《計算機硬件及網(wǎng)絡》PPT課件.ppt

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1、Company Logo,微型機輸入/輸出與接口技術,5.1 輸入/輸出系統(tǒng)概述 5.2 中斷系統(tǒng) 5.3 輸入/輸出方法 5.4 微型機接口技術 5.5 計算機接口信息獲取,Company Logo,5.1 輸入/輸出系統(tǒng)概述,一、輸入/輸出系統(tǒng)特點 1.實時性 處理器必需能夠及時處理I/O設備請求 2.設備無關性 夠適應各種外設的不同要求 3.異步性 I/O設備通常不使用統(tǒng)一的中央時鐘,Company Logo,二、輸入/輸出接口的基本功能 接口是指兩個不同部件或系統(tǒng)之間的交換部分。主機、接口、外部設備的連接如圖所示：,,Company Logo,接口基本功能： 1數(shù)據(jù)緩沖 2數(shù)據(jù)類型和

2、格式的轉換 3控制功能 4傳送主機命令 5程序中斷 6地址譯碼 7反應設備的工作狀態(tài),Company Logo,,三、I/O端口 端口是指I/O接口中供CPU直接存取訪問的那些寄存器或某些特定電路。一個I/O接口可以包括若干個端口，如數(shù)據(jù)端口、命令端口、狀態(tài)端口、方式端口、操作端口及地址索引端口等。端口的多少及相應的功能取決于一個I/O接口所關聯(lián)的外設。,Company Logo,,I/O端口的尋址方式 I/O接口的端口進行編址的目地在于確定哪個端口被主機訪問。 1.統(tǒng)一編址：將每個端口視為一個存儲單元，并賦以相應的存儲地址。 2.獨立編址：把所有的I/O端口看成一個獨立于存儲空間的I

3、/O空間，每個端口都被分配一個地址與之對應。,Company Logo,,I/O端口地址的譯碼 常用的譯碼方法有以下兩種： 1.固定式端口地址譯碼：接口中用到的端口地址不能更改。 2.可選式地址譯碼：通過開關使接口芯片的地址根據(jù)要求加以改變，無需改變硬件線路 。,Company Logo,,微型計算機系統(tǒng)中I/O端口的布局 1.I/O端口的尋址特點: 端口地址空間為1KB，在微型計算機中設置 1024個I/O端口地址，其編號為000H3FFH。 使用專門的控制信號訪問。 使用I/O指令對端口編程。CPU通過I/O指令對 端口編程，可實現(xiàn)I/O數(shù)據(jù)的傳輸。,Company Logo,,2.I

4、/O端口的地址分配 在微型計算機系統(tǒng)的1024個端口中，前256個（000H0FFH）專供I/O接口芯片使用，后面的供各種不同的I/O接口卡使用。,Company Logo,5.2 中斷系統(tǒng),狀態(tài)驅(qū)動的程序控制方式中，CPU和I/O交換數(shù)據(jù)時，由于I/O的速度很慢，采用程序中斷方式可以解決低速外圍設備與高速CPU之間的矛盾，可以解決多臺外設與CPU通信的矛盾，以及機器故障、實時處理等臨時突發(fā)事件提出的處理要求。,Company Logo,5.2 中斷系統(tǒng),一、中斷的概念與工作過程 中斷是計算機中一個非常重要的概念，在現(xiàn)代計算機中都采用了中斷技術。在計算機執(zhí)行程序的過程中，由于出現(xiàn)某個特殊情況（

5、或稱為“事件”），使得CPU暫時中止現(xiàn)行程序，而轉去執(zhí)行處理特殊事件的處理程序，處理完畢之后再回到原來程序的中斷點繼續(xù)向下執(zhí)行，這個過程就是中斷。,Company Logo,,二、中斷的分類 1.內(nèi)部中斷：也叫做軟件中斷，是由CPU執(zhí)行軟中斷指令引起的。這些中斷的產(chǎn)生與外部無關，是編程人員事先在程序中安排好的，類似于普通子程序的調(diào)用。2.外部中斷：也叫做硬件中斷，是由外部中斷源向CPU提出中斷請求而引起的。,Company Logo,,三、中斷的優(yōu)先級 1.軟件排優(yōu)：軟件排優(yōu)是指各中斷源的優(yōu)先權主要由軟件安排，與硬件電路關系不大。軟件排優(yōu)節(jié)省硬件，優(yōu)先權安排 靈活，但查詢需要耗費 時間，影響中

