传送。DMA方式以内存为中心的。③主存中需要开辟专用缓冲区④为了解决CPU和DMA同时访问内存发生的冲突，DMA采用周期挪用方式。四、I/O通道控制方式1.通道是一个特殊功能处理器，它具有自己的指令系统和专门负责数据输入输出的传输控制。2.通道和CPU分时使用内存，实现了CPU内部运算与I/O设备的并行工作。3.通道是DMA的进一步发展。5.3节中断系统（中断技术）一、中断的一般概念与工作过程1.中断的定义CPU执行程序时，出现了某种特殊情况（事件），使得CPU暂时中断正在运行的程序，转去执行一段特殊的服务程序，该事件处理完后又返回被中断的程序继续执行，这一过程称为中断。2、中断响应的工作过程①中断源和响应中断的条件a.引起CPU中断的事件，发出中断请求的来源。b.CPU开放中断。c.CPU只有在现行指令结束后响应中断。②中断响应的过程a.关中断b.保留断点c.保护现场d.执行中断服务程序e.恢复现场f.开中断与返回二、8088/8086的中断系统1.向量中断

通过中断向量来寻找中断入口地址进而转向中断服务程序的一种方法。中断向量是个地址指针。（DWORD类型，四个字节）2.中断优先权

当多个中断源，CPU任何时候只能处理其中的一个中断。这里有中断响应先后的问题。3.8086/8088中断源类型①外部中断（由电信号引起）a.不可屏蔽中断NMIb.可屏蔽中断INTR②

内部中断（由指令执行引起）a.指令中断b.异常中断补充：8086中断系统的中断向量表1.向量表位于地址00000H～003FFH的内存单元。大小为1KB，共256个表项。2.每个表项占用4Bytes，是双字类型的数据。代表一个指针。低字为偏移地址，高字为段地址址。段地址：偏移地址是内存逻辑地址格式。3.指针指向各个中断的服务程序的入口位置。三、中断的优先级1.当多个中断请求同时发生的时候。要决定哪一个外设的中断请求优先得到服务。2.一般有软件确定和硬件确定中断优先级两种方式。3.PC机采用8259A中断控制器芯片，用硬件的方式来确定中断的响应优先级。四、中断屏蔽和中断处理程序1.中断屏蔽①8259中断控制器提供了优先级控制。以及防止低级中断打断高级中断的中断嵌套机制。②还提供了中断开放屏蔽标志位IF，用户可以用软件来设置。以保证某些重要的时刻。不允许被中断或更高级的中断打断。2.中断处理程序①每个请求中断的外设都希望得到服务。最古老中断处理程序就是这些为外设提供服务称为中断服务程序。用户只要把自己的中断服务程序首地址填入中断向量表即可得到服务。②现代的中断服务概念被扩大化了，操作系统和BIOS的系统功能也采用了中断服务程序方式。用户只要用“软件方式”就可以调用这些系统服务。五、中断的断点1.CPU只有在当前指令执行完，才会有可能去相应中断，提供服务。2.中断的断点指的刚才执行完了的指令的下一条指令地址。3.CPU的中断响应周期会自动将该断点地址，压入堆栈保存。六、保护模式下的中断响应1.80286以上CPU具备保护模式。2.保护模式使用中断描述符表（IDT)3.其长度由中断描述符表寄存器中的基地址给出长度限制。5.4节微机接口技术一、常用接口标准。书上P154页划分了5种接口。不是很专业。1.图形显示接口标准。

AGP属于PCI总线接口标准的变种。它提供和显示卡的连接。属于适配卡接口的标准。显示器才是一种外设。它与显示适配卡相连。2.传统的串并行接口标准这两个才是IBMPC机上标准的通用外围设备接口。提供了没有专业知识的用户也可以连接的接口。其实，PC还提供了两个专用的外设接口，键盘和显示器。注：书上提到的RS485，I2C等属于I/O接口标准。但是PC机器上没有，通过总线适配卡可以得到。5.测试仪器接口标准这不是PC机器标准接口。是需要用适配卡以后才能提供的I/O接口。注：PC的“开放系统”策略，通过主板系统总线上的扩展适配卡技术，原则上可以提供任何类型外设的接口。所以不应作分类考虑。二、并行接口标准1.并行通信的定义

实现同时传送两位以上的数据。2.Centronics标准接口（并行打印机接口）①打印机端36引脚，主要有11根。2.PC端口使用25引脚。见P157表5-43.并行接口的工作原理

用时序图Timingdiagram表示三、RS-232-C串行接口标准1.串行通信系统组成。①数据终端设备(DTE)②数据通信设备(DCE)2.RS-232-C串行接口标准①由美国电子工业协会EIA推荐的接口标准。用于DTE和DCE之间的串行数据交换标准接口。②PC端25引脚

见P157图5.7和P156表5.3

注：常用的是其中的9根信号。所以有简化的9引脚的插座。四、USB接口标准1.采用4芯电缆：①+5V对外接的设备进行供电②GND地线③DATA数据信号线④CLK时钟信号线（采用同步方式）2.有USB1.1和USB2.0两个版本①主要是传输速度不同。分别为1.512MB/s和480MB/s②

现在最新的PC机上已经支持带USB3.0接口的设备。参考书上P155表5.13.USB的两大特点①具有热插拔的即插即用功能。②采用级联方式连接各外部设备。注：最多5个HUB级联，最长30米（5米x6)距离，127个外设。五、A/D和D/A转化接口技术1.计算机只能接受、处理数字量。所以自然界的模拟信号必须通过转换器件，才能用计算机进行控制处理。2.完成这种转化的器件就是A/D和D/A转换器。3.PC机本身不能进行这种转换，所以需要在总线上安装完成转换的适配卡开进行。注：可以从市场上获得这样的转换卡。六、微机接口信息1.硬盘接口2.光纤通道3.IDE4.SCSI5.SATA七、无线接口技术1.红外线接口2.蓝牙接口3.Wire