计算机组成技术第8章学习专业课件

2025/2/251第8章输入/输出接口与中断系统计算机组成技术教程哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院2025/2/252第8章输入/输出接口与中断系统8.1输入/输出技术的发展8.2输入/输出接口的基本组成8.3中断系统8.4DMA技术8.5常见的标准输入/输出接口作业：1，2，3，5，7，9，112025/2/253计算机的I/O接口主机输入/输出接口（Interface）设备控制器设备执行机构计算机的外设往往不能直接与系统总线相连，需要一个中间环节完成数据缓冲、数据格式转换、通信控制、时序和电平匹配等工作，这个中间环节就是接口电路。

设置接口的主要目的是将用户编制的程序（或数据）输入至主机内，将运算结果输送给用户，并能实现I/O系统与主机工作的协调等。2025/2/2548.1I/O技术的发展输入/输出技术的发展大致可分为4个阶段：1．早期阶段早期的I/O设备种类较少，I/O设备与主机交换信息都必须通过CPU，这种交换方式延续了相当长的时间。2．接口模块和DMA阶段这一阶段I/O设备通过接口模块与主机连接，计算机系统采用了总线结构，通常在接口中都设有数据通路和控制通路。数据经过接口既起到缓冲作用，又可完成“串

并”变换或“并

串”变换。控制通路用来传送CPU向I/O设备发出的各种控制命令，或使CPU接收来自I/O设备的反馈信号。为了提高CPU的工作效率，出现了能满足中断请求处理要求的接口和DMA（DirectMemoryAccess）技术。虽然这一阶段实现了CPU和I/O并行工作，但是在主机与I/O交换信息时，CPU要中断现行程序，也即CPU与I/O还不能做到绝对地并行工作。3．通道阶段在小型和微型计算机中，采用DMA方式可实现高速外设与主机成组数据的交换，但在大、中型计算机中，外设配置繁多，数据传送频繁，需要采用专用通道技术。通道是负责管理I/O设备以及实现主存与I/O设备之间信息交换的部件，它可视为一种具有特殊功能的处理器。通道有专用的通道指令，能独立地执行用通道指令所编写的输入/输出程序，但它不是一个完全独立的处理器，它要启动、停止或改变工作状态受CPU的I/O指令控制，是从属于CPU的一个专用处理器。依赖通道管理的I/O设备在与主机交换信息时，CPU不直接参与管理，故CPU的资源利用率更高。4．I/O处理机阶段I/O处理机又叫外围处理机（PeripheralProcessorUnit，PPU），它基本独立于主机工作，既可完成I/O通道要完成的I/O控制，还可完成码制变换、格式处理、数据块检错、纠错等操作。具有I/O处理机的输入/输出系统与CPU工作的并行性更高，这说明I/O系统对主机来说，具有更大的独立性。

2025/2/2558.2I/O接口的基本组成接口:

I/O接口通常是指主机与外部设备之间设置的一个硬件电路及其相应的软件控制。主机与外设之间设置接口适配电路的原因:利用接口可实现多台外部设备的选择。通过接口可实现数据缓冲达到速度匹配。通过接口可实现数据串-并格式的转换。通过接口可实现电平转换。通过接口可传送控制命令。通过接口可监视设备的工作状态。8.2.1

I/O接口的概念2025/2/2568.2.2

I/O接口的功能与组成I/O接口通常应具备如下功能：设备选择与寻址功能。传送命令的功能。传送数据的功能。反映I/O设备工作状态的功能。

端口是指接口电路中的一些寄存器，分别用来存放数据信息、控制信息和状态信息，相应的就有数据端口、控制端口和状态端口。（端口与寄存器等价！！！）

接口和端口是两个不同的概念，若干端口加上相应的控制逻辑才能组成接口。2025/2/257

I/O接口一般都由数据锁存/缓冲器、状态寄存器、命令寄存器、地址译码和控制逻辑等电路组成。8.2.2

I/O接口的功能与组成2025/2/2588.2.3

I/O接口的编址与控制方法

对I/O的编址有两种方式，一种是独立编址I/O，另一种是存储器映象I/O。

在独立编址I/O中，IN，OUT指令在微处理器、累加器与I/O设备之间或存储器与I/O设备之间传送数据。

用于INTEL微处理器系统的最普遍的I/O传送技术就是独立编址I/O，独立编址的I/O设备的地址又称为端口。独立编址I/O是指I/O存储单元独立与存储器系统单独隔离开一个独立的存储空间。这种方式的缺点是只能使用IN、OUT指令在I/O与处理器之间传送数据。但它的优点是显著的，端口与存储空间隔离开来，用户可以充分的扩展存储器而无须考虑给I/O留出空间。在存储器映象I/O中，任一存储器的指令均能执行I/O数据传送。2025/2/259指令系统包括给I/O设备传送信息的指令（OUT）和从I/O设备读出信息的指令（IN）。外设与微处理器内累加器的数据交换是通过IN与OUT指令实现的。I/O地址存储于寄存器DX中作为16位I/O地址，或由指令操作码之后的操作数提供。例如:

