工信版（中职）计算机原理模块七教学课件

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1、,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,YCF,（中职）计算机原理模块七教学课件,模块7 输入/输出与中断,任务1 I/O接口,7.1.1 数据输入/输出概述,7.1.2 I/O接口功能,7.1.3 I/O接口组成,7.1.4 I/O端口编址,7.1.5 I/O接口分类,下一页,模块7 输入/输出与中断,任务2 中断,7.2.1 中断的基本概念,7.2.2 中断向量表,7.2.3 DMA I/O控制方式,上一页,任务1 I/O接口,除了存储器这个地址空间外，计算机中还有一个I/O端口寄存器地址空间，这是专门针对输入/输出外设而言的。这些外设同微

2、处理器交换数据时都不直接挂到外部总线上，而必须通过专用的接口电路与输入/输出指令。本模块首先介绍了这方面的一些基本知识，以便于学习后续的中断技术。,中断(Interrupt)在计算机技术中是一个非常重要的基本概念，中断系统是计算机系统中一个十分重要的子系统。本模块将对实模式下中断系统的工作原理与操作过程、异常中断、软件中断与硬件中断以及中断的应用设计进行系统的描述。,下一页,返回,任务1 I/O接口,7.1.1数据输入/输出概述,计算机的工作过程概括起来，可分为3个阶段，即数据输入、数据处理和结果输出。用以输入数据和输出结果的设备分别称为输入设备和输出设备，统称为外部设备，简称外设。外设通过专

3、门的接口电路与主机连接，在主机的控制下进行工作。外设、接口电路及其相关的程序统称为计算机的输入/输出系统，简称I/O系统。,I/O接口泛指主机与外部设备或其他计算机之间通过总线连接所用到的电路，也称为适配器。计算机有多种外部设备，由于速度和信号类型的缘故，往往不能直接与主机连接，而需要专门的接口电路和相关的程序进行转换。例如，显示器通过显卡与主机连接，并由相应的程序完成信号转换及显示工作;又如，计算机通过网卡或Modern与外部网络连接。,因此，I/O系统也是计算机系统的重要组成部分。,下一页,返回,上一页,任务1 I/O接口,7.1.2 I/O接口功能,1.信号转换,在计算机内部，只能识别和

4、处理二进制数据。因此，外部设备必须将采集到的各类信息转换成二进制数据，才能输入给计算机。同样，计算机输出的二进制数据也要转换成一定形式的媒体信号，去控制外部设备或者以人们习惯的形式显示以及记录下来。即使两台计算机之间的数据传送，也存在数据格式的转换与匹配、传送方式的设置、调制与解调等过程。因此，进行信号转换是I/O系统的基本功能，包括电信号与非电信号之间的转换、数字量与非数字量之间的转换、编码与解码以及传送方式的转换等。对于多媒体设备，还包括音频、视频信号的转换与处理。,下一页,返回,上一页,任务1 I/O接口,2.数据缓冲与时序匹配,主机速度快，而大多数外部设备速度慢。这样，外设与CPU或主

5、存直接传送数据时，可能会导致数据丢失;或者使CPU等待外设的输入/输出，而影响CPU的工作效率。因此，一般在外设接口中设置缓冲器或者有一定容量的缓冲存储器。CPU送给外设的数据先锁存到缓冲器中，然后通知外设取走;或者外设送给CPU的数据先存入缓冲器中，然后由CPU读取。这样，借助于缓冲器，可实现CPU与不同速度的外设之间的时序匹配。例如，一般显卡中都配置有一个容量为128MB一768MB的缓冲存储器。,3.电气特性匹配,计算机内部的信号通常是TTL电平，而外设的输入/输出信号有TTL电平、CMOS电平或其他规格的电平。当电平不同时，需经接口电路进行电平转换。如果信号微弱，需由接口电路放大，以增

6、强其驱动能力。,下一页,返回,上一页,任务1 I/O接口,4.可编程功能,一般接口电路有多种工作方式，可通过编程进行设置或者选择。为了实现编程，在接口电路中一般都设有可寻址的控制字寄存器和状态字寄存器。控制字寄存器可由CPU写入控制字，设置接口的工作方式;状态字寄存器可由CPU查询，了解外设的当前状态。,5.数据类型转换,在计算机内部，数据是以并行的方式存储与处理的，因此对于以串行方式传送数据的设备来说，就存在一个并/串转换或串/并转换的过程。另外，有些设备还要求接口电路能够实现ASCII码、BCD码甚至汉字数符的转换等。,下一页,返回,上一页,任务1 I/O接口,7.1.3 I/O接口组成,

