计算机硬件基础第4章

1 第4章 输入输出系统 2 主要 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 v输入输出系统的特点和功能 vI/O端口及其编址方式 v基本输入输出 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 v中断控制技术 3 4.1 输入输出系统概述 主要内容： vI/O系统特点 vI/O接口与I/O端口的概念 vI/O端口的编址方式 § 端口地址译码 § 数据传送方式 4 4.1.1 输入输出系统 将CPU及主存以外的部分叫做输入输出系统 输入输出接口 输入输出设备 输入输出软件 5 输入输出系统的特点 v多样性 v复杂性 § 隐藏在操作系统中的输入/输出复杂性 § 处理器本身和操作系统所产生的一系列随机事 件也要调用输入/输出系统来处理 v异步性: 外设相对于处理器的异步性和时间上的 任意性 6 输入输出系统的特点 v实时性: 多种工作方式,程序控制方式、中断方 式、直接存储器存取方式。 v与设备无关性：独立于具体设备的标准接 口，并行、串行、SCSI接口。 7 4.1.2 I/O接口的基本功能 I/O接口： v负责将外设连接到总线上的一组逻辑 电路的总称。 v实现外设与主机之间的信息交换。 8 I/O接口的功能 • 数据缓冲：匹配各种设备速度上的差别 • 数据转换：如串-并、并-串转换等 • 控制功能；控制外围设备的启动与停止 • 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。 • 程序中断：外设请求中断 • 地址译码：以决定选择哪一个设备 9 4.1.3 I/O端口 数据端口 状态端口 控制端口 端口 I/O端口：接口中的寄存器或某些特定电路 10 I/O端口 CPU 数据 状态 控制 外设 11 I/O端口的寻址方式 统一编址: 与存储单元统一编址 独立编址: 采用专用的I/O指令 12 端口与内存的统一编址 特点： v指令及控制信号统 一 v内存地址资源减少 内存 地址 960KB I/O地址 64KB 00000H F0000H FFFFFH 13 端口的独立编址 特点： v内存地址资源 充分利用 v能够应用于端 口的指令较少 内存 地址 I/O 地址 00000H FFFFFH FFFFH 0000H 14 I/O端口地址的译码 目的： v确定端口的地址 v固定式端口地址译码: 端口地址不改变 v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. 15 输入输出数据的传送方式 并行 —— 一个数据单位同时传送 串行 —— 数据按位传送 16 4.2 基本输入/输出方法 程序控制方式 中断方式传送 直接存储器存取(DMA) 无条件传送 查询式传送 17 4.2.1 程序控制方式 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. 一、无条件传送 v处理时间已知 v适用于总是处于准备好状态的外设 v优点：软件及接口硬件简单 v缺点：只适用于简单外设，适应范围较窄 18 无条件传送例 v读取开关的状态； v当开关闭合时，输出编码使发光二极管 亮 D CP Q D0 D1 输出口地 址38F3H 输入口地 址38F0H +5V 1 19 二、查询工作方式 适用场合： v外设并不总是准备好 v对传送速率和效率要求不高 对外设及接口的要求： v外设应提供设备状态信息 v接口应具备状态端口 20 查询工作方式 v优点：软件比较简单 v缺点：CPU效率低， v数据传送的实时性 差，速度较慢 超时? READY? 与外设进 行数据交换 超时错 读入并测试外设状态 Y N Y N 传送完？ 防止死循环 复位计时器 N Y 21 4.2.2 中断控制方式 特点： v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时， CPU可执行自己的程序 v优点：CPU效率高，实时性好，速度快。 v缺点：程序编制较为复杂。 22 以上三种I/O方式的共性 均需CPU作为中介： v软件： 外设与内存之间的数据传送是通过 CPU,执行程序来完成的； v硬件： I/O接口和存储器的读写控制信号、地 址,信号都是由CPU发出的。 v 缺点：程序的执行速度限定了传送的最大速 度,约为几十KB/秒） 23 4.2.3 DMA控制方式 特点： v外设直接与存储器进行数据交换 ，CPU 不再担当数据传输的中介者； v总线由DMA控制器（DMAC）进行控制 （CPU要放弃总线控制权），内存/外设 的地址和读写控制信号均由DMAC提供。 