第5章教案.docx
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第5章教案
第五章输入输出系统
主要内容:
一、I/O系统的发展及主要特点
二、输入输出系统的组成(I/O软件、硬件)
三、设备与主机的联系方式、信息传送
控制方式
四、I/O接口(接口功能和组成、接口类型)
**五、信息传送控制
1、程序查询方式、
2、程序中断
3、DMA
5.1概述
5.1.1输入输出系统的发展概括
四个阶段:
1、早期阶段
CPU
M.M
I/O
图5.1I/O通过CPU与主机交换信息
特点:
1)每个I/O设备均有逻辑电路与CPU相连;
2)输入输出过程穿插在CPU执行程序之中;
3)I/O逻辑与CPU的控制器密不可分,构成一个整体。
2、接口模块与DMA阶段
I/O设备通过接口模块与CPU相连,计算机系统采用总线结构。
外部设备2
外部设备1
I/O接口
I/O总线
主
机
I/O接口
…
I/O接口
外部设备n
…
图5.2I/O通过接口与主机交换信息
特点:
1)接口作为缓冲,具备中断功能,但I/O仍靠CPU处理;
2)出现DMA技术,处理I/O无需CPU介入,但需占用总线;
3)每个I/O需要配独立的DMA,易出现访存冲突;
4)CPU需要对众多的DMA进行管理。
3、具有通道结构阶段
通道用来负责管理I/O设备以及I/O设备与主存之间的信息交换。
通道拥有专用的指令,但不是完全独立的处理器,需受主CPU的控制和管理。
通道
CPU
M.M
I/O
图5.3I/O通过通道与主机交换信息
4、具有I/O处理机阶段
它是一个独立于主CPU的外围处理机。
5.1.2输入输出系统的组成
1、I/O软件
1)I/O指令
命令码
操作码
设备码
图5.4I/O指令的一般格式
操作码表示I/O操作的具体类型;
设备码指示进行操作的设备,即I/O设备的地址码;
命令码可表示以下的情况:
1)将数据从I/O设备输入至CPU;
2)将数据从CPU输出至I/O设备;
3)状态测试;
4)形成某些操作命令。
2、I/O硬件
一般包括I/O接口模块和I/O设备两部分。
5.1.3I/O设备与主机的联系方式
1、I/O编址方式
2、设备寻址
3、传送方式
1)并行传送
2)串行传送
4、联络方式
1)立即响应方式
2)异步工作的应答信号联络
Ready
I/O设备
I/O接口
CPU
Strobe
图5.6异步并行“应答”联络方式
3)同步工作的同步时标联络
命令字
数据字
命令字
01101000
终止位
起始位
图5.7同步串行联络方式
主
机
外设1
5、I/O与主机的连接方式
1)辐射式
外设2
外设3
2)总线式
5.1.4I/O与主机信息传送的控制方式
1、程序查询方式
由CPU通过程序不断查询I/O设备是否已做好准备,从而控制I/O与主机交换信息。
CPU在查询过程中若I/O设备没有准备就绪,CPU将会循环查询,因次,CPU进入程序查询时会中断原程序的运行。
CPUI/O
I/OCPU
当前程序
从I/O接口
读一个字到CPU
从CPU向主存
写入一个字
完成否
否
CPU向I/O发
读命令
CPU读I/O状态
CPU主存
未准备就绪
出错
检查状态
I/OCPU
当前程序
图5.9程序查询方式流程图
2、程序中断方式
CPU在启动I/O设备后,不去查询I/O设备的状态,待I/O设备准备就绪后向CPU提出申请服务的请求(中断请求),然后CPU才控制I/O与主机交换信息。
CPU在响应中断请求后(中断响应),需要停止当前运行的程序,然后运行中断服务程序,最后继续运行原先停止的当前程序。
I/OCPU
CPU读I/O状态
否
完成否
从CPU向主存
写入一个字
CPU主存
检查状态
从I/O接口
读一个字到CPU
当前程序
CPU向I/O发
读命令
CPUI/O
I/O设备工作
I/O设备就绪
CPU处理其他事务
中断请求
出错
I/OCPU
图5.10程序中断方式流程图
程序中断方式需要解决中断现场保护和中断现场恢复问题。
……
启动I/O
……
当前指令
下一条指令
……
读I/O状态
……
……
RET
K
K+1
图5.11程序中断方式示意图
3、DMA方式
在查询中断方式中,CPU调用中断服务程序前必须保护当前程序的“断点”位置,同时中断服务程序结束时必须恢复程序“断点”,以便能够正确返回,此外,有时还必须保护部分CPU内部寄存器的值,因此占用CPU的资源。
