第5章基本输入输出系统.doc

第章 【教学目的】掌握接口的基本概念、IO端口的编址方法和基本的数据传送方式 【教学重点】IO端口的编址方法和基本的数据传送方式 【教学难点】中断方式和DMA方式 【教学方法和手段】课堂教学 【课外作业】P193习题3，4，7，10 【学时分配】6学时 【自学内容】8237的使用 【讲授内容】 5.1 概述 输入输出系统包括： ① 外部设备（输入输出设备和辅助存储器） ② 设备控制器----主机（CPU和存储器）之间的控制部件，诸如磁盘控制器、打印机控制器等，有时也称为设备适配器或接口，其作用是控制并实现主机与外部设备之间的数据传送。 5.1.1 接口的基本概念 1、什么是接口 CPU要不断地与其它部件交换信息。CPU不是直接与外部设备交换信息的，而是经过一个中间电路，这个电路就称为“接口电路”，简称“接口”。所谓接口就是主机与外部设备连接的桥梁，由它来完成CPU与外部设备之间信息的传递。 一般将外部设备与接口合称为“I/O系统”。接口又称为“设备控制器”或“适配器”。 2、为什么要有接口电路 CPU连接？为什么不直接与CPU的总线相连接呢？ 从CPU的角度来看，对外部设备的访问（读/写）与对存储器的访问是类似的，为什么存储器可以直接通过总线与CPU连接，而外部设备却要通过接口电路来与CPU连接呢？ 这是因为： 存储器的基本结构简单（只有很少几种），只要求几个简单的控制信号，而且存储器的访问速度一般都比较快，CPU与存储器之间的定时与协调比较容易，因此存储器可以直接通过总线与CPU连接。 而外部设备一般具有以下特点： ⑴ 外部设备的品种繁多 从类型上看：有输入设备、输出设备、输入/输出设备、测量设备、通信设备、控制设备等。 从结构上看：有机械式的、电子式的、机电混合式的。 从原理上看：各类设备的工作原理又是各不相同的。 ⑵ 外部设备的工作速度分布范围宽 如：电传打字机每秒能传输100个信息单位，温度传感器有可能长达几分钟才改变一个数据，软盘的传输速率为每秒2.5兆位，硬盘的传输速率为每秒5兆位以上。 ⑶ 外部设备的信号类型和电平种类也各有不同 有数字量的，有模拟量的，有电压型的，有电流型的，有TTL电平的，有CMOS电平的。 ⑷ 外部设备的信息结构格式也各不相同，需要接口电路来协调转换。 可见： ⑴ CPU与外设两者的信号不兼容，信号线上的功能定义、逻辑定义、时序关系都不一致； ⑵ CPU与外设的工作速度不兼容，CPU速度高，外设速度低； ⑶ 若无接口，CPU要直接控制对外设的操作，大量占用CPU时间，而大大降低效率； ⑷ 若外设直接由CPU控制，会使其硬件结构依赖于CPU，而不利于外设的发展。 所以，外部设备一般都要通过一个接口电路来与CPU连接。 5.1.2 设备控制器（I/O接口）的基本功能 简单地讲，一个接口的基本功能是：在系统总线和I/O设备之间传输信号，提供缓冲作用，以满足接口两边的时序要求。 由于外设的多样性及复杂性，对于不同的外设，接口的功能也不尽相同。 一般说来，接口应具备下述功能： 设备的选择（寻址）功能 首先，接口要对选择存储器和I/O的信号能够作出解释，此外，要对CPU送来的片选信号进行识别, 以便判断当前本接口是否被访问，如果受到访问，还要决定接口中哪个寄存器受到访问。 这就要在接口中设置I/O端口地址译码电路对外设进行寻址。CPU将I/O设备的端口地址代码送到接口中的地址译码电路，并经译码电路，把地址代码翻译成I/O设备的选择信号。一般是把高位地址用于接口芯片选择，低位地址进行芯片内部寄存器的选择，以选定需要与自己交换信息的设备端口，只有被选中的设备才能与CPU进行数据交换或通信。没有选中的设备，就不能与CPU交换数据。 ⑵．输入输出功能（执行CPU的命令和返回外设的状态） 接口要根据CPU送来的读/写信号决定当前进行的是输入还是输出操作，并且随之能从总线 上接收从CPU送来的数据和控制信息，或者将数据或状态信息送到总线上。 CPU并不是直接把命令送到被控对象，而是以命令代码的形式先发送到接口中的命令寄存器，称之为“命令口”。再由接口电路对命令代码进行识别和分析，分解成若干个控制信号，传送到I/O设备，使其产生相应的具体操作通过接口电路来进行控制的。 外设的状态信号是以状态代码形式存放在接口电路的状态寄存器中，称之为“状态口”，以便向CPU报告。 ⑶．数据缓冲功能 当外设速度不能与CPU速度相匹配时，由接口提供缓冲器，对传送数据进行缓冲，用以消除计算机与外设在定时或数据处理速度上的差异。 接口中一般都设置数据缓冲寄存器（简称数据缓存器），称之为“数据口”。数据缓存器又分为输入和输出缓存器，前者暂存外设送来的数据，以待CPU将它取走；后者暂存CPU送往外设的数据。有了数据缓存器，就可以使高速工作的CP