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1、Ch03-Ch03-输入和输出方式输入和输出方式Computer Principle输入和输出方式输入和输出方式天津工业大学计算机学院天津工业大学计算机学院丁丁 刚刚1Ch04-Ch04-输入和输出方式输入和输出方式章节内容章节内容输入输出概述输入输出概述CPUCPU与外设数据传送的方式与外设数据传送的方式21-1-输入和输出概述输入和输出概述接口作用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？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（字存储器用来保存信息，传送方式单一（字/字节），品字节），品种有限（只读种有限（只读/可读写），存储速度与可读写），
2、存储速度与CPUCPU相匹配相匹配外设功能多样（输入外设功能多样（输入/输出，模拟输出，模拟/数字，串行数字，串行/并行）并行）同一时刻同一时刻CPUCPU只能与一个外设交换信息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外设速度低，接口用来缓冲和联络转换方式转换方式，缓冲缓冲/锁存数据锁存数据31-1-输入和输出概述输入和输出概述端口与接口端口与接口I/OI/O端口端口接口中的寄存器，每个端口有接口中的寄存器，每个端口有一个端口地址。（数据、状态、控制）一个端口地址。（数据、状态、控制）I/OI/O接口接口将外设连接到总线上的一组逻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
3、机之间的辑电路的总称，实现外设与主机之间的信息交换。信息交换。41-1-输入和输出概述输入和输出概述端口与接口端口与接口输入输入/输出中用到的地址是输出中用到的地址是端口地址端口地址一个双向工作的接口芯片通常有一个双向工作的接口芯片通常有4 4个端口：个端口：数据输入、数据输出、状态、控制端口。数据输入、数据输出、状态、控制端口。节省地址空间：数据输入节省地址空间：数据输入/输出端口对应输出端口对应一个端口地址，状态一个端口地址，状态/控制端口对应一个控制端口对应一个端口地址。端口地址。51-1-输入和输出概述输入和输出概述端口编址方式端口编址方式 统一统一内存和端口地址内存和端口地址统一统一
4、编址编址指令及控制信号统一指令及控制信号统一内存地址资源减少内存地址资源减少内存地址960KBI/O地址64KB00000HF0000HFFFFFH61-1-输入和输出概述输入和输出概述端口编址方式端口编址方式 统一统一特点：特点：把外设端口看作存储器的一个单元，占有一个把外设端口看作存储器的一个单元，占有一个存储器地址。从外设存储器地址。从外设输入输入数据，看作存储器数据，看作存储器读读操作；操作；向外设向外设输出输出数据，看作存储器数据，看作存储器写写操作；操作；优点优点：内存和外设地址由一个译码器解决，不需专门：内存和外设地址由一个译码器解决，不需专门I/OI/O指令指令,全部存储器指令
5、可用，指令多，使用方便；全部存储器指令可用，指令多，使用方便；缺点缺点：占用内存空间，寻址的地址字节增加，增加了：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。指令的执行时间。71-1-输入和输出概述输入和输出概述端口编址方式端口编址方式 独立独立内存和端口地址内存和端口地址独立独立编址编址内存地址资源充分利用内存地址资源充分利用用于端口的指令较少用于端口的指令较少内存地址I/O地址00000HFFFFFHFFFFH0000H81-1-输入和输出概述输入和输出概述端口编址方式端口编址方式 独立独立特点：特点：PentiumPentium微处理器采用独立编址方式微处理器采用独立编址方式
6、CPUCPU有专门有专门I/OI/O指令，用地址区分不同的外设指令，用地址区分不同的外设80868086用一个用一个字节寻址字节寻址，可寻址，可寻址256256个端口；个端口；用用DXDX间接寻址间接寻址外设时，端口地址是外设时，端口地址是1616位的，位的，可寻址可寻址64K64K个端口地址个端口地址91-1-输入和输出概述输入和输出概述端口编址方式端口编址方式在在80X8680X86CPUCPU构成的系统中：构成的系统中：内存地址可用于接口内存地址可用于接口，即统一编址方式，即统一编址方式；接口地址不能作为内存地址使用，接口地址不能作为内存地址使用，但可作为但可作为外存使用，用于存放数据或
7、程序，用的时候外存使用，用于存放数据或程序，用的时候先读到内存中然后再用。先读到内存中然后再用。101-1-输入和输出概述输入和输出概述端口编址方式端口编址方式Ex:Ex:80X8680X86采用独立采用独立I/OI/O方式编址时，方式编址时，I/OI/O地址与存储器地址一样由段基址和偏移地址与存储器地址一样由段基址和偏移地址两部分组成地址两部分组成（）分析：分析：采用独立采用独立I/OI/O方式编址时，方式编址时，I/OI/O地址是线性地址地址是线性地址采用存储器映象方式编址，采用存储器映象方式编址，I/OI/O地址是二维的，由段地址是二维的，由段基址和偏移地址两部分组成。基址和偏移地址两部
