计算机输入输出系统与接口技术

总线连接方式的接口电路
数据线：是I/O与主机之间数据代码的传送线， 根数一般等于存储字长的位数或字符的位数
设备选择线：又称为地址线（设备号可以看作是 地址号），可以有一组，也可以有两组，一组用 于主机向设备发送设备码，另一组用于设备向主 机回送设备码。
控制线：包括命令线和状态线
命令线：用以传输CPU向设备发送的各种命令 状态线：I/O设备的状态报告给主机。
C
Y2
0E9H 0EAH
Y3
0EBH
Y4
0ECH
A3
G1
Y5
0EDH
A4
G2A
Y6
0EEH
AAA567
G2B
Y7
0EFH
A0 A1 A2
A…15 A8
A…7 A3
16位I/O端口的译码
A
Y0
B
Y1
C
Y2
Y3
系统控制线
Y4
G1
Y5
G2A
Y6
G2B
Y7
0FFF8H
0FFF9H 0FFFAH 0FFFBH 0FFFCH
I/O总线
I/O接口
………….
I/O接口
设备
：数据线 ：状态线
设备
：地址线 ：命令线
I/O总线和接口部件
接口的功能和组成
识别设备
CPU发送一个设备码，各设备的接口电路将该设备码 和自身的设备码进行比较，如果一致的话，向CPU回 送该设备码，然后系统总线由该设备占用。
一般来讲，一次只能选择一个设备，该设备被选择后， 系统总线由该设备占用
Y2 Y3
Y4 Y5
Y6 Y7
微型计算机的中断技术
中断的概念
计算机在执行程序的过程中，当出现异常情况或 特殊请求时，计算机停止现行程序的运行，转向 对这些异常情况或特殊请求的处理，处理结束后 再返回到现行程序的间断处，这就是中断
把实现中断所需要的软硬件技术称为中断技术
中断接口电路的组成
控制总线：主要用于发出各种控制命令，如存储 器的读/写命令
总线的分类
数据传输线：包括地址线、数据线、控制线 中断信号线：中断请求线、中断认可线 总线仲裁信号线：总线请求线、总线请求允许线 系统线：电源线、地线、复位线 待扩充线：用于一些特殊的功能，系统扩展或保
留给用户使用
总线性能指标
中断
消除了程序查询方式中CPU”踏步”的现象，提高 了CPU的工作效率
CPU相应中断后，必须要停止现在运行的程序， 转入中断服务程序
为了完成I/O与主存之间交换信息，还要占用CPU 内部的一些寄存器，也是对CPU资源的浪费
DMA
CPU工作效率近一步提高
实现了主存和I/O设备之间的直接数据传输。
中断服务
中断服务程序的主体部分，不同的中断请求源的中断 服务操作内容是不同的
恢复现场
退出服务程序前，将原程序中断时的“现场”恢复到 原来的寄存器中
中断返回
返回到原程序的断点处，以便继续执行原程序
取指令 执行指令
中断否？ 否
中断响应
CPU响应中断的条件和时间 CPU中的允许中断触发器EINT为1（该触发器用开 中断指令置位，用关中断指令或硬件使其复位） CPU响应中断的时间一定是在每条指令执行阶段 的结束时刻
中断服务程序流程
保护现场
保存程序的断点（中断隐指令） 保存通用寄存器和状态寄存器的内容（中断服务程序）
有多级缓冲，可以把一批数据块写入缓冲器中。在这 些数据不断写入PCI设备过程中，CPU可执行其它操作
数据线为32位，可扩充到64位，数据传输率达 132MB/s~246MB/s。
USB总线标准
特点 可双向传输数据 支持即插即用 传输速度高：12MB/s 内置的电源供给 提供对电话的双路数据支持 高保真音频
计算机 I/O 系统结构图
设备编码的方法
统一编址
用主存的低地址中256个字节作为设备访问的地址，采 用一般的访存指令LDA，STA就可以实现对设备的访问
特点 占用一部分存储空间，减少了用户使用主存的范围 不需要专用的I/O指令
I/O独立编址
主存的地址和I/O的地址是分开的，需要专门的指令进 行访问，如IN，OUT
保存寄存器的内容
进行初始化的设置：如主机和设备之间交换数据 的数目，设置欲传输数据在主存中的首地址
取设备状态标记，看设备是否准备就绪 CPU执行I/O指令，将数据送入到设备接口中的
数据缓冲区内，同时将设备的输出状态标记复位 修改内存缓冲区地址计数器
判断数据是否传送完毕，未完成，则重新启动设 备继续传输
多总线结构
I/O设备可以和主存之间交换信息而不影响CPU的工作， CPU可以和主存之间交换信息
CPU 主存 I/O接口1 I/O接口2 … I/O接口n …
单总线结构框图
CPU 主存 I/O接口
I/O接口1 … I/O接口n …
