第五章_IO系统
io设备课程设计
io设备课程设计一、教学目标本课程的教学目标是使学生掌握io设备的基本原理、分类、工作方式和主要性能指标，能够正确选用和使用io设备，提高计算机系统的运行效率。
具体分解为以下三个层面：1.知识目标：学生需要了解io设备的硬件结构和软件接口，掌握各种io设备的工作原理、性能指标及应用场景。
2.技能目标：学生能够根据实际需求选择合适的io设备，进行基本的安装、调试和优化。
3.情感态度价值观目标：培养学生对io设备的正确使用和维护意识，提高学生对计算机系统的整体性能的重视。
二、教学内容本课程的教学内容主要包括io设备的基本原理、分类、工作方式和主要性能指标。
具体安排如下：1.第一章：io设备概述，介绍io设备的概念、分类和性能指标。
2.第二章：io设备的工作方式，讲解io设备的数据传输方式、中断处理和直接内存访问（DMA）。
3.第三章：io设备的硬件结构，包括io接口、总线和存储器等方面的知识。
4.第四章：io设备的软件接口，介绍io设备的驱动程序和应用程序的编写方法。
5.第五章：常见io设备，分析硬盘、显示器、键盘、鼠标等常见io设备的工作原理和性能。
6.第六章：io设备的选购与维护，讲解如何选择合适的io设备以及如何进行维护和优化。
三、教学方法为了提高学生的学习兴趣和主动性，本课程将采用多种教学方法相结合的方式：1.讲授法：教师通过讲解io设备的基本原理、分类和工作方式，使学生掌握相关知识。
2.案例分析法：分析实际案例，使学生更好地理解io设备的工作原理和应用场景。
3.实验法：安排实验室实践环节，让学生亲自动手操作io设备，提高实际操作能力。
4.讨论法：学生进行小组讨论，分享彼此的学习心得和经验，促进互动交流。
四、教学资源为了支持本课程的教学内容和教学方法的实施，我们将准备以下教学资源：1.教材：《io设备教程》，为学生提供系统、全面的io设备知识。
2.参考书：推荐一些有关io设备的经典著作，供学生深入研究。
精选设备管理IO设备
第五章 设 备 管 理
3) 这种分类方式可将I/O (1) 独占设备。 (2) (2) 共享设备。 (3) (3) 虚拟设备。
第五章 设 备 管 理
2. 设备与控制器之间的接口
至设备 控制器
数据信号线 状态信号线
控制信号线
I/O设 备 缓冲 转换器
控制逻辑
信号 数据
图 5-1 设备与控制器间的接口
第五章 设 备 管 理
5.1.2 设备控制器
1. 设备控制器的基本功能 1) 接收和识别命令 2) 2) 数据交换 3) 3) 标识和报告设备的状态 4) 4) 地址识别 5) 5) 数据缓冲 6) 6) 差错控制
第五章 设 备 管 理
2. 设备控制器的组成
CPU与 控 制 器 接 口
数据线
地址线 控制线
T3(缓 冲 3)
T4(缓 冲 4)
(b)
M1
M2
M3
M4
C1
C2
C3
C4
(2) 内存地址寄存器MAR。在输入时，它存放把数据从 设备传送到内存的起始目标地址；在输出时，它存放由内存 到设备的内存源地址。
(3) 数据寄存器DR。用于暂存从设备到内存，或从内存 到设备的数据。
(4) 数据计数器DC。 存放本次CPU要读或写的字(节)数。
第五章 设 备 管 理
3. DMA工作过程 设置AR和DC初值
一是其指令类型单一，这是由于通道硬件比较简单， 其所能执行的命令，主要局限于与I/O操作有关的指令； 再 就是通道没有自己的内存，通道所执行的通道程序是放在主 机的内存中的， 换言之，是通道与CPU共享内存。
第五章 设 备 管 理
2. 通道类型 1) 字节多路通道(Byte Multiplexor Channel)
第五章 IO端口、输入捕捉
• 图5-2： 共用的端口结构框图
• 5.3.1 I/O 与多个外设复用
• 对于有些dsPIC30F 器件，尤其是那些带有少量 I/O 引脚数较少的器件，其每个I/O 引脚可能要 复用多种外设功能。图5-2 所示为两个外设与同 一个I/O 引脚复用的示例。
• 和TRISx 寄存器以及该端口引脚将读作0
5.3 外设复用
• 当某个外设使能时，与其相关的引脚将被禁止作为通 用I/O 引脚使用。可以通过输入数据路径读该I/O 引脚， 但该I/O 端口位的输出驱动器将被禁止。
• 与另一个外设共用一个引脚的I/O 端口总是服从于该外 设。外设的输出缓冲器数据和控制信号提供给一对多 路开关。该多路开关选择是外设还是相关的端口拥有 输出数据的所有权以及I/O 引脚的控制信号。图11-2 显示了端口如何与其他外设共用，以及与外设连接的 相关I/O 引脚。
• 参照图5-2，外设多路开关的结构将决定外设输 入引脚是否可以通过使用PORT 寄存器用软件控 制。
• 当图中所示的概念化的外设在功能被使能时，会断开 I/O 引脚与端口数据的连接。一般而言，下列外设允许 通过PORT 寄存器手动控制它们的输入引脚：
