计算机硬件技术基础第5章

CompanyLogo微型机输入/输出与接口技术5.1输入/输出系统概述5.2中断系统5.3输入/输出方法5.4微型机接口技术5.5计算机接口信息获取CompanyLogo5.1输入/输出系统概述一、输入/输出系统特点1.实时性处理器必需能够及时处理I/O设备请求2.设备无关性够适应各种外设的不同要求3.异步性

I/O设备通常不使用统一的中央时钟CompanyLogo二、输入/输出接口的基本功能接口是指两个不同部件或系统之间的交换部分。主机、接口、外部设备的连接如图所示：CompanyLogo接口基本功能：1．数据缓冲2．数据类型和格式的转换3．控制功能4．传送主机命令5．程序中断6．地址译码7．反应设备的工作状态CompanyLogo三、I/O端口端口是指I/O接口中供CPU直接存取访问的那些寄存器或某些特定电路。一个I/O接口可以包括若干个端口，如数据端口、命令端口、状态端口、方式端口、操作端口及地址索引端口等。端口的多少及相应的功能取决于一个I/O接口所关联的外设。CompanyLogoI/O端口的寻址方式

I/O接口的端口进行编址的目地在于确定哪个端口被主机访问。1.统一编址：将每个端口视为一个存储单元，并赋以相应的存储地址。2.独立编址：把所有的I/O端口看成一个独立于存储空间的I/O空间，每个端口都被分配一个地址与之对应。CompanyLogoI/O端口地址的译码常用的译码方法有以下两种：1.固定式端口地址译码：接口中用到的端口地址不能更改。2.可选式地址译码：通过开关使接口芯片的地址根据要求加以改变，无需改变硬件线路。CompanyLogo微型计算机系统中I/O端口的布局1.I/O端口的寻址特点:①端口地址空间为1KB，在微型计算机中设置

1024个I/O端口地址，其编号为000H～3FFH。②使用专门的控制信号访问。③使用I/O指令对端口编程。CPU通过I/O指令对端口编程，可实现I/O数据的传输。CompanyLogo2.I/O端口的地址分配在微型计算机系统的1024个端口中，前256个（000H～0FFH）专供I/O接口芯片使用，后面的供各种不同的I/O接口卡使用。CompanyLogo5.2中断系统状态驱动的程序控制方式中，CPU和I/O交换数据时，由于I/O的速度很慢，采用程序中断方式可以解决低速外围设备与高速CPU之间的矛盾，可以解决多台外设与CPU通信的矛盾，以及机器故障、实时处理等临时突发事件提出的处理要求。CompanyLogo5.2中断系统一、中断的概念与工作过程中断是计算机中一个非常重要的概念，在现代计算机中都采用了中断技术。在计算机执行程序的过程中，由于出现某个特殊情况（或称为“事件”），使得CPU暂时中止现行程序，而转去执行处理特殊事件的处理程序，处理完毕之后再回到原来程序的中断点继续向下执行，这个过程就是中断。CompanyLogo二、中断的分类1.内部中断：也叫做软件中断，是由CPU执行软中断指令引起的。这些中断的产生与外部无关，是编程人员事先在程序中安排好的，类似于普通子程序的调用。

2.外部中断：也叫做硬件中断，是由外部中断源向CPU提出中断请求而引起的。CompanyLogo三、中断的优先级1.软件排优：软件排优是指各中断源的优先权主要由软件安排，与硬件电路关系不大。软件排优节省硬件，优先权安排灵活，但查询需要耗费时间，影响中断响应的实时性。CompanyLogo2．硬件排优①链式硬件排优电路：采用链式排优电路各个外设的中断优先权就由其在链中的位置决定，处于链条前端的比处于链条后端的优先权高。CompanyLogo②可编程中断控制器：中断控制器包括下列部件：中断优先权管理电路、中断请求锁存器、中断类型寄存器、当前中断服务寄存器以及中断屏蔽寄存器。CompanyLogo四、中断的屏蔽和中断处理程序按照是否可以被屏蔽，可将中断分为两大类：不可屏蔽中断(又叫非屏蔽中断)和可屏蔽中断。不可屏蔽中断源一旦提出请求，CPU必须无条件响应，而对可屏蔽中断源的请求，CPU可以响应，也可以不响应。

CompanyLogo中断处理过程：保存现场、中断服务、恢复现场。1.保存现场①关中断②保留断点③保存原程序现场④中断源识别⑤转向该中断请求的中断服务程序的入口⑥开中断CompanyLogo2.中断服务根据中断源提供的中断类型号，可以在中断向量表中查出要执行的中断服务程序的入口地址，从而执行相应的中断服务程序。该中断服务程序既可以是系统提供的程序，也可以是用户自己编写的程序。不同的中断源，中断服务是不同的，中断源是事先规定的，中断服务程序的内容也是事先编好的。用户不能随意增加中断源的种类。CompanyLogo3.恢复现场①关中断②恢复现场③开中断。允许新的中断请求。④恢复断点。返回断点处，继续执行原程序。CompanyLogo五、中断的断点断点就是原程序中止现行指令的地址，也就是程序计数器PC的内容。断点是最重要的现场，通常一条指令做完，PC的内容加1来给出下一条指令的地址，因此保留的断点就是中断服务处理完毕时应该返回主程序的指令的地址。CompanyLogo六、8086/8088的中断系统向量中断：指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；而中断向量是用来提供中断入口地址的一个地址指针。中断优先权：CPU按多个中断源的优先权由高至低依次来响应中断请求；同时，当CPU正在处理中断时，还要能响应更高级的中断请求，而屏蔽掉同级或低级的中断请求。CompanyLogo8086/8088中断系统CompanyLogo5.3输入/输出方法

