计算机控制系统输入原理第5章教案.doc

1、计算机组成原理输入输出系统第五章 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、DMA5.1 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CPUM.MI/O图5.1 I/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C

2、PU相连，计算机系统采用总线结构。外部设备2外部设备1I/O接口I/O总线主机I/O接口I/O接口外部设备n图5.2 I/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CPUM.MI/O图5.3 I/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

3、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5.4 I/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。5.1.3 I/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ReadyI/O设备I/O接口CPUSt

4、robe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0 1 1 0 1 0 0 0终止位起始位图5.7 同步串行联络方式主机外设15、I/O与主机的连接方式1）辐射式外设2外设32）总线式5.1.4 I/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。CPU I/OI/O CPU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/

5、O状态CPU 主存未准备就绪出错检查状态I/O CPU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/O CPUCPU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CPU I/OI/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/O CPU

6、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RETKK+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（Direct Memory Access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

7、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

8、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。00O110112-4译码器O1O0t1t0I0 I1 I2 I3图5.14 键盘扫

9、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 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

10、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） 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 CRT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 MDA单色字符显示标准，采用914点阵，字符80列25行，图形7203

11、50像素。 CGA彩色图形/字符显示标准，字符采用88点阵，字符80列25行，图形640200像素，16色 EGA增强型彩色图形/字符显示标准，字符采用814点阵，字符80列35行，图形640350像素，256色。 VGA视频图形阵列显示标准，字符采用916点阵，字符80列35行，图形640480像素，256色。2、打印机1）打印设备的分类 击打式：活字式/点阵针式；工作方式：串行/并行 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：99，1616，2424，3232 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

12、器、打印纸击打驱动电路1234567012345678910111 2 3 4 5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）

13、，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)

14、 通信功能(3) 具有简单的编辑功能（Smart Terminal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1616、2424、3232。不同字

15、、不同字体的字模均不同。5.2.5 多媒体技术（自学）5.3 I/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

16、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 5.2.8 I/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1SEL1接口1设备选择电路2SEL2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

17、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CPUCPU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5.31 I/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

18、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&设备选择电路DBR QD QB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

19、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。5.5.2 I/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

20、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5.36 CPU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&/QMASKQDINTR 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&1INTR3INTR3&1&1INTR2INTR2&1&1&11&INTR1INTP3INTP4INTP2INTP1INTR4INTR1INTR4图5.38 链式排队器3、中断向量地址形

21、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:12HJMP 200向量地址14HJMP 30016HJMP 400: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INTP1 INTPn入口地址200H打印机服务程序:入口地址300H显示器服

22、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。中断地址中断响应INTA设备编码器至低一级排队器排队器来自高一级排队器中断请求中断查询/QMASK启动设备命令译码设备工作结束启动命令&1Q /QINTR D Q BQ D&SEL地址线设备选择电路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5.5.4 I/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“

23、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： CPU发外设启动命令，使接口B置“1”，D置“0”； 接口启动输入设备工作； 输入设备将数据送入DBR； 输入设备发“工作结束”信号，使D置“1”，B置“0”； 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； 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； 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； 向量地址送至程序指针PC，形成下一

24、条指令地址； CPU执行调转指令，进入中断服务程序； 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

25、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5.6 DMA方式5.6.1 DMA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CP

26、U的工作效率，由此产生DMA方式。I/O设备主存储器ACCDMA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5.44 DMA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5.6.2 DMA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

27、）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CPUARDMA控制逻辑中断机构WCDARBR设备DACK中断请求HRQ主存+1溢出信号+1DMA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AR2）字计数器WC3）数据缓冲寄存器BR4）DMA控制逻辑5）中断控制机构6）设备地址寄存器DAR5.6.3 DMA的工作过程1、DMA传送过程DMA的数据传送过程分预处理、数据传送和后处理三个阶段。1）预处理 向DMA控制逻辑设置数据传输方向（输入/输出）； 向DMA设备地址寄存器DR送入设备号，并启动

28、设备； 向DMA主存地址寄存器AR写入交换数据的起始地址； 向DMA字计数器WC写入交换数据的字数。2）数据传送DMA方式以数据块为单位传送。 CPU DMA请求N允许传送?Y数据块传送结束?向CPU申请程序中断预处理：主存起始地址 DMA设备地址 DMA传送数据个数 DMA启动设备 DMA数据传送：继续执行主程序同时完成一批数据传送主存地址送总线数据送I/O设备（或主存）主存地址加1数据传送个数加1N后处理：中断服务程序做DMA结束处理Y继续执行主程序(a) DMA传送 (b) 数据传送阶段的细化图5.47 DMA传送过程示意图以周期挪用方式为例，其数据输入的具体操作为： 从设备读一个字节到

29、DMA的数据缓冲寄存器BR； 设备向DMA接口发请求DREQ； DMA接口向CPU申请总线控制权（HRQ）； CPU发回响应信号HLDA，表示允许将总线控制器交给DMA接口； 将DMA主存地址寄存器中的主存地址送地址总线； 通知设备已被授予一个DMA周期（DACK）； 将DMA数据缓冲器的内容送数据总线 命令主存储器作写操作； 修改主存储器地址和字计数值； 判断数据块是否传送结束，若未结束则继续传送；若已结束（字计数器溢出），则向CPU申请程序中断，标志数据块传送结束。3）后处理当DMA接口的中断请求得到响应后，CPU进行某些DMA结束工作，如数据校验等。若需要再次传送数据，则重新对DMA接口

30、初始化。2、DMA接口与系统的连接方式1）公共请求线的DMA请求方式数据总线地址总线DMA请求2）独立DMA方式主存CPUDMA接口2DMA接口1DMA接口n(a) 具有公共请求线的DMA请求CPUI/O总线DMA请求3DMA响应3DMA请求2DMA响应2DMA请求1DMA响应1主存DMA接口1DMA接口1DMA接口1(b) 独立的DMA请求图5.48 DMA接口与系统的连接方式5.6.4 MDA的接口类型1、选择型DMA接口特点：物理上可以连接多个设备，但逻辑上只允许连接一个设备，接口只有一套工作寄存器，因此，在某个时刻只能为一个设备提供服务工作，适合于数据传送速率很高的设备。2、多路型DMA接口特点：物理上可以连接多个设备，逻辑上也允许多个设备同时工作。DMA接口为每一个设备提供一套工作寄存器，用于存放各自的传送参数。28