• 外部中断引脚 • 定时器时钟输入引脚 • 输入捕捉引脚 • PWM 故障引脚 • 大多数串行通信外设在使能时，将完全控作0 • bit 13 ICSIDL：输入捕捉模块在空闲时停止控制位 • 1 = 输入捕捉模块在CPU 空闲模式将停止 • 0 = 输入捕捉模块在CPU 空闲模式将继续工作 • bit 12-8 未用：读作0 • bit 7 ICTMR：输入捕捉定时器选择位 • 1 = 捕捉事件时捕捉TMR2 的内容 • 0 = 捕捉事件时捕捉TMR3 的内容 • 注： 可供选择的定时器可能会和上述不同。 更多详细
CXServer手册五（44-53）
OMRON 第五章－IO表组件第五章IO表组件本章叙述适用于C系列PLC、CV系列PLC和CS1系列PLC的IO表组件，及其创建、恢复和编辑经过配置的PLC机架和地址数据的能力。
IO表组件允许使用适用的硬件作为参考，在PLC内配置机架、槽和单元。
一个PLC具有三个版本的IO表，这些表在理论上应该具有相同的内容。
IO表组件的编辑允许操作表的内部版本和修改PLC硬件如何配置的视图。
这三个版本是：♦实际IO表。
上电时PLC单元和槽的实际硬件配置。
♦注册IO表。
内部PLC表：这是PLC运行时使用的表，不管实际硬件的状态如何它可以由CX-Server软件读出，并且对于C2000 PLC、CV系列PLC和CS系列PLC，它还可由CX-Server软件写入。
♦CX-Server IO 表。
CX-Server 理解的IO配置。
它可直接创建和修改，与PLC无关，并且可用程序传送（对于CV系列和CS1系列PLC）。
可以通过PC改变注册表和CX-Server表，但实际配置需要对PLC硬件的直接操作。
只能把C2000、CV和CS1系列PLC的注册IO表传送到PLC。
对注册IO表中的各个IO单元的编辑只在C1000H、C2000H、CS1系列和CV系列PLC上有效。
IO表组件显示为一个分层结构。
IO表视图可扩大以显示所有远程终端（RT）和IO的条目。
可显示活动的PLC的所有机架和单元，尽管它们未必全部在使用中。
可显示对应于每个机架、槽或单元的地址和IO字串，用于表示单元的输入和输出特性。
状态栏显示所选的PLC和CPU型号，以及PLC的当前操作方式。
当增加一个远程终端（RT）时，它可被扩展以提供终端视图，显示该远程机架上的所有条目。
机架左边的图标表示安装在扩展机架的单元、SYSBUS/SYSBUS2远程机架或IO终端。
为查看IO表的内容，双击某机架。
每个槽的单元地址将显示在括号中。
44OMRON 第五章－IO 表组件45此图标代表一个空机架。
计算机控制(第五章开关IO电机控制步进电机)
（七）电磁阀接口技术 电磁阀对气体、液体管道的开关进行控制。广泛应用于液 压机械、空调系统、热水器、自动机床等系统中。 电磁阀可分为交流和直流两类，根据其阀位和通道数目有 两位三通、两位四通、三位四通等。 下图为电磁阀的结构原理图。
交流电电磁阀常要使用双向可控硅驱动或用一个直流继 电器作为中间继电器控制。
下图为交流电磁阀的接口电路。MOC3041为光电耦合 器，用于触发双向晶闸管KS，以及隔离单片机和电磁阀系统。
（八）报警程序的设计
常用的报警方式有： 1、 声语言报警：电铃，电笛，频率可调的蜂鸣震 荡音响，集成电子音乐芯片，语音芯片等。 2、 显示报警：LED指示灯，闪烁的白炽电灯， LED、LCD数码管，LED、LCD图形显示器，CRT 显示器等。 3、 图形、声音的混合报警。
三、电机控制接口技术
电动机的应用非常广泛。电机分为动力电机和控制电机。 现代化生产对电机的性能要求越来越高：精度、速度、带 负载能力、灵活性、智能化等。 电机的控制用自动化控制设备，朝向集成化、微型化、智 能化方向发展。微机和单片机使电机控制产生革命性的飞跃。目 前已研制出了许多微机或单片机控制电机的系统及专用控制板。 不远的将来，智能化调速系统、电机一体化等会广泛应用。 （一）小功率直流电机调速原理 小功率直流电机的调速可通过控制电枢平均电压来实现。 用微机或单片机控制，通过改变电枢电压接通时间与通电周期的 比值（即占空比）来控制电机速度——此即脉冲宽度调制PWM。 电机转速由电枢电压Ua决定， Ua越大，电机转速越高。 电机通电时速度增加，断电时速度逐渐减小，控制通、断时间比 即可控制电机转速。 设电机全通电时的转速为Vmax，占空比为D=t1/T,则电机的 平均速度为：Vd=Vmax×D （近似的线性关系）
第5章 IO接口电路的设计
0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 1 1 1 0 0
1 0 1 1 1 0 1 1 1
x x x x x x
x x x x x x x x x
C018～C01F C020～C027
C028～C02F C030～C037 C038～C03F
1 1 1
1 1 1
0 0 0
0 0 0