DMA(DirectMemoryAccess-直接存储器存取)提供了一条I/O设备与主存直接交换数据的通道。
若I/O接口的DMA控制器提出请求时,CPU将总线权让DMA控制器,DMA控制器通过总线直接控制I/O与主存交换信息。
通常把DMA这种对总线的占用称为“窃取”或“挪用”,“窃取周期”/“挪用周期”一般为一个存储周期。
在DMA挪用周期内,CPU仍可进行内部操作,如算术运算等。
5.2外部设备
5.2.1概述
中央处理器和主存储器构成主机,除主机外的大部分硬件设备都可称为外部设备(或外围设备、I/O设备),简称外设。
外部设备需通过I/O接口与主机连接。
I/O
接
口
光、机、电、磁部分
设备
控制器
主
机
外部设备
图5.13计算机外部设备的结构示意图
外部设备可分为三类:
1)人机交互设备
输入设备:
键盘、图形图像输入、条形码、OCR、语音文字输入设备等。
输出设备:
打印机、显示器、绘图仪、语音合成器等。
2)计算机信息的驻留设备
磁盘、磁带、光盘、穿孔纸带等。
3)机-机通信设备
MODEM、网卡、集线器、网络交换机、路由器等。
本节主要介绍人机交互设备,主要分为输入设备和输出设备两类,部分设备同时具备输入和输出功能。
5.2.2输入设备
输入设备完成程序、数据和操作命令的输入功能。
1、键盘
键盘输入信息的三个步骤:
•按一下键;
•查出按的是哪个键;
•将此键翻译成ASCII码,发送给计算机。
确认是哪一个键按下,可用硬件方法,也可用软件的方法。
采用硬件确认是哪一个键按下的方法称为编码键盘法。
+5V
采用软件确认是哪一个键按下的方法称为非编码键盘法。
00
O1
10
11
2-4
译码器
O1
O0
t1
t0
I0I1I2I3
图5.14键盘扫描原理图
•键盘扫描
•去按键抖动
•双键锁定
2、鼠标
3、触摸屏
1)电阻/电容式触摸屏
2)红外式触摸屏
金属涂层绝缘支点金属涂层
红外发射LED阵列
玻璃罩柔软塑料片金属涂层
玻璃罩
红外接收LED阵列
红外发射LED阵列
红外接收LED阵列
图5.15触摸屏原理图
4、其他输入设备
荧光片
1)光笔
钨灯丝
2)画笔与图形板
3)图像输入设备
5.2.3输出设备
控制栅极
第二阳极
偏转装置
1、CRT显示器
1)CRT组成及工作原理
第一阳极
2)字符显示器
接口电路
CRT控制器
键盘
字符发生器
ROM
主机
显示存储器
RAM
图5.18字符显示器原理框图
①显示存储器(刷新存储器)
显示存储器用于存放欲显示的字符。
容量:
80列×25行=2000字符(字节)
其中每个字节的最高位(D7)用于指示字符的闪烁特性。
显示存储器的地址与屏幕字符显示的地址一致,屏幕左上角的地址为(0,0)
②字符发生器
字符发生器用于产生字符显示的点阵数据。
ASCII码
……
列地址译码器
行地址译码器
……
ROM
(字符点阵数据)
行地址选择器
控制信号
并-串变换移位寄存器
输出缓冲寄存器
点阵时钟
图5.19字符点阵字符发生器原理图
③CRT控制器
功能:
•接收CPU的数据和控制信号
•产生字符RAM地址和字符ROM的地址信号
•产生CRT的水平同步信号和垂直同步信号
3)图形显示器
4)图像显示器
5)IBM-PC系列微机显示标准
①MDA
单色字符显示标准,采用9×14点阵,字符80列×25行,图形720×350像素。
②CGA
彩色图形/字符显示标准,字符采用8×8点阵,字符80列×25行,图形640×200像素,16色
③EGA
增强型彩色图形/字符显示标准,字符采用8×14点阵,字符80列×35行,图形640×350像素,256色。
④VGA
视频图形阵列显示标准,字符采用9×16点阵,字符80列×35行,图形640×480像素,256色。
2、打印机
1)打印设备的分类
①击打式:
活字式/点阵针式;工作方式:
串行/并行
②非击打式:
电、磁、光、喷墨、化学方法(热敏打印)等
2)点阵针式打印机
•点阵数:
9×9,16×16,24×24,32×32
•结构:
打印头、打印头横移机构、输纸机构、色带机构、接口电路、字符缓冲器(RAM)、字符点阵发生器、打印纸击打驱动电路
1
2
3
4
5
6
7
01234567891011
12345
打印纸滚筒
衔铁针管导向板
打印针色带
铁芯
线圈
(a)打印头示意图(b)点阵字符的打印格式