7、I/O接口,7-1,所示，处于CPU和I/O设备之间。在CPU一端，传送地址、数据和控制信号;在I/O设备一端，传送控制信号、数据和状态信息。因此可以说，接口是CPU与外部设备之间进行数据转换与传送的部件。一般包括I/O地址译码器、数据输入/输出接口(缓冲与格式转换)、控制寄存器、状态寄存器、中断控制逻辑与中断向量寄存器等部件。它所传送的信息，可分为以下3种类型。,1.数据,数据是输入/输出设备传送的基本信息。在输入过程中，数据经输入设备传送给CPU,或存入存储器中;在输出过程中，数据经输出设备显示、打印，或者传送到其他设备。在接口电路中，设有数据锁存与缓冲器，对输入/输出的数据进行锁存或者缓

8、冲;在有些情况下，还需要进行格式或编码转换。,下一页,返回,上一页,任务1 I/O接口,2.地址,在一个计算机系统中，外部设备往往有多个，为此分配有不同的地址，以便识别。这样，在进行数据输入/输出时，首先要发送地址，经译码器选择某一外部设备。因此，在接口电路中设有地址锁存器与译码器。,3.状态与控制信号,状态信号反映的是外设的工作状态，一般存放在接口中的状态寄存器中，CPU可读取检查，了解外部设备的工作状态。,控制信号是CPU向外设发出的I/O控制命令，经接口传送给外部设备，实现相应的I/O操作。通过接口电路，还可以增强信号的驱动能力。,在I/O接口电路中，各寄存器都可作为一个端口设置地址。C

9、PU通过地址对其访问或者编程，例如，设置参数，选择工作方式，读取状态标志或中断向量，传送数据等。,下一页,返回,上一页,任务1 I/O接口,7.1.4 I/O端口编址,在I/O接口电路中，每一个可由CPU直接访问的部件或寄存器统称为端口，在硬件设计时可对其分配地址，也称为编址。编址的方法有两种，即统一编址和独立编址。,1.统一编址,统一编址是把外部设备的端口地址与存储器地址统一编排。即在主存空间中划出一部分区域用作I/O地址，使输入/输出变成对某个地址单元的读/写操作。在这种方式下，CPU可使用访问主存的指令访问外部设备，而不需要专门的I/O指令。但是，I/O端口占用了主存地址空间，使主存容量

10、减少。,下一页,返回,上一页,任务1 I/O接口,2.独立编址,独立编址是对I/O端口和主存分别编址，即主存地址空间和I/O地址空间，两者的地址都是从。开始。CPU访问时，通过专门的选通信号IO/M确定地址总线上传送的是I/O地址还是主存地址。例如，IO/M信号为高电平时，表示I/O地址;当IO/M信号为低电平时，表示主存地址。采用独立编址，I/O地址空间不占用主存空间，但是需要专门的I/O指令。目前的Pentium微处理器采用的就是这种独立编址方式。,另外，也可以把二者结合起来，构成混合编址方式。即一部分I/O地址独立，一部分与主存空间合为一体。,下一页,返回,上一页,任务1 I/O接口,7

11、.1.5 I/O接口介类,接口处于主机与外部设备之间，但是接口与外部设备之间的界面并不十分严格。因为有些外部设备为了便于连机使用，兼有部分接口功能。也有些接口独立于外部设备，制成专门的接口板。这样，就形成不同类型的接口板，而且有不同的分类方式。,1.按照传输信号分类,按照传输信号分类，可分为数字量输入/输出接口和模拟量输入/输出接口。对于数字量信号，计算机可以通过数字量接口直接与输入/输出设备进行连接。对于模拟信号，则要通过A/D转换器转换成数字量信号输入给计算机。输出时，再使用D/A转换器将数字量信号转换成模拟量信号输出给外部设备或现场控制设备。这就要求模拟接口除具备数据传输功能之外，还要具

