第六章_输入输出和中断技术new

1第6章输入输出及中断技术课件下载：:ppt3计算机有各种用途，但不论用于何种场合，都离不开信息处理。所处理的信息，均要由输入设备提供，而处理后的结果数据，则要送给输出设备，以各种形式报告给用户。例如，键盘、鼠标器、磁盘和扫描仪等是大家熟悉的输入设备，而磁盘、CRT显示器、打印机、X-Y绘图仪等则是最常见的输出设备。亦即能够完成输入/输出操作的设备就叫输入/输出设备，简称外设或I/O设备。什么是输入/输出设备？4外部设备种类繁多，从工作原理来讲，可分为机械式、电动式、电子式和其它形式等几类。它们对所传输的信息的要求也各不相同，这就给计算机和外设之间的信息交换带来以下一些问题：(1)速度不匹配：CPU的速度很高，而外设的速度要低得多，而且不同的外设速度差异甚大，它们之中既有每秒钟能传送兆位数量级的硬磁盘，也有每秒钟只能打印百位字符的串行打印机或速度更慢的键盘。(2)信号电平不匹配：CPU所使用的信号都是TTL电平，而外设大多是复杂的机电设备，往往不能用TTL电平所驱动，必须有自己的电源系统和信号电平。(3)信号格式不匹配：CPU系统总线上传送的通常是8位、16位或32位的并行数据，而各种外设使用的信息格式各不相同。有些设备上用的是模拟量，而有些是数字量或开关量；有些设备上的信息是电流量，而有些却是电压量，有些设备采用串行方式传送数据，而有些则用并行方式。(4)时序不匹配：各种外设都有自己的定时和控制逻辑，与计算机的CPU时序不一致。输入/输出设备与CPU信息交换时有什么问题？5因此，要实现外部设备与主机之间的连接(connection)和信息交换，必须经过一个数据转换和传输的设备。这种设备，我们叫做I/O接口(interface)。什么是输入/输出接口？6微机硬件结构78接口芯片P965北桥芯片975X北桥芯片9“接口”是什么？接口定义是CPU与“外部世界”连接的电路，负责“中转”各种信息。分类存储器接口和I/O接口。位置介于系统总线和外部设备之间。接口技术：采用硬件与软件相结合的方法，研究CPU如何与外部世界进行最佳耦合与匹配。10接口11“接口”示意图12第6章输入输出及中断技术13主要内容输入输出系统的基本概念I/O接口和端口端口的编址方式简单接口芯片及其应用基本输入输出方法中断的基本概念及工作过程*中断控制器825914§6.1输入输出系统输入输出系统：处理器和主存之外的部分，包括输入输出设备、输入输出接口和输入输出软件。15了解和掌握：I/O系统的概念和特点接口的基本功能端口的概念端口的编址方式I/O地址译码I/O接口概念接口作用接口传送的信息种类I/O端口控制信息状态信息数据信息开关量、脉冲量、数据量、模拟量I/O端口编址方式单独编址统一编址I/O端口号16一、I/O概念什么是I/O接口？把外设连接到总线上的一组“逻辑电路”的总称。实现外设与主机之间的信息交换。是CPU与“外部世界”连接的电路，负责“中转”各种信息。介于系统总线和外部设备之间。组成：I/O设备，I/O接口，I/O软件17I/O接口要解决的问题速度匹配(Buffer)信号的驱动能力(电平转换器、驱动器)信号形式和电平的匹配(A/D、D/A)信息格式(字节流、块、数据包、帧)时序匹配(定时关系)总线隔离(三态门)18接口的功能数据的缓冲与暂存信号电平与类型的转换增加信号的驱动能力对外设进行监测、控制与管理，中断处理19二、I/O接口和端口I/O接口：将外设连接到总线上的一组逻辑电路的总称。实现外设与主机之间的信息交换。I/O端口：接口中的寄存器CPU与I/O接口通过I/O接口内部的一组寄存器（I/Oport）20I/O端口数据端口状态端口控制端口端口接口：包含多类端口。外设地址：外设对应多个端口。每个端口分配一个地址。21CPU与外设之间交换的信息有三类：1)控制信息由CPU发送给外设的，命令其处于某种方式或执行某种操作。2)状态信息反映外设当前的工作状态。3)数据信息（8/16位）外设和CPU真正要交换的信息。数字量:用二进制数和ASCII码表示的数和字符模拟量：连续变化的物理量开关量:具有两种状态CPU外设数据寄存器状态寄存器控制寄存器I/O接口称数据口，保存输入、输出的数据信息。称控制口，传递CPU发给外设的控制命令(控制信息)。称状态口，将外设的工作状态(状态信息)反映给CPU.DBABCB数据状态信息控制信息译码器I/O端口22I/O端口CPU数据状态控制外设I/O接口DB校长教务处学生处……学院系……23三、I/O端口的编址方式8086/8088的寻址能力：内存：(20根地址线，地址运算器)1MB端口：(16根地址线)64KB编址方式：与内存统一编址独立编址24端口与内存的统一编址特点：指令及控制信号统一内存地址资源减少内存地址960KBI/O地址64KB00000HF0000HFFFFFH25端口的独立编址特点：内存地址资源充分利用能够应用于端口的指令较少内存地址I/O地址00000HFFFFFHFFFFH0000H26端口的寻址8088/8086寻址端口数：64KB寻址端口的信号：IOR、IOWA15～A0278088/8086的I/O端口编址采用I/O独立编址方式(但地址线与存储器共用)地址线上的地址信号用IO/M来区分I/O操作只使用20根地址线中的16根：A15～A0可寻址的I/O端口数为64K(65536)个I/O地址范围为0～FFFFHIBMPC只使用了1024个I/O地址(0～3FFH)28四、I/O地址的译码目的：确定端口的地址参加译码的信号：IOR，IOW，高位地址信号OUT指令将使总线的IOW信号有效IN指令将使总线的IOR信号有效29I/O译码的地址信号当接口只有一个端口时，16位地址线一般应全部参与译码，译码输出直接选择该端口；当接口具有多个端口时，则16位地址线的高位参与译码（决定接口的基地址），而低位则用于确定要访问哪一个端口。