1、,第19講 輸入輸出(IO)系統(tǒng),1 I/O設(shè)備的編址及設(shè)備控制器的功能 1.什么是接口？ 答：接口是計(jì)算機(jī)與I/O設(shè)備或其他系統(tǒng)之間所設(shè)置的邏輯控制部件，也稱I/O控制器。 2.兩種I/O設(shè)備的編址方式 統(tǒng)一編址方式 獨(dú)立編址方式,1 輸入輸出系統(tǒng)概述,I/O接口的基本功能,接口(Interface)和端口(Port)的概念: 端口是指接口電路中可以被CPU直接訪問的寄存器. 接口是若干端口加上相應(yīng)的控制邏輯電路. I/O接口的基本功能 實(shí)現(xiàn)主機(jī)和外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送控制.其中包括同步控制,設(shè)備選擇和中斷控制等.DMA還具有直接訪問存儲(chǔ)器功能,并給出存儲(chǔ)器地址. 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖,以達(dá)到主機(jī)同

2、外圍設(shè)備之間的速度匹配. 在接口電路中,一般設(shè)置一個(gè)或幾個(gè)數(shù)據(jù)緩沖寄存器. 在數(shù)據(jù)傳送過程中,先將數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)緩沖寄存器,然后再送到目的設(shè)備(輸出)或主機(jī)(輸入) 接受主機(jī)的命令,提供設(shè)備接口的狀態(tài),并按照主機(jī)的命令控制設(shè)備.,CPU和外設(shè)之間通常傳遞的信息： 數(shù)據(jù)、狀態(tài)、控制,輸入輸出接口,接口電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu),CPU與外設(shè)主要有數(shù)據(jù)、狀態(tài)和控制信息需要相互交換，于是從應(yīng)用角度看內(nèi)部： 數(shù)據(jù)寄存器 輸入數(shù)據(jù)寄存器：保存外設(shè)給CPU的數(shù)據(jù) 輸出數(shù)據(jù)寄存器：保存CPU給外設(shè)的數(shù)據(jù) 狀態(tài)寄存器 保存外設(shè)或接口電路的狀態(tài) 控制寄存器 保存CPU給外設(shè)或接口電路的命令,接口電路的外部特性,主要體現(xiàn)在引腳

3、上，分成兩側(cè)信號(hào) 面向CPU一側(cè)的信號(hào)： 用于與CPU連接 主要是數(shù)據(jù)、地址和控制信號(hào) 面向外設(shè)一側(cè)的信號(hào)： 用于與外設(shè)連接 提供的信號(hào)五花八門 功能定義、時(shí)序及有效電平等差異較大,接口電路的可編程性,許多接口電路具有多種功能和工作方式，可以通過編程的方法選定其中一種 接口需進(jìn)行物理連接，還需編寫接口軟件 接口軟件有兩類： 初始化程序段設(shè)定芯片工作方式等 數(shù)據(jù)交換程序段管理、控制、驅(qū)動(dòng)外設(shè)，負(fù)責(zé)外設(shè)和系統(tǒng)間信息交換,結(jié)構(gòu)方式 按照數(shù)據(jù)傳送的寬度可分為并行接口和串行接口。在并行接口中，設(shè)備和接口是將一個(gè)字節(jié)(或字)的所有位同時(shí)傳送。在串行接口中，設(shè)備和接口間的數(shù)據(jù)是一位一位串行傳送的，而接口和主

4、機(jī)之間是按字節(jié)或字并行傳送。接口要完成數(shù)據(jù)格式的串并變換。 數(shù)據(jù)傳送配合方式 按照數(shù)據(jù)傳送的控制方式可分成程序控制輸入輸出接口，程序中斷輸入輸出接口和直接存儲(chǔ)器存取(DMA)接口等。,I/O接口分類,端口統(tǒng)一編址是把每一個(gè)端口視為一個(gè)存儲(chǔ)器單元，并賦以相應(yīng)的存儲(chǔ)器地址。微處理機(jī)訪問端口，如同訪問存儲(chǔ)器（只是地址不同），所有訪問存儲(chǔ)器指令同樣適合于I/O端口。由于端口地址被映象到存儲(chǔ)空間，作為存儲(chǔ)空間的一小部分，因此，也稱為“存儲(chǔ)器映象編址”。,1）統(tǒng)一編址方式 (存儲(chǔ)器對(duì)應(yīng)I/O方式),輸入輸出接口的編址方式,端口地址與存儲(chǔ)器地址統(tǒng)一編址,優(yōu)點(diǎn)： 不需要專門的I/O指令 I/O數(shù)據(jù)存取與存儲(chǔ)器

