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1、第十章第十章 输入输出结构输入输出结构10.1 异步数据传输异步数据传输10.2 可编程可编程I/O10.3 中断中断10.4 直接存储器访问直接存储器访问10.5 I/O处理器处理器10.6 串行通信串行通信10.7 实例：串行通信标准实例：串行通信标准计算机组成与结构1湖南大学计算机与通信学院为了有效地执行功能，计算机除了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些与计算机进行交互的设备可以归类为类为输入输出设备（输入输出设备（I/O设备）设备）举例：举
2、例：输入设备：键盘、鼠标、扫描仪输入设备：键盘、鼠标、扫描仪输出设备：显示器、打印机输出设备：显示器、打印机输入输入/输出设备：硬盘、调制调解器输出设备：硬盘、调制调解器计算机组成与结构2湖南大学计算机与通信学院输入输入/输出设备通过系统的地址总线、数据输出设备通过系统的地址总线、数据总线、控制总线和总线、控制总线和CPU相连（如图相连（如图10.1）图图10.1 CPU与与I/O设备的连接设备的连接地址总线：单向地址总线：单向数据总线：单数据总线：单/双双控制总线：单向控制总线：单向(状态状态)10.1 异步数据传输异步数据传输计算机组成与结构3湖南大学计算机与通信学院根据是源还是目的设备启
3、动传送以及是否使用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握手，异步数据传送可分为四种1.不带握手的源启动数据传送不带握手的源启动数据传送2.不带握手的目的启动数据传送不带握手的目的启动数据传送3.带握手的源启动数据传送带握手的源启动数据传送4.带握手的目的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4湖南大学计算机与通信学院10.1.1 源启动数据传送源启动数据传送源设备源设备输出数输出数据据选通控制信选通控制信号并维持一号并维持一段时间段时间目的设目的设备备读入读入数据数据源源设备使控设备使控制信号和数制信号和数据无效据无效图图10.2 不带握手的源启动
4、数据传送不带握手的源启动数据传送（a）时序时序计算机组成与结构5湖南大学计算机与通信学院10.1.2 目的启动的数据传送目的启动的数据传送目的设备目的设备传输选通传输选通信号给源信号给源设备设备一段时间后一段时间后源设源设备备使数据有效，使数据有效，并将数据稳定一并将数据稳定一段时间段时间目的设备目的设备读入数据读入数据后置数据后置数据选通信号选通信号无效无效源设备源设备停止传停止传输有效输有效数据数据图图10.3 不带握手的目的启动数据传送不带握手的目的启动数据传送（a）时序时序计算机组成与结构6湖南大学计算机与通信学院10.1.3 握手握手l不带握手的数据传送无需确认数据收不带握手的数据传
5、送无需确认数据收到，适合于在规定的时间内传送。到，适合于在规定的时间内传送。l当每当每次传送所花费的时间不同时，设次传送所花费的时间不同时，设备可采用备可采用握手握手（handshaking）方式来方式来协调数据传送。协调数据传送。计算机组成与结构7湖南大学计算机与通信学院带握手的源启动数据传送带握手的源启动数据传送源设备源设备置数置数据请求信号据请求信号为高，然后为高，然后使有效数据使有效数据可用可用 数据稳定数据稳定后，后，目的目的设备设备读取读取此数据此数据 目的设备目的设备读读完数据，就完数据，就发送一个数发送一个数据确认信号据确认信号给源设备给源设备源设备源设备停止传停止传输有效数据
6、，输有效数据，目的设备目的设备复位复位数据确认信号数据确认信号图图10.4 带握手的源启动数据传送带握手的源启动数据传送（a）时序时序计算机组成与结构8湖南大学计算机与通信学院带握手的目的启动数据传送带握手的目的启动数据传送目的设备目的设备传传输一个数据输一个数据选通信号，选通信号，源设备源设备使有使有效数据可用效数据可用 数据稳定数据稳定后，后，目的目的设备设备读取读取此数据此数据 目的设备目的设备读读完数据，就完数据，就发送一个数发送一个数据准备就绪据准备就绪信号给源设信号给源设备备源设备源设备停止传停止传输有效数据，输有效数据，目的设备目的设备复位复位数据准备就绪数据准备就绪信号信号图图
