1、1,Ch03-输入和输出方式,Computer Principle,输入和输出方式 天津工业大学计算机学院 丁 刚 ,2,Ch04-输入和输出方式,章节内容,输入输出概述 CPU与外设数据传送的方式,3,1-输入和输出概述,接口作用,外部设备为什么一定要通过接口电路与主机相连？ 存储器用来保存信息，传送方式单一（字/字节），品种有限（只读/可读写），存储速度与CPU相匹配 外设功能多样（输入/输出，模拟/数字，串行/并行） 同一时刻CPU只能与一个外设交换信息 外设速度低，接口用来缓冲和联络 转换方式，缓冲/锁存数据,4,1-输入和输出概述,端口与接口,I/O端口接口中的寄存器，每个端口有一个
2、端口地址。（数据、状态、控制） I/O接口将外设连接到总线上的一组逻辑电路的总称，实现外设与主机之间的信息交换。,5,1-输入和输出概述,端口与接口,输入/输出中用到的地址是端口地址 一个双向工作的接口芯片通常有4个端口：数据输入、数据输出、状态、控制端口。 节省地址空间：数据输入/输出端口对应一个端口地址，状态/控制端口对应一个端口地址。,6,1-输入和输出概述,端口编址方式 统一,内存和端口地址统一编址 指令及控制信号统一 内存地址资源减少,7,1-输入和输出概述,端口编址方式 统一,特点：把外设端口看作存储器的一个单元，占有一个存储器地址。从外设输入数据，看作存储器读操作；向外设输出数据
3、，看作存储器写操作； 优点：内存和外设地址由一个译码器解决，不需专门I/O指令,全部存储器指令可用，指令多，使用方便； 缺点：占用内存空间，寻址的地址字节增加，增加了指令的执行时间。,8,1-输入和输出概述,端口编址方式 独立,内存和端口地址独立编址 内存地址资源充分利用 用于端口的指令较少,9,1-输入和输出概述,端口编址方式 独立,特点：Pentium微处理器采用独立编址方式 CPU有专门I/O指令，用地址区分不同的外设 8086用一个字节寻址，可寻址256个端口； 用DX间接寻址外设时，端口地址是16位的，可寻址64K个端口地址,10,1-输入和输出概述,端口编址方式,在80X86CPU
4、构成的系统中： 内存地址可用于接口，即统一编址方式； 接口地址不能作为内存地址使用，但可作为外存使用，用于存放数据或程序，用的时候先读到内存中然后再用。,11,1-输入和输出概述,端口编址方式,Ex:80X86采用独立I/O方式编址时，I/O地址与存储器地址一样由段基址和偏移地址两部分组成（ ）,分析： 采用独立I/O方式编址时，I/O地址是线性地址 采用存储器映象方式编址，I/O地址是二维的，由段基址和偏移地址两部分组成。,12,1-输入和输出概述,接口的构成,13,2-CPU与外设数据传送的方式,接口信息,数据信息 状态信息 控制信息,14,2-CPU与外设数据传送的方式,接口信息数据,数
5、字量 读入或写出的二进制数据或ASCII码数据，8位 模拟量 如现场控制信号：温度等经过传感器转换为电量，并经放大得到模拟电压或电流（A/D，D/A） 开关量 1位二进制表示两种状态,15,2-CPU与外设数据传送的方式,接口信息状态.控制,状态信息 输入设备：READY表示输入信息就绪；输出设备：BUSY表示输出设备空闲 控制信息 CPU通过接口传送给外设，CPU通过发送控制信息控制外设工作,16,2-CPU与外设数据传送的方式,传送方式,程序方式：（无条件方式和条件查询方式）程序用指令直接实现传送(IN, OUT) 中断方式：用于复杂外设的数据传送 DMA方式：外设和CPU直接传输,17,
6、2-CPU与外设数据传送的方式,程序方式无条件,适用于总是处于准备好状态的外设 优点：软件及接口硬件简单，IN/OUT 缺点：只适用于简单外设，适应范围较窄 一般只需一个数据端口 外部设备的各种动作时间是已知的、固定的,18,2-CPU与外设数据传送的方式,程序方式条件查询,适用于：外设并不总是准备好，对传送速率和效率要求不高的场合 对外设及接口的要求：外设应提供设备状态信息，接口应具备状态端口 优点：软件比较简单 缺点：CPU效率低，数据传送实时性差，速度较慢 不同的外设的状态信息可以使用同一个端口的不同位来表示,19,2-CPU与外设数据传送的方式,中断方式,CPU执行程序时，由于发生了某
