1、第七章 計算機輸入輸出接口,7.1接口的功能與組成,程序、原始數(shù)據(jù)和信息，要通過輸入設(shè)備送入計算機；處理的結(jié)果或給出的信號，要通過輸出設(shè)備顯示、打印。輸入輸出設(shè)備是計算機系統(tǒng)的重要組成。 輸入輸出設(shè)備統(tǒng)稱外部設(shè)備，簡稱“外設(shè)”或“I/O”設(shè)備。與主機配合工作時，必須通過相應(yīng)的部件。協(xié)調(diào)、匹配外設(shè)與主機正常工作的邏輯部件及相應(yīng)的控制軟件就是計算機輸入輸出接口。,7.1 輸入輸出接口基本知識,7.1.1 輸入輸出接口的功能 外設(shè)是機械、電子或機電、磁電結(jié)合的設(shè)備，信息傳送的速度有快有慢，有并行、串行，為使計算機能夠適應(yīng)各種外設(shè)不同編碼方式和不同傳送速度的要求，計算機的輸入輸出接口應(yīng)有以下四項重要功

2、能。,1.能進行地址譯碼及設(shè)備選擇,2.能實現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖與數(shù)據(jù)鎖存 數(shù)據(jù)總線是公用的傳輸線，設(shè)備分時使用，被選中的設(shè)備在讀/寫周期內(nèi)使用總線，未選中的對總線呈高阻抗。 外設(shè)和CPU工作速度差異大，解決方法是在接口電路中實現(xiàn)數(shù)據(jù)鎖存。,有多個外設(shè)，主機和不同的外設(shè)交換信息，就要用地址碼來選擇不同的外部設(shè)備。接口須進行地址譯碼，產(chǎn)生選擇信號，使主機和指定的外設(shè)交換信息。,3. 能完成信息格式和電平的轉(zhuǎn)換,計算機系統(tǒng)中的信息采用并行二進制，而一些外設(shè)如CRT顯示器，采用一位接一位的串行傳送，就要求接口具有并行/串行或串行/并行格式轉(zhuǎn)換功能。 有些外設(shè)的輸入或輸出不是計算機能處理的，要處理必須進行數(shù)字量

3、/模擬量或模擬量/數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。 外設(shè)信號電平并不都與計算機信號電平兼容，接口還要具有對信號電平的轉(zhuǎn)換功能。,4. 能保證數(shù)據(jù)傳送的定時與協(xié)調(diào),接口還應(yīng)為CPU和外設(shè)之間在時間上的協(xié)調(diào)者，保證數(shù)據(jù)連續(xù)不斷地在二者之間正確傳輸。圖7-1表示聯(lián)絡(luò)方式，（A）是輸出時的，（B）是輸入時的聯(lián)絡(luò)方式。接口與外設(shè)之間的聯(lián)絡(luò)信號只有兩個：一是“數(shù)據(jù)準備好”信號，由送出數(shù)據(jù)方通知接收數(shù)據(jù)方；另一是“數(shù)據(jù)接收完畢”的響應(yīng)信號，當接收方正確接收后回送的響應(yīng)信號，表示允許新的數(shù)據(jù)傳輸。,圖7-1 接口與外設(shè)之間的聯(lián)絡(luò)方式:,7.1.2 輸入輸出接口的基本結(jié)構(gòu)與組成,接口中傳遞三種信息： 數(shù)據(jù)來自外設(shè)或送往外設(shè)的各種

4、各樣數(shù)據(jù)信息； 狀態(tài)反映外設(shè)當前工作狀態(tài)的信息； 控制CPU發(fā)向外設(shè)的啟動或停止的控制信息。 是完全不同的三種信息，但都是通過數(shù)據(jù)總線傳送的。使CPU分清與哪個外設(shè)交換哪種信息。,接口電路中用設(shè)置存放數(shù)據(jù)、狀態(tài)和控制信息的寄存器解決。 當CPU與外設(shè)交換信息時，使用不同的地址來選擇接口電路中的某個寄存器，就可將不同的信息分別傳送。 接口電路中不同地址、可由CPU進行讀/寫操作的寄存器稱為端口。,圖7-2 接口的基本結(jié)構(gòu),圖7-2 接口的基本結(jié)構(gòu),7.1.3 輸入輸出接口的分類,有多種分類法： 按數(shù)據(jù)傳送方式分為串行接口與并行接口； 按數(shù)據(jù)收發(fā)雙方配合方式分為同步接口與異步接口； 按通信的協(xié)調(diào)控