7、10.5 带握手的目的启动数据传送带握手的目的启动数据传送（a）时序时序计算机组成与结构9湖南大学计算机与通信学院l可编程可编程I/O（programmed I/O）用指令编程来控制用指令编程来控制CPU输入或输出数据。输入或输出数据。l可编程可编程I/O的编址方式的编址方式 独立编址独立编址有专门的指令访问有专门的指令访问I/O端口端口 存储器编址存储器编址 把把I/O端口视为存储器的一个单元，采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用存储器存取指令即可访问它们 10.2 可编程可编程I/O计算机组成与结构10湖南大学计算机与通信学院相对简单相对简单CPU，其结构不能采用独
8、立的其结构不能采用独立的I/O方式，但可利用存储器编址方式，但可利用存储器编址I/O方式方式 例：执行指令例：执行指令LDAC FFFF为了实现此为了实现此I/O端口，设计硬件如图端口，设计硬件如图10.6图图10.6 地址为地址为FFFFH的输入端口的输入端口当地址总线上的值为当地址总线上的值为FFFFH，控制信号控制信号READ=1时，三态缓冲器才选通时，三态缓冲器才选通 计算机组成与结构11湖南大学计算机与通信学院用相对简单的用相对简单的CPU设计自动调温器，它控设计自动调温器，它控制房间的加热和制冷系统，它可能执行下制房间的加热和制冷系统，它可能执行下列操作：列操作：1.由外部传感器读
9、取温度；由外部传感器读取温度；2.如果（温度如果（温度自动调温器的设置温度自动调温器的设置温度+2），则打），则打开空调；开空调；3.如果（温度如果（温度自动调温器的设置温度且空调打开），自动调温器的设置温度且空调打开），则关空调；则关空调；4.如果（温度如果（温度自动调温器的设置温度自动调温器的设置温度-2），则打），则打开加热器；开加热器；5.如果（温度如果（温度自动调温器的设置温度且加热器打开）自动调温器的设置温度且加热器打开），则关加热器；，则关加热器；6.返回至返回至1。计算机组成与结构12湖南大学计算机与通信学院1.CPU从存储器编址输入端口地址从存储器编址输入端口地址FFFFH中
10、读取当前温度中读取当前温度2.CPU从端口地址从端口地址FFFEH中获取调温器的中获取调温器的设定温度设定温度3.CPU向地址为向地址为FFFDH的输出端口中写入的输出端口中写入下面的值，以控制加热器和空调系统。下面的值，以控制加热器和空调系统。01=打开空调打开空调02=关闭空调关闭空调03=打开加热器打开加热器04=关闭加热器关闭加热器4.当前状态存贮于存储单元当前状态存贮于存储单元1000H中中 00=加热器和空调均关闭加热器和空调均关闭 FF=加热器打开加热器打开 FE=空调打开空调打开 计算机组成与结构13湖南大学计算机与通信学院10.2.1 新指令新指令为了修改相对简单为了修改相对
11、简单CPU以支持独立的以支持独立的I/O方式：方式：l必须在必须在CPU指令集中增加输入、输出指令；指令集中增加输入、输出指令；l产生必要的新控制信号；产生必要的新控制信号；l在状态图中增加新状态；在状态图中增加新状态；l开发开发RTL代码支持新状态；代码支持新状态；l修改寄存器、修改寄存器、ALU和控制单元硬件来支持新的指令；和控制单元硬件来支持新的指令；计算机组成与结构14湖南大学计算机与通信学院增加两条增加两条新指令新指令：一条输入数据、一条一条输入数据、一条输出数据输出数据。如表。如表10.1所示所示 指令指令指令指令码码操作操作INPT0010 0000ACAC输输入端入端口口OTP
12、T0010 0001输输出端口出端口AC表表10.1 相对简单相对简单CPU的独立的独立I/O指令指令计算机组成与结构15湖南大学计算机与通信学院10.3.1 CPU和和I/O设备之间的数据传送设备之间的数据传送解决解决I/O设备变化延迟设备变化延迟l查询（查询（polling）l中断（中断（interrupt）减少由不确定性造成的延迟，减少由不确定性造成的延迟，优化系统性能的一种机制优化系统性能的一种机制。10.3 中断中断计算机组成与结构16湖南大学计算机与通信学院查询（查询（polling）CPUI/O传送数据传送数据请求信号请求信号准备好没有？准备好没有？计算机组成与结构17湖南大学计
13、算机与通信学院l查询方式在设计和编程方面都相对直观，查询方式在设计和编程方面都相对直观，常用于常用于CPU负荷不很重的情况负荷不很重的情况 l不适合对于不适合对于CPU时间很宝贵的系统时间很宝贵的系统 等待状态（等待状态（wait state）处理器向处理器向I/O设备请求数据（或发送数据设备请求数据（或发送数据给给I/O设备），设备），I/O设备经控制总线向设备经控制总线向CPU发送一个等待信号。只要等待信号发送一个等待信号。只要等待信号有效，有效，CPU就一直处于等待状态就一直处于等待状态 计算机组成与结构18湖南大学计算机与通信学院中断请求（中断请求（interrupt request）
