第7章主机与外部设备的信息交换

第7 章 主机与外部设备的信息交换
——本章简单介绍总线和接口的基本 概念，以及I/O指令的设备；然后详细 讨论三种I/O传送控制方式及相应的接 口，重点放在中断方式上；最后讨论 系统总线的组成和操作时序。
学习目标
❖掌握：I/O接口的基本功能与组成，同步
总线与同步扩展总线，异步总线（应答关 系）。直接程序控制方式。
❖熟练掌握：中断方式（定义、特点、应用、
中断接口、中断过程、向量中断方式）， DMA（定义、特点、应用、DMA过程。
❖理解：接口分类，系统总线的信号组成。 ❖了解：IOP。
§7.1 总线与接口
§7.1.1 主机与外部设备的连接方式 §7.1.2 系统总线的功能与分类 §7.1.3 接口的功能与分类
2、总线的分类：
（1）按总线在系统中的作用划分
CPU内部总线——也称CPU内总线，用来连接 CPU内的各个寄存器与算术逻辑运算部件。
部件内总线——也称片级总线，用来连接插件 板上的各个芯片，常称为局部总线。
系统总线——也称板级总线，用来连接计算机 系统内各个大功能部件。包括三总线：地址线、 控制线、数据线。
局部总线
CPU 主存 接口
接口 IOP
I/O
I/O
IOP即输入输出处理机，它的结构和 功能与CPU类似，有自己的指令系统， 可以进行信息的码制转换、数据格式 更换、字带与字的装配和拆卸、数据 传送的检测与纠错等预处理操作。
接口 I/O
局部存储器
接口 I/O
2、多总线连接方式
为提高信息的传输效率，在 一些连接高速I/O设备的系 统中，设备多组总线。
§7.5.1 总线标准及信号组成 §7.5.2 总线的操作时序 不做要求 §7.5.3 典型总线举例
§7.1 总线与接口
§7.1.1 主机与外部设备的连接方式
CPU
主存
接口
接口
外设经I/O接 口到系统总线 上，再通过系 统总线与主机 相连。
I/O设备
I/O设备
图1-1 常见计算机硬件系统结构
1、带有IOP的总线连接方式
CPU 主存
主机
系统总线控制器
接口
接口
高速I/O
高速I/O
系统总线
接口 I/O
接口 I/O
在传统大型机中采 用通道连接方式， 即……（P301）。
§7.1.2 系统总线的功能与分类
总线是一组能为多个部件分时共享的公 共的信息传送线路，以及相关的总线协 议和相应的控制逻辑。 1、总线的功能：是以共享、分时的方式 为多个部件提供信息交换通路。 几个概念：（教材P302） （1）共享 （2）分时 （3）总线协议
DMA接口——是指接口与主存之间采用DMA方 式进行数据交换。传送控制功能主要由DMA控 制器承担。
§7.2 I/O指令与直接程序控制方 式
实现主机与外设之间的信息传送，采取 I/O传送控制方式，也称为信息交换方法。
在一般的系统中采用直接程序控制方式、 程序中断方式和DMA方式。
在大型系统中可采用通道方式或IOP方式。
1、I/O接口的基本功能
（1）寻址
（2）数据缓冲 （3）预处理
（具体内容见教材P304页）
（4）控制功能
3、I/O接口的分类：
（1）按数据传送格式划分
并行接口——是指接口与系统总线之间、 接口与外设之间均按并行方式传送数据。
串行接口——是指接口与外设之间采取 串行方式传送数据，接口与系统总线之 间仍按并行方式进行传送。
线 异步事件 变化。
单。。
同步化。
为广义上 的同步总 线范畴。
备注：CPU内总线和局部总线采用同步总线，系统
总线采用扩展同步总线或异步总线，外总线则多为 异步总线。
§7.1.3 接口的功能与分类
接口是两个部件之间的交接部分，或称界 面。（硬件接口、软件接口、软硬接口）
I/O接口是指主机和外设之间的硬件接口。
（3）按时序控制方式划分
定义 典型作法
特点
指根据 先由部件
各部件 甲向部件
异 步 总 线
的实际 需要， 以异步 应答方 式控制
乙发出传 送请求信 号，然后 启动总线 传送（读
总线传 传送或写
送操作。传送）。
无固定的时钟 周期划分，用 异步应答方式 控制传送，用 于传送操作的 总线周期可长 可短，时间利 用率很高，但 控制较复杂。
适用范围
适用于各 部件传送 速度差异 较大，距 离较长、 传送时间 不确定的 场合。
（3）按时序控制方式划分
定义
典型作法 特点 适用范围
采用以同 以时钟周期 周期长
扩 步方式为 为时间基准， 度不固
展 基础，部 总线周期所 定，时
同 分 引入异 包含的时钟 间利用
步 步控制的 周期数可以 率高，
总 做法，使 根据需要而 控ห้องสมุดไป่ตู้简
外总线——也称通讯总线，用来连接多个计算 机系统，或连接计算机系统与甚设备。
（2）按数据传送格式划分
并行总线——有多根数据线，可同时传 送多个数据位，因而传送速度快。计算 机系统内部的总路线多采用并行总线。
串行总线——有一根数据线，串行逐位 地传送数据，传送速度慢，但节省传送 线。外总线多采用串行总线，以降低通 讯线路的成本，实现远距离传输。
（3）按时序控制方式划分
定义
指总线 传送操 作由统 同 一的同 步 步时序 总 信号控 线制
典型作法
由CPU或专 门的系统时 钟提供统一 时序，在固 定的时钟周 期内传送数 据，用同步 脉冲定时将 数据打入目 的地。
特点
适用范围
有严格的时 适用于系 钟周期划分， 统内各部 传送操作所 件之间的 需的总线周 传送时间 期可能包含 差异较、 若干个固定 传送时间 的时钟周期， 确定、传 控制简单， 送距离较 时间利用率 短的场合。 低。
§7.2 I/O指令与直接程序控制方式
§7.2.1 I/O指令 §7.2.2 直接程序控制
§7.3 程序中断方式
§7.3.1 中断基本概念 §7.3.2 中断接口模型 §7.3.3 中断过程
§7.4 DMA方式
§7.4.1 DMA基本概念 §7.4.2 DMA初始化及DMA传送过程
§7.5 系统总线
（2）按传送控制方式划分（P306）
直接程序传送接口——指接口与CPU之间的信 息传送采用直接程序控制方式。即CPU在其程 序中访问接口，查询设备的状态，以决定等待 还是执行数据传送操作，
中断接口——是指接口与CPU之间的采用中断 方式进行联络，即接口向CPU申请中断，CPU 响应后执行中断服务程序，与接口进行信息交 换。