8、分组成。111-1-输入和输出概述输入和输出概述接口的构成接口的构成CPUI/O接口接口外设外设数数 据据端口地址端口地址控控 制制数数 据据状状 态态控控 制制122-CPU2-CPU与外设数据传送的方式与外设数据传送的方式接口信息接口信息数据信息数据信息状态信息状态信息控制信息控制信息132-CPU2-CPU与外设数据传送的方式与外设数据传送的方式接口信息接口信息数据数据数字量数字量 读入或写出的二进制数据读入或写出的二进制数据或或ASCIIASCII码数据，码数据，8 8位位模拟量模拟量 如现场控制信号：温度等如现场控制信号：温度等经过传感器转换为电量，并经放大得到经过传感器转换为电量，
9、并经放大得到模拟电压或电流（模拟电压或电流（A/DA/D，D/AD/A）开关量开关量 1 1位二进制表示两种状态位二进制表示两种状态142-CPU2-CPU与外设数据传送的方式与外设数据传送的方式接口信息接口信息接口信息接口信息 状态状态状态状态.控制控制控制控制状态信息状态信息 输入设备：输入设备：READYREADY表示输入信息就绪；表示输入信息就绪；输出设备：输出设备：BUSYBUSY表示输出设备空闲表示输出设备空闲控制信息控制信息 CPU CPU通过接口传送给外设，通过接口传送给外设，CPUCPU通过发送控制信息控制外设工作通过发送控制信息控制外设工作152-CPU2-CPU与外设数据
10、传送的方式与外设数据传送的方式传送方式传送方式程序方式程序方式：（无条件方式和条件查询方：（无条件方式和条件查询方式）式）程序用指令直接实现传送程序用指令直接实现传送(IN,OUT)(IN,OUT)中断方式中断方式：用于复杂外设的数据传送：用于复杂外设的数据传送DMADMA方式方式：外设和：外设和CPUCPU直接传输直接传输162-CPU2-CPU与外设数据传送的方式与外设数据传送的方式程序方式程序方式无条件无条件适用于总是处于准备好状态的外设适用于总是处于准备好状态的外设优点优点：软件及接口硬件简单，：软件及接口硬件简单，IN/OUTIN/OUT缺点缺点：只适用于简单外设，适应范围较窄：只适
11、用于简单外设，适应范围较窄一般只需一个数据端口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、固定的外部设备的各种动作时间是已知的、固定的172-CPU2-CPU与外设数据传送的方式与外设数据传送的方式程序方式程序方式条件查询条件查询适用于适用于：外设并不总是准备好，对传送速率和效率：外设并不总是准备好，对传送速率和效率要求不高的场合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，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接口应具备状态端口优点优点：软件比较简单：软件比较简单缺点缺点：CPUCPU效率低，数据传送实时性差，速度较慢效率低，数据传送实时性差，速度
12、较慢不同的外设的状态信息可以使用同一个端口的不同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位来表示182-CPU2-CPU与外设数据传送的方式与外设数据传送的方式中断方式中断方式CPUCPU执行程序时，由于发生了某种随机的执行程序时，由于发生了某种随机的事件事件(外部或内部外部或内部)，引起，引起CPUCPU暂时中断正暂时中断正在运行的程序，转去执行一段特殊的服在运行的程序，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，这一后又返回被中断的程序继
13、续执行，这一过程称为过程称为中断中断。192-CPU2-CPU与外设数据传送的方式与外设数据传送的方式中断方式中断方式引入中断的原因：引入中断的原因：提高数据传输率，匹配高速内存和低提高数据传输率，匹配高速内存和低速外设；速外设；避免了避免了CPUCPU不断检测外设状态的过程，不断检测外设状态的过程，提高了提高了CPUCPU的利用率；的利用率；实现对特殊事件的实时响应。实现对特殊事件的实时响应。202-CPU2-CPU与外设数据传送的方式与外设数据传送的方式DMA方式方式外设直接与存储器进行数据交换外设直接与存储器进行数据交换，CPUCPU不再担当数据传输的中介者；不再担当数据传输的中介者；总
14、线由总线由DMADMA控制器（控制器（DMACDMAC）进行控制）进行控制（CPUCPU要放弃总线控制权），内存要放弃总线控制权），内存/外设的地址和读写控制信号均由外设的地址和读写控制信号均由DMACDMAC提供。提供。212-CPU2-CPU与外设数据传送的方式与外设数据传送的方式DMA原理原理DMAC外设接口CPUDREQMEMDACKHOLDHLDABUS控制信号222-CPU2-CPU与外设数据传送的方式与外设数据传送的方式DMA原理原理1.1.外设向外设向DMADMA控制器发出控制器发出“DMADMA传送请求传送请求”信号信号DRQDRQ；2.2.DMADMA控制器收到请求后，向控