5、數(shù)據(jù)存取一樣靈活 缺點(diǎn)： I/O端口要占去部分存儲(chǔ)器地址空間 程序不易閱讀（不易分清訪存和訪問外設(shè)）,端口獨(dú)立編址是把所有I/O接口看作一個(gè)獨(dú)立于存儲(chǔ)的I/O空間。在這個(gè)I/O空間內(nèi)，每個(gè)端口都被分配一個(gè)地址與之對(duì)應(yīng)。要訪問獨(dú)立于存儲(chǔ)空間的端口，必須用專門的I/O指令（IN和OUT）。,2）獨(dú)立編址方式 (專用I/O方式),優(yōu)點(diǎn)： I/O端口的地址空間獨(dú)立 控制和地址譯碼電路相對(duì)簡(jiǎn)單 專門的I/O指令使程序清晰易讀 缺點(diǎn)： I/O指令沒有存儲(chǔ)器指令豐富，尋址方式少,IBM PC等系列機(jī)設(shè)置有專門的IO指令，設(shè)備的編址可達(dá)512個(gè)，部分設(shè)備的地址碼如表 10.1所示。 從表中可見，每一臺(tái)設(shè)備占用

6、了若干個(gè)地址碼分別表示相應(yīng)的設(shè)備控制器中的寄存器地址。,IBM PC設(shè)備地址碼,程序員試題,若某個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，內(nèi)存地址與I/O地址統(tǒng)一編址，訪問內(nèi)存單元和I/O是靠_來區(qū)分。 A.數(shù)據(jù)總線上輸出的數(shù)據(jù) B.不同的地址代碼 C.內(nèi)存與I/O使用不同的地址總線 D.不同的指令,B,一、程序直接控制傳遞方式 二、程序中斷控制方式 三、直接內(nèi)存訪問方式DMA 四、I/O通道控制 五、輸入、輸出處理機(jī)方式,2 I/O 設(shè)備數(shù)據(jù)傳送控制方式,程序傳送方式以CPU為中心，數(shù)據(jù)傳送的控制來自CPU，通過執(zhí)行預(yù)先編制的輸入/輸出程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。 程序傳送方式可分為無條件傳送和查詢傳送方式。 無條件傳送方式

7、在傳送信息時(shí)，已知外部設(shè)備是準(zhǔn)備好的狀態(tài)，所以輸入輸出時(shí)都不需要查詢外部設(shè)備的狀態(tài)。在輸入或輸出時(shí)，相應(yīng)給出IN或OUT指令即可。但這種方式必須確信外部設(shè)備已準(zhǔn)備好的狀態(tài)才可使用，否則就會(huì)出錯(cuò)，故很少使用。,程序直接控制傳送方式,程序查詢方式的工作流程 (1) 預(yù)置傳送參數(shù) 在傳送數(shù)據(jù)之前，由CPU執(zhí)行一段程序，預(yù)置傳送參數(shù)。傳送參數(shù)包括存取數(shù)據(jù)的主存緩沖區(qū)首地址和傳送數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。 (2) 向I/O接口發(fā)命令字 當(dāng)CPU選中某臺(tái)外設(shè)時(shí)，執(zhí)行輸出指令向I/O接口發(fā)出命令字，啟動(dòng)外設(shè)，為接收數(shù)據(jù)或發(fā)送數(shù)據(jù)的操作做準(zhǔn)備。 (3) 從I/O接口取回狀態(tài)字 CPU執(zhí)行輸入指令，從I/O接口中取回狀態(tài)字并

8、進(jìn)行測(cè)試，判斷數(shù)據(jù)傳送是否可以進(jìn)行。,(4) 查詢外設(shè)標(biāo)志 CPU不斷查詢狀態(tài)標(biāo)志，如果外設(shè)沒有準(zhǔn)備就緒，CPU就踏步進(jìn)行等待，一直到這個(gè)外設(shè)準(zhǔn)備就緒，并發(fā)出“準(zhǔn)備就緒”信號(hào)為止。 (5) 傳送數(shù)據(jù) (6) 修改傳送參數(shù) 每進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳送，需要修改傳送參數(shù)，其中包括主存緩沖區(qū)地址加1，傳送個(gè)數(shù)減1。 (7) 判斷傳送是否結(jié)束 如果傳送個(gè)數(shù)不為0，則轉(zhuǎn)第(3)步，繼續(xù)傳送，直到傳送結(jié)束為止。,就緒（Ready）,在輸入場(chǎng)合 “就緒”說明輸入接口已準(zhǔn)備好送往CPU的數(shù)據(jù)，正等著CPU來讀取 該狀態(tài)也可用接口中數(shù)據(jù)緩沖器未“滿”來描述 在輸出場(chǎng)合 “就緒”說明輸出接口已做好準(zhǔn)備，等待接收CPU要輸

9、出的數(shù)據(jù) 該狀態(tài)也可用接口數(shù)據(jù)緩沖器已“空”、或者用接口（外設(shè)）“閑”或不“忙（Busy）”來描述,查詢傳送流程,程序直接控制傳送方式特點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)： 較好協(xié)調(diào)主機(jī)與外設(shè)之間的時(shí)間差異 所用硬件少。 缺點(diǎn)： 主機(jī)與外設(shè)只能串行工作 主機(jī)一個(gè)時(shí)間段只能與一個(gè)外設(shè)進(jìn)行通訊 CPU效率低。,2 程序中斷傳送方式,中斷傳送方式 當(dāng)外設(shè)準(zhǔn)備好后，外設(shè)接口便主動(dòng)向CPU發(fā)“中斷請(qǐng)求”信號(hào)。CPU響應(yīng)這一請(qǐng)求，則暫停正在執(zhí)行的程序，而轉(zhuǎn)入與外設(shè)操作有關(guān)的中斷服務(wù)程序。在中斷服務(wù)程序中完成數(shù)據(jù)的輸入或輸出，中斷服務(wù)程序執(zhí)行完畢，CPU返回到原來程序的斷點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行。,中斷傳送流程,優(yōu)點(diǎn)：避免頻繁查詢，在一定程度上實(shí)