5、制方式分為程序傳送接口、中斷傳送接口和DMA接口； 按電路規(guī)模分為簡單普通接口、可編程接口及外設(shè)接口適配器等。,1. 串行接口與并行接口,串行接口：接口與外設(shè)間以串行方式傳送數(shù)據(jù)，而接口與主機之間仍是并行方式。要求串行接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)格式的并串轉(zhuǎn)換；統(tǒng)一收發(fā)雙方數(shù)據(jù)傳送的速率及將串行數(shù)碼分離成字。INTEL8250、8251和MC6850、6852等是典型的串行接口組件。,并行接口：主機與接口、接口與外設(shè)間以并行方式傳送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通路寬度是按字或字節(jié)設(shè)置的，有較高的傳送速率。當外部設(shè)備采用并行工作方式、且與主機距離較近（幾米內(nèi)）時，選用并行接口。INTEL8255、MOTOROLA公司的MC682

6、0、ZILOG公司的Z80-PIO等都是典型的并行接口組件。,2. 同步接口與異步接口,同步接口：操作在主機系統(tǒng)時鐘控制下進行，I/O操作周期只能取系統(tǒng)時鐘周期的整數(shù)倍。 異步接口：主機與I/O設(shè)備之間采用“應(yīng)答方式” 傳送信息，接口操作不由系統(tǒng)時鐘控制。雙方的信息交換過程一問一答地進行。“請求”到“應(yīng)答”的時間由操作的實際時間決定，不由CPU的時鐘周期確定。,3. 程序傳送接口、中斷傳送接口與DMA接口,程序傳送接口：CPU用程序傳送方式與I/O設(shè)備交換數(shù)據(jù)。分為無條件程序傳送和程序查詢方式接口。前者適用于簡單的同步外設(shè)，后者用于低速外設(shè)。工作協(xié)調(diào)主要靠軟件解決。,中斷傳送接口,中斷是CPU

7、處理緊急或突發(fā)事件的重要功能。有緊急或突發(fā)事件要處理時，CPU暫停當前工作轉(zhuǎn)去處理，完畢后繼續(xù)原來工作。 CPU用中斷傳送方式與外設(shè)交換數(shù)據(jù)，必須配有中斷控制邏輯的接口電路，即中斷傳送接口。在計算機系統(tǒng)中，用這種接口與速度低的外設(shè)通信。,DMA接口,程序傳送和中斷傳送接口在數(shù)據(jù)的傳送過程中，都要CPU參與。數(shù)據(jù)量較大，如從磁盤向內(nèi)存中讀取程序時，耗用CPU許多時間。 DMA接口可以實現(xiàn)直接存儲器存取，在存儲器與外設(shè)之間直接傳送數(shù)據(jù)，不需CPU介入。,4. 簡單普通接口、可編程接口以及外設(shè)接口適配器,簡單接口：中、小規(guī)模集成電路制成的功能單一接口，滿足某一外設(shè)的需要而專門設(shè)計。 可編程接口：大規(guī)

8、模集成電路制成的通用接口，有多種功能且能編程靈活設(shè)定，可滿足多種外設(shè)的需要。早期微型機系統(tǒng)中大量使用。 超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，一塊集成電路芯片中能集成多種功能的接口電路，包含一個微型機系統(tǒng)常用的幾種接口。,外設(shè)接口適配器,復(fù)雜外部設(shè)備如CRT等，有多種控制信號、時序邏輯、數(shù)據(jù)格式變換等，單一接口芯片難以滿足，須用一塊由各種功能的芯片和電路組成的插件板，叫作外設(shè)接口適配器。只為某一外設(shè)專用，又簡稱設(shè)備卡。如顯卡、語音卡等。 微型機中，外設(shè)接口適配器通過系統(tǒng)總線與主機組成系統(tǒng)。備有多個I/O插座，俗稱擴展槽，供用戶插入某種外設(shè)接口適配器。,7.1.4 輸入輸出接口的編址方式,接口電路中，具有多個