常用I/O传送方式有：中断控制方式程序控制方式I/O通道控制方式直接存储器存取方式。CompanyLogo一、中断控制方式中断是指外设如果需要CPU为它服务时，它“主动”地通知CPU，准备送出输入或输出数据的一种方法。中断请求是由外设发出的。中断控制方式一般适用于随机出现的服务，其硬件结构相对复杂，服务的时间开销较大。CompanyLogo二、程序控制方式程序控制方式是指CPU与外设之间的数据交换是在程序控制之下进行，它也是主机与外设之间进行数据交换最简单、最基本的方式。CompanyLogo三、I/O通道控制方式CPU将部分权力下放给通道。通道是一个特殊功能的处理器，它有自己的指令和程序专门负责数据输入/输出的传输控制，CPU将“传输控制”的功能下放给通道后只负责“数据处理”功能。这样，通道与CPU分时使用内存，实现了CPU内部运算与I/O设备的平行工作。CompanyLogo通道功能：1.接受CPU的I/O指令，与指定的外设取得联系，并将其启动使之开始工作。2.从内存中选取该通道程序的通道指令，经译码后向设备控制器发送各种命令。3.组织外设和内存之间的数据传送，并根据需要提供数据缓存的空间以及提供数据存入内存的地址和传送的数据量。4.从外围设备得到设备的状态信息，形成并保存通道本身的状态信息，根据要求将这些状态信息送到内存的指定单元，供CPU使用。5.将外围设备的中断请求和通道本身的中断请求，按次序及时报告CPU。CompanyLogo四、直接存储器存取方式直接存储器访问（DMA）方式是一种完全由硬件执行I/O交换的工作方式，它的关键是另外构造一个控制器，代替CPU管理与主存间的数据交换CompanyLogo1.DMA的一般步骤。①从外设发出DMA请求。②CPU响应请求，把CPU工作改成DMA操作方式，DMA控制器从CPU中接管总线的控制权。③由DMA控制器对内存寻址，即决定数据传送的内存单元地址及数据传送个数的计数，并执行数据传送的操作。④向CPU报告DMA操作的结束。CompanyLogo2．DMA的特点①DMA控制器建立了外设与内存之间数据交换的直接通道。②由DMA控制数据的传送过程。③主存中需要开辟专用的缓冲区，及时供给和接收数据。④为了解决CPU和DMA同时访问内存发生的冲突，DMA传送常采用周期挪用方式。CompanyLogo3.DMA的操作过程①传送前的预处理②数据传送阶段③数据传送后的处理工作CompanyLogo4.DMA的3种工作方式①CPU暂停访问主存方式：主机响应DMA请求后，直到一组数据传送完毕，DMA控制器才把总线控制权交还给CPU。②周期窃取方式：DMA控制器与主存储器之间传送一个数据，占用一个CPU周期。③DMA与CPU交替使用总线访问存储器方式:CPU和DMA按照事先规定的时间间隔轮渡访问存储器。CompanyLogo5.DMA控制器的组成①字数计数器②内存地址计数器③数据缓冲寄存器④“控制/状态”逻辑⑤“DMA请求”标志⑥中断控制逻辑CompanyLogo5.4微型机接口技术

接口技术就是解决微型计算机与外部世界联系的技术。常用的接口类型有并行接口、串行接口和通用串行总线（USB）等。CompanyLogo1.常用接口标准①图形显示接口标准。②传统串并行接口标准。③外存设备接口标准。④通用外设接口标准。⑤测试仪器接口标准。CompanyLogo2.USB接口标准USB(UniversalSerialBus)，通用串行总线。优点：①可以热插拔②携带方便③标准统一④可以连接多个设备CompanyLogo3.RS-232-C串行接口标准RS-232-C规定标准接口有25条线，根据功能可分为如下3类：①联络控制信号线②数据发送与接收线③地线CompanyLogo4.并行接口的标准并行接口的接口特性可以从两个方面加以描述：①以并行方式传输的数据通道的宽度，也称接口传输的位数；②用于协调并行数据传输的额外接口控制线或称交互信号的特性。CompanyLogo5.D／A和A／D转换接口技术数/模转换：将每1位的代码按其位权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量。模/数转换：将连续的模拟量（如象元的灰阶、电压、电流等）通过取样转换成离散的数字量。CompanyLogo6.微型机接口信息输入输出设备指的是CPU与外界联系所用的装置。人们是通过外部设备来使用计算机的，而大多数外部设备往往是不能直接与CPU相连，它们之间的信息交换需要加一个中间环节的电子系统——接口电路。CompanyLogo常用接口:①硬盘接口②光纤通道③IDE④SCSI⑤SATACompanyLogo7.无线接口技术常见的无线接口有