12、备A/D与D/A转换功能。,下一页,返回,上一页,任务1 I/O接口,2.按照传输数据方式分类,按照传输数据的方式，可分为并行输入/输出接口和串行输入/输出接口。,并行输入/输出接口:多位数据同时传送，传输效率高。但是它要求有多条数据线与接口电路连接，传输线的宽度与数据的位数一致，而且各条数据线的电气特性也要一致。这种接口成本较高，传输距离受到一定的限制。,串行输入/输出接口:按位传输，即一位一位地通过数据线。这种方式效率较低，但是传输线少，结构简单，成本低，适合远距离传输。例如，主机与键盘、鼠标、显示器等外部设备的连接，就是通过串行接口进行的。由于在计算机中数据是并行存储与处理的，因此串行接

13、口都配有并/串转换和串/并转换电路。,下一页,返回,上一页,任务1 I/O接口,3.按照传输控制方式分类,按照传输控制方式分类，可分为直接/查询方式、中断控制方式和DMA方式的接口。另外，还有通道和I/O处理机等。,返回,上一页,任务2中断,任何一种类型的计算机，包括微控制器(或称单片机)都离不开中断技术，它们对中断的处理机理大同小异。任务2描述中断系统的基本概念与基本工作原理、中断产生的过程和其他若干技术问题。,7.2.1中断的基本概念,1.中断的引入,CPU不仅要进行繁琐的数据运算与处理内部复杂事务，还必须随时同各类外设交换信息，仅以键盘输入为例，只要有键按下，微处理器就应立即响应。这里有

14、两种处理办法。其一，是让CPU不断地查询外设的状态，一刻不停地监视键盘“有无按键输入”。于是CPU浪费了很多时间去反复查询等待键盘，工作效率极低。其二，是让CPU平时不顾外设而独自处理自己的事务，届时让外设主动向CPU报告，例如，一旦有按键输入，,下一页,返回,任务2中断,键盘立即主动向CPU报告，CPU马上中止当前的操作，保护好操作现场后即与键盘通信读入按键值，然后作相应处理。键盘处理完成后再恢复原来的现场，继续原操作，这就是中断的思路。,所谓中断就是由于发生了某种必须及时处理的事件，使CPU暂停当前程序的执行，而转去处理临时发生的该事件，处理完毕后再返回继续执行暂停的原程序。能够产生中断请

15、求的事件或者外设称为中断源。,计算机中引入中断的概念后获得了以下明显的效果。,同步操作:CPU与外设在一定程度上做到了并行操作，从而大大提高了计算机的整机效率。,实时处理:要求及时处理的事务向CPU请求中断，CPU立即响应并作处理，使系统达到实时要求。,下一页,返回,上一页,任务2中断,故障处理:计算机在运行过程中，有时会出现事先预料不到的故障现象，将这些故障作为中断来响应就达到了自动处理的功能，提高了整机的可靠性。,2.中断优先权与中断嵌套,在一个PC系统中有许多外设，因而一个中断系统中就有多个中断源，有时可能会有几个中断源同时发生中断请求，这时CPU该优先处理哪个中断服务呢?这里就有一个中

16、断优先级别的问题。必须将系统中所有的中断源按实时性要求或者其他规则排队，高优先级的中断总是优先被处理，待后再依次处理其他级别较低的中断。,优先级顺序有多种排队方法，比较常用的有固定法与循环法等，前者是固定各中断源的优先级别，使用中不可改变。后者则是非固定的，各中断源的优先级依某种规则发生变化，例如，可以采取自然排队的方案，先服务的自动排在末尾，优先级别最低，按此时间顺序排队。,下一页,返回,上一页,任务2中断,除中断排队外，还有一种情况是当CPU正在进行中断服务处理时又出现了新的中断请求。正常的处理办法是，只要新的中断的优先级低于当前被服务的中断，CPU暂不理会，待当前中断服务结束后再作处理。但是当新的中断的优先级高于当前被服务的中断时，那么当前较低优先级的中断必须暂停服务，CPU转去响应更高优先级的中断。从而使得较高优先级的中断可以打断当前正被处理的中断。这样就出现了中断嵌套，如,图7-2,所示，可以嵌套的最多层数由微处理器的功能确定。,3.中断源的分类,中断可以分为软件中断(Software Interrupts)与硬件中断(Hardware Interrupts)两大类，两者之中