INAL,8；从端口P8输入一个字节到AL。

I/O指令8.2.3

I/O接口的编址与控制方法2025/2/2510无条件传送方式计算机与外设数据传送采用的是直接输入/输出方式，也称为无条件传送方式。采用这种传送方式的前提是外设必须处于随时能提供数据或接收数据的状态。该方式适用于对一些简单外设进行操作。（1）当简单外设作为输出设备时，要求CPU在执行输入指令时，外设的数据是准备好的；（2）当简单外设作为输入设备时，要求CPU在执行输出数据指令时，要确保所选中的输入锁存器是空的。8.2.3

I/O接口的编址与控制方法2025/2/2511程序查询（条件传送）方式的核心问题在于每时每刻需不断查询I/O设备是否准备就绪。要完成查询过程，通常系统要执行如下三类指令:·测试指令·传送指令·转移指令8.2.3

I/O接口的编址与控制方法单个设备的查询示意图和程序流程图2025/2/2512多个设备的查询流程示意图当I/O设备较多时，CPU需按各个I/O设备在系统中的优先级别进行逐级查询，其流程图如右。图中设备的优先顺序按1至N降序排列。是是否否否是检查状态标记1设备1准备就绪?处理设备1检查状态标记2处理设备2

···

···检查状态标记N处理设备N设备2准备就绪?设备N准备就绪?8.2.3

I/O接口的编址与控制方法2025/2/25138.3中断系统8.3.1程序中断的目的和原理程序中断的目的：

与数据传输速率低的I/O设备接口（键盘）处理突发（不规则）事件（插入软盘）2025/2/2514中断（Interrupt）是一个由内外部事件激发来中断当前正在执行程序而运行另一个处理程序的过程。8.3.1程序中断的目的和原理通常把实现中断功能所需的软硬件技术，统称为中断技术。把实现中断功能的全部软硬件统称为中断系统。把凡能向CPU提出中断请求的各种因素统称为中断源。2025/2/25第七章-158.3.1程序中断的目的和原理程序中断的原理：

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原程序的间断处继续执行。2025/2/25第七章-168.3.1程序中断的目的和原理程序中断的原理：1中断是随机的2中断是可恢复的3中断是自动处理的中断特点2025/2/25178.3.1程序中断的目的和原理程序中断的原理：微型计算机中断系统CPU中断处理机构中断服务程序中断接口...请求1请求2请求N2025/2/25188.3.2

中断处理过程和中断服务程序一.中断的一般处理过程中断请求中断判优中断响应中断处理中断返回2025/2/25198.3.2

中断处理过程和中断服务程序二．中断服务程序的一般流程Step1．保护断点：将断点地址压入堆栈保存，即当前PC值入栈。Step2．关中断：屏蔽其它中断请求信号。Step3．保护现场：将中断服务程序使用的所有寄存器内容入栈。Step4．中断处理：执行中断源所要求的中断服务程序。Step5．恢复现场：恢复被使用寄存器的原有内容。Step6．开中断：允许接受其它中断请求信号。Step7．中断返回：执行IRET指令，栈顶内容®PC，程序跳转回断点处。2025/2/25208.3.3

多重中断及处理2025/2/25218.3.4中断接口电路1.中断接口电路的基本组成：中断请求触发器中断屏蔽触发器中断源排队器中断向量地址形成部件主存

….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中断源1中断源2中断源n中断源INTP1INTP2INTPn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中断向量2025/2/25228.3.4中断接口电路2.一个实际的中断接口电路Intel8259A：2025/2/25238.3.5

微型计算机的中断系统2025/2/25248.3.5

微型计算机的中断系统

Intel系列微处理器包括两条硬件中断请求引脚（INTR和NMI）和一条响应INTR中断申请的硬件引脚（INTA）。除了引脚，微处理器还有软中断INTn、INTO、INT3和BOUND命令。两个标志位IF（中断标志）和TF(陷井标志)，一条返回指令IRET（或80386、80486、Pentium/PentiumPro中的IRETD）用于结束中断服务程序，返回到主程序。2025/2/2525中断向量和向量表

