1、计算机组成与结构,湖南大学计算机与通信学院,10-1,第十章 输入输出结构,10.1 异步数据传输 10.2 可编程I/O 10.3 中断 10.4 直接存储器访问 10.5 I/O处理器 10.6 串行通信 10.7 实例：串行通信标准,计算机组成与结构,湖南大学计算机与通信学院,10-2,为了有效地执行功能，计算机除了能实现与存储器的交互，还应能与外部世界和设备交互信息，所有这些与计算机进行交互的设备可以归类为输入输出设备（I/O设备）,举例： 输入设备：键盘、鼠标、扫描仪 输出设备：显示器、打印机 输入/输出设备：硬盘、调制调解器,计算机组成与结构,湖南大学计算机与通信学院,10-3,输
2、入/输出设备通过系统的地址总线、数据总线、控制总线和CPU相连（如图10.1）,图10.1 CPU与I/O设备的连接,地址总线：单向 数据总线：单/双 控制总线：单向 (状态),10.1 异步数据传输,计算机组成与结构,湖南大学计算机与通信学院,10-4,根据是源还是目的设备启动传送以及是否使用 握手，异步数据传送可分为四种不带握手的源启动数据传送不带握手的目的启动数据传送带握手的源启动数据传送带握手的目的启动数据传送,计算机组成与结构,湖南大学计算机与通信学院,10-5,10.1.1 源启动数据传送,源设备 输出数 据,选通控制信号并维持一段时间,目的设备读入数据,源设备使控 制信号和数 据
3、无效,图10.2 不带握手的源启动数据传送 （a）时序,计算机组成与结构,湖南大学计算机与通信学院,10-6,10.1.2 目的启动的数据传送,目的设备传输选通信号给源设备,一段时间后源设备使数据有效，并将数据稳定一段时间,目的设备读入数据后置数据选通信号无效,源设备停止传输有效数据,图10.3 不带握手的目的启动数据传送 （a）时序,计算机组成与结构,湖南大学计算机与通信学院,10-7,10.1.3 握手,不带握手的数据传送无需确认数据收到，适合于在规定的时间内传送。当每次传送所花费的时间不同时，设备可采用握手（handshaking）方式来协调数据传送。,计算机组成与结构,湖南大学计算机与
4、通信学院,10-8,带握手的源启动数据传送,源设备置数据请求信号为高，然后使有效数据可用,数据稳定后，目的设备读取此数据,目的设备读完数据，就发送一个数据确认信号给源设备,源设备停止传输有效数据，目的设备复位数据确认信号,图10.4 带握手的源启动数据传送 （a）时序,计算机组成与结构,湖南大学计算机与通信学院,10-9,带握手的目的启动数据传送,目的设备传输一个数据选通信号，源设备使有效数据可用,数据稳定后，目的设备读取此数据,目的设备读完数据，就发送一个数据准备就绪信号给源设备,源设备停止传输有效数据，目的设备复位数据准备就绪信号,图10.5 带握手的目的启动数据传送 （a）时序,计算机组
5、成与结构,湖南大学计算机与通信学院,10-10,可编程I/O（programmed I/O）用指令编程来控制CPU输入或输出数据。 可编程I/O的编址方式 独立编址有专门的指令访问I/O端口 存储器编址 把I/O端口视为存储器的一个单元，采 用存储器存取指令即可访问它们,10.2 可编程I/O,计算机组成与结构,湖南大学计算机与通信学院,10-11,相对简单CPU，其结构不能采用独立的I/O方式，但可利用存储器编址I/O方式,例：执行指令LDAC FFFF,为了实现此I/O端口，设计硬件如图10.6,图10.6 地址为FFFFH的输入端口,当地址总线上的值为FFFFH，控制信号READ=1时，
6、三态缓冲器才选通,计算机组成与结构,湖南大学计算机与通信学院,10-12,用相对简单的CPU设计自动调温器，它控制房间的加热和制冷系统，它可能执行下列操作： 由外部传感器读取温度； 如果（温度自动调温器的设置温度+2），则打开空调； 如果（温度自动调温器的设置温度且空调打开），则关空调； 如果（温度自动调温器的设置温度-2），则打开加热器； 如果（温度自动调温器的设置温度且加热器打开），则关加热器； 返回至1。,计算机组成与结构,湖南大学计算机与通信学院,10-13,CPU从存储器编址输入端口地址FFFFH中读取当前温度 CPU从端口地址FFFEH中获取调温器的设定温度 CPU向地址为FFFD