0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 1 0 1 0
x x x x x x x x x
C000～C007 C008～C00F C010～C017
1 1
1 1 1
1 1
1 1 1
0 0
0 0 0
0 0
0 0 0
0 0 0 0
开始 初始化 读入状态
N
数据准备好
Y
输入数→CPU
数→内存缓冲区
N Y
传送完？ 结束
9
例5-4
查询式输出方式的接口电路
输出 /ACK 设备
数 据 锁存器 (8位) R C
选通 信号 +5V
D7~D0 /WR(写数据) 2 /CS2 /CS1 1
I/O 译码
M//IO A15~A0
Q
D
D触发器
/RD(读状态) D1(数据总线)
10
设：状态口的地址为P_S2，输出口地址 为P_OUT，传送数据的总字节为C_2， 则查询方式输出数据的程序段为： MOV CX，C_2 READ_S2:IN AL，P_S2 TEST AL，02H JZ READ_S2 MOV AL，输出数据 OUT P_OUT，AL LOOP READ_S2 ……
第五章测试
1．下列选项中，能引起外部中断的事件是( )A．键盘输入B．除数为0C．浮点运算下溢D．访存缺页2．单级中断系统中，中断服务程序内的执行顺序是( )I．保护现场II．开中断Ⅲ，关中断Ⅳ．保存断点v．中断事件处理Ⅵ．恢复现场Ⅶ．中断返回A．I—V一Ⅵ一II一ⅦB．Ⅲ一I—V一ⅦC．ⅡI一Ⅳ一V一Ⅵ一ⅦD．Ⅳ一I—V一Ⅵ一Ⅶ3．某计算机有五级中断L4～L0，中断屏蔽字为M4M3M2MIM。
，Mi=l(。
≤i≤4)表示对L级中断进行屏蔽。
若中断响应优先级从高到低的顺序是L4- L0-L2-L1-L3，则L1的中断处理程序中设置的中断屏蔽字是( ).A. 1 1 1 1 0B.0 1 1 0 1C.00011D.0 1 0 1 0 4．某计算机处理器主频为50MHz，采用定时查询方式控制设备A的I/。
，查询程序运行一次所用的时钟周期数至少为500.在设备A工作期间，为保证数据不丢失，每秒需对其查询至少200次，则CPU用于设备A的I/。
的时间占整个CPU时间的百分比至少是( ).A.0.02%B.0.05070C.0.20070D.0.50%5. 响应外部中断的过程中，中断隐指令完成的操作，除保护断点外，还包括( ).I．关中断II．保存通用寄存器的内容Ⅲ，形成中断服务程序入口地址并送PCA．仅I、ⅡB．仅I、Ⅲc．仅II、Ⅲ D. I、II、Ⅲ6．设置中断排队判优逻辑的目的是( ).A．产生中断源编码B．使同时提出的请求中的优先级别最高者得到及时响应C．使CPU能方便地转入中断服务子程序D．提高中断响应速度7．中断判优逻辑和总线仲裁方式相类似，下列说法正确的是( ).I．在总线仲裁方式中，独立请求方式响应时间最快，是以增加控制线数为代价的II．在总线仲裁方式中，计数器定时查询方式有一根总线请求(BR)和一根设备地址线，若每次计数都从0开始，则设备号小的优先级高Ⅲ．总线仲裁方式一般是指I/。
设备争用总线的判优方式，而中断判优方式～般是指I/。
第5章 字符串和文件IO
String Subset函数应用
• 参见第5章 例3-2
Scan From String函数
•用于扫描字符串，并将有效的数值（0到9,正负，e， E和分号）转换成数值。如果连接了一个格式字符串， 它将根据字符串指定的格式进行转换，否则将进行默 第一个字符的偏移地址是0。
认格式的转换。该函数从偏移地址的string处开始扫描。
• Write To Spreadsheet File VI——用于将单精度 数值组成的一维或者二维数组转换成文本字符串 （LABVIEW自动转换），再写入一个新建文件 或者已有文件。该VI先打开或者新建文件，再写 入，之后再关闭文件（自动完成）。可以用于创 建能够被大多数电子表格（文本编辑）软件读取 的文本文件。 • Read From Spreadsheet File VI——用于从某 个文件的特定位置开始读取指定n行的内容，再 将数据转换成二维或者一维单精度数组 （LABVIEW自动转换）。该VI先打开文件，再读 数据，之后再关闭文件（自动完成）。可以用于 读取用文本格式存储的电子表格文件。
第5章例9保存datalog
注意
• refnum：标识号，用以代表已经打开的文 件。 • 此处涉及文件的低级操作，先打开，再写 入（读出）数据，最后关闭文件，释放 refnum。
第5章例10打开 datalog
第5章例11保存datalog（数组）， 然后再打开datalog （数组）
思考题
• Write Characters To File VI——用于将一个字 符串写入一个新建文件或者已有文件。该VI打开 该文件、写入数据，再关闭文件（自动完成） 。 • Read Characters From File VI——用于从某个 文件的特定位置开始读取指定个数的字符。该VI 先打开文件，读取数据，之后再关闭文件（自动 完成） 。 • Read Lines From File VI——用于从某个文件的 特定位置开始读取指定n行的内容。该VI先打开文 件，读取指定的行，之后再关闭文件（自动完 成） 。
