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第六章 输入 / 输出系统与设备

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第六章 输入 / 输出系统与设备

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  1. 第六章 输入/输出系统与设备 计算机技术教研室 王怀秀

  2. 教学内容安排 • 输入输出系统概述 • 常用的几种输入输出方式 • 计算机总线及总线举例 • 输入输出接口电路 • 计算机输入设备 • 计算机输出设备

  3. 输入/输出系统 • 控制方式:处理器如何管理设备 • 总线:数据发送和通信 • 接口:总线和设备的连接 • 连接总线和设备(对设备提供编码) • 接收处理器(主设备)的命令,并提交给外部设备,同时,为主设备提供外部设备的状态 • 数据缓冲 • 对主设备屏蔽外部设备的差异(一种接口可以连接多种类型的设备) • I/O设备:完成输入/输出任务

  4. 6.4 输入输出接口电路 • 接口电路的分类和功能 • 接口电路的基本结构 • 串行通讯与串行接口 • 并行接口 • USB接口 • SCSI接口

  5. 数据线 外部设备 控制线 接口电路 状态线 数据总线 控制总线 地址总线 6.4.1 接口电路的分类和功能 外设必须通过接口电路与CPU相连接

  6. 一、接口电路的分类 • 接口电路按通用性分为两类:通用接口和专用接口 • 通用接口:可供多种外部设备使用的标准接口,目的是使计算机正常工作。 • 通用接口通常制造成集成电路芯片,称为接口芯片。 • 最初的IBM-PC使用了6块接口芯片:8284、8288、8255、8259、8237、8253。 • 后来的微机将这些芯片集成为大规模集成电路芯片,称为芯片组。如82430TX芯片组,由两片芯片组成: 北桥:82439TX 南桥:82371AB

  7. 北桥:82439TX,连接CPU总线和PCI总线 • 南桥:82371AB,连接PCI总线和ISA总线

  8. 一、接口电路的分类 • 专用接口:为某种用途或某类外设而专门设计的接口电路,目的在于扩充计算机系统的功能。 • 专用接口通常制造成接口卡,插在主板总线插槽上使用。通用接口和专用接口的界限并不严格。 • 按照可编程性,接口芯片分成硬布线逻辑接口芯片和可编程接口芯片。 • 可编程接口芯片的功能可以由指令来控制。 • 按照数据传输宽度分类:串行接口和并行接口。 • 按照数据传送的控制方式分类:程序控制输入输出接口、程序中断输入输出接口和DMA接口。

  9. 二、接口的基本功能 • 实现主机和设备之间的数据传送控制。其中包括同步控制、设备选择和中断控制等。 • 实现主机和设备之间信息交换过程中的数据缓冲,以达到速度匹配。 • 接受主机的命令,提供设备的接口状态,并按照主机的命令控制设备。 • 提供主机和设备之间信息交换过程中的其他特别需求支持,如码制转换、电平转换。

  10. 6.4.2 接口电路的基本结构 • 接口电路通常包含一组能够与处理器交换信息的寄存器,称为I/O端口寄存器,简称为I/O端口。 • 数据端口——存放数据信息 • 状态端口——存放状态信息,即反映外设当前工作状态的信息 • 控制端口——存放控制信息 • 状态信息与控制信息可以广义地看作数据信息,因此可以通过数据总线传送。

  11. 6.4.3 串行通讯和串行接口 • 串行通信基础 • 可编程串行通信接口8251

  12. 一、串行通信基础 1.串行通信的概念:所谓串行通讯是指外设和计算机间使用一根数据信号线一位一位地传输数据,每一位数据都占据一个固定的时间长度。 注:“串行”是指外设与接口电路之间的信息传送方式,CPU与接口之间仍按并行方式工作。

  13. 2. 信息传输的检错和纠错 • 串行数据在传输过程中,由于干扰可能引起信息的出错。 • 最简单的检错方法是奇偶校验,即在传送字符的各位之外,再传送1位奇/偶校验位。可采用奇校验或偶校验。 • 奇校验:所有传送的数位(含字符的各数位和校验位)中,1的个数为奇数 • 偶校验:所有传送的数位(含字符的各数位和校验位)中,1的个数为偶数 • 奇偶校验能够检测出1位误码,但是不能纠错。

  14. 3. 串行数据传输方式 全双工方式:通讯双方能同时进行发送和接收操作。

  15. 3. 串行数据传输方式 半双工方式:只有1根数据线传送数据信号,要求通讯双方的发送和接收由电子开关切换。 单工方式:只允许数据按照一个固定的方向传送

  16. 4. 传输速率 在串行通讯中,用波特率来描述数据的传输速率 波特率,即每秒钟传送的二进制位数,简写为bps ‘T’为位周期,接收时钟/发送时钟是波特率的倍数,称为波特率因子。例如波特率因子为32,则32个时钟脉冲移位1次( 即1个位时间T)。 例:波特率=9600bps,波特率因子=16,则 接收时钟和发送时钟频率=9600×16=153600Hz