10、現(xiàn)了CPU和外圍設(shè)備的并行工作。提高CPU效率，適合隨機(jī)出現(xiàn)的服務(wù)和中低速外設(shè)使用。 缺點(diǎn)：成批數(shù)據(jù)交換時(shí)，中斷影響傳送效率，一次傳送一個(gè)字符，中斷處理時(shí)間大于傳送數(shù)據(jù)時(shí)間。需要一定的硬件電路。 可處理多臺(tái)設(shè)備并行工作 多臺(tái)外設(shè)依次啟動(dòng)后,可同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的準(zhǔn)備工作.若在某一時(shí)刻有幾臺(tái)外圍設(shè)備發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào),CPU可根據(jù)預(yù)先規(guī)定好的優(yōu)先順序,按輕重緩急去處理幾臺(tái)外設(shè)的數(shù)據(jù)傳送,從而實(shí)現(xiàn)了外圍設(shè)備的并行工作.,程序中斷傳送方式特點(diǎn),3 直接存儲(chǔ)器訪問方式,1. DMA方式的引入 前兩種方式以CPU為中心，占用CPU時(shí)間。DMA方式以內(nèi)存為中心。 2. 基本思想是在外圍設(shè)備和主存之間開辟直接的

11、數(shù)據(jù)傳送通路. 3. 基本工作原理 在外設(shè)通過專門的接口電路和存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而不用通過CPU的寄存器，控制過程由DMA控制器這樣的硬件來完成，不需要保存斷點(diǎn)。 特點(diǎn)：適用于高速設(shè)備和大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)傳輸，需用更多的硬件電路支持。,DMA傳送的基本過程如下： （1）當(dāng)IO接口準(zhǔn)備好，希望進(jìn)行DMA操作時(shí)，就向DMA控制器（DMAC）發(fā)出DMA請(qǐng)求信號(hào)（DRQ） （2）DMA控制器將此請(qǐng)求信號(hào)轉(zhuǎn)變成對(duì)CPU的總線請(qǐng)求信號(hào)（DMA HRQ） （3）CPU當(dāng)前機(jī)器周期執(zhí)行結(jié)束，響應(yīng)DMA請(qǐng)求發(fā)出總線應(yīng)答信號(hào)（HLDA），此時(shí)，由DMA控制器接管對(duì)總線的控制 （4）由DMA控制器對(duì)存儲(chǔ)器尋址，并發(fā)出

12、相應(yīng)控制信號(hào)（DACK、 、 ）,使存儲(chǔ)器與IO接口之間直接交換數(shù)據(jù)。 （5）在傳送一字節(jié)數(shù)據(jù)后，DMA控制器自動(dòng)修改存儲(chǔ)器地址和傳送字節(jié)計(jì)數(shù)器，并檢測(cè)傳送是否結(jié)束。 （6）DMA傳送結(jié)束，DMA控制器向CPU發(fā)出結(jié)束信號(hào)，并釋放總線，使CPU重新獲得總線控制，恢復(fù)正常工作。,DMA傳送流程,存儲(chǔ)器直接存?。―MA）,特點(diǎn) 在外設(shè)和主機(jī)之間開辟一個(gè)通道完成成批數(shù)據(jù)的交換。 成批數(shù)據(jù)交換方便、及時(shí)、準(zhǔn)確。 在多個(gè)DMA時(shí)會(huì)發(fā)生沖突。,IO通道具有少數(shù)專用的指令系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)指令所控制的操作，所以IO通道已具備簡(jiǎn)單處理機(jī)的功能 但它僅僅是面向外圍設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)的傳送，其指令系統(tǒng)也僅僅是幾條簡(jiǎn)單的與IO操作有關(guān)的命令。它要在CPU的IO指令指揮下啟動(dòng)、停止或改變工作狀態(tài)。因此，lO通道不是一個(gè)完全獨(dú)立的處理機(jī)，它只是從屬于CPU的一個(gè)專用IO處理器。它的進(jìn)一步發(fā)展是引入專用的輸入輸出處理機(jī)。 通道方式的出現(xiàn)進(jìn)一步提高了CPU的效率。但需更多的硬件電路。,4. I/O通道控制方式,5 外圍處理機(jī)方式,輸入輸出處理機(jī),通常稱作外圍處理機(jī)(peripheral processor unit 簡(jiǎn)稱PPU) 外圍處理機(jī)的結(jié)構(gòu)更接近一般處理機(jī),甚至