9、可由CPU進行讀或?qū)懙募拇嫫鳎步卸丝凇?不同型號的CPU對端口的編址方式不同： （1）與存儲器統(tǒng)一的編址方式，叫存儲器統(tǒng)一編址； （2）采用單獨編址方式，叫端口獨立編址。,1. 存儲器統(tǒng)一編址,將接口電路中的端口地址與存儲器的存儲單元統(tǒng)一編址，即一個端口占用一存儲單元地址。CPU用對存儲器操作的同樣方法對端口讀/寫操作。 統(tǒng)一編址優(yōu)點：一是CPU指令類型多，功能齊全，使用方便；二是端口的地址空間較大。 存在占用存儲器空間和執(zhí)行速度慢的不足?，F(xiàn)在微型機很少采用。,2. I/O端口獨立編址,CPU給I/O接口中的各端口提供完全獨立的I/O地址空間。用專用指令（IN和OUT）對端口進行讀/寫操作。

10、 獨立編址方式優(yōu)點：一是專門的I/O指令，與訪問內(nèi)存完全分開；二是執(zhí)行速度快；三是不占用內(nèi)存地址空間。 缺點是端口地址范圍較小，一般為256至1024個，間接尋址最多達64K個?，F(xiàn)各種系列微型機大都用這種方式。,7.2 主機與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送控制方式,分為：程序直接傳送控制、中斷傳送控制、直接存儲器存取控制和輸入輸出處理機傳送控制等幾種方式。 7.2.1 程序直接傳送控制方式 分為無條件傳送控制和有條件傳送控制兩種方式，有條件傳送控制方式也稱程序查詢傳送控制方式。,1. 無條件傳送控制方式,外設(shè)隨時處于準備好狀態(tài)，通信可采取無條件方式傳送。CPU可在任意時刻直接進行數(shù)據(jù)傳送，不需要詢問和應(yīng)答

11、。比如顯示器可根據(jù)輸入數(shù)據(jù)隨時改變顯示內(nèi)容，因而CPU可直接向其發(fā)送數(shù)據(jù)，無需查詢。又如溫度傳感器，任何時有一溫度值，CPU要讀溫度值也不需要預(yù)先進行聯(lián)系。,2. 程序查詢傳送控制方式,即有條件的傳送控制方式。CPU傳送數(shù)據(jù)前，對外設(shè)狀態(tài)檢測，滿足條件時才傳送，否則等待。微機系統(tǒng)常用的方式，分查詢輸入和查詢輸出兩種。 一次數(shù)據(jù)傳送的過程是： CPU執(zhí)行一條輸入指令，從狀態(tài)端口讀入外設(shè)的 現(xiàn)行狀態(tài)； 檢查狀態(tài)是否滿足條件； 狀態(tài)不滿足，則重復(fù)執(zhí)行過程，直到條件滿足； 狀態(tài)滿足，CPU從I/O端口讀入或?qū)懗鰯?shù)據(jù)，同時使I/O端口狀態(tài)復(fù)位。,圖7-3 查詢輸入方式接口電路,圖7-4 查詢輸入的信息格

12、式及程序流程,LOOP： IN AL，STATUS-PORT； 讀入RDY AND AL，80H； 檢查RDY JZ LOOP； RDY=0等待 IN AL，DATA-PORT； 讀入數(shù)據(jù) 可見，CPU與外設(shè)的這種傳送控制方式中，狀態(tài)信號起到了“聯(lián)絡(luò)”的作用。,圖7-5 查詢輸出方式接口電路,圖7-6 查詢輸出的信息格式及程序流程,LOOP： IN AL，S-PORT； 讀入BUSY AND AL，80H； 檢測BUSY=0？ JNZ LOOP； BUSY=1，等待 MOV AL，BUFFER； BUSY=0，不忙 OUT D-PORT，AL； 輸出數(shù)據(jù) 程序中，S-PORT是狀態(tài)端口的符號地

13、址，DPORT是數(shù)據(jù)端口的符號地址，內(nèi)存單元地址為BUFFER。,查詢傳送方式優(yōu)點是：能協(xié)調(diào)外設(shè)與主機之間的時間差異，所用的硬件較少。 缺點：其一是主機與外設(shè)只能串行工作。外設(shè)未準備好主機一直不斷循環(huán)等待，CPU工作效率大大降低。 其二是主機在一時段內(nèi)只能和一臺外設(shè)交換數(shù)據(jù)信息，外設(shè)不能同時工作。僅適用于對速度要求不高，外設(shè)數(shù)量不多的情況。,7.2.2 中斷傳送控制方式,主機在啟動外設(shè)開始某一操作之后并不等待查詢，繼續(xù)執(zhí)行原程序；當外設(shè)完成準備后，向主機發(fā)中斷請求信號；CPU響應(yīng)請求暫時中斷原正執(zhí)行的工作（程序）而轉(zhuǎn)去執(zhí)行外設(shè)請求進行處理的服務(wù)程序，數(shù)據(jù)交換完后主機仍返回執(zhí)行原來程序。,7.2