15、制器收到请求后，向CPUCPU发出发出“总线请求总线请求”信号信号HOLDHOLD；3.3.CPU CPU在完成当前总线周期后会立即发出在完成当前总线周期后会立即发出HLDAHLDA信号，信号，对对HOLDHOLD信号进行响应；信号进行响应；4.4.DMA DMA控制器收到控制器收到HLDAHLDA信号后，就开始控制总线，信号后，就开始控制总线，并向外设发出并向外设发出DMADMA响应信号响应信号DACKDACK232-CPU2-CPU与外设数据传送的方式与外设数据传送的方式DMA原理原理5.5.控制器送出地址信号和相应的控制信号，实现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
16、内存之间的直接数据传送；外设与内存或内存与内存之间的直接数据传送；6.6.DMADMA控制器自动修改地址和字节计数器，并判断控制器自动修改地址和字节计数器，并判断是否需要重复传送操作。当规定的数据传送完是否需要重复传送操作。当规定的数据传送完后，后，DMADMA控制器就撤销发往控制器就撤销发往CPUCPU的的HOLDHOLD信号。信号。CPUCPU检测到检测到HOLDHOLD失效后，紧接着撤销失效后，紧接着撤销HLDAHLDA信号，信号，并在下一时钟周期重新开始控制总线。并在下一时钟周期重新开始控制总线。242-CPU2-CPU与外设数据传送的方式与外设数据传送的方式DMA形式形式存储器存储器
17、外设外设存储器存储器存储器存储器外设外设外设外设252-CPU2-CPU与外设数据传送的方式与外设数据传送的方式DMA操作方法操作方法周期挪用周期挪用周期扩展周期扩展CPUCPU停机方式停机方式262-CPU2-CPU与外设数据传送的方式与外设数据传送的方式DMA操作操作周期挪用周期挪用原理原理：把：把CPUCPU不访问存储器的那些周期不访问存储器的那些周期“挪用挪用”来进行来进行DMADMA操作，操作，DMACDMAC可以使用总线而不用可以使用总线而不用通知也不影响通知也不影响CPUCPU主要问题主要问题：如何识别可挪用的周期，以避免与：如何识别可挪用的周期，以避免与CPUCPU的操作发生冲
18、突的操作发生冲突缺点缺点：电路复杂，数据的传送是不连续合不规：电路复杂，数据的传送是不连续合不规则的，使用不普遍则的，使用不普遍272-CPU2-CPU与外设数据传送的方式与外设数据传送的方式DMA操作操作周期扩展周期扩展原理原理：使用专门的时钟发生器：使用专门的时钟发生器/驱动器电路，当需要进驱动器电路，当需要进行行DMADMA操作时，由操作时，由DMACDMAC发出请求信号给时钟电路。于是发出请求信号给时钟电路。于是时钟电路把时钟电路把CPUCPU的时钟周期加宽的时钟周期加宽，而提供给存储器和，而提供给存储器和DMACDMAC的时钟周期不变，这样的时钟周期不变，这样CPUCPU在加宽的时钟
19、周期内操在加宽的时钟周期内操作不往下进行，而这作不往下进行，而这加宽的时钟周期相当于若干个正加宽的时钟周期相当于若干个正常的时钟周期，可用来进行常的时钟周期，可用来进行DMADMA操作操作。在加宽的时钟结。在加宽的时钟结束后，束后，CPUCPU仍按正常的时钟继续操作。仍按正常的时钟继续操作。缺点缺点：降低：降低CPUCPU处理速度，且加宽处理速度，且加宽CPUCPU时钟周期有限制，时钟周期有限制，一次只能传送一个字节一次只能传送一个字节282-CPU2-CPU与外设数据传送的方式与外设数据传送的方式DMA操作操作CPU停机停机原理原理：DMACDMAC要进行要进行DMADMA传送时，向传送时，
20、向CPUCPU请求其让请求其让出总线控制权，使出总线控制权，使DMACDMAC控制总线进行数据传送，控制总线进行数据传送，直至直至DMACDMAC完成传送后，完成传送后，CPUCPU再恢复对系统总线再恢复对系统总线的控制，继续被中断了的操作的控制，继续被中断了的操作缺点缺点：CPUCPU处于空闲期间，降低处理效率，且处于空闲期间，降低处理效率，且会影响会影响CPUCPU对中断的响应和动态存储器的刷新对中断的响应和动态存储器的刷新应用应用：单字节、块传送，应用普遍：单字节、块传送，应用普遍292-CPU2-CPU与外设数据传送的方式与外设数据传送的方式传送方式举例传送方式举例ExEx：（东南大学
21、：（东南大学20002000年考研试题）从硬年考研试题）从硬件角度而言，采用硬件最少的数据传送件角度而言，采用硬件最少的数据传送方式是方式是 （）A.DMAA.DMA传送传送B.B.中断传送中断传送C.C.查询传送查询传送D.D.无条件传送无条件传送D D302-CPU2-CPU与外设数据传送的方式与外设数据传送的方式传送方式举例传送方式举例ExEx：（国防科技大学：（国防科技大学20012001年考研试题）年考研试题）在三种基本在三种基本I/OI/O同步控制方式中，以同步控制方式中，以DMADMA式控制最好，中断驱动次之，程序查询式控制最好，中断驱动次之，程序查询式最差式最差（）31Ch04-Ch04-输入和输出方式输入和输出方式章节回顾章节回顾输入输出概述输入输出概述CPUCPU与外设数据传送的方式与外设数据传送的方式32