  17. 5.串行通信的类型 • 串行通讯可以分为两种类型:同步通讯、异步通讯。 • 异步通讯:一个字符一个字符地传输,每个字符一位一位地传输,传输一个字符时,以起始位开始,然后传输字符本身的各位,接着传输校验位,最后以停止位结束该字符的传输。一次传输的起始位、字符各位、校验位、停止位构成一组完整的信息,称为帧(Frame)。 • 帧与帧之间可有任意个空闲位。

  18. 异步通讯 • 异步通讯可以采用正逻辑或负逻辑 • 异步通讯的信息格式 • 起始位 逻辑0 1位 • 数据位 逻辑0或1 5位、6位、7位、8位 • 校验位 逻辑0或1 1位或无 • 停止位 逻辑1 1位、1.5位或2位 • 空闲位 逻辑1 任意数量

  19. 异步通讯 例:传送8位数据45H(0100,0101B),奇校验,1个停止位,则信号线上的波形为

  20. 同步字符 字符1 字符2 …… 字符n 校验字符 数据块 同步通讯 • 靠同步字符完成收发双方同步。 • 多个字符成组传送,在每组信息的开始,加上同步字符,字符组和同步字符以及需要的其他字符构成一个信息帧。

  21. 例1. 假设某外设向CPU传送信息,最高频率为40K次/秒,而相应的中断处理程序的执行时间为40S,问该外设是否可采用中断方式工作?为什么? 解:由题意可知CPU传送一次信息所需的时间为:1s/(40×103)=1×106S/ (40×103)=25S 而执行一次中断处理程序的执行时间为 40S>25S 因此不可以采用中断方式工作。

  22. 解: (1)设数据传送波特率为x位/秒,为了满足打印机的数据要求,应使下式成立: x ×0.8×2 /8>=(760×132)/60 x>=8360位/秒 所以,应选择9600位/秒 例2. 某行式打印机打印速度为每分钟760行,每行132字符。打印机经异步串口与主机相连。设传送效率为0.8,但在传送前将数据进行压缩处理,使得传送效率提高一倍。则 (1)串口的波特率应选择: 2400位/秒,4800位/秒,9600位/秒 (2)若打印机以中断方式与CPU传送数据,上述数据压缩处理是否影响打印速度。 (2)选择9600位/秒后,上面不等式一定成立,数据压缩处理不会影响打印速度。

  23. 6. 信号的调制和解调 • 数字信号的频带宽,而普通通信线路频带较窄,如电话线频带范围仅300~3400Hz • 所以采用普通通信线路进行远程数据通信时,需要在发送端用调制器(Modulator)把数字信号转换为模拟信号,模拟信号经通信线路传送到接收方,接收方再以解调器(Demodulator),把模拟信号变为数字信号。 • 大多数情况下,调制器和解调器合在一个装置中,称为调制解调器——Modem。

  24. 6. 信号的调制和解调 在通讯中,Modem起着传输信号的作用,是一种数据通讯设备(Data Communication Equipment),简称DCE。 接收设备和发送设备称为数据终端设备(Data Terminal Equipment),简称DTE。

  25. 7. 串行通信接口的基本组成

  26. 8.串行通信的接口标准 • 在串行通信中,DTE和DCE之间的连接要符合接口标准。 • 计算机通信中使用最普遍的是RS-232C标准。 • PC机上的COM1、COM2接口,就是RS-232C接口,使用9针和25针连接器。

  27. 串行通信的接口标准

  28. 串行通信的接口标准 TDX 发送 RDX 接收 SG 信号地 DSR DCE准备好 DTR DTE(即微机接口电路,如8250/8251)准备好 RTS DTE请求DCE发送 CTS DCE允许DTE发送,该信号是对RTS信号的回答。 DCD 数据载波检出 当本地DCE收到对方的DCE设备送来的载波信号时,使DCD有效,通知DTE准备接收,并且由DCE将接收到的载波信号解调为数字信号,经RXD线送给DTE。 RI 振铃信号 当DCE收到交换机送来的振铃呼叫信号时,使该信号有效,通知DTE已被呼叫。

  29. 串行通信的接口标准 • RS-232-C采用负逻辑,且信号电平与TTL不兼容 负逻辑:‘0’>+4V, ‘1’<-3V TTL电平:‘0’<0.8V, ‘1’>2.0V • 串行接口芯片8250、8251均使用TTL电平,应使用电平转换电路与RS-232C连接器连接。 MC1488:TTL电平→RS232电平 (用于发送方) MC1489:TTL电平←RS232电平 (用于接收方)

  30. 串行通信的接口标准

  31. 采用Modem(DCE)和电话网通信时的信号连接

  32. 采用专用线通讯时的信号连接

  33. 无Modem的标准连接

  34. 无Modem 的最简连接

  35. 串行通信的接口标准 无Modem时,最大通讯距离的计算: RS-232C标准规定:当误码率小于4%时,要求导线的电容值应小于2500PF。 普通导线的电容值约为170PF/M。 则允许距离L=2500PF/(170PF/M)=15M

