《工信版（中職）計(jì)算機(jī)原理模塊七教學(xué)課件》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《工信版（中職）計(jì)算機(jī)原理模塊七教學(xué)課件（36頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。
1、,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,YCF,（中職）計(jì)算機(jī)原理模塊七教學(xué)課件,模塊7 輸入/輸出與中斷,任務(wù)1 I/O接口,7.1.1 數(shù)據(jù)輸入/輸出概述,7.1.2 I/O接口功能,7.1.3 I/O接口組成,7.1.4 I/O端口編址,7.1.5 I/O接口分類,下一頁(yè),模塊7 輸入/輸出與中斷,任務(wù)2 中斷,7.2.1 中斷的基本概念,7.2.2 中斷向量表,7.2.3 DMA I/O控制方式,上一頁(yè),任務(wù)1 I/O接口,除了存儲(chǔ)器這個(gè)地址空間外，計(jì)算機(jī)中還有一個(gè)I/O端口寄存器地址空間，這是專門針對(duì)輸入/輸出外設(shè)而言的。這些外設(shè)同微
2、處理器交換數(shù)據(jù)時(shí)都不直接掛到外部總線上，而必須通過(guò)專用的接口電路與輸入/輸出指令。本模塊首先介紹了這方面的一些基本知識(shí)，以便于學(xué)習(xí)后續(xù)的中斷技術(shù)。,中斷(Interrupt)在計(jì)算機(jī)技術(shù)中是一個(gè)非常重要的基本概念，中斷系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中一個(gè)十分重要的子系統(tǒng)。本模塊將對(duì)實(shí)模式下中斷系統(tǒng)的工作原理與操作過(guò)程、異常中斷、軟件中斷與硬件中斷以及中斷的應(yīng)用設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)的描述。,下一頁(yè),返回,任務(wù)1 I/O接口,7.1.1數(shù)據(jù)輸入/輸出概述,計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程概括起來(lái)，可分為3個(gè)階段，即數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果輸出。用以輸入數(shù)據(jù)和輸出結(jié)果的設(shè)備分別稱為輸入設(shè)備和輸出設(shè)備，統(tǒng)稱為外部設(shè)備，簡(jiǎn)稱外設(shè)。外設(shè)通過(guò)專
3、門的接口電路與主機(jī)連接，在主機(jī)的控制下進(jìn)行工作。外設(shè)、接口電路及其相關(guān)的程序統(tǒng)稱為計(jì)算機(jī)的輸入/輸出系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱I/O系統(tǒng)。,I/O接口泛指主機(jī)與外部設(shè)備或其他計(jì)算機(jī)之間通過(guò)總線連接所用到的電路，也稱為適配器。計(jì)算機(jī)有多種外部設(shè)備，由于速度和信號(hào)類型的緣故，往往不能直接與主機(jī)連接，而需要專門的接口電路和相關(guān)的程序進(jìn)行轉(zhuǎn)換。例如，顯示器通過(guò)顯卡與主機(jī)連接，并由相應(yīng)的程序完成信號(hào)轉(zhuǎn)換及顯示工作;又如，計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)卡或Modern與外部網(wǎng)絡(luò)連接。,因此，I/O系統(tǒng)也是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),任務(wù)1 I/O接口,7.1.2 I/O接口功能,1.信號(hào)轉(zhuǎn)換,在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，只能識(shí)別和
4、處理二進(jìn)制數(shù)據(jù)。因此，外部設(shè)備必須將采集到的各類信息轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)據(jù)，才能輸入給計(jì)算機(jī)。同樣，計(jì)算機(jī)輸出的二進(jìn)制數(shù)據(jù)也要轉(zhuǎn)換成一定形式的媒體信號(hào)，去控制外部設(shè)備或者以人們習(xí)慣的形式顯示以及記錄下來(lái)。即使兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送，也存在數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換與匹配、傳送方式的設(shè)置、調(diào)制與解調(diào)等過(guò)程。因此，進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換是I/O系統(tǒng)的基本功能，包括電信號(hào)與非電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換、數(shù)字量與非數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換、編碼與解碼以及傳送方式的轉(zhuǎn)換等。對(duì)于多媒體設(shè)備，還包括音頻、視頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換與處理。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),任務(wù)1 I/O接口,2.數(shù)據(jù)緩沖與時(shí)序匹配,主機(jī)速度快，而大多數(shù)外部設(shè)備速度慢。這樣，外設(shè)與CPU或主