单片机原理及接口技术第5章 IO口应用-显示与开关键盘输入
图5-1
发光二极管与单片机并行口的连接
5
如果端口引脚为低电平，能使灌电流Id从单片机的外部流入内部，则将
大大增加流过的灌电流值，如图5-1（b）所示。所以，AT89S51单片机任 何一个端口要想获得较大的驱动能力，要采用低电平输出。 如果一定要高电平驱动，可在单片机与发光二极管之间加驱动电路，如 74LS04、74LS244等。 5.1.2 单片机I/O端口控制发光二极管的编程 发光二极管与单片机的I/O端口的连接，如图5-1（b）所示。如要点亮 某发光二极管，只需该I/O端口位写入“0”即可。下面通过一个例子介绍如
21
图5-6 4位LED静态显示的示意图
示字符。这样在同一时间，每一位显示的字符可以各不相同。但是，静态
显示方式占用I/O口线较多。 对于图5-6所示电路，要占用4个8位I/O口（或锁存器）。如果数码管 数目增多，则还需要增加I/O口的数目。在实际的系统设计中，如果显示位 数较少，可采用静态显示方式。但显示位数较多时，为了降低成本，一般 采用动态显示方式。 2. 动态扫描显示方式 显示位数较多时，静态显示所占用的I/O口多，为节省I/O口与驱动电路
单片机控制的8位I/O口锁存器输出相连。如果送往各个LED数码管所显示字 符的段码一经确定，则相应I/O口锁存器锁存的段码输出将维持不变，直到
送入下一个显示字符的段码。因此，静态显示方式的显示无闪烁，亮度较
高，软件控制比较容易。 图5-6所示为4位LED数码管静态显示电路，各个数码管可独立显示，
只要向控制各位I/O口锁存器写入相应的显示段码，该位就能保持相应的显
闭合时，P3.0引脚为低电平。单片机对开关状态的检测是由程序检测
10
图5-3
开关、LED发光二极管与P1口的连接
《计算机系统结构》第六章IO系统
Left Symmetric Distribution
• Parity disk = (block number/4) mod 5 • Eliminate the parity disk bottleneck of RAID 4 • Best of large read and large write performance • Can correct any single self-identifying failure • Small logical writes take two physical reads and two physical writes. • Recovering needs reading all nonfailed disks
1. RAID0
– 数据分块，即把数据分布在多个盘上。 – 非冗余阵列、无冗余信息。 – 严格地说，它不属于RAID系列。
A
B
C
D
E
I
F
J
G
K
H
L
M
N
O
etc...
RAID0中的数据映射
逻辑盘 物理盘 0 物理盘 1 物理盘 2 物理盘 3
条带0
条带 1 条带 2 条带 3 条带 4 条带 5 条带 6 条带 7 阵列管理
实时性：在I/O设备提出中断、DMA等请求时，CPU 要及时响应，完成必要的I/O操作或控制。例如： Keyboard、Printer、COM、Mouse、定时器等。 与设备无关性：通过制定统一的接口标准(物理接口、 软件接口)，使得应用程序依据这一接口可以访问或 支持各种I/O设备。
I/O系统的层次结构
独立的地址和 1. 总线的设计 数据总线
数据总线 宽度
过程控制系统第五章
续缓慢上升, 同时乙塔的进料量也缓慢增加, 当液位上 升到某一数值时, 甲塔采出量等于在干扰作用下的入料 量, 液位不再上升而暂处某一高度. 从而使液位和流量 都处于缓慢变化中, 达到均匀协调的控制目的.
如干扰来自乙塔塔压变化而使其入料量发生变化, 则先由流量副回路控制, 当这一控制作用使甲塔液位受 到影响时, 再由液位控制器改变流量控制器的设定值, 让流量控制器作进一步的调整, 缓慢改变控制阀的开度 两控制器互相配合, 使液位和流量都在允许的范围内缓 慢地均匀变化.
0
t0
t
作用下, 液位和流量均在各自允许的范围内缓慢变化,
如上右图所示. 通常, 简单均匀方案中的控制器采用纯
比例控制, 且比例度较大, 一般大于100%, 当需采用PI 控制时, 应使积分弱些, 即积分时间常数整定的大些.
简单均匀控制系统的最大优点是结构简单, 投运方 便, 成本低廉. 但当前后设备的压力变化较大时, 尽管 控制阀的开度不变, 输出流量也会发生变化, 所以它适 用于干扰不大, 要求不高的场合. 此外, 在液位对象的 自衡能力较强时, 均匀控制的效果也较差.