6、斷響應的 實時性。,Company Logo,,2硬件排優(yōu) 鏈式硬件排優(yōu)電路：采用鏈式排優(yōu)電路各個外設的中斷優(yōu)先權就由其在鏈中的位置決定，處于鏈條前端的比處于鏈條后端的優(yōu)先權高。,Company Logo,可編程中斷控制器 ：中斷控制器包括下列部件：中斷優(yōu)先權管理電路、中斷請求鎖存器、中斷類型寄存器、當前中斷服務寄存器以及中斷屏蔽寄存器。,Company Logo,,四、中斷的屏蔽和中斷處理程序 按照是否可以被屏蔽，可將中斷分為兩大類：不可屏蔽中斷(又叫非屏蔽中斷)和可屏蔽中斷。不可屏蔽中斷源一旦提出請求，CPU必須無條件響應，而對可屏蔽中斷源的請求，CPU可以響應，也可以不響應。,Com

7、pany Logo,,中斷處理過程：保存現(xiàn)場、中斷服務、恢復現(xiàn)場。 1.保存現(xiàn)場 關中斷 保留斷點 保存原程序現(xiàn)場 中斷源識別 轉向該中斷請求的中斷服務程序的入口 開中斷,Company Logo,,2.中斷服務 根據(jù)中斷源提供的中斷類型號，可以在中斷向量表中查出要執(zhí)行的中斷服務程序的入口地址，從而執(zhí)行相應的中斷服務程序。該中斷服務程序既可以是系統(tǒng)提供的程序，也可以是用戶自己編寫的程序。不同的中斷源，中斷服務是不同的，中斷源是事先規(guī)定的，中斷服務程序的內(nèi)容也是事先編好的。用戶不能隨意增加中斷源的種類。,Company Logo,,3.恢復現(xiàn)場 關中斷 恢復現(xiàn)場 開中斷。允許新的中斷請求。

8、恢復斷點。返回斷點處，繼續(xù)執(zhí)行原程序。,Company Logo,,五、中斷的斷點 斷點就是原程序中止現(xiàn)行指令的地址，也就是程序計數(shù)器PC的內(nèi)容。斷點是最重要的現(xiàn)場，通常一條指令做完，PC的內(nèi)容加1來給出下一條指令的地址，因此保留的斷點就是中斷服務處理完畢時應該返回主程序的指令的地址。,Company Logo,,六、8086/8088的中斷系統(tǒng) 向量中斷：指通過中斷向量來尋找中斷入口地址進而轉向中斷服務程序的一種方法；而中斷向量是用來提供中斷入口地址的一個地址指針。 中斷優(yōu)先權：CPU按多個中斷源的優(yōu)先權由高至低依次來響應中斷請求；同時，當CPU正在處理中斷時，還要能響應更高級的中斷請求

9、，而屏蔽掉同級或低級的中斷請求。,Company Logo,,8086/8088中斷系統(tǒng),Company Logo,5.3輸入/輸出方法,常用I/O傳送方式有： 中斷控制方式 程序控制方式 I/O通道控制方式 直接存儲器存取方式。,Company Logo,,一、中斷控制方式 中斷是指外設如果需要CPU為它服務時，它“主動”地通知CPU，準備送出輸入或輸出數(shù)據(jù)的一種方法。 中斷請求是由外設發(fā)出的。 中斷控制方式一般適用于隨機出現(xiàn)的服務，其硬件結構相對復雜，服務的時間開銷較大。,Company Logo,,二、程序控制方式 程序控制方式是指CPU與外 設之間的數(shù)據(jù)交換是在程序 控制之下進行，它也

10、是主機 與外設之間進行數(shù)據(jù)交換最 簡單、最基本的方式。,Company Logo,,三、I/O通道控制方式 CPU將部分權力下放給通道。通道是一個特殊功能的處理器，它有自己的指令和程序?qū)ｉT負責數(shù)據(jù)輸入/輸出的傳輸控制，CPU將“傳輸控制”的功能下放給通道后只負責“數(shù)據(jù)處理”功能。這樣，通道與CPU分時使用內(nèi)存，實現(xiàn)了CPU內(nèi)部運算與I/O設備的平行工作。,Company Logo,,通道功能： 1.接受CPU的I/O指令，與指定的外設取得聯(lián)系，并將其啟動使之開始工作。 2.從內(nèi)存中選取該通道程序的通道指令，經(jīng)譯碼后向設備控制器發(fā)送各種命令。 3.組織外設和內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳送，并根據(jù)需要提供數(shù)據(jù)

11、緩存的空間以及提供數(shù)據(jù)存入內(nèi)存的地址和傳送的數(shù)據(jù)量。 4.從外圍設備得到設備的狀態(tài)信息，形成并保存通道本身的狀態(tài)信息，根據(jù)要求將這些狀態(tài)信息送到內(nèi)存的指定單元，供CPU使用。 5.將外圍設備的中斷請求和通道本身的中斷請求，按次序及時報告CPU。,Company Logo,,四、直接存儲器存取方式 直接存儲器訪問（DMA）方式是一種完全由硬件執(zhí)行I/O交換的工作方式，它的關鍵是另外構造一個控制器，代替CPU管理與主存間的數(shù)據(jù)交換,Company Logo,,1. DMA的一般步驟。 從外設發(fā)出DMA請求。 CPU響應請求，把CPU工作改成DMA操作方式，DMA控制器從CPU中接管總線的控制權。