30I/O地址译码例某外设接口有4个端口，地址为2F0H—2F3H，由A15～A2译码得到，而A1、A0用来区分接口中的4个端口。试画该接口与系统的连接图。31I/O地址译码例地址范围：××××001011110000××××001011110011任意状态A11片内地址图中不接入A15A1A032I/O地址译码例译码电路图：≥1A11A10A18A3A2A9A7A4┇&CEA1A0接口芯片33§6.2简单接口电路34掌握：接口电路的分类及特点；两类简单接口芯片的应用问题：CPU快、外设慢，协调问题？—控制数据输入CPU忙、外设慢，同步问题？—暂存数据输出35一、接口的基本构成数据线控制线状态线DBCBAB数据输入寄存器(or三态门)数据输出寄存器(锁存器)状态寄存器(or三态门)命令寄存器译码电路控制逻辑36接口的基本构成数据输入/输出寄存器暂存输入/输出的数据命令寄存器存放控制命令设定接口功能、工作参数和工作方式。状态寄存器保存外设当前状态，以供CPU读取。37二、接口的类型及特点按传输信息的方向分类：输入接口输出接口按传输信息的类型分类：数字接口模拟接口按传输信息的方式分类：并行接口串行接口38接口特点输入接口：要求对数据具有控制能力常用三态门实现输出接口：要求对数据具有锁存能力常用锁存器实现39三、三态门接口高电平、低电平、高阻态40三态门接口三态门的工作波形：A0~A15IOR译码输出D0~D7开关状态地址有效4174LS244含8个三态门的集成电路芯片2个控制端E1和E2，并联在外设具有数据保持能力时用来输入接口74LS244应用例——教材p23842四、锁存器接口通常由D触发器构成；特点：具有对数据的锁存能力；不具备对数据的控制能力43常用锁存器芯片74LS2738D触发器，不具备数据的控制能力74LS373含三态的8D触发器，具有对数据的控制能力44锁存器芯片74LS374D0~D7Q0Q7...OECP译码器Q0~Q7D0D7...OECP译码器做输出口:做输入口:外设自外设45§6.3基本输入/输出方法46CPU与外设的数据传送外设I/O接口CPU①数据口②③数据输入过程：数据输出过程：DBAB②①③为保证数据传输正确可靠，一定要在外设准备就绪后，CPU才能执行I/O操作。47基本输入/输出方法无条件传送查询式传送中断方式传送直接存储器存取(DMA)程序控制方式48一、无条件传送要求外设总是处于准备好状态优点：软件及接口硬件简单缺点：只适用于简单外设，适应范围较窄49无条件传送例子读取开关的状态；当开关闭合时，输出编码使发光二极管亮发光二极管：时刻准备等着信号。DCPQD0D1输出口地址38F3H输入口地址38F0H+5V1K51二、查询工作方式仅当条件满足时才能进行数据传送；每满足一次条件只能进行一次数据传送。适用场合：外设并不总是准备好对传送速率和效率要求不高工作条件：外设应提供设备状态信息接口应具备状态端口52查询工作方式优点：软硬件比较简单缺点：CPU效率低，数据传送的实时性差，速度较慢READY?进行一次数据交换读入并测试外设状态YN传送完？Y结束N开始每满足一次条件只能进行一次数据传送超时?READY?与外设进行数据交换超时错读入并测试外设状态YNYN传送完？防止死循环复位计时器NY结束N55查询输入接口电路原理图RD输入设备锁存器三态缓冲器（8位）选通三态缓冲器（1位）D+5VCPQ&8086及其配置地址译码&M/IO数据口状态口DBDi状态信息D触发器数据ABC56查询工作方式例外设状态端口地址为03FBH，第5位(bit5)为状态标志（=1忙，=0准备好）外设数据端口地址为03F8H，写入数据会使状态标志置1；外设把数据读走后又把它置0。试画出其电路图，并将DATA下100B数据输出。D5D7-D0A9|A3≥1&A15|A10≥1IOWD7-D03F8H外设D7D6D5D4D3D2D1D0BUSYCPQ7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0状态端口GG2AG2BCBAA2A1A074LS138Y0≥1IORY3OE74LS3743FBHLEASI,DATAMOVCX,100AGAIN:MOVDX,03FBHWAITT：INAL,DXTESTAL,20HJNZWAITTMOVDX,03F8HMOVAL，[SI]OUTDX，ALINCSILOOPAGAINHLT读状态进行一次传送Bit5=1?传送完否?修改地址指针初始化YNNY结束59查询工作方式软件：设置状态查询环缺点：CPU花大量时间查询外设状态（99.99%时间查询、测试、等待），效率低，数据传送速度较慢，实时性差。60三、中断控制方式特点：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优点：CPU效率高，实时性好，速度快。缺点：程序编制相对较为复杂61中断输入接口电路原理图输入设备锁存器三态缓冲器选通D+5VCPQ8086及其配置地址译码&DB中断请求触发器数据口1INTABC中断请求信号62以上三种I/O方式的共性信息的传送均需通过CPU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（PIO方式）；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。缺点：程序的执行速度限定了传送的最大速度63四、DMA控制方式特点：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；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。64DMA控制方式DMAC外设接口CPUQRDMEMDA