先说明主控制器Wc1(s) 前负号的由来. D1(s)
1
H
R
(
s)
E1
(
s)
Wc1
(
s
)
QR
(s)
E2 (s)
Wc2 (s)
Q(s) Wo2 (s)
Z1(s)
Z2(s)
H m2 (s)
H (s) Wo1 ( s )
H m1 ( s)
前已选择主控制器为正作用方式, 则: E1(s) Z1(s) HR (s) 主控制器正作用方式如下图所示. 等效变换得, 设:
IO系统调用原理介绍
IO系统调用原理介绍
下面是IO系统调用的原理和流程介绍。
1. 用户程序发起IO请求：应用程序通过系统提供的IO相关函数发起IO请求。
例如，如果要读取文件，应用程序会调用read(函数，如果要写入文件，应用程序会调用write(函数。
2.系统调用进入内核态：当应用程序发起IO请求时，CPU会从用户态切换到内核态，将控制权交给操作系统内核。
3.内核处理IO请求：操作系统接收到IO请求后，会根据请求的类型和参数进行相应的处理。
4.硬件设备访问：操作系统根据IO请求的类型，调用相应的设备驱动程序，将IO请求传递给硬件设备进行处理。
例如，如果是读取文件的IO请求，操作系统会调用磁盘驱动程序将数据从硬盘读取到内存中。
5.等待IO操作完成：在进行IO操作时，可能需要等待硬件设备的响应。
例如，如果是网络IO请求，操作系统可能需要等待网络数据包的传输完成才能继续执行。
6.返回结果给应用程序：当IO操作完成后，操作系统将结果返回给应用程序。
如果是读取文件的请求，操作系统会将读取到的数据拷贝到应用程序指定的缓冲区。
7.应用程序继续执行：一旦IO操作完成并且结果返回给应用程序，操作系统会将控制权重新切换回用户态，应用程序可以继续执行后续的操作。
IO系统调用的原理可以简单总结为：应用程序通过系统调用将IO请求交给操作系统内核，内核根据IO请求类型和参数进行相应的处理，并将请求传递给硬件设备进行实际的IO操作。
当IO操作完成后，操作系统将结果返回给应用程序，应用程序可以根据结果继续执行后续的操作。
io设备课程设计
io设备课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握IO设备的基本概念，包括输入设备和输出设备的功能和分类。
2. 使学生了解计算机系统中IO设备的硬件组成及其与CPU的交互原理。
3. 引导学生掌握IO设备的编程控制方法，理解中断、直接内存访问（DMA）等技术的应用。
技能目标：1. 培养学生运用所学知识分析、解决实际IO设备问题的能力。
2. 培养学生通过编程实现对IO设备的控制，提高实践操作技能。
3. 培养学生团队协作能力，通过分组讨论、实践，共同完成IO设备课程项目。
情感态度价值观目标：1. 激发学生对计算机硬件和IO设备的兴趣，培养其探索精神。
2. 培养学生养成良好的学习习惯，严谨的科学态度，敢于面对和解决实际问题。
3. 增强学生的信息安全意识，使其明白IO设备在计算机系统安全中的作用。
本课程针对高年级学生，结合学科特点和教学要求，将课程目标分解为具体的学习成果。
通过本课程的学习，使学生既掌握了IO设备的基本理论知识，又具备了一定的实践操作技能，为今后进一步学习计算机硬件和系统编程打下坚实基础。
同时，培养学生团队协作、自主学习的能力，提高其综合素质。
二、教学内容1. IO设备基本概念：介绍输入设备、输出设备的定义及分类，分析各类IO设备的性能特点。
参考教材章节：第一章 IO设备概述2. IO设备的硬件组成：讲解IO设备与CPU的交互原理，介绍接口电路、数据传输方式等硬件组成。
参考教材章节：第二章 IO设备的硬件组成3. IO设备的编程控制：学习IO端口编址、中断处理、直接内存访问（DMA）等编程控制方法。
参考教材章节：第三章 IO设备的编程控制4. IO设备应用实例：分析实际应用中的IO设备，如USB、串口、并行口等，了解其工作原理和编程实现。
参考教材章节：第四章 常用IO设备及其应用5. 课程项目：分组进行IO设备控制实践，通过项目实施，巩固所学知识，提高动手能力。
参考教材章节：第五章 IO设备课程项目实践教学内容安排和进度：第1周：IO设备基本概念第2周：IO设备的硬件组成第3周：IO设备的编程控制第4周：IO设备应用实例第5-6周：课程项目实践本教学内容结合课程目标，确保科学性和系统性，按照教学大纲安排，使学生能够循序渐进地掌握IO设备相关知识。
微机原理 第五章 IO接口
控 制 逻 辑
8 8
IOR IOW
I/O 端口 (256个) 个
(3)使用专用I/O指令和 (3)使用专用I/O指令和 使用专用I/O 存储器访问指令有明显 区别, 区别,可使编制的程序 清晰易懂,便于检查. 清晰易懂,便于检查.
隔离I/O I/O方式 5.2.2 隔离I/O方式
5-16
2.缺点: 2.缺点: 缺点
AB 存储器 存 储 空 间 DB MPU
读 /写 I/O 端口 RD 源自R 控制 逻辑控制5.2.1 存储器映象方式
5-12
1.优点: 1.优点: 优点
AB 存储器 存 储 空 间 DB MPU
读 /写 I/O 端口 RD WR 控制 逻辑
控制
I/O操作与存储器操作完 (1) I/O操作与存储器操作完 全相同,无需使用专用I/O指 全相同,无需使用专用I/O指 I/O 令,而存储器操作指令及其寻 址方式非常丰富,从而使I/O 址方式非常丰富,从而使I/O 功能增强,编程方便,灵活. 功能增强,编程方便,灵活. I/O端口数目 端口数目( (2) I/O端口数目(即外设数 只受总存储容量的限制, 目)只受总存储容量的限制,大 大增加了系统的吞吐率. 大增加了系统的吞吐率. (3) 使微机系统的读写控制 逻辑简单. 逻辑简单.