14、当当I/O设备采用中断方式时，设备采用中断方式时，CPU在向在向I/O设备输出请求后，能够继设备输出请求后，能够继续执行指令，完成有用的工作，而续执行指令，完成有用的工作，而无需查询设备或进入等待状态无需查询设备或进入等待状态 设备准备传输数据时，它向设备准备传输数据时，它向CPU发送发送中中断请求信号断请求信号CPU响应中断，置响应中断，置中断响应信号中断响应信号有效，有效，完成数据传输完成数据传输 计算机组成与结构19湖南大学计算机与通信学院中断中断：CPU中止正在执行的程序而转去处理特殊事件的操作。中止正在执行的程序而转去处理特殊事件的操作。中断的过程：中断的过程：中断请求、中断排队、中
15、断响应、中断服务、中断返回。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20湖南大学计算机与通信学院10.3.2 中断类型中断类型l外部中断外部中断 CPU采用外部中断与输入采用外部中断与输入/输出设备进行交互输出设备进行交互 l内部中断内部中断 内部中断完全发生在内部中断完全发生在CPU内部，没有任何输入内部，没有任何输入/输出输出设备介入设备介入 l软中断软中断 由由CPU指令集中的特定中断指令产生指令集中的特定中断指令产生 计算机组成与结构21湖南大学计算机与通信学院10.3.3 中断处理中断处理中断服务程序：中断服务程序：处理中断工作的服务软件处理中断工作的服务软
16、件 一对一一对一 或或 一对多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一个中断一个中断服务程序对应多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22湖南大学计算机与通信学院不管是一个还是多个中断服务程序的配置方不管是一个还是多个中断服务程序的配置方式，每个中断都执行下列事件式，每个中断都执行下列事件 l无操作（直至当前指令执行完无操作（直至当前指令执行完）l获取中断服务程序地址（仅向量型中断）获取中断服务程序地址（仅向量型中断）l调用中断服务程序调用中断服务程序 计算机组成与结构23湖南大学计算机与通信学院考察相对简单考察相对简单CPU的的LDAC指令的执行周期：指令的执行
17、周期：l无操作（直至当前指令执行完无操作（直至当前指令执行完）LDAC1：DRM，PCPC+1，ARAR+1发生中断申请发生中断申请LDAC2：TRDR，DRM，PCPC+1LDAC3：ARDR，TRLDAC4：DRMLDAC5：ACDR如果执行周期完成后产生中断，则仅需保存如果执行周期完成后产生中断，则仅需保存PC的内容的内容否则必须保存否则必须保存CPU内部寄存器内容和控制单元的状态信息。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。故，采取前者方式。即，该指令周期结束再响应中断。计算机组成与结构24湖南大学计算机与通信学院l获取中断服务程序地址（仅向
18、量型中断）获取中断服务程序地址（仅向量型中断）向量中断向量中断 向向CPU提供提供中断向量中断向量，此中断，此中断向量用于产生该中断的中断服向量用于产生该中断的中断服务程序的地址务程序的地址 非向量中断非向量中断 非向量中断在一个已知地址处非向量中断在一个已知地址处读取中断服务程序读取中断服务程序 计算机组成与结构25湖南大学计算机与通信学院l调用中断服务程序调用中断服务程序1.阻止任何进一步的中断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确保返回主程序前所有相关的寄存器保存原有值器保存原有值 2.清除当前中断清除当前中断，避免一个中断请求，避免一个中断请求 触发多于一个的中断触
19、发多于一个的中断 计算机组成与结构26湖南大学计算机与通信学院10.3.4 中断硬件和优先级中断硬件和优先级l非向量中断非向量中断（单个设备）（单个设备）图图10.11 单个设备的非向量中断（单个设备的非向量中断（a）硬件硬件（b）时序时序可用于简单可用于简单嵌入式控制器嵌入式控制器 计算机组成与结构27湖南大学计算机与通信学院l向量中断（单个设备）向量中断（单个设备）CPU必须从设备中读取中断向量，调用必须从设备中读取中断向量，调用中断服务程序中断服务程序，程，程序的地址是该向量的一个函数序的地址是该向量的一个函数 图图10.12 单个设备的向量中断（单个设备的向量中断（a）硬件硬件（b）时
