硬件7 輸入輸出接口

第七章計算機輸入輸出接口I/O接口的概念、功能、結構與編址方式；并行接口和串行接口的主要特點；主機與外設之間的數據傳送方式；中斷的概念、中斷響應的條件與過程、中斷系統的功能及中斷處理方法；總線標準及常見的微機總線。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、外設類型不同：機械、電子、機電、電磁2、傳送信息類型：數字量、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（I/O設備）交換信息的過程。輸入輸出接口：是計算機中協調、匹配外設與主機正常工作所設置的邏輯部件及相應的控制軟件，簡稱I/O口。1、能進行地址譯碼和設備選擇;2、能實現數據緩沖和數據鎖存;3、能完成信息格式和電平的轉換;4、能保證數據傳送的定時與協調。27.1.2輸入輸出接口的基本結構CPU和外設之間通常傳遞的信息：數據、狀態、控制一、組成寄存器組、控制邏輯電路、主機與接口和接口與I/O設備之間的信號聯接線、地址線、數據線等信號線。CPU控制電路DRSRCRI/O設備地址數據IO/MRDWR數據狀態控制

數據寄存器

控制寄存器都由數據總線傳送

狀態寄存器接口電路中具有不同地址，可以由CPU進行讀/寫操作的寄存器。通常有數據端口、狀態端口和控制端口。（一）數據口數據：外設輸入給CPU或從CPU輸出給外設的各種數據信息。數據口用于完成輸入與輸出數據。（二）狀態口狀態：反映外設當前工作狀態的信息。如輸入設備是否準備好（READY）；輸出設備是否忙（BUSY）等。狀態（輸入）口，用于使CPU了解外設狀態。（三）控制口控制：CPU發出的對外設或接口的控制信息。如外設的啟動或停止，接口的工作模式設置等。控制（輸出）口，用于完成CPU的控制操作。數據信息、控制信息和狀態信息都由數據線傳送，因此要通過不同的端口來區分。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：接口與外設之間以串行方式傳送數據，即每個字或字節逐位依次傳送。3、協調配合方式程序傳送、中斷傳送、DMA4、電路規模簡單接口、可編程接口、外設接口適配器并行接口：接口與外設之間以并行方式傳送數據，即各位數據同時傳送。2、收發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進行讀寫操作的寄存器——端口。不同計算機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、存儲器統一編址將I/O接口中的端口地址與存儲單元統一編址。優點：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。優點：專門的I/O指令，與訪存分開；執行速度快；不占內存地址空間。缺點：端口地址范圍小。7.2主機與外設間的信息傳送方式

一、程序直接控制傳遞方式二、程序中斷控制方式三、直接內存訪問方式——DMA四、輸入、輸出處理機方式7.2.1程序直接控制傳送方式優點：較好協調主機與外設之間的時間差異；所用硬件少。缺點：主機與外設只能串行工作，CPU效率低；主機一個時間段只能與一個外設進行通信。讀外設狀態就緒？讀/寫YN一、無條件傳送方式無需了解外設狀態，但要求外設隨時處于準備好的狀態。二、有條件傳送方式——查詢式傳送外設工作情況無法預先知道或無規律時一般采用。適用于對主機速度要求不高，外設數量不多的場合。7.2.2中斷傳送方式中斷——CPU暫時中止當前程序運行，轉而處理意外出現的情況或有意安排的任務，在處理結束后能自動恢復原程序的執行。優點：主機可以與一個或多個外設并行工作，提高了CPU的效率。缺點：執行中斷服務程序時，保護斷點等工作占用時間，難以滿足成批快速交換數據的要求。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，但需要利用系統的地址、數據和控制總線。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、在高速外設與存儲器之間直接進行數據傳輸的控制方式。二、特點：數據傳送速度快，是高速外設與主機之間成批交換數據的有效方式。但有局限性，適合外設不多的微小型計算機系統。7.2.4輸入輸出處理機(IOP)方式

