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计算机硬件

计算机硬件. 教学内容 : 接口 , 直接程序控制方式 , 程序中断方式 , 直接存储器访问方式 . 教学目标 : 掌握接口的概念 . 掌握程序中断方式直接存储器访问方式的特点 . 教学方式 : 电子教学 . 教学过程 : 主讲人 : 王丹. 7.2 输入输出概论. 7.2.1 外设分类 按与 CPU 数据传输方向： 1 ）输入设备 键盘、鼠标、光笔、扫描仪 … 2 ）输出设备 显示器、打印机、绘图仪 … 3 ）复合输入输出设备 外存储设备 按在计算机系统中所起的作用： 1 ）人 - 机交互设备

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Presentation Transcript

  1. 计算机硬件 • 教学内容:接口,直接程序控制方式,程序中断方式,直接存储器访问方式. • 教学目标:掌握接口的概念.掌握程序中断方式直接存储器访问方式的特点. • 教学方式:电子教学. • 教学过程: • 主讲人:王丹

  2. 7.2 输入输出概论 • 7.2.1 外设分类 • 按与CPU数据传输方向： • 1）输入设备 键盘、鼠标、光笔、扫描仪… • 2）输出设备 显示器、打印机、绘图仪… • 3）复合输入输出设备 外存储设备 • 按在计算机系统中所起的作用： • 1）人-机交互设备 • 2）外部存储设备 • 3）机-机通信设备 • 按外设的速度： • 1）低速设备 • 2）中速设备 • 3）高速设备

  3. CPU 接口 接口 接口 …… 外设 外设 外设 7.2.2 外设接口 1. 接口的定义 相对独立子系统之间的连接部分，界面 软件接口 软硬接口 硬件接口 两个硬件之间的连接协议和信号传递逻辑 主机与外设的连接

  4. AB 地址译码器 外设控制器 DB 数据 数据寄存器 主机 命令 命令状态寄存器 状态 CB 控制电路 I/O设备 I/O接口 接口基本组成

  5. 2.接口的功能 • 1）寻址功能 • 2）数据缓冲功能 • 3）接收主机命令并提供外设状态 • 4）控制功能 • 5）提供主机与I/O设备所需驱动能力和工作电平，满足一定的负载要求和电平要求

  6. 3.接口的分类 • 1）按数据传送的格式 串行接口 并行接口 • 2）按主机对I/O设备的控制方式 程序查询接口 中断接口 DMA接口 I/O处理机 • 3）按总线操作时序的控制方式 同步接口 异步接口 • 4）按接口所连总线 ISA总线接口 EISA总线接口 PCI总线接口 STD总线接口 • 5）按接口所连设备的类型 CRT接口 磁盘驱动器接口 网络接口

  7. 7.3.2 接口寻址 • 1. 与存储器统一编址 将I/O接口中的有关寄存器看作存储单元与主存储单 元统一编址 特点：指令系统中不设专门的I/O指令，通过所有对内存的操作指令来操作I/O接口 缺点：减小了可以访问的内存空间 • 2. I/O端口单独编址 为I/O接口中的每一个寄存器分配一个I/O地址，使用专门的I/O指令去访问，并设置专门的信号线来区分当前是存储器访问还是I/O访问

  8. AB DB CB 接口 接口 MM CPU 外设A 外设B AB DB MMRD IORD MMWR IOWR 接口 接口 MM CPU 外设A 外设B 统一编址的单总线结构 单独编址的单总线结构

  9. 7.3 直接程序控制方式 7.3.1 基本概念 特点：当外设启动后，外设的整个工作过程均在CPU的监控下，也就是说CPU只为外设服务 1 . 无条件传送方式 随时可以进行输入输出，只用于简单外设 2 . 程序查询方式(有条件传送方式) CPU需要根据外设的工作状态来决定何时进行数据传送。 查询方式的程序流程主要包括三个基本步骤：

  10. a. 读取外设工作状态信息 • b. 判断上次工作完成与否，若未完成，返回a • c. 若完成，则进行一次数据传送，并修改主存地址指针和判断结束条件等操作 命令/状态寄存器 系统总线 Data 数据寄存器 I/O设备 Read 控制电路 Write 地址译码器 Addr 接口

  11. 读取状态字 工作完成 N Y 读/写数据 修改主存地址指针 N 结束否？ Y 程序查询方式软件流程

  12. D7 Q D D7 D7~D0 数据缓冲寄存器 8 D0 Q D 输入设备控制器 D0 CP IORD &B 15 C A15~A1 Q CP 完成位 S0 D +5V A0 &A &E MSYN &F SSYN +5V 7.3.2 程序查询方式接口基本组成 • 并行接口组成

  13. 输入设备 接收缓冲寄存器 DB 接收移位寄存器 S 波特率发生器 RF 检测控制逻辑 R 端口译码器 AB IORD R IOWR TF 发送移位寄存器 发送缓冲寄存器 S 输出设备 • 串行接口基本组成