存储器 (1MB)
控制
MEMR MEMW
控 制 逻 辑
8 8
IOR IOW
有两个地址空间, 有两个地址空间, 使用不同的读写 MPU 使用不同的读写 控制信号访问存储器 I/O端口 端口. 和I/O端口. MPU访问I/O端口必 访问I/O MPU访问I/O端口必 须采用专用I/O指令. 须采用专用I/O指令. I/O指令
第06章-IO系统设计ppt课件(全)
A1 A2 …
B1 B2 …
通道 A1 A2 … B1 B2 … C1 C2 …
C1 C2 …
图6.16 选择通道传送方式示意图
（3）数组多路通道
◦ 综合前两种通道的优点，可连接多台高速设备，允许几 台设备并行工作，以成组交叉方式传送。每个外设都有 数据缓冲区。
硬件中断（硬中断）：是一个异步信号，表明需要注意、 或需要改变执行一个同步事件。
软件中断（软中断）：是利用硬件中断的概念，用软件方 式进行模拟，实现宏观上的异步执行效果。
外部中断：一般是指由计算机外设发出的中断请求，如： 键盘中断、打印机中断、定时器中断等。外部中断是可以 屏蔽的中断。
内部中断：是指因硬件出错（如突然掉电、奇偶校验错等） 或运算出错（除数为零、运算溢出、单步中断等）所引起 的中断。内部中断是不可屏蔽的中断。
主存
…
12H JMP 200 向量地址 13H JMP 300
14H JMP 400
入口地址 200 打印机服务程序
入口地址 300 显示器服务程序
… ……
图6.10 通过向量地址寻找入口地址
图6.12 链式排队线路和设备编码器
直接存储器访问方式(Direct Memory Access，DMA)， 是一种直接依靠硬件在主存与I/O设备间进行数据传送，且 在 数 据 传 送 过 程 中 不 需 CPU 干 预 的 I/O 数 据 传 送 控 制 方 式 。 CPU与接口的数据传送的具体过程由硬件（DMA Controller， DMAC，DMA控制器）完成，传送速度比通过CPU快。 （1）CPU暂停方式 （2）周期挪用方式（周期窃取方式） （3）交替访问内存方式
第五章通用和复用功能IO口
第五章通用和复用功能IO口1.引言通用和复用功能IO口是现代数字电路设计中的重要组成部分。
它们允许电路与外部设备进行通信和控制，实现数据的输入、输出和处理。
在本章中，我们将介绍通用和复用功能IO口的基本原理和应用。
通用功能IO口是一种通用的输入/输出接口，可以通过软件来配置不同的功能。
它可以被用作输入口，用来读取外部设备的状态；也可以被用作输出口，用来控制外部设备的运行。
通用功能IO口通常由一组引脚组成，每个引脚都可以配置为不同的功能。
通过编程的方式，我们可以根据需要来选择引脚的功能，并进行相应的输入和输出操作。
复用功能IO口是一种多功能的输入/输出接口，可以通过硬件设置来选择不同的功能。
它通常由一个多路器和多个外设模块组成。
多路器的作用是选择不同的外设模块进行连接，从而实现不同的输入和输出功能。
使用复用功能IO口，可以有效地减少芯片上的引脚数量，提高系统的可扩展性和灵活性。
4.通用功能IO口的应用通用功能IO口广泛应用于各种数字电路设计中。
它可以连接各种外设设备，如按钮、开关、传感器、LED灯等。
通过编程的方式，我们可以读取外设的状态，并根据需要来控制外设的运行。
通用功能IO口还可以连接到其他数字电路中，实现数据的输入、输出和处理。
例如，它可以与存储器、处理器、通信接口等进行连接，实现数据的存储、处理和传输。
5.复用功能IO口的应用复用功能IO口广泛应用于嵌入式系统和通信系统中。
它可以连接各种外设设备，如显示器、触摸屏、以太网接口、USB接口等。
通过硬件设置，我们可以选择不同的外设模块进行连接，并根据需要来实现不同的输入和输出功能。
复用功能IO口还可以连接到其他模块中，实现数据的传输和处理。
例如，它可以与显示模块、通信模块等进行连接，实现图形的显示、数据的传输等。
6.小结通用和复用功能IO口是现代数字电路设计中的重要组成部分。
它们允许电路与外部设备进行通信和控制，实现数据的输入、输出和处理。
通过软件和硬件的配置，我们可以选择引脚的功能，并进行相应的输入和输出操作。
计算机组成原理第五章(白中英版)PPT课件
CPU周期 : 又称机器周期（总线周期），CPU访问 内存所花的时间较长，因此用CPU从内存读取一条指 令字的所需的最短时间来定义
时钟周期 : 通常称为节拍脉冲或T周期。一个CPU 周期包含若干个时钟周期T
相互关系： 1个指令周期 = 若干个CPU周期 1个CPU周期 = 若20干21 T周期
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时序产生器 (3/4)
三、3级时序信号的关系 1、一台计算机机内的控制信号一般均由若干个周期
状态，若干个节拍电位及若干个时标脉冲这样3级 控制时序信号定时完成。 2、3级控制时序信号的宽度均成正整数倍同步关系。 周期状态之间，节拍电位之间，时标脉冲之间既 不容许有重叠交叉，又不容许有空白间隙，应该 是能一个接一个地准确连接，一个降落另一个升 起而准确切换的同步信号。
(2) 对指令进行译码，并产生相应的操作控制信号， 送往相应的部件，启动规定的动作；
(3) 指挥并控制CPU、内存与输入/输出（I/O）设 备之间数据流动的方向
• 运算器是数据加工处理部件，所进行的全部操作由 控制器发出的控制信号指挥
(1) (2)执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试
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CPU的基本模型
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5.1.1 CPU的功能