7、种随机的事件(外部或内部)，引起CPU暂时中断正在运行的程序，转去执行一段特殊的服务程序（称为中断服务程序或中断处理程序），以处理该事件，该事件处理完后又返回被中断的程序继续执行，这一过程称为中断。,20,2-CPU与外设数据传送的方式,中断方式,引入中断的原因： 提高数据传输率，匹配高速内存和低速外设； 避免了CPU不断检测外设状态的过程，提高了CPU的利用率； 实现对特殊事件的实时响应。,21,2-CPU与外设数据传送的方式,DMA方式,外设直接与存储器进行数据交换，CPU不再担当数据传输的中介者； 总线由DMA控制器（DMAC）进行控制（CPU要放弃总线控制权），内存/外设的地址和读写控
8、制信号均由DMAC提供。,22,2-CPU与外设数据传送的方式,DMA原理,23,2-CPU与外设数据传送的方式,DMA原理,1. 外设向DMA控制器发出“DMA传送请求”信号DRQ； 2. DMA控制器收到请求后，向CPU发出“总线请求”信号HOLD； 3. CPU在完成当前总线周期后会立即发出HLDA信号，对HOLD信号进行响应； 4. DMA控制器收到HLDA信号后，就开始控制总线，并向外设发出DMA响应信号DACK,24,2-CPU与外设数据传送的方式,DMA原理,5. 控制器送出地址信号和相应的控制信号，实现外设与内存或内存与内存之间的直接数据传送； 6. DMA控制器自动修改地址和
9、字节计数器，并判断是否需要重复传送操作。当规定的数据传送完后，DMA控制器就撤销发往CPU的HOLD信号。CPU检测到HOLD失效后，紧接着撤销HLDA信号，并在下一时钟周期重新开始控制总线。,25,2-CPU与外设数据传送的方式,DMA形式,存储器外设 存储器存储器 外设外设,26,2-CPU与外设数据传送的方式,DMA操作方法,周期挪用 周期扩展 CPU停机方式,27,2-CPU与外设数据传送的方式,DMA操作周期挪用,原理：把CPU不访问存储器的那些周期“挪用”来进行DMA操作，DMAC可以使用总线而不用通知也不影响CPU 主要问题：如何识别可挪用的周期，以避免与CPU的操作发生冲突 缺
10、点：电路复杂，数据的传送是不连续合不规则的，使用不普遍,28,2-CPU与外设数据传送的方式,DMA操作周期扩展,原理：使用专门的时钟发生器/驱动器电路，当需要进行DMA操作时，由DMAC发出请求信号给时钟电路。于是时钟电路把CPU的时钟周期加宽，而提供给存储器和DMAC的时钟周期不变，这样CPU在加宽的时钟周期内操作不往下进行，而这加宽的时钟周期相当于若干个正常的时钟周期，可用来进行DMA操作。在加宽的时钟结束后，CPU仍按正常的时钟继续操作。 缺点：降低CPU处理速度，且加宽CPU时钟周期有限制，一次只能传送一个字节,29,2-CPU与外设数据传送的方式,DMA操作CPU停机,原理：DMA
11、C要进行DMA传送时，向CPU请求其让出总线控制权，使DMAC控制总线进行数据传送，直至DMAC完成传送后，CPU再恢复对系统总线的控制，继续被中断了的操作 缺点：CPU处于空闲期间，降低处理效率，且会影响CPU对中断的响应和动态存储器的刷新 应用：单字节、块传送，应用普遍,30,2-CPU与外设数据传送的方式,传送方式举例,Ex：（东南大学2000年考研试题）从硬件角度而言，采用硬件最少的数据传送方式是 （ ）A.DMA传送 B.中断传送C.查询传送 D.无条件传送,D,31,2-CPU与外设数据传送的方式,传送方式举例,Ex：（国防科技大学2001年考研试题）在三种基本I/O同步控制方式中，以DMA式控制最好，中断驱动次之，程序查询式最差（ ）,32,Ch04-输入和输出方式,章节回顾,输入输出概述 CPU与外设数据传送的方式,