图5.22针式打印头和打印格式示意图
印字定时
电路
列计数器
缓存地址存储器
功能码判别电路
打印时序器
接
收
代
码
时
序
器
缓冲存储器
(RAM)
打印头
驱动器
字符发生器
(ROM)
来自
接口电路
图5.23针式打印机控制电路框图
3)激光打印机
激光打印机应用了激光技术和照相技术。
基本组成:
由激光扫描系统、电子照相系统、字形发生器和接口控制电路几部分构成。
接口控制电路:
负责与计算机通讯,接收打印信息;
字形发生器:
根据打印字符的代码(ASCII码),获取字符的点阵码,并将该字符点阵码变换成点阵脉冲的控制信号(用于控制激光枪);
激光扫描系统:
将字符点阵脉冲信号变成激光束,激光束对感光鼓(硒鼓)进行扫描,使感光鼓表面沉淀的电荷层有选择性地“曝光”,形成静电潜像;随着感光鼓的滚动,静电潜像部分会吸附碳粉,并滚附到纸上;纸张经过热辊挤压定影器后,碳粉被熔化压凝在纸上。
显像系统
清扫系统
充电
感光鼓
硒鼓
电子照排系统
纸
字形发生器
激光扫描
系统
激光器
纸
接口控制器
图5.24激光打印机原理框图
4)喷墨打印机
(自学)
5)几种打印机的比较
(自学)
5.2.4其他外部设备
1、终端设备
终端设备是一种由键盘和显示器组成的独立设备,主要功能:
(1)输入/输出功能
(2)通信功能
(3)具有简单的编辑功能(SmartTerminal灵巧终端)
2、A/D和D/A转换器
A/D转换器—将模拟的物理量转换成离散的数字量,用于数据采集;
D/A转换器—将离散的数字量转换成模拟的物理量,用于输出控制量;
3、汉字处理
汉字编码:
输入码、内码、输出码(字形码)
1)汉字输入
数字编码、音形码和字形码三种
2)汉字存储
我国采用国标码(GB码),标准分一、二级汉字库。
每个汉字采用2个字节表示,最高位恒位1。
汉字信息传输时也采用GB码。
3)输出码
使用字形码(又称汉字字模),不同的设备使用的字形码不同,国家有标准,但允许企业自行定义。
常用打印机汉字字模有16×16、24×24、32×32。
不同字、不同字体的字模均不同。
5.2.5多媒体技术
(自学)
5.3I/O接口
5.3.1概述
接口是两个系统或两个部件之间的相交接部分,可以是两种硬件设备之间的连接电路,也可以是两个软件之间共同的逻辑边界。
I/O接口通常是指主机与外部设备之间设置的硬件电路及其相应的软件控制。
一般来讲,不同的外部设备均有其独立的设备控制器,设备控制器需要通过I/O接口与主机进行联系。
主机与外设之间需要接口的原因:
1)设备寻址的需要;
2)速度不匹配;
3)数据格式不兼容;
4)电气特性不匹配;
5)时序不匹配;
6)CPU需要知道外部设备的工作状态,如“忙”、“就绪”、“错误”等。
端口—指接口中的CPU能访问的寄存器(数据、控制或状态)
接口—若干个端口加上相应的控制逻辑构成接口。
5.3.2接口的功能和组成
I/O总线
1、总线连接方式的I/O接口电路
数据线
状态线
命令线
I/O接口
I/O接口
设备选择线
I/O设备
I/O设备
图5.2.8I/O总线和接口电路
1)数据线
2)设备选择线
3)命令线
4)状态线
总线一般由三态逻辑电路构成。
2、接口的功能和组成
1)选址功能
设备选择电路1
SEL1
接口1
设备选择电路2
SEL2
接口1
图5.29设备选择电路框图
2)传送命令功能
命令寄存器
和命令译码器
SEL1
设备选择电路1
接口
1
命令寄存器
和命令译码器
SEL2
设备选择电路2
接口
2
图5.30命令寄存器和命令译码器
3)传送数据功能
4)反映I/O设备工作状态的功能
I/O接口
设备状态
标记
控制逻辑电路
数据线
CPU
CPU
地址线
命令线
状态线
数据缓冲
寄存器DBR
设备选择
电路
命令寄存器
和命令译码器
图5.31I/O接口的基本组成
5.3.3接口类型
I/O接口按不同的方式可以有以下的分类:
1)按数据传送方式——并行接口和串行接口;
2)按功能选择的灵活性——可编程接口和非可编程接口;
3)按接口通用性——通用接口和专用接口;
4)按数据传送的控制方式——程序型式接口和DMA式接口;
5.4程序查询方式
5.4.1程序查询流程
程序查询方式的核心在于每时每刻需要不断查询I/O设备是否准备就绪。
检查状态标志
1)需要安排的三条指令:
(1)测试指令
no
准备就绪?