v完全由硬件执行I/O交换的工作方式 24 DMA控制方式 优点： v数据传输由DMA硬件来控制，数据直 接在内存和外设之间交换，可以达到 很高的传输速率（可达几MB/秒） 25 DMA控制方式 DMAC 外设 接口 CPU QRD MEM DACK HOLD HLDA … BUS 控制信号 26 DMA控制方式的工作过程 v外设向DMA控制器发出“DMA传送请求”信号 DRQ； vDMA控制器收到请求后，向CPU发出“总线请求” 信号HOLD； vCPU在完成当前总线周期后会立即发出HLDA 信号，对HOLD信号进行响应； vDMA控制器收到HLDA信号后，就开始控制总 线，并向外设发出DMA响应信号DACK 27 DMA控制方式的工作过程 vDMA控制器送出地址信号和相应的控制信号， 实现外设与内存或内存与内存之间的直接数据 传送； v当规定的数据传送完后，DMA控制器就撤销发 往CPU的HOLD信号。CPU检测到HOLD失效 后，紧接着撤销HLDA信号，并在下一时钟周 期重新开始控制总线。 28 DMA的三种传送方式 vCPU暂停方式(连续传送或块传送）： DMAC在申请到总线后，将一块数据传送完后才释 放总线，而不管中间DREQ是否有效。 vCPU周期窃取方式(单次传送或说每次传送一个字 节）： 每个DMA周期只传送一个字节就立即释放 总线。 v直接访问存储器工作方式(按需传送或猝发传送）： 只要I/O接口的数据缓冲可用，就可进行传送。此 时I/O接口需要有一定大小的FIFO缓冲区。 29 DMA控制器的组成 v内存地址计数器 v字数计数器 v数据缓冲寄存器 v“DMA请求”标志 v“控制/状态”逻辑 v中断控制逻辑 30 DMA的操作过程 vDMA传送前的预处理 vDMA的数据传送 vDMA数据传送后的处理工作 31 4.2.4 I/O通道控制方式 v具有自己的指令系统 v专门负责外部设备的控制 32 4.3 中断技术 掌握： v中断的基本概念 v中断响应的一般过程 v中断向量表及其初始化 v8088/8086中断系统 33 4.3.1 中断的基本概念 中断： vCPU执行程序时，由于发生了某种随机 的事件(外部或内部)，引起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(称为中断服务程序或中断 处理程序)，以处理该事件，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。 34 引入中断的原因 v提高数据传输率； v避免了CPU不断检测外设状态的过 程，提高了CPU的利用率。 v实现对特殊事件的实时响应。 35 中断源 v引起CPU中断的事件，发出中断请求的来源 内部中断 外部中断 异常中断 软件中断 可屏蔽中断 非屏蔽中断 异常事件引起 中断指令引起 INTR中断 NMI中断 36 4.3.2 外部中断响应的一般过程 v先决条件: vCPU开放中断(即CPU允许接受中断 请求) vCPU只有在现行指令结束后响应中断 37 中断响应的一般过程 v关中断 v保留断点 v保护现场 v执行中断服务程序 v恢复现场 v开中断与返回 n CLR ES 关串行口中断 n PUSH ACC 保护累加器中内容 n PUSH PSW 保护程序状态控制字内容 n . n . 中断服务:串行通信 n . n POP PSW 恢复PSW中内容 n POP ACC 恢复ACC中内容 n RETI 中断返回 38 中断判优 要解决的问题 v对同时产生的中断： 首先处理优先级别较高的中断；若优先级 别相同，则按先来先服务的原则 v对非同时产生的中断： 低优先级的中断程序允许被高优先级的中 断源所中断 中断嵌套 39 中断判优 软件判优 顺序查询中断请求，先查询的先服务 （即先查询的优先级别高） 硬件判优 链式判优、并行判优（中断向量法） 40 4.3.3 8088/8086中断系统 内部中断 外部中断 除法错中断 溢出中断 单步中断 软件中断 非屏蔽中断 可屏蔽中断 256 个中 断源 41 NMI INTR 中断逻辑 软件中断指令 溢出中断 除法错 单步中断 非屏蔽中断请求 中断控 制器 8259A PIC 8086/8088CPU内部逻辑 断点中断 可 屏 蔽 中 断 请 求 n 4 3 0 1 2 8086/8088中断源类型： 4.3.3 8088/8086中断系统 42 中断向量表 ┇ ┇ 00000H 003FFH 1KB v中断向量是用来 提供中断入口地址 的一个地址指针 43 中断向量表 v存放各类中断的中断服务程序的入口地 址 v每个入口占用4 Bytes，低字为段内偏 移，高字为段基址 v表的地址位于内存的00000H～003FFH， 大小为1KB，共256个入口 44 4.4 常用接口标准 v并行口接口标准 并行接口：计算机与外部设备交换通道 v并行接口特点： § 多根数据线并行传送 § 以字节传输 § 25针接口 45 4.4 常用接口标准 vRS232C接口标准 § 数据终端设备（DTE）:数据发送接收数据源 § 数据通讯设备（DCE）：传输信号的设备复杂 与通讯线路通讯 RS232C接口标准 § 控制线：DSR，RTS，CTS § 数据线：RXD，TXD § 地线