★ 指令控制
★ 操作控制 CPU产生每条指令所对应的操作信号，并把各种
操作信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令 的要求进行动作
★ 时间控制 对各种操作的实施时间进行定时
★ 数据加工 对数据进行算术运算和逻辑运算处理
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5.1.2 CPU的基本组成
• 控制器完成对整个计算机系统操作的协调与指挥。 (1) 控制机器从内存中取出一条指令，并指出下一条 指令在内存中的位置；
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(3)异步应答信号：与总线控制权信号共同实现现应答
选择回答(STACK)：主设备获得总线控制权后发出，表明它已获得 总线控制权。 主同步(MSYNC):主设备获总线控制权后发出以启动一次总线传送 操作。 从同步(SSYNC)：从设备对主同步的回答，表明数据传送结束
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同步控制信号
(4)总线控制权信号
(6)优先权
排队链输入(PCI)、排队链输出(PCO)：用于构成链式判优结构
(7)数据传送控制信号
存储器读(MEMR)、存储器写(MEMW)、I/O读(IOR)、I/O写(IOW)、 高字节允许(BHEN)(用以选择高、低字节)
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总线的设计要素
(二)总线的时序 1、同步控制总线操作
以上的时序状态图描述了同步方式下的总线操作过程 (DMAC)
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5.3 直接程序传送方式及接口
一、基本思想 CPU直接利用I/O指令编程实现数据的输入输出。 二、接口模型
接口占用二个端口地址：即命令/状态寄存器和数据缓冲寄存器各占一个 端口。 命令字：CPU通过I/O指令设置，体现对外设的具体控制命令。 状态字：反映外设的工作状态，也可由CPU初始化。现设二位：“忙 （B）”及“完成（D）”。若BD为00则外设处于空闲状态，该状态可 由CPU编程设置，称为“接口清0”。
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总线的设计要素
(三)总线的仲裁
当多个设备竞争总线时，由总线仲裁器进行仲裁，在微 机中就是南北桥芯片组。 仲裁方式分集中和竞争二种方式。
1、集中式仲裁：
分配原则是：优先级高的设备可以剥夺优先级低的设备 的总线使用权。 当仲裁器接收到总线请求时，就发出总线授权信号。 设备的优先级由设备和仲裁器的逻辑距离决定。 当设备较多时，可采用分级仲裁方式。
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中断系统的软、硬件组织
(2)内部硬件中断 掉电中断（8）； 溢出中断（9）； 校验错中断（10）； (3)软中断 INT 11～n，根据需要进行扩充，作为系统调用命令。 2、针对各种中断源，分别编制对应的中断服务程序。 3、对中断服务程序的入口地址进行组织，形成中断向量 表。
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中断系统的软、硬件组织
(2)按时序划分
同步接口：与同步总线连接的接口，接口与系统总线 间的数据传送由统一的时序信号(由CPU或专门的系统 总线时序信号)控制。 异步接口：与异步总线连接的接口，接口与系统总线 间的传送采用异步应答的工作方式。
(3)按信息的传送控制方式划分
中断接口、DMA接口、磁盘存储接口等。
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5.2 系统总线
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总线的时序
2、异步控制方式的总线操作 异步方式无统一的时钟周期划分，采用应答工作方式。各信号间的关 系有如下三种：
(1)不互锁：设备1的请求信号触发设备2的回答信号，但请求及回答 信号的撤消均由设备本身定时决定。 (2)半互锁：设备1请求信号的撤消是当接收到设备2的回答信号后；而 设备2的回答信号的撤消由设备2定时决定。 (3)全互锁：由回答信号撤消请求信号；由请求信号的撤消信号撤消回 答信号。 采用互锁方式：时间安排紧凑；但控制复杂。 采用非互锁方式：较易实现，可靠性较高；但总线效率低。
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接口的功能与分类
3、I/O接口的分类 (1)按数据传送格式划分 并行接口：接口与系统总线及I/O间均以并行方式传送 数据。 串行接口：接口与I/O间以串行方式，而与系统总线间 以并行方式传送数据。
…
I/O接口
系统总线
…
I/O接口 I/O设备 串行接口
…
I/O设备
同步控制信号
(1)复位信号(RESET) (2)同步定时信号：
处理器时钟(CLOCK):CPU产生，系统的定时信号及基本时钟。 附加同步(ASCLOCK):多处理机间的同步或外部输入到CPU的定时 信号。 刷新同步(REFRESH)：动态存储器刷新的同步信号。 CPU机器周期同步(MCSYNC)：表示一个机器周期的开始，I/O据 此与CPU同步。 状态信号(S0、S1):系统总线的周期状态，供有关的I/O作为辅助定 时。
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5.4 程序中断方式及接口