(2)传送指令
yes
(3)转移指令
交换数据
2)数据传送流程
(1)保护CPU的寄存器;
(2)设置CPU与外设数据交换的计数器值;
(3)设置数据缓冲器及其首地址指针值;
(4)启动I/O设备;
(5)检测I/O设备状态;
(6)执行I/O指令,进行数据交换;
(7)修改数据缓冲器地址;
(8)修改计数器值;
(9)判断计数器值,如不为0则循环;
(10)结束I/O传送
5.4.2程序查询方式的接口电路
③
⑥
输入数据
启动设备
设备工作结束
数据线
准备就绪
启动命令
地址线
②
⑤
&
设备选择电路
DBR
Q
D
Q
B
①
④
图5.35程序查询方式接口电路的基本组成
5.5程序中断方式
5.5.1中断概念
计算机在程序执行过程中,当出现异常情况或特殊请求时,计算机暂时停止现行程序的运行,转向对这些特殊异常情况的处理,处理结束后再返回现行程序的间断处,这就是“中断”。
实现中断功能所需要的软硬件技术,统称为中断技术。
5.5.2I/O中断的产生
1)CPU启动I/O设备后无需进行等待,当I/O设备做好准备后向CPU提出请求,CPU暂时停止现行程序的运行,转入I/O服务程序,由此产生中断;
2)对于某些不可预测的紧急事件,如断电等,要求CPU暂时停止现行程序的运行,处理紧急的事件,也要求使用中断技术。
中断技术可以显著提高CPU的工作效率。
启动
打印机
打印
准备
打印
打印机
继续执行主程序
继续执行主程序
执行主程序
中断返回
中断返回
CPU
响应中断
响应中断
发中断请求
发中断请求
接收数据
空闲
接收数据
传送数据
传送数据
图5.36CPU与打印机并行工作时间示意图
5.5.3程序中断方式的接口电路
来自CPU的
中断查询信号
1
&
/Q
MASK
Q
D
INTR
D∧
1、中断请求触发器和中断屏蔽触发器
•中断请求触发器INTR
•中断屏蔽触发器MASK
2、排队器
对接口同时产生的多个中断
进行优先级排队,CPU优先处理
优先级别高的中断。
INTP4!
INTP3!
INTP2!
INTP1!
&
1
&
1
INTR3
INTR3
&
1
&
1
INTR2
INTR2
&
1
&
1
&
1
1
&
INTR1
INTP3
INTP4
INTP2
INTP1
INTR4
INTR1
INTR4
图5.38链式排队器
3、中断向量地址形成部件(设备编码)
CPU响应中断后将调用中断服务子程序,不同设备的中断服务子程序不同,每个中断服务子程序均有一个入口地址,该地址称为中断向量。
CPU必须能够找到该地址。
中断向量可用由硬件产生,也可以由软件产生。
图5.39为硬件产生发框图。
中断向量地址形成部件的输入INTP1……INTPn来自排队器的输出,输出的中断向量用二进制数表示,其位数与中断源的数目有关(实际上是一个编码器)。
主存
中断向量
:
:
12H
JMP200
向量地址
14H
JMP300
16H
JMP400
:
:
中断向量地址形成部件
……
图5.39中断向量地址形成部件框图
INTP1INTPn
入口地址
200H
打印机服务程序
:
:
入口地址
300H
显示器服务程序
:
:
图5.40通过向量地址寻找入口地址
向量地址和中断服务程序入口地址(中断向量)是两个不同的概念。
与此相关的还有中断向量表的概念。
4、程序中断方式接口电路的基本组成
图5.41为程序中断方式接口电路的基本组成。
⑧
中断地址
⑦
中断响应INTA
设备编码器
至低一级排队器
⑥
排队器
来自高一级排队器
中断请求
⑤
中断查询
/Q
MASK
②
启动设备
①
命令译码
④
设备工作结束
启动命令
&
1
Q/Q
INTR
D
QB
QD
&
SEL
地址线
设备选择电路
③
DBR
数据线
输入数据
图5.41程序中断方式接口电路的基本组成