7、H的输出端口中写入下面的值，以控制加热器和空调系统。01=打开空调 02=关闭空调03=打开加热器 04=关闭加热器 4. 当前状态存贮于存储单元1000H中00=加热器和空调均关闭 FF=加热器打开 FE=空调打开,计算机组成与结构,湖南大学计算机与通信学院,10-14,10.2.1 新指令,为了修改相对简单CPU以支持独立的I/O方式： 必须在CPU指令集中增加输入、输出指令； 产生必要的新控制信号； 在状态图中增加新状态； 开发RTL代码支持新状态； 修改寄存器、ALU和控制单元硬件来支持新的指令；,计算机组成与结构,湖南大学计算机与通信学院,10-15,增加两条新指令：一条输入数据、一
8、条输出数据。如表10.1所示,表10.1 相对简单CPU的独立I/O指令,计算机组成与结构,湖南大学计算机与通信学院,10-16,10.3.1 CPU和I/O设备之间的数据传送,解决I/O设备变化延迟 查询（polling） 中断（interrupt）减少由不确定性造成的延迟， 优化系统性能的一种机制 。,10.3 中断,计算机组成与结构,湖南大学计算机与通信学院,10-17,查询（polling）,CPU,I/O,传送数据,请求信号,准备好没有？,计算机组成与结构,湖南大学计算机与通信学院,10-18,查询方式在设计和编程方面都相对直观，常用于CPU负荷不很重的情况 不适合对于CPU时间很宝
9、贵的系统,等待状态（wait state）,处理器向I/O设备请求数据（或发送数据给I/O设备），I/O设备经控制总线向CPU发送一个等待信号。只要等待信号有效，CPU就一直处于等待状态,计算机组成与结构,湖南大学计算机与通信学院,10-19,中断请求（interrupt request）,当I/O设备采用中断方式时，CPU在向I/O设备输出请求后，能够继续执行指令，完成有用的工作，而无需查询设备或进入等待状态,设备准备传输数据时，它向CPU发送中断请求信号CPU响应中断，置中断响应信号有效，完成数据传输,计算机组成与结构,湖南大学计算机与通信学院,10-20,中断： CPU中止正在执行的程序
10、而转去处理特殊事件的操作。中断的过程： 中断请求、中断排队、中断响应、中断服务、中断返回。,计算机组成与结构,湖南大学计算机与通信学院,10-21,10.3.2 中断类型,外部中断CPU采用外部中断与输入/输出设备进行交互 内部中断 内部中断完全发生在CPU内部，没有任何输入/输出设备介入 软中断 由CPU指令集中的特定中断指令产生,计算机组成与结构,湖南大学计算机与通信学院,10-22,10.3.3 中断处理,中断服务程序：处理中断工作的服务软件一对一 或 一对多一个中断服务程序对应一个中断一个中断服务程序对应多个中断,计算机组成与结构,湖南大学计算机与通信学院,10-23,不管是一个还是多
11、个中断服务程序的配置方式，每个中断都执行下列事件,无操作（直至当前指令执行完 ）获取中断服务程序地址（仅向量型中断）调用中断服务程序,计算机组成与结构,湖南大学计算机与通信学院,10-24,考察相对简单CPU的LDAC指令的执行周期：,无操作（直至当前指令执行完 ）,LDAC1：DRM，PCPC+1，ARAR+1 发生中断申请 LDAC2：TRDR，DRM，PCPC+1 LDAC3：ARDR，TR LDAC4：DRM LDAC5：ACDR,如果执行周期完成后产生中断，则仅需保存PC的内容 否则必须保存CPU内部寄存器内容和控制单元的状态信息。 故，采取前者方式。即，该指令周期结束再响应中断。,