中断向量和向量表对于理解硬件和软件中断是重要的。中断向量表存放在存储器的前1024字节中，地址从00000H到003FFH，它包括256种不同的4字节中断向量，中断向量包含中断服务程序的地址（段地址和偏移地址）。下面列出了微处理器中每个专用中断的功能描述:类型0

除法出错：当除法结果溢出或企图除以零时发生中断。类型1

单步或陷井：执行每条指令后，若陷井标志（TF）被置位，则产生中断。一旦响应此中断，TF位被清除，以使中断服务程序全速执行。类型2

非屏蔽硬件中断：通过在微处理器的NMI输入引脚上设置逻辑1实现，此输入是不可屏蔽的，即它无法被禁止。类型3

断点中断：单字节指令（INT3），INT3指令通常用于调试时保存程序中的断点。8.3.5

微型计算机的中断系统2025/2/2526类型4

溢出：INTO指令的专用向量。若溢出标志（OF）表示的溢出条件存在，INTO指令中断执行的程序。类型5

边界测试：将寄存器与存放在存储器中的边界值进行比较的指令。若寄存器内容大于存储器中的第一个字而小于等于第二个字，则认为寄存器内容在边界之内，不发生中断。若寄存器内容出界，则发生类型5中断。类型6

非法操作码：当遇到程序中某个未定义的操作码时发生中断。类型7

协处理器不存在：按机器状态字（MSW）协处理器控制位的指示，当系统没有找到协处理器时发生中断。若执行ESC或WAIT指令并且没有找到协处理器时，发生类型7异常中断。8.3.5

微型计算机的中断系统2025/2/2527中断指令BOUNDINTOINTnINT3IRETBOUND指令有两个操作数，它比较寄存器和两个字的存储器数据。例如，执行指令BOUNDAX，DATA，则AX与DATA和DATA+1的内容进行比较，再与DATA+2和DATA+3的内容比较。如果AX小于DATA和DATA+1的内容，则产生一个类型5中断，如果AX大于DATA+2和DATA+3的内容，也产生一个类型5中断。若AX在这两个内存字的范围内，则不发生中断。INTO指令检查溢出标志(OF),若OF=1,INTO指令调用入口地址存放在类型4中断向量的程序。若OF=0，则INTO指令不执行任何操作并执行程序中的下一条指令。INTn指令调用类型n，表示中断向量存放的中断服务程序的入口地址。例如，INT10H指令调用地址存放在向量类型为10H(00040H-00043H)的中断服务程序，我们只需将向量类型号n乘以4，就可确定中断向量的起始地址。唯一例外的是INT3指令，是一个单字节指令，通常用于调试软件错误。

IRET指令是用于软中断或硬件中断返回的专用指令。IRET指令类似于通常的RET，因为它从栈中检索返回地址。但它又不同于通常的返回，它从栈中检索标志寄存器的拷贝。IRET指令从栈中移出六个字节：两个IP字节，两个CS字节和两个用于标志的字节。8.3.5

微型计算机的中断系统2011年硕士研究生入学统一考试计算机专业试题在系统总线的数据线上，不可能传输的是

。A．指令

B．操作数

C．握手（应答）信号

D．中断类型号2025/2/25第七章-28答：在取指周期，指令是被当作数据从内存中取来。操作数肯定是通过数据总线传输。中断源是通过数据总线将中断类型号送给CPU。握手信号属于控制信号，故选择C。2025/2/25298.4

DMA技术

DMA技术提供直接存取存储器，此时微处理器暂时闲置，这允许数据在存储器和I/O之间的传输速度只受到系统中的存储器部件以及DMA控制器的速度限制。DMA传输有很多用途，但比较常见的有DRAM刷新，刷新屏幕显示以及磁盘存储器系统读和写。2025/2/25308.4.1DMA的工作原理HOLDHLDA两条DMA控制引脚信号的典型时序关系如图所示:无论何时只要HOLD输入加上高电平，DMA操作就被请求，微处理器在几个时钟周期内作出响应，此时，地址、数据以及控制总线就被置为高阻状态。在这种状态下，微处理器好像被移走，允许外部I/O设备或其它微处理器获得对系统总线的访问权，使得存储器可以被直接存取。DMA是指直接存储器存取发生在I/O和存储器之间，而没有使用微处理器。DMA写把数据从I/O传输到存储器，DMA读把数据从存储器传输到I/O设备。2025/2/25318.4.1DMA的工作原理1.DMA方式可以响应随机DMA请求,对于采用DMA方式的I/O接口来说，何时具备数据传送条件是随机的。2.DMA传送在不影响CPU程序执行状态的前提下，满足了高速数据传送的速度要求，提高了整个系统的效率。3.DMA方式本身只能处理简单的数据传送，无法处理数据传输过程可能出现的问题，因此在某些场合往往需要综合应用DMA方式与程序中断方式，二者互为补充。DMA方式的特点2025/2/25328.4.1DMA的工作原理DMA控制器初始化设置DMA传送过程DMA请求DMA响应DMA传送DMA结束2025/2/25338.4.1DMA的工作原理1.周期挪用方式