14、.3 直接存儲器存取控制方式,CPU執(zhí)行中斷服務(wù)程序總要占用一段時間，對于快速數(shù)據(jù)傳輸來說，中斷方式也不能滿意，例如讀寫磁盤。 提出一種沒有CPU參與、在外設(shè)與存儲器之間直接進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂品绞?直接存儲器存取控制方式，也叫DMA（Direct Memory Access）方式。,硬件電路（DMA控制器）向CPU請求并接管系統(tǒng)總線的控制權(quán)，使存儲器與外部設(shè)備之間直接進行數(shù)據(jù)交換，不需CPU干預(yù)，解決了通過CPU傳送的“瓶頸”問題，加快了數(shù)據(jù)傳送速度，滿足了高速外設(shè)傳送的要求。 DMA方式是高速外設(shè)與主機成批交換數(shù)據(jù)的有效方式。 DMA方式也有局限性，DMA控制器只能對同類外設(shè)控制，適合于外設(shè)

15、不多的微小型計算機系統(tǒng)。,7.3 中斷控制技術(shù),中斷是計算機主機處理突發(fā)事件的重要功能，也是大部分輸入/輸出接口的必備功能之一。 7.3.1 中斷的概念 計算機暫時終止現(xiàn)行程序而轉(zhuǎn)去處理隨機出現(xiàn)或有意安排的緊迫任務(wù)、處理完畢后能自動恢復(fù)原程序執(zhí)行的過程叫“中斷”。 通常把這些處理緊迫任務(wù)而編制的程序叫做中斷服務(wù)程序。各種硬件、軟件所構(gòu)成的中斷系統(tǒng)已成為現(xiàn)代計算機不可缺少的組成部分。,機器中引起中斷產(chǎn)生的事件或發(fā)生中斷請求的來源統(tǒng)稱為中斷源。分為I/O中斷、數(shù)據(jù)通道中斷、時鐘中斷、故障中斷和程序中斷五種。 由機器內(nèi)部產(chǎn)生的中斷統(tǒng)稱為內(nèi)部中斷，如電源故障中斷、主機設(shè)備故障中斷、由運算產(chǎn)生的中斷、由

16、控制器產(chǎn)生的中斷和定時時鐘中斷等； 由外部設(shè)備引起的中斷叫作外部中斷，如鍵盤中斷、磁盤存儲器申請中斷、打印機中斷及生產(chǎn)過程發(fā)出的中斷等。,CPU響應(yīng)可屏蔽中斷須滿足三個條件： 中斷源有中斷請求； CPU允許接受中斷請求； 一條指令執(zhí)行完畢后才能響應(yīng)中斷。 中斷響應(yīng)如圖。其工作過程包括：,圖7-10 中斷響應(yīng)過程,7.3.2 中斷系統(tǒng)的功能,中斷系統(tǒng)指為了完成一次中斷操作的全過程需要的各種部件及相互關(guān)系。一個完整的中斷系統(tǒng)是相當復(fù)雜的，只從原則上了解系統(tǒng)中應(yīng)包括的內(nèi)容，以及它們在中斷過程中所起的作用。,1.中斷請求的檢測與屏蔽,檢測： 外設(shè)送來的中斷請求信號由CPU檢測。由于CUP總是不斷執(zhí)行指

17、令，所以對中斷請求線上的狀態(tài)檢測，只能定時進行。檢測時間安排在一指令周期的最后一個機器周期，以確定下一機器周期是繼續(xù)執(zhí)行指令還是進入中斷處理。CPU對中斷事件的處理是在指令之間進行，不能在一條指令執(zhí)行之中進行。要求送CPU的請求信號保持一足夠長時間，到CPU響應(yīng)中斷后才撤除。,屏 蔽： 有時不希望打斷主程序的執(zhí)行，即屏蔽（不響應(yīng)）外部的中斷請求。 在CPU中設(shè)置一中斷允許寄存器IF：=1時允許中斷，=0時禁止中斷-屏蔽中斷。 CPU響應(yīng)一次外中斷后， IF自動復(fù)位，不允許再發(fā)生中斷。這個寄存器受軟件控制，可用指令使之復(fù)位或置位。CPU對中斷響應(yīng)與否就能由程序方便地控制。,2.堆棧與斷點保護,為