5.5.4I/O中断处理过程
1、CPU响应中断的条件和时间
•CPU内部的中断允许触发器EINT置“1”。
该触发器可用软件置“1”(开中断)或置“0”(关中断);
•CPU在每条指令执行阶段结束的时刻响应中断;
2、I/O中断处理过程
处理流程:
①CPU发外设启动命令,使接口B置“1”,D置“0”;
②接口启动输入设备工作;
③输入设备将数据送入DBR;
④输入设备发“工作结束”信号,使D置“1”,B置“0”;
⑤当D=1,且MASK=0时,在指令执行阶段的结束时刻,CPU发出中断查询信号;
⑥设备中断请求触发器INTR置“1”,设备向CPU提出中断请求,同时INTR被送到排队器进行中断判优;
⑦若设备排队选中,且CPU允许中断,则进入中断响应阶段,CPU发INTA信号,设备编码器输出中断向量地址;
⑧向量地址送至程序指针PC,形成下一条指令地址;
⑨CPU执行调转指令,进入中断服务程序;
⑩中断服务程序最后一条指令执行结束,中断返回至原程序断点处。
5.5.5中断服务程序流程
1、现场保护
1)断点保护;
2)现场保护(保护CPU的标志寄存器和通用寄存器);
2、中断服务
即允许中断服务程序
3、恢复现场
将进入中断服务程序后保护的现场恢复
4、中断返回
中断服务程序结束时用中断返回指令,返回至原程序断点处。
多重中断(中断嵌套)
单重中断
保护现场
中断响应
程序断点进栈
关中断
向量地址->PC
中断否?
执行指令
取指令
开中断
恢复现场
设备服务
中断返回
中断周期
是
否
中断响应
程序断点进栈
关中断
向量地址->PC
设备服务
恢复现场
取指令
开中断
中断返回
中断否?
执行指令
保护现场
中断服务程序
中断周期
是
否
中断服务程序
(a)(b)
图5.42单重中断和多重中断服务程序流程
5.6DMA方式
5.6.1DMA方式特点
与程序程序方式相比,程序中断方式显著地提高了CPU的工作效率。
但从微观操作分析,CPU在处理中断服务程序时,需要暂停当前允许的程序,同时对程序断点进行保护,以便中断服务程序运行结束后能准确返回,因此需要增加CPU很多的额外开销。
对于高速I/O与存储器之间的大批量数据交换,若采用程序中断方式,将不断打断CPU的正常运行,使CPU工作效率难以进一步提高。
实际上,在I/O设备与存储器之间的数据交换中,CPU的介入并非必要,若I/O端口能直接访问存储器,可以进一步提高CPU的工作效率,由此产生DMA方式。
I/O
设
备
主
存
储
器
ACC
DMA接口
中断接口
输入指令
中断方式数据传送通道
输出指令
DMA方式数据传送通道
图5.44DMA方式和程序中断方式的数据通道
由图5.44可知,主存与DMA接口之间有一条数据通道,主存与I/O设备交换数据时可不必通过CPU,因此数据交换时可省去断点现场保护和现场恢复,工作速度比程序中断方式高。
DMA与主存交换信息时,主要有三种方法:
1)停止CPU访问主存
2)周期挪用(周期窃取)
3)DMA与CPU交替访问
5.6.2DMA接口功能和组成
1、DMA接口功能
1)向CPU申请DMA传送;
2)具备总线控制能力;
3)在DMA期间控制总线进行数据传送;
4)确定传送数据块的长度以及数据存放的地址;
5)DMA结束后能够正常交出总线控制权。
2、DMA接口的基本组成
HLDA
数据线
地址线
CPU
AR
DMA
控
制
逻
辑
中
断
机
构
WC
DAR
BR
设备
DACK
中断请求
HRQ
主
存
+1
溢出信号
+1
DMA接口
DREQ
图5.46简单的DMA接口组成原理图
1)主存地址寄存器AR
2)字计数器WC
3)数据缓冲寄存器BR
4)DMA控制逻辑
5)中断控制机构
6)设备地址寄存
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