20、序时序计算机组成与结构28湖南大学计算机与通信学院l非向量中断非向量中断（多个设备）（多个设备）图图10.13 多个非向量中断的硬件多个非向量中断的硬件l每个设备均有自己的每个设备均有自己的IRQ和和IACK信号信号 l他们的优先级是预定他们的优先级是预定的的，IRQn优先级最优先级最高高lCPU首先响应和服务首先响应和服务优先级最高的中断优先级最高的中断计算机组成与结构29湖南大学计算机与通信学院l向量中断向量中断（菊花链方法）（多个设备）（菊花链方法）（多个设备）菊花链：菊花链：用于多中断优先权排队的一种方法用于多中断优先权排队的一种方法图图10.14 菊菊花花链链设备发出中断请求信号设备
21、发出中断请求信号CPU发发出中断响应信号出中断响应信号设备设备n#接受接受IACK信号信号IACK=1？IACK=0CPU读入读入中断向量中断向量/调用程序调用程序一种可能的处理过程一种可能的处理过程IACK=0/传传给其他设备给其他设备YN计算机组成与结构30湖南大学计算机与通信学院l并行优先权排队并行优先权排队 菊花链将引起硬件延迟，特别是当链较菊花链将引起硬件延迟，特别是当链较长时，延迟就更大长时，延迟就更大 通过一个优先权编码器采用并行优先权通过一个优先权编码器采用并行优先权排队（排队（parallel priority）方式实现向量方式实现向量中断中断,减少延迟减少延迟 计算机组成与
22、结构31湖南大学计算机与通信学院图图10.15 并行方式实现优先级中断并行方式实现优先级中断防止干防止干扰信号扰信号计算机组成与结构32湖南大学计算机与通信学院Direct Access MemoryDMA 数据直接在数据直接在I/O设备与存储器之间传送设备与存储器之间传送 lDMA控制器控制器（通道）（通道）实现直接存储器访问实现直接存储器访问 10.4 直接存储器访问直接存储器访问计算机组成与结构33湖南大学计算机与通信学院图图10.17 带有带有DMA的计算机系统的计算机系统DMA控制器控制器CPU置置BR=1,发送总线请求发送总线请求置置BG=1,发送总线允许发送总线允许计算机组成与结
23、构34湖南大学计算机与通信学院DMA控制器控制器CPU置置BR=0,发送取消请求发送取消请求置置BG=0,发送取消允许发送取消允许当数据传输完成，当数据传输完成，DMA交回控制权交回控制权计算机组成与结构35湖南大学计算机与通信学院DMA内内部结构部结构 图图10.18 DMA控制器的内部结构控制器的内部结构计算机组成与结构36湖南大学计算机与通信学院DMA控制器包括多个寄存器控制器包括多个寄存器 lDMA地址寄存器地址寄存器存贮数据传输过程中需用到的存储器地址存贮数据传输过程中需用到的存储器地址 lDMA计数寄存器计数寄存器保存传输数据的字节数保存传输数据的字节数 lDMA控制寄存器控制寄存
24、器 从从CPU中接受命令中接受命令 lDMA数据寄存器数据寄存器 通过数据总线在通过数据总线在M和和I/O之间传送数据之间传送数据 计算机组成与结构37湖南大学计算机与通信学院10.4.2 DMA传输方式传输方式l突发方式突发方式，也称数据块方式，也称数据块方式在突发方式中，整个数据块连续传输在突发方式中，整个数据块连续传输 l周期窃取方式，也称单字节方式周期窃取方式，也称单字节方式连续地获取和放弃系统总线控制权连续地获取和放弃系统总线控制权 来传输来传输 l透明方式透明方式 DMA利用空闲时间传输数据利用空闲时间传输数据 计算机组成与结构38湖南大学计算机与通信学院l计算机可采用计算机可采用
25、带握手或不带握手带握手或不带握手、源或目的启动的源或目的启动的异步数据传输异步数据传输执行交互。计算机也可用执行交互。计算机也可用存储器编址存储器编址方式方式或或独立编址方式独立编址方式的可编程的可编程I/O与与I/O设备通信。设备通信。这些方式中，这些方式中，CPU必须有逻辑电路去访问必须有逻辑电路去访问I/O设备设备和处理指令集中的和处理指令集中的I/O指令。指令。l中断中断是计算机用于与是计算机用于与I/O设备交互的有效方法。系设备交互的有效方法。系统可以有多个中断，多个中断可采用统可以有多个中断，多个中断可采用菊花链菊花链或或并行并行优先权优先权硬件进行优先级排队。硬件进行优先级排队。l直接存储器访问可提高存储器与直接存储器访问可提高存储器与I/O设备之间的数设备之间的数据传输速度据传输速度 计算机组成与结构39湖南大学计算机与通信学院