周期挪用方式下DMA控制器一次只传送一字节，传送完毕就释放总线，让CPU再接管总线，即由DMA控制器和CPU轮流掌管总线控制权，直到一批数据传送完毕。2.交替访问方式如果CPU的工作周期比主存储器长得多，就可采用交替访问的方式。此时CPU与DMA各有自己的主存地址寄存器、数据缓冲器和读/写信号控制器，因此DMA传送对CPU的工作没有任何影响，是最高效的方式。3.

CPU停机方式当DMA控制器迫使CPU让出总线控制权，直到完成传送数据后，CPU再恢复对系统总线的控制，继续原来的操作。DMA控制总线的方式2025/2/25348.4.2DMA控制器8237A

利用DMA方式传送数据时,数据的传输过程完全由DMA控制电路控制,故又有DMA控制器之称,DMA控制器应具有如下几个功能:向CPU申请DMA传送在CPU允许DMA工作时,处理总线控制权的转交,避免因进入DMA工作而影响CPU正常活动或引起总线竞争在DMA期间管理系统总线控制数据传送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在数据块传送结束时，给出DMA操作完成的信号2025/2/25358.4.2DMA控制器8237A

2025/2/25368.4.2DMA控制器8237A

内部寄存器CAR当前地址寄存器（CurrentAddressRegister）

CWCR当前字计数寄存器（CurrentWordCountRegister）BA和BWC基本地址寄存器（BA）和基本字计数寄存器（BWC）CR命令寄存器（CommandRegister）CAR用于存放DMA传输时的16位存储器地址。每通道都有用于此功能的单独的当前地址寄存器。DMA操作时每传输一字节数据，CAR可能递增或递减，这取决于管理程序是怎样编制的。

当前字计数寄存器（Currentwordcountregister）为通道编制DMA操作时可以传输的字节数（最大达到64KB）。存入该计数器的值比需要传输的字节少1。例如，如果CWCR中存放的是10，那么DMA操作要传输11个字节的数据。基本地址寄存器（BA）和基本字计数寄存器（BWC）用于通道选择了自动预置方式的情况下。此时这些寄存器用于DMA操作完成后对CAR和CWCR重装。这样就可以达到传输同样的内存数据时有相同的计数和地址。

命令寄存器（Commandregister）编程8237A

DMA控制器的操作。2025/2/25378.4.2DMA控制器8237A

地址寄存器和字计数寄存器编程：对8237A进行编程需要4步用清除F/L命令清除F/L触发器禁止通道请求将地址最低有效位（LSB）和最高有效位（MSB）装入地址寄存器将字计数的LSB和MSB装入字计数寄存器2025/2/25388.5常见的标准输入/输出接口

如果一个计算机只是一个独立的系统，计算机的作用将不会有多大，当一些标准的接口协议提供出来以后。通过符合接口协议的硬件和软件将计算机与计算机，计算机与外围设备之间连接起来。计算机系统最常见的接口是打印机并行口、RS-232串行口和USB接口等。2025/2/25398.5.1接口的分类1．按数据传送的方式分为并行接口和串行接口并行接口与系统总线之间、接口与外设之间都以并行总线方式传送信息，即每次传送一个字节或一个字的全部代码。串行接口与外设之间采用串行方式传送数据，即每个字节或字是逐位依次传送的，而接口与系统总线之间总是以并行方式传送数据。

2．按接口通用性分为通用接口和专用接口通用接口不是针对某种用途或某种I/O设备而设计的，它以服务于多种用途和多种设备为目标，可供多种外设使用。专用接口是为某种用途或某类外设而专门设计的接口电路。3．按功能选择的灵活性分为可编程接口和不可编程接口可编程接口可以用编程方法设定或选择接口的工作方式、功能和工作状态，以适应各种外设的不同要求。因此，通过接口可连接多种不同的外设而不必增加特殊的附加电路，使用最为普遍。不可编程接口不能由程序来改变其功能，但可通过硬连线逻辑来实现不同的功能。4．按接口硬件复杂程度分为接口芯片和接口卡接口芯片大多是可编程的大规模集成电路，可以通过CPU输出不同的命令和参数，灵活地控制相连外设进行相应操作。接口卡是由若干集成电路按一定的逻辑结构组装成的一个部件，可以直接集成在系统板上，或制成一个插卡插在系统总线槽上。2025/2/25408.5.2打印机并行口