5、存直接傳送數(shù)據(jù)時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失;或者使CPU等待外設(shè)的輸入/輸出，而影響CPU的工作效率。因此，一般在外設(shè)接口中設(shè)置緩沖器或者有一定容量的緩沖存儲(chǔ)器。CPU送給外設(shè)的數(shù)據(jù)先鎖存到緩沖器中，然后通知外設(shè)取走;或者外設(shè)送給CPU的數(shù)據(jù)先存入緩沖器中，然后由CPU讀取。這樣，借助于緩沖器，可實(shí)現(xiàn)CPU與不同速度的外設(shè)之間的時(shí)序匹配。例如，一般顯卡中都配置有一個(gè)容量為128MB一768MB的緩沖存儲(chǔ)器。,3.電氣特性匹配,計(jì)算機(jī)內(nèi)部的信號(hào)通常是TTL電平，而外設(shè)的輸入/輸出信號(hào)有TTL電平、CMOS電平或其他規(guī)格的電平。當(dāng)電平不同時(shí)，需經(jīng)接口電路進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。如果信號(hào)微弱，需由接口電路放大，以增
6、強(qiáng)其驅(qū)動(dòng)能力。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),任務(wù)1 I/O接口,4.可編程功能,一般接口電路有多種工作方式，可通過(guò)編程進(jìn)行設(shè)置或者選擇。為了實(shí)現(xiàn)編程，在接口電路中一般都設(shè)有可尋址的控制字寄存器和狀態(tài)字寄存器?？刂谱旨拇嫫骺捎蒀PU寫入控制字，設(shè)置接口的工作方式;狀態(tài)字寄存器可由CPU查詢，了解外設(shè)的當(dāng)前狀態(tài)。,5.數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換,在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，數(shù)據(jù)是以并行的方式存儲(chǔ)與處理的，因此對(duì)于以串行方式傳送數(shù)據(jù)的設(shè)備來(lái)說(shuō)，就存在一個(gè)并/串轉(zhuǎn)換或串/并轉(zhuǎn)換的過(guò)程。另外，有些設(shè)備還要求接口電路能夠?qū)崿F(xiàn)ASCII碼、BCD碼甚至漢字?jǐn)?shù)符的轉(zhuǎn)換等。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),任務(wù)1 I/O接口,7.1.3 I/O接口組成,
7、I/O接口,7-1,所示，處于CPU和I/O設(shè)備之間。在CPU一端，傳送地址、數(shù)據(jù)和控制信號(hào);在I/O設(shè)備一端，傳送控制信號(hào)、數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息。因此可以說(shuō)，接口是CPU與外部設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與傳送的部件。一般包括I/O地址譯碼器、數(shù)據(jù)輸入/輸出接口(緩沖與格式轉(zhuǎn)換)、控制寄存器、狀態(tài)寄存器、中斷控制邏輯與中斷向量寄存器等部件。它所傳送的信息，可分為以下3種類型。,1.數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)是輸入/輸出設(shè)備傳送的基本信息。在輸入過(guò)程中，數(shù)據(jù)經(jīng)輸入設(shè)備傳送給CPU,或存入存儲(chǔ)器中;在輸出過(guò)程中，數(shù)據(jù)經(jīng)輸出設(shè)備顯示、打印，或者傳送到其他設(shè)備。在接口電路中，設(shè)有數(shù)據(jù)鎖存與緩沖器，對(duì)輸入/輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存或者緩
8、沖;在有些情況下，還需要進(jìn)行格式或編碼轉(zhuǎn)換。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),任務(wù)1 I/O接口,2.地址,在一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，外部設(shè)備往往有多個(gè)，為此分配有不同的地址，以便識(shí)別。這樣，在進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入/輸出時(shí)，首先要發(fā)送地址，經(jīng)譯碼器選擇某一外部設(shè)備。因此，在接口電路中設(shè)有地址鎖存器與譯碼器。,3.狀態(tài)與控制信號(hào),狀態(tài)信號(hào)反映的是外設(shè)的工作狀態(tài)，一般存放在接口中的狀態(tài)寄存器中，CPU可讀取檢查，了解外部設(shè)備的工作狀態(tài)。,控制信號(hào)是CPU向外設(shè)發(fā)出的I/O控制命令，經(jīng)接口傳送給外部設(shè)備，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的I/O操作。通過(guò)接口電路，還可以增強(qiáng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。,在I/O接口電路中，各寄存器都可作為一個(gè)端口設(shè)置地址。C