双总线结构框图
总线标准中的 “即插即用” 技术
“即插即用” 技术是自动设置总线的技术，当 外部接口卡插到主即接口电路板后立即可用
将用户编制的程序（或数据）输入主机内 将运算结果返回给用户 实现I/O系统与主机之间协调地工作
输入/输出设备
CPU 和 主存
外存设备接口 显示/声音设备接口
工业控制接口 通信设备接口 输入设备控制器 输出设备控制器
硬盘、磁盘、磁带、光盘 显示器、音箱 数/模、模/数转换器 调制解调器、网卡 键盘、鼠标、光笔 激光打印机、针式打印机
将命令通过接口送到设备
CPU发送命令，接口中设有命令缓冲寄存器和命令译 码器。
传送数据的功能
接口处于主机和外部设备之间，通过接口才能实现主 给与外部设备之间的数据传送
接口中设置有数据缓冲寄存器，用以将数据暂存在接 口内
反映设备工作状态的功能
接口内设置一些反映设备工作状态的触发器，将设备 的运行情况及时地反馈到系统
基本概念
中断源：凡能向CPU提出中断请求的各种因素，同称 为中断源
CPU在任何瞬间只能接受一个中断源的请求
接口电路的组成
中断请求触发器和中断屏蔽触发器 完成触发器D：当设备欲提出中断请求时，设备本 身准备就绪，也即完成触发器D必须为“1” 中断请求触发器：发出中断请求信号
中断屏蔽触发器：屏蔽优先级较低设备的中断请 求
服务程序入口1 服务程序入口2
服务程序入口3
………………… 服务程序入口1 服务程序入口2 服务程序入口3
………………… 打印机服务程序 声卡服务程序
………………… 键盘服务程序
…………………
通过向量地址寻找入口地址
中断的处理过程
中断请求
中断源向CPU发出中断的要求
中断判优
将中断源信号经过排队电路，通过优先级选出中断的 优先排序
基本输入输出接口
80X86系列微机中的I/O接口
I/O指令
OUT DX, AX 向I/O设备传送信息的命令 IN AX, DX 从I/O设备读出信息的命令 AX 用来存放于I/O设备传送的信息
DX 用来存放访问的端口地址 指令中的I/O地址，称为端口。8位端口地址是优先使
用的，这样可以减少译码电路的数量。
接口电路的数据传送方式
接口的分类—按传输二进制位数进行分类
并行接口 一次传送一个字节或一个字 例如：打印机
串行接口 一次传送一位二进制代码 主要用于驱动传输距离较远的设备
接口的分类 – 按I/O与主机信息传送的控制方式
程序查询方式
传输方式简单
工作中一直要占用CPU，极大地影响了CPU的工作 效率
独立编址I/O
INTEL系列的PC机中，I/O传送技术采用的是存储器独 立编址
8位端口地址用于驱动主板上的设备，如时钟、键盘 16位端口地址用于驱动串行口、并行口、视频、磁盘
驱动器等等
0000H ~ 03FFH为INTEL微机中的系统保留区 0400H ~ FFFFH之间的端口地址一般由用户使用新的
总线复用：地址总线和数据总线共用一组线路， 某一时刻传输地址信号，另一时刻传送数据。
信号线数：地址总线、数据总线、控制总线的总 和
总线控制方式：包括并发工作方式、仲裁工作方 式
其它：如总线是否能扩展到64位，电源电压是 5V还是3.3V
总线的连接方式
单总线结构
CPU、主存和I/O设备都在一组总线上，所有设备共享 总线，造成计算机系统的数据传输瓶颈
特点 不占用主存空间 但需要专用的I/O指令
I/O接口电路
I/O接口电路的作用
实现设备的辨识和选择 实现主机和设备之间的速度匹配 实现串 -- 并格式的转换 实现电平的转换
计算机对设备的使用是通过接口发送命令实现的， 接口需支持系统的命令
接口监视设备的工作状态，并保存状态信息，供 CPU查询
外部设备
基本输入输出端口
VCC 电阻
GND
片选
A0
Y0
AAAA1234
YYYY1234
AAA567
YYY567
数 据 总 线
1G
2G
VCC
数 据 总 线
GND 片选
D0
Q0
DDDD1234
QQQQ1234
DDD567
QQQ567
OC
CLK
8位I/O端口的译码
A0
A
Y0
0E8H
A1 A2
B
Y1
通道
用来负责管理I/O设备以及实现主存与I/O设备之 间交换信息的部件，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，它能独立地址行用通道 指令编写的输入输出程序
不是一个完全独立的处理器，受CPU的I/O指令启 动、停止或改变其工作状态，是从属于CPU的一 个专用处理器