打印机接口是从“Centronic”接口演变来的，最大接线距离最好不超过5米，以前的标准Centronic并口协议是单向的数据传送，现在的ECP（EPP）协议能接受双向的数据传送。打印机并行口的标准:1:数据脚（Data）和接地脚信号（Groundsignal）在传送数据时，其接收端必须有对地参考点，以判断信号的值。2025/2/25418.5.2打印机并行口打印机并行口的标准:2:使能信号（Strobe）与确认信号(Acknowledgesignal)当数据从个人微机不断地送到打印机，数据位在不断改变，而且系统无法保证某一瞬间的数据值可以正确地被打印机接收。3:忙信号（Busysignal）和错误信号(Faultsignal)

都是对打印机不正确的状态作出反应，只是忙信号暂时停止数据从计算机流向打印机，而错误信号却可以造成打印机停机。4:选用信号(Selectsignal)

选用信号表示打印机正被计算机选用，处于联机状态（ONLINE），准备接受打印数据。5:无纸信号(PaperEmptysignal)

当打印机用光打印纸时，除了置忙信号外，打印机可通过此信号通知打印纸用完。6:初始化信号(Initializesignal)当这条信号线上的信号由高电平变为低电平时，打印机会自行初始化打印机。7:联机命令(SelectInputsignal)部分打印机的设计可通过计算机来切换联机或脱机,确定联机与否的信号线就是输入选择线。8:自动换行信号(AutoFeedXTsignal)打印到一行结尾时需要一个信号指定是否要从下一行行头开始打印，而这个自动卷纸信号，是计算机决定是否要卷纸并从下一行行头开始打印。2025/2/25428.5.3RS-232串行口串口是计算机中非常重要的接口，如鼠标、连接互联网的调制解调器等都是通过串口来实现连接的，串行接口的优点是：接线量少，线路简单，可以避免干扰问题。RS-232的作用RS-232线上的数据信号是以约±12V的EIA电压传送的。而一般的微计算机的工作电压是+5V，通过RS-232可以完成EIA电压与TTL电压的转换。计算机系统中，以“+5V”代表逻辑1,而接地电压代表逻辑0。2025/2/25438.5.3RS-232串行口为了传送的正确与迅速，一般采用通讯协议去制订数据的时序、格式和操作方法，最常见的是同步协议和异步协议两种。2025/2/25448.5.3RS-232串行口要将字符00110101B传送到某一个接收器时，异步通信前，数据线始终保持在“0”状态(称为空闲状态)，而为了使接收器知道数据开始传送，在数据开始传送时先发送一个与空闲状态相反的状态“1”当作起始位，接收器就能通过检测状态的变化知道数据开始传送。传送过程是先起始位，传送字符的数据位，从LSB（最低有效位）开始，D0，D1，…，D7，接着传送一个校验位，之后是停止位。异步数据传送实例:2025/2/25458.5.3RS-232串行口一个数据发送器的传送速率是指每秒钟在一条线上传送的位数，单位为b/s（bitpersecond）。设传送速率是2.4Kb/s时，一秒钟可传送的数据字符数是2.4Kb/12b=200个字符。每一位传送时间的倒数叫做波特率（Baudrate），波特率的设置一般有300，600，1200，4800，9600，14400，28800等，表示如下：波特率:波特率=传送一位所用的秒数12025/2/25468.5.3RS-232串行口异步式传送协议把每一个字符当作独立的信息来传送，并按照一固定且预定的时序传送，字符与字符之间的时序却是任意的。一个完整的字符传送，包括起始位、字符的数据位、校验位和停止位。同步协议是将许多的字符积聚成一个字符块，再加上适当的控制数据位和错误检测，采用统一的时钟脉冲传送出去。2025/2/25478.5.4

USB接口多媒体技术的广泛应用，使计算机连接的外设越来越多，如打印机、键盘、扫描仪、数码摄像机、音频系统、数码相机等。如果仍然采用传统的一个设备接一个接口的连接方式，使用不方便。Intel,Compaq,Digital,IBM,Microsoft,NEC,Northerntelecom等公司共同推出了新一代接口标准USB。特点：为所有的USB外设提供了单一的、易于操作的标准连接方式支持PnP支持热插拔提供