文档介绍：2017/11/11
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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
2017/11/11
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第8章输入/输出接口与中断系统
输入/输出技术的发展
输入/输出接口的基本组成
中断系统
DMA技术
常见的标准输入/输出接口
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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。
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I/O技术的发展
输入/输出技术的发展大致可分为4个阶段:
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。
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(Direct Memory Access)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。
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(Peripheral Processor Unit,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。
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I/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。
I/O接口的概念
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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。
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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。
I/O接口的功能与组成
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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,