有單獨的存儲器和獨立的運算部件，可訪問系統的內部存儲器。功能：除數據傳輸外，還應能處理傳送過程中出錯及異常情況，數據格式翻譯，數據塊校驗。特點：由專門的輸入輸出處理機來管理外設，提高主機的工作效率。應用于大、中型計算機系統或分布式計算機系統。7.3中斷控制技術7.3.1中斷的概念一、基本概念中斷：CPU暫時中止當前程序運行，轉而處理意外出現的情況或有意安排的任務，在處理結束后能自動恢復原程序的執行。中斷請求：當外設準備好后，向CPU發出要求傳送數據的信號，稱為中斷請求。禁止中斷：外設發出中斷請求后，由于某種條件的存在，CPU不能中止現行程序的執行，稱為禁止中斷。一般在CPU內部設有一個“中斷允許”觸發器，由軟件控制其狀態。只有該觸發器為“1”狀態時，才允許CPU響應中斷——允許中斷，否則禁止中斷。中斷源：在機器中引起中斷產生的事件或發生中斷請求的來源統稱為中斷源。1、一般的輸入輸出設備：鍵盤，打印機，鼠標等。2、數據通道中斷源：軟盤，硬盤等。3、實時時鐘：用外部時鐘定時發出中斷信號，由CPU進行處理。4、故障源：電源掉電，內存出錯，輸入輸出出錯等。5、測試程序設置的中斷源：如單步運行和斷點運行。內部中斷:由機器內部產生的中斷。電源故障、主機設備故障、運算產生故障（溢出、除數為零、非法格式等）、定時時鐘中斷等。外部中斷：由外設引起的中斷。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中斷返回中斷服務程序中斷服務程序：為處理意外情況或有意安排的任務而編寫的程序。中斷響應：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，找到中斷服務程序入口，轉至中斷服務程序執行，在中斷服務結束后恢復斷點，繼續原程序的執行（中斷返回），這個過程稱作中斷響應。斷點二、CPU響應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、一般一條指令執行完畢后CPU才能響應中斷。（二）中斷響應過程1、關中斷；2、保護斷點、保存現場；3、開中斷；4、執行中斷服務程序；5、關中斷，恢復現場、恢復斷點；6、開中斷，返回斷點。取指令執行指令中斷？響應中斷關中斷、保護斷點、保存現場、開中斷執行中斷服務程序Y關中斷、恢復現場、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(關中斷)。由指令STI和CLI軟件設置。7.3.2中斷系統的功能中斷系統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系。1、中斷請求的檢測與中斷響應的控制CPU必須有識別中斷源的電路；當外部中斷源申請中斷時，CPU是否響應還要取決于其內部的中斷允許設置。斷點：程序被中斷的地址。斷點需保存，以備恢復執行時使用，保存斷點的地方稱為棧區。CPU主程序中斷請求中斷響應中斷返回中斷服務程序斷點中斷矢量2、斷點的保護中斷矢量：實際上就是一個指針，它指向中斷服務程序起始地址（入口地址）。（1）多個中斷源申請中斷時，CPU根據預先設定的中斷優先級別進行處理，先為高優先級中斷服務，然后再為低優先級中斷服務。（2）具有多重中斷的能力。多重中斷就是CPU在執行某一中斷服務程序后，如果開中斷，則CPU還可以接受較高級的中斷申請，執行其中斷服務程序，形成多重中斷（也稱為中斷嵌套）。3、實現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，負責計算機各部件進行數據交換、控制信號、地址信號的發送和接收。2、總線組成信號線、總線控制器、收發電路、轉換器等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制數位。多位同時傳遞信息，速度快，結構復雜。計算機部件之間大量采用。(2)串行總線:多位二進制信息公用一位信號線傳遞。速度慢，但結構簡單。部件之間距離較遠時,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:大規模集成電路中采用的通信總線。(2)內部總線:計算機機箱內各部件之間的總線。(3)外部總線:主機與外部設備以及計算機與計算機之間使用的總線。7.4.2總線標準1、物理特性：指總線的物理連接方式，包括總線條數、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，數據總線DB和控制總線CB。

相同的指令系統，相同的功能，不同廠家生產的各功能部件在實現方法上幾乎沒有相同的，但各廠家生產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總線的要求，這就是系統總線的標準化問題。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。總線帶寬是衡量總線性能的重要指標，單位：兆字節每秒(MB/s)。【例】(1)某總線在一個總線周期中并行傳送4個字節的數據，假設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位數據，總線時鐘頻率升為66MHz，則總線帶寬是多少?[解](1)設總線帶寬用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據量用D表示，根據定義可得：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：總線本身所能達到的最高傳輸速率。7.4.3微機總線簡介多數計算機采用了分層次的多總線結構。在這種結構中，速度差異大的設備使用不同速度的總線。Pentium計算機主板就是一個三層次的多總線結構，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位數據線和32位地址線的同步總線。總線時鐘頻率為66MHZ、100MHZ等，CPU內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。

數據寬度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。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和外設之間插入一個復雜的管理層協調數據傳輸。用于連接高速的I/O設備模塊，如顯卡、網卡、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）數據/地址線是分時復用的同一組線。PCI總線有專用的PC