12、计算机组成与结构,湖南大学计算机与通信学院,10-25,获取中断服务程序地址（仅向量型中断）,向量中断,向CPU提供中断向量，此中断向量用于产生该中断的中断服务程序的地址,非向量中断,非向量中断在一个已知地址处读取中断服务程序,计算机组成与结构,湖南大学计算机与通信学院,10-26,调用中断服务程序,阻止任何进一步的中断,3. 确保返回主程序前所有相关的寄存 器保存原有值,2. 清除当前中断 ，避免一个中断请求 触发多于一个的中断,计算机组成与结构,湖南大学计算机与通信学院,10-27,10.3.4 中断硬件和优先级,非向量中断 （单个设备）,图10.11 单个设备的非向量中断（a）硬件 （b
13、）时序,可用于简单 嵌入式控制器,计算机组成与结构,湖南大学计算机与通信学院,10-28,向量中断（单个设备）,CPU必须从设备中读取中断向量，调用中断服务程序，程序的地址是该向量的一个函数,图10.12 单个设备的向量中断（a）硬件 （b）时序,计算机组成与结构,湖南大学计算机与通信学院,10-29,非向量中断 （多个设备）,图10.13 多个非向量中断的硬件,每个设备均有自己的IRQ和IACK信号 他们的优先级是预定的 ，IRQn优先级最高 CPU首先响应和服务优先级最高的中断,计算机组成与结构,湖南大学计算机与通信学院,10-30,向量中断 （菊花链方法）（多个设备）,菊花链：用于多中断
14、优先权排队的一种方法,图10.14 菊花链,设备发出中断请求信号,CPU发出中断响应信号,设备n#接受IACK信号,IACK=1？,IACK=0,CPU读入中断向量/调用程序,一种可能的处理过程,IACK=0/传 给其他设备,Y,N,计算机组成与结构,湖南大学计算机与通信学院,10-31,并行优先权排队,菊花链将引起硬件延迟，特别是当链较长时，延迟就更大,通过一个优先权编码器采用并行优先权排队（parallel priority）方式实现向量中断,减少延迟,计算机组成与结构,湖南大学计算机与通信学院,10-32,图10.15 并行方式实现优先级中断,防止干 扰信号,计算机组成与结构,湖南大学计
15、算机与通信学院,10-33,Direct Access MemoryDMA,数据直接在I/O设备与存储器之间传送,DMA控制器 （通道）,实现直接存储器访问,10.4 直接存储器访问,计算机组成与结构,湖南大学计算机与通信学院,10-34,图10.17 带有DMA的计算机系统,DMA控制器,CPU,置BR=1,发送总线请求,置BG=1,发送总线允许,计算机组成与结构,湖南大学计算机与通信学院,10-35,DMA控制器,CPU,置BR=0,发送取消请求,置BG=0,发送取消允许,当数据传输完成，DMA交回控制权,计算机组成与结构,湖南大学计算机与通信学院,10-36,DMA内部结构,图10.18
16、 DMA控制器的内部结构,计算机组成与结构,湖南大学计算机与通信学院,10-37,DMA控制器包括多个寄存器,DMA地址寄存器存贮数据传输过程中需用到的存储器地址 DMA计数寄存器保存传输数据的字节数 DMA控制寄存器 从CPU中接受命令 DMA数据寄存器 通过数据总线在M和I/O之间传送数据,计算机组成与结构,湖南大学计算机与通信学院,10-38,10.4.2 DMA传输方式,突发方式 ，也称数据块方式在突发方式中，整个数据块连续传输 周期窃取方式，也称单字节方式连续地获取和放弃系统总线控制权 来传输 透明方式 DMA利用空闲时间传输数据,计算机组成与结构,湖南大学计算机与通信学院,10-39,计算机可采用带握手或不带握手、源或目的启动的异步数据传输执行交互。计算机也可用存储器编址方式或独立编址方式的可编程I/O与I/O设备通信。这些方式中，CPU必须有逻辑电路去访问I/O设备和处理指令集中的I/O指令。 中断是计算机用于与I/O设备交互的有效方法。系统可以有多个中断，多个中断可采用菊花链或并行优先权硬件进行优先级排队。 直接存储器访问可提高存储器与I/O设备之间的数据传输速度,
