北航计算机组成原理讲义_6.i-o接口与总线

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1、I/O接口与总线MyNewEmail：xudliu@rt-info.com.cn本讲内容I/O接口程序查询I/O方式程序中断I/O方式直接存储器访问(DMA)I/O方式I/O通道总线本讲内容I/O接口程序查询I/O方式程序中断I/O方式直接存储器访问(DMA)I/O方式I/O通道总线1.1I/O接口外部设备并不直接挂接在系统总线上,而是通过I/O接口最为桥梁实现与系统总线的连接各种外设使用不同的操作方法，由CPU来直接控制不同的外设不切实际。外设的数据传送速度比存储器和处理器的速度慢得多，使用高速的系统总线与慢速的外设直接连接，不切实际。外设经常使用与处理器不同的数据格式和字长度。I/O接

2、口外部设备SystemBusDataControlStatus1.1I/O接口I/O接口的功能识别I/O地址，即地址译码；实现主机与I/O设备的数据交换、控制命令的传递和状态检测与传递；提供缓冲、暂存和驱动能力；进行数据格式、类型方面的转换（串并行转换，电平转换等）；支持一定的I/O方式（程序查询、程序中断、DMA等）；I/O控制与定时I/O接口的分类按传送数据格式：串行接口，并行接口串行接口适合速度低、传输距离长的环境并行接口适合速度高、传输距离短的环境按I/O方式：程序查询接口、中断接口、DMA接口、通道控制接口按时序控制方式：同步接口、异步接口同步接口：数据传送由一个统一的时钟信号同

3、步控制异步接口：数据传送采用异步应答方式控制1.1I/O接口I/O操作的过程（从外设到处理器的过程）处理器查询I/O接口状态，以检查连接设备的状态；I/O接口回送设备状态；如果设备可用，并准备好，CPU向I/O接口发出命令，请求传送；I/O接口获得来自外设的数据（字或字节）；数据从I/O接口传送自CPU。I/O设备的编址I/O设备的编址＝I/O接口的编址编址方式独立编址方式：存储器地址与I/O地址分开，CPU具有专用的I/O指令，系统总线中具有区别存储器读写和I/O操作的控制信号，并以此区别地址总线上的地址是存储器地址还是I/O地址。统一编址方式：存储器地址与I/O地址统一考虑，地址空间的

4、一部分是存储器，另一部分是I/O，支持存储器操作的指令都可用于I/O操作。I/O地址（I/O接口地址,I/O端口地址）：实际上是I/O接口电路中寄存器的地址。1.1I/O接口I/O接口的结构1.1I/O接口I/O接口地址选择（译码）I/O接口地址是I/O接口电路中寄存器的地址单独编址方式下的I/O地址选择电路I/O接口程序查询I/O方式程序中断I/O方式直接存储器访问(DMA)I/O方式I/O通道总线2.1程序查询I/O方式I/O接口设置状态寄存器以表示外部设备的工作状态CPU通过不断读取状态寄存器以查询外部设备的状态在外部设备准备就绪的时候，CPU通过I/O接口中的数据寄存器与外设完成数

5、据交换。读状态寄存器Ready?执行I/O操作NoYesRdSta:MOVDX,3FDHINAL,DXCMPAL,61HJNERdStaMOVDX,3F8HINAl,DX2.1程序查询I/O方式程序查询I/O接口的基本组成StatusRegisterDataRegister（InputRegister，OutputRegister）AddressSelectedLogicBusInterfaceLogic程序查询I/O方式的特点I/O操作由CPU直接完成（通过执行I/O指令完成）外设速度慢，CPU速度快，在外设准备过程中，CPU处在不断的查询之中，CPU的效率得到了极大的浪费。外设与CPU

6、完全串行工作。I/O接口程序查询I/O方式程序中断I/O方式直接存储器访问(DMA)I/O方式I/O通道总线3.1程序中断I/O方式中断的概念机器出现了一些紧急事务，CPU不得不停下当前正在执行的程序，转去处理紧急事务，当紧急事务处理完后，继续执行被中断的程序。中断是随机的；主程序：被中断的程序；中断服务子程序：处理中断事务的程序；中断源与中断编码中断向量：中断服务子程序的入口地址；中断向量表：保存所有中断向量的内存区域中断的分类非屏蔽中断与可屏蔽中断程序中断与简单中断硬中断与软中断（软中断不是真正的中断）3.1程序中断I/O方式中断申请中断源提出中断申请；中断控制器接受中断源的申请；根据

7、一定的排优策略将中断申请传递给CPU。中断的排优固定排优电路可编程中断响应条件：当前执行的程序允许被中断（即中断允许标志位为允许中断），非屏蔽中断不受中断允许标志位的限制。时间：当前指令执行完后，才能相应中断在允许中断的前题下，每条机器指令的执行周期中实际上包含一个中断周期。3.1程序中断I/O方式中断处理保护现场：当前程序计数器的值和程序状态字入栈；获取中断向量：根据中断编码从中断向量表中获取中断向量；转移到中断服务子