  14. 奇偶校验位 1个字符 停止位≥1位 停止位≥1位 起始位 高位 低位 1帧 … … 同步字符 校验字符 信息 信息 信息 同步字符 开始 结束 串行异步方式 批量字符 串行同步方式

  15. 7.4 程序中断方式 • 7.4.1 中断基本概念 • 1. 中断的基本概念 • 所谓中断：CPU在执行程序的过程中，出现了某些突发事件急待处理，CPU必须暂停止执行当前的程序，转去处理突发事件，处理完毕后，CPU又返回原程序被中断的位置并继续执行。 • 中断的两个重要特征：程序切换和随机性 • 程序中断方式的应用 • 1）CPU与I/O设备并行工作 2）处理突发故障 • 3）实时处理 4）系统调度 • 5）人机对话 6）计算机网络通信

  16. 3. 中断的分类 • 1）根据中断请求来源 内中断---来源于CPU内部的中断 外中断---中断来自于CPU之外，如定时器/计数器引起的中断 • 2）根据CPU是否要做出立即反映 不可屏蔽中断 可屏蔽中断 • 3）根据CPU判断中断源并形成中断处理程序入口地址的方法 软件查询法 单独请求线编码法 向量中断法 综合法

  17. 7.4.2 向量中断法执行步骤 • 1）中断请求 • 2）中断排优 • 3）中断响应 • 4）中断向量呈送 • 5）中断处理 • 6）中断返回

  18. 原程序 硬件完成 软件完成 中断处理程序 当前指令执行周期 保护寄存器 N 有DMA请求？ 设置新的中断范围 DMA周期 开中断 Y 有不可屏蔽中断？ N N 中断处理程序实体 有可屏蔽中断？ Y N CPU允许中断？ 恢复寄存器 Y 发中断应答INTA 接收中断向量VA 中断返回 (恢复PSW,PC) (1->IF) 中断响应周期 关中断(0->IF) PC,PSW入栈 去中断处理程序入口地址送入PC 向量VA->MAR,RD (MDR)->PC 下条指令取指周期

  19. 程序 中断处理程序 C A INTR C INTR A STI STI IRET IRET 中断嵌套与中断屏蔽 中断源C 中断源A

  20. 中断优先级编码 中断源 优先级编码 优先顺序 P1P0 高 A B C D 11 10 01 00 低

  21. INTR A’ INTR D INTR C INTR B INTR A INTR D’ INTR C’ INTR B’ PSW P1 P0 2-4译码器 11 10 01 00 ≥1 INTA & & 向量优先编码线路 中断优先线路 & & & & & &

  22. 7.5 直接存储器访问方式 • DMA方式基本概念 • 直接（不通过CPU）由接口硬件控制系统总线与内存进行数据交换 • 输入时由外设直接写入内存，输出时直接由内存送外设 • DMA方式的应用 • 磁盘、磁带、光盘等外存储设备接口 • 网络通信接口 • 用于动态存储器刷新 • 用于高速数据采集接口

  23. DMA过程 CPU 设置中断向量 消除屏蔽位 开中断 中断初始化 DMA接口 内存首地址=>接口主存地址寄存器 磁盘数据地址=>接口磁盘地址寄存器 数据块长度=>接口块长计数器 读/写及启动命令=>接口命令寄存器 DMA初始化 启动磁盘 磁盘寻址 N 柱面符合？ N CPU访问内存 扇区符合？ 其它任何程序 读盘 DMA请求 数据寄存器满 当前内存周期结束 DMA应答 DMA访问内存 CPU访问内存 读盘 DMA请求 数据寄存器满 当前内存周期结束 DMA应答

  24. DMA访问内存 CPU访问内存 磁盘中断 处理程序 中断应答 中断请求 一批数据读写完毕 一条指令执行结束 中断向量 IRET

  25. DMA方式特点 • CPU对DMA接口的控制权仅限于DMA的开始和结束，在整个DMA传送期间，均由DMA接口直接控制进行内存读写 • CPU响应DMA请求只需暂停访问内存，让出总线使用权 • DMA方式主要靠硬件实现内存与外设之间的数据传送 • CPU响应DMA请求的时机是在当前内存存取周期结束之后，而响应中断的时机是在当前指令周期结束之后 • 在DMA方式中存在CPU与DMA接口之间内存访问权和总线控制权的频繁转换 • DMA方式只能进行数据传送，功能单一

  26. 周期挪用 CPU访存 读盘（写盘） CPU处理内部事务 DMA 的传送方式 • 周期挪用方式 DMA访存

  27. 可供CPU访问 可供CPU访问 CPU访存 DMA访存 读盘（写盘） 读盘（写盘） DMA访问 • CPU暂停访问方式

  28. …… 1 3 CPU访存 DMA访存 …… 2 4 • 与CPU交替访存方式

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