9、PU通過(guò)地址對(duì)其訪問(wèn)或者編程，例如，設(shè)置參數(shù)，選擇工作方式，讀取狀態(tài)標(biāo)志或中斷向量，傳送數(shù)據(jù)等。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),任務(wù)1 I/O接口,7.1.4 I/O端口編址,在I/O接口電路中，每一個(gè)可由CPU直接訪問(wèn)的部件或寄存器統(tǒng)稱為端口，在硬件設(shè)計(jì)時(shí)可對(duì)其分配地址，也稱為編址。編址的方法有兩種，即統(tǒng)一編址和獨(dú)立編址。,1.統(tǒng)一編址,統(tǒng)一編址是把外部設(shè)備的端口地址與存儲(chǔ)器地址統(tǒng)一編排。即在主存空間中劃出一部分區(qū)域用作I/O地址，使輸入/輸出變成對(duì)某個(gè)地址單元的讀/寫操作。在這種方式下，CPU可使用訪問(wèn)主存的指令訪問(wèn)外部設(shè)備，而不需要專門的I/O指令。但是，I/O端口占用了主存地址空間，使主存容量
10、減少。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),任務(wù)1 I/O接口,2.獨(dú)立編址,獨(dú)立編址是對(duì)I/O端口和主存分別編址，即主存地址空間和I/O地址空間，兩者的地址都是從。開始。CPU訪問(wèn)時(shí)，通過(guò)專門的選通信號(hào)IO/M確定地址總線上傳送的是I/O地址還是主存地址。例如，IO/M信號(hào)為高電平時(shí)，表示I/O地址;當(dāng)IO/M信號(hào)為低電平時(shí)，表示主存地址。采用獨(dú)立編址，I/O地址空間不占用主存空間，但是需要專門的I/O指令。目前的Pentium微處理器采用的就是這種獨(dú)立編址方式。,另外，也可以把二者結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成混合編址方式。即一部分I/O地址獨(dú)立，一部分與主存空間合為一體。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),任務(wù)1 I/O接口,7
11、.1.5 I/O接口介類,接口處于主機(jī)與外部設(shè)備之間，但是接口與外部設(shè)備之間的界面并不十分嚴(yán)格。因?yàn)橛行┩獠吭O(shè)備為了便于連機(jī)使用，兼有部分接口功能。也有些接口獨(dú)立于外部設(shè)備，制成專門的接口板。這樣，就形成不同類型的接口板，而且有不同的分類方式。,1.按照傳輸信號(hào)分類,按照傳輸信號(hào)分類，可分為數(shù)字量輸入/輸出接口和模擬量輸入/輸出接口。對(duì)于數(shù)字量信號(hào)，計(jì)算機(jī)可以通過(guò)數(shù)字量接口直接與輸入/輸出設(shè)備進(jìn)行連接。對(duì)于模擬信號(hào)，則要通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)輸入給計(jì)算機(jī)。輸出時(shí)，再使用D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬量信號(hào)輸出給外部設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備。這就要求模擬接口除具備數(shù)據(jù)傳輸功能之外，還要具
12、備A/D與D/A轉(zhuǎn)換功能。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),任務(wù)1 I/O接口,2.按照傳輸數(shù)據(jù)方式分類,按照傳輸數(shù)據(jù)的方式，可分為并行輸入/輸出接口和串行輸入/輸出接口。,并行輸入/輸出接口:多位數(shù)據(jù)同時(shí)傳送，傳輸效率高。但是它要求有多條數(shù)據(jù)線與接口電路連接，傳輸線的寬度與數(shù)據(jù)的位數(shù)一致，而且各條數(shù)據(jù)線的電氣特性也要一致。這種接口成本較高，傳輸距離受到一定的限制。,串行輸入/輸出接口:按位傳輸，即一位一位地通過(guò)數(shù)據(jù)線。這種方式效率較低，但是傳輸線少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，適合遠(yuǎn)距離傳輸。例如，主機(jī)與鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器等外部設(shè)備的連接，就是通過(guò)串行接口進(jìn)行的。由于在計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)是并行存儲(chǔ)與處理的，因此串行接