18、處理外設(shè)提出的服務(wù)請求，CPU暫時終止當前程序，轉(zhuǎn)而執(zhí)行一個處理中斷用的專用程序，即中斷處理子程序。當前程序被暫時中斷的那個地址稱為斷點，斷點地址必須保存，才能恢復(fù)原程序的正確執(zhí)行。 保存斷點地址以及一些寄存器內(nèi)容的地方叫堆棧?？梢杂梢恍Ｓ眉拇嫫鹘M成，但在微機中將內(nèi)存的一個區(qū)辟出作為堆棧，用一專門寄存器指明堆棧頂部地址，該寄存器稱為堆棧指針。這樣保存斷點或恢復(fù)斷點的操作，成了特殊尋址的存儲器讀、寫過程。,設(shè)主程序放在0100H開始的地址段中，中斷處理子程序放在1800H開始的地址中，堆棧指針指向FFF0H。設(shè)當程序執(zhí)行到0180H所存的指令時，外部送來一個中斷請求，CPU執(zhí)行該指令的最后一個

19、機器周期中檢測到請求，執(zhí)行完畢后響應(yīng)此中斷。 如這條已執(zhí)行的指令是兩字節(jié)長，那么斷點就是0182H，即把PC=0182H自動壓入堆棧保存。壓入的兩個單元地址是FFF0H和FFEFH。而將程序計數(shù)器PC的內(nèi)容改為1800H，開始執(zhí)行中斷處理子程序。,3.矢量中斷與中斷矢量,根據(jù)發(fā)生中斷時CPU取得中斷處理子程序地址的方式而得名。提供一個矢量，指向中斷處理子程序的起始址。這種方式的主要優(yōu)點是從主程序轉(zhuǎn)到中斷處理子程序的速度快。 中斷矢量是一個指針，它總是指向中斷處理子程序的起始地址。微機是把全部中斷矢量放在內(nèi)存的某一區(qū)域，形成一中斷矢量表。 發(fā)生中斷時，根據(jù)中斷源不同，從表中取出對應(yīng)的中斷矢量送給

20、CPU，成為新的PC值，CPU開始對中斷處理子程序的執(zhí)行。,4.多重中斷與中斷優(yōu)先級,多重中斷： CPU響應(yīng)一中斷、執(zhí)行中斷處理子程序后，如果令中斷允許寄存器IF=1，CPU還可以接受別的中斷請求。又一個中斷請求到來時，會使正在執(zhí)行的中斷處理子程序再次中斷，形成多重中斷。有點類似子程序的“嵌套”。 是否允許多重中斷，取決于CPU是否開放中斷。如果關(guān)中斷，IF=0，后到的中斷請求只能掛起，直到前一中斷處理完后，才能響應(yīng)后一中斷。,中斷優(yōu)先級： CPU上往往連接多個中斷源，互相之間不同步工作。CPU對中斷請求的檢測時可能出現(xiàn)幾個中斷請求同時存在的現(xiàn)象。每次只能響應(yīng)一個中斷，要對中斷源作優(yōu)先級劃分，

21、同時請求的中斷中，優(yōu)先級高的先響應(yīng)，待高優(yōu)先級中斷處理完后，再按同樣原則進行后續(xù)處理。 優(yōu)先級安排根據(jù)處理事件的重要、緊急程度預(yù)先確定，中斷系統(tǒng)須能作優(yōu)先級判斷。可用軟件的方法，也可用硬件方法實現(xiàn)。,8086CPU中斷處理的優(yōu)先順序確定為：內(nèi)部中斷優(yōu)先于外部中斷（單步操作中斷除外），內(nèi)部中斷的具體順序為：除法錯、INT 類型號、INTO、單步中斷。,（2）硬件中斷,外部事件觸發(fā)引起的中斷稱硬件中斷或外部中斷。 8086有兩個中斷請求輸入端，INTR是可屏蔽中斷請求， NMI是不可屏蔽中斷。 INTR是電平信號輸入端，CPU無法緩存鎖定。中斷請求信號要一直保持到這個中斷被檢測且開始響應(yīng)才能撤消。能否為CPU響應(yīng)，受CPU內(nèi)IF的控制，IF=1，才允許響應(yīng)中斷。 可定義為0255間任意一個中斷類型，與中斷