  36. 二、可编程串行通信接口8251 • 通过编程,可以实现异步通讯协议或面向字符的同步通讯协议,波特率:同步方式下:0-64Kbps;异步方式下:0-19.2Kbps。 • 同步传送时:每字可为5~8bits,可用内或外同步,能自动插入同步字符,自动添加奇偶校验。 • 异步传送时:每字可为5~8bits,接收和发送时钟可为1,16或64倍的波特率。自动增加起始位、停止位和校验位。可用1,1.5或2位停止位。具有检测奇偶错、数据丢失错和帧错的能力。全部入/出信号为 TTL 电平。

  37. 8251的结构 模式寄存器:决定工作于同步或异步模式以及接收和发送的字符格式。 同步字符寄存器:存放同步模式下的同步字符。

  38. 模式寄存器的格式(方式字) D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 Y( D1D0 = 00 ) N ( D1 D0 0 0 ) TxC , RxC 同步? 规定帧控制 确定字符长度 波特率因子 D6: 外同步检测 0 内同步 00 无效 00 5bits 00 同步方式 SYNDET为输入 01 1个 停止位 01 6bits 01 异步1倍 10 1.5个停止位 1 外同步 10 7bits 10 异步16倍 SYNDET为输出 11 2个 停止位 11 8bits 11 异步64倍 对奇偶校验的规定 D7: 同步字符 X0 不校验 0 双同步字符 01 奇校验 1 单同步字符 11 偶校验

  39. D0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 EH RTS ER SBBK RxE DTR TxEN IR 发包 信号 请求发送信号,使出 为低 使三个出错标志位复位 接收器使能信号,1有效 数据终端就绪,使出 为低 发送器使能信号,1有效 搜索同步字符 发软 信号 BREAK RESET /RTS /DTR 控制寄存器的格式(命令字)

  40. D0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 SYNDET TxE TxRDY DSR FE OE PE RxRDY 并到串的发送器空,1有效 接收器就绪信号,1有效 发送器就绪信号,1有效 数据设备就绪,1有效 数据帧错 溢出错 奇偶错 同步检测信号 状态寄存器的格式(状态字)

  41. 1个停止位 16*波特率 无奇偶校验 字符为 8 bits 不用 允许发送 不用 请求发送 错误标志复位 数据终端准备好 允许接收 TEC-2000 机串行口初始化的程序 方式设置:0 1 0 0 1 1 1 0 MVRD R0,4Eh OUT 81h MVRD R0, 37h OUT 81h 命令设置: 0 0 1 1 0 1 1 1 对 OUT 指令而言, 81h、83h 为控制寄存器地址; 对 IN 指令而言, 81h、83h 为状态寄存器地址;

  42. 6.4.4 并行接口 • 并行接口的特点 • 可编程并行通信接口芯片8255

  43. 一、并行接口的特点 • 并行接口是在多根数据线上,以字节/字为单位与I/O设备交换数据。

  44. 并行接口8255 /CS 2 8 A0~A1 端口A /WR 8255A 8 并行输入 /RD 端口B 输出芯片 RESET 8 8 端口C D0~D7 8255没有状态寄存器

  45. 6.4.5 USB接口 • USB(Universal Serial Bus) , Intel 公司开发的通用串行总线架构,是一种通用万能插口: • 用户不必再设置卡上、设备上的开关或跳线 • 不必打开机箱来安装新的输入输出设备 • 只需要一根电缆线就可以将所有设备连接起来 • 输入/输出设备应可以从电缆上得到电源 • 单台计算机最多可以连接127个设备 • 系统应能支持实时设备(声卡、电话) • 可在计算机运行时安装设备 • 不必重新启动计算机 • 成本低

  46. 主机 ROOT HUB Hub A Hub B Device A Device B Device C USB系统的组成 USB系统由USB主机(HOST)、集线器、连接电缆、USB外设组成

  47. USB帧 • 控制帧 • 配置设备,对设备发出命令,查询设备状态 • 同步帧 • 实时设备同步 • 块传送帧 • 非实时设备的大量数据传送 • 中断帧 • 发出中断帧,收集设备数据

  48. USB线缆 • 有4根线组成,电源、地和双数据线。 • 同步传输方式

  49. 6.4.6 SCSI接口 • 小型计算机系统接口(Small Computer System Interface)SCSI • 1986年成为国际标准,1991年扩充为SCSI-2 • 成为主机和智能外设连接的统一I/O接口 • 单端输出和差分输出两种输出方式 • 50根线的扁平电缆,25根地线,8位数据线,9条控制线,1根奇偶校验线,其余备用。 • 最多可连接8个设备(包括主机适配器),每个设备有一个ID(设备码)。 • 采用集中式菊链仲裁。

  50. SCSI接口信号线(参见P354图10.19)