13、口都配有并/串轉(zhuǎn)換和串/并轉(zhuǎn)換電路。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),任務(wù)1 I/O接口,3.按照傳輸控制方式分類,按照傳輸控制方式分類，可分為直接/查詢方式、中斷控制方式和DMA方式的接口。另外，還有通道和I/O處理機(jī)等。,返回,上一頁(yè),任務(wù)2中斷,任何一種類型的計(jì)算機(jī)，包括微控制器(或稱單片機(jī))都離不開中斷技術(shù)，它們對(duì)中斷的處理機(jī)理大同小異。任務(wù)2描述中斷系統(tǒng)的基本概念與基本工作原理、中斷產(chǎn)生的過(guò)程和其他若干技術(shù)問(wèn)題。,7.2.1中斷的基本概念,1.中斷的引入,CPU不僅要進(jìn)行繁瑣的數(shù)據(jù)運(yùn)算與處理內(nèi)部復(fù)雜事務(wù)，還必須隨時(shí)同各類外設(shè)交換信息，僅以鍵盤輸入為例，只要有鍵按下，微處理器就應(yīng)立即響應(yīng)。這里有
14、兩種處理辦法。其一，是讓CPU不斷地查詢外設(shè)的狀態(tài)，一刻不停地監(jiān)視鍵盤“有無(wú)按鍵輸入”。于是CPU浪費(fèi)了很多時(shí)間去反復(fù)查詢等待鍵盤，工作效率極低。其二，是讓CPU平時(shí)不顧外設(shè)而獨(dú)自處理自己的事務(wù)，屆時(shí)讓外設(shè)主動(dòng)向CPU報(bào)告，例如，一旦有按鍵輸入，,下一頁(yè),返回,任務(wù)2中斷,鍵盤立即主動(dòng)向CPU報(bào)告，CPU馬上中止當(dāng)前的操作，保護(hù)好操作現(xiàn)場(chǎng)后即與鍵盤通信讀入按鍵值，然后作相應(yīng)處理。鍵盤處理完成后再恢復(fù)原來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)，繼續(xù)原操作，這就是中斷的思路。,所謂中斷就是由于發(fā)生了某種必須及時(shí)處理的事件，使CPU暫停當(dāng)前程序的執(zhí)行，而轉(zhuǎn)去處理臨時(shí)發(fā)生的該事件，處理完畢后再返回繼續(xù)執(zhí)行暫停的原程序。能夠產(chǎn)生中斷請(qǐng)
15、求的事件或者外設(shè)稱為中斷源。,計(jì)算機(jī)中引入中斷的概念后獲得了以下明顯的效果。,同步操作:CPU與外設(shè)在一定程度上做到了并行操作，從而大大提高了計(jì)算機(jī)的整機(jī)效率。,實(shí)時(shí)處理:要求及時(shí)處理的事務(wù)向CPU請(qǐng)求中斷，CPU立即響應(yīng)并作處理，使系統(tǒng)達(dá)到實(shí)時(shí)要求。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),任務(wù)2中斷,故障處理:計(jì)算機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)事先預(yù)料不到的故障現(xiàn)象，將這些故障作為中斷來(lái)響應(yīng)就達(dá)到了自動(dòng)處理的功能，提高了整機(jī)的可靠性。,2.中斷優(yōu)先權(quán)與中斷嵌套,在一個(gè)PC系統(tǒng)中有許多外設(shè)，因而一個(gè)中斷系統(tǒng)中就有多個(gè)中斷源，有時(shí)可能會(huì)有幾個(gè)中斷源同時(shí)發(fā)生中斷請(qǐng)求，這時(shí)CPU該優(yōu)先處理哪個(gè)中斷服務(wù)呢?這里就有一個(gè)中
16、斷優(yōu)先級(jí)別的問(wèn)題。必須將系統(tǒng)中所有的中斷源按實(shí)時(shí)性要求或者其他規(guī)則排隊(duì)，高優(yōu)先級(jí)的中斷總是優(yōu)先被處理，待后再依次處理其他級(jí)別較低的中斷。,優(yōu)先級(jí)順序有多種排隊(duì)方法，比較常用的有固定法與循環(huán)法等，前者是固定各中斷源的優(yōu)先級(jí)別，使用中不可改變。后者則是非固定的，各中斷源的優(yōu)先級(jí)依某種規(guī)則發(fā)生變化，例如，可以采取自然排隊(duì)的方案，先服務(wù)的自動(dòng)排在末尾，優(yōu)先級(jí)別最低，按此時(shí)間順序排隊(duì)。,下一頁(yè),返回,上一頁(yè),任務(wù)2中斷,除中斷排隊(duì)外，還有一種情況是當(dāng)CPU正在進(jìn)行中斷服務(wù)處理時(shí)又出現(xiàn)了新的中斷請(qǐng)求。正常的處理辦法是，只要新的中斷的優(yōu)先級(jí)低于當(dāng)前被服務(wù)的中斷，CPU暫不理會(huì)，待當(dāng)前中斷服務(wù)結(jié)束后再作處理。但是當(dāng)新的中斷的優(yōu)先級(jí)高于當(dāng)前被服務(wù)的中斷時(shí)，那么當(dāng)前較低優(yōu)先級(jí)的中斷必須暫停服務(wù)，CPU轉(zhuǎn)去響應(yīng)更高優(yōu)先級(jí)的中斷。從而使得較高優(yōu)先級(jí)的中斷可以打斷當(dāng)前正被處理的中斷。這樣就出現(xiàn)了中斷嵌套，如,圖7-2,所示，可以嵌套的最多層數(shù)由微處理器的功能確定。,3.中斷源的分類,中斷可以分為軟件中斷(Software Interrupts)與硬件中斷(Hardware Interrupts)兩大類，兩者之中
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