12、由DMA控制器對內(nèi)存尋址，即決定數(shù)據(jù)傳送的內(nèi)存單元地址及數(shù)據(jù)傳送個數(shù)的計數(shù)，并執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送的操作。 向CPU報告DMA操作的結束。,Company Logo,,2DMA的特點 DMA控制器建立了外設與內(nèi)存之間數(shù)據(jù)交換的直接通道。 由DMA控制數(shù)據(jù)的傳送過程。 主存中需要開辟專用的緩沖區(qū)，及時供給和接收數(shù)據(jù)。 為了解決CPU和DMA同時訪問內(nèi)存發(fā)生的沖突，DMA傳送常采用周期挪用方式。,Company Logo,,3.DMA的操作過程 傳送前的預處理 數(shù)據(jù)傳送階段 數(shù)據(jù)傳送后的處理工作,Company Logo,,4.DMA的3種工作方式 CPU暫停訪問主存方式：主機響應DMA請求后，直到一組數(shù)

13、據(jù)傳送完畢，DMA控制器才把總線控制權交還給CPU。 周期竊取方式：DMA控制器與主存儲器之間傳送一個數(shù)據(jù)，占用一個CPU周期。 DMA與CPU交替使用總線訪問存儲器方式:CPU和DMA按照事先規(guī)定的時間間隔輪渡訪問存儲器。,Company Logo,,5.DMA控制器的組成 字數(shù)計數(shù)器 內(nèi)存地址計數(shù)器 數(shù)據(jù)緩沖寄存器 “控制/狀態(tài)”邏輯 “DMA請求”標志 中斷控制邏輯,Company Logo,5.4微型機接口技術,接口技術就是解決微型計算機與外部世界聯(lián)系的技術。常用的接口類型有并行接口、串行接口和通用串行總線（USB）等。,Company Logo,1.常用接口標準 圖形顯示接口標準。

14、傳統(tǒng)串并行接口標準。 外存設備接口標準。 通用外設接口標準。 測試儀器接口標準。,Company Logo,,2. USB接口標準 USB(Universal Serial Bus)，通用串行總線。 優(yōu)點： 可以熱插拔 攜帶方便 標準統(tǒng)一 可以連接多個設備,Company Logo,,3. RS-232-C串行接口標準 RS-232-C規(guī)定標準接口有25條線，根據(jù)功能可分為如下3類： 聯(lián)絡控制信號線 數(shù)據(jù)發(fā)送與接收線 地線,Company Logo,,4.并行接口的標準 并行接口的接口特性可以從兩個方面加以描述： 以并行方式傳輸?shù)臄?shù)據(jù) 通道的寬度，也稱接口傳 輸?shù)奈粩?shù)； 用于協(xié)調(diào)并行數(shù)據(jù)傳輸

15、的額外接口控制線或稱交 互信號的特性。,Company Logo,,5. DA和AD轉換接口技術 數(shù)/模轉換：將每1位的代碼按其位權的大小轉換成相應的模擬量，然后將這些模擬量相加，即可得到與數(shù)字量成正比的總模擬量。 模/數(shù)轉換：將連續(xù)的模擬量（如象元的灰階、電壓、電流等）通過取樣轉換成離散的數(shù)字量。,Company Logo,,6.微型機接口信息 輸入輸出設備指的是CPU與外界聯(lián)系所用的裝置。人們是通過外部設備來使用計算機的，而大多數(shù)外部設備往往是不能直接與CPU相連，它們之間的信息交換需要加一個中間環(huán)節(jié)的電子系統(tǒng)接口電路。,Company Logo,,常用接口: 硬盤接口 光纖通道 IDE SCSI SATA,Company Logo,,7.無線接口技術 常見的無線接口有紅外線接口和藍牙接口 紅外線接口:是計算機的一種短距離、無線、點對點傳輸接口，目前主要應用在筆記本和掌上電腦上。紅外線接口的標準是由IrDA(InfraRed Data Association，紅外線數(shù)據(jù)協(xié)會)制定的，所以紅外線接口也被稱為IrDA。 藍牙接口：“藍牙”（Bluetooth）實質(zhì)內(nèi)容就是一種無線電空中接口及其控制軟件的公開標準。其開發(fā)目的是克服紅外通信存在的遮擋和方向性方面的缺陷。,Company Logo,,藍牙技術優(yōu)點： 使用范圍廣 設備范圍廣 應用簡單 規(guī)格統(tǒng)一,