一、二个基本问题 1、中断的本质是程序切换 2、中断的特点是随机性： (1)随机出现的事件； (2)主观上有意调用外设，但以随机提出请求方式 实现处理； (3)随机插入的软中断。
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5.4 程序中断方式及接口
二、中断方式的典型应用 1、以中断方式管理中低速的外设，使CPU与外 设并行工作； 2、软中断，如INT n，n为中断号； 3、故障处理，如：
5
5.1 概述
二、总线类型与总线标准 1、从系统组成角度的分类 常见的术语有： 单总线、系统总线、 I/O扩展总 线、局部总线、高速存储总线、内总线、外总线等。 2、按据传送格式分
串行总线:如USB(通用串行总线)、FC(光纤通道)； 并行总线：SCSI(小型机系统接口)
3、按时序控制方式分类
硬件故障：掉电、校验错、运算错； 软件故障：溢出、地址越界、使用非法指令等。
4、实时处理，如时钟、实时监控对象异常； 5、多机通信 6、人机对话
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程序中断方式及接口
三、中断系统的软、硬件组织 中断系统：与中断功能有关的软件、硬件。 1、模型机中的各种中断请求 (1)外部硬件中断源 IREQ0：系统时钟； IREQ1：实时时钟，供实时处理； IREQ2：通信中断； IREQ3：键盘； IREQ4：CRT显示器； IREQ5：硬盘； IREQ6：软盘； IREQ7：打印机。
系统总线的功能是连接系统内所有的功能部件。其设计主 要涉及到总线宽度、时序控制、仲裁等几个方面。 一、总线的设计要素 (一)总线宽度： 关系到系统的数据传输率、可管理内存的大小、集成度和 硬件成本等。 地址线（AB）：确定内存的字数 如8086提供20根；80386提供32根地址线。 数据线（DB）：确定内存的宽度 如8086提供16根；80386提供32根数据线。在现代计 算机中一般地址线和数据线分时复用以降低硬件成本。 控制线（CB）：确定CPU控制功能的强弱 用于传送包含状态在内的有关的控制信号，主要包括如 下信号：
5.1 概述
三、接口的功能与分类 1、接口： 泛指设备部件(软、硬)间的交接部分。主机的系统 总线与I/O或其它外部系统间的接口逻辑，称为I/O接 口或外围接口
软件接口：软件模块间的交接部分。 软硬接口：软、硬件相互作用，所涉及的硬件逻辑与软件 ，如硬件信号引发相应软件模块的调用，如中断系统及中 断服务程序。 接口技术：硬件接口及相应的控制软件。
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主机与外设间的连接模式
2、多总线结构：
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主机与外设间的连接模式
3、高性能的多总结构
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主机与外设间的连接模式
4、I/O通道和I/O处理机 通道是一个弹性较大的概念。 I/O处理机是由通道发展而来的，IOP比通道具有 更强的功能，类似于CPU，只是更为专业化，主 要面向输入输出管理及处理。
总线请求(BREQ)：要求总线控制权的设备发出(如DMAC) 总线批准(BACK)：总线请求的批准，由CPU或总线控制器发出 总线忙(BUSY)：主设备获得总线控制权后发出，持续到释放总线 控制权
(5)中断请求与中断批准信号
中断请求线(IREQ0 ～IREQ7) ：外设中断请求 系统的中断请求(INT):中断控制器发出 中断响应(INTA):CPU响应INT后发出
第五章 输入/输出系统
基本要求：掌握总线的功能及分类、接口的功能 及分类、直接程序传送方式接口的工作原理、程 序中断方式接口的工作原理 重 点：接口的功能、程序中断方式接口的工作 原理 难 点：程序中断方式接口的工作原理
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5.1 概述
I/O系统包括I/O设备、接口及系统总线。 一、主机与外设间的连接模式 1、单总线 总线型也是其它连接模式的基础。
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集中式仲裁器
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总线的仲裁
2、竞争式仲裁 分配原则： 优先级不同的设备同时申请总线，则分配给高优先级的 设备； 先来先占用：谁先抢占总线，只要该设备没有释放总线， 则其它优先级高的设备不能强行占用总线。
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总线的设计要素
（四）PCI总线
器件周边互连总线,可作为中间层或直接连接I/O设备； 早期：主频33MHZ，32位，带宽大133MHZ 发展：主频66MHZ（最高达133MHZ），64位 同步时序总线 地址线和数据线复用，支持64位地址和数据 集中式仲裁 支持32位和64位扩展卡 支持单个和多个处理器 支持突发数据传输
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直接程序传送方式及接口
三、接口的工作过程 1、CPU通过启动命令启动外设； 2、启动后：D=0、B=1，此时，外设开始工作； 3、CPU查询外设状态字，查询结果是：DB=01，说明未准备 好，CPU就继续查询等待； 4、外设准备好，则置位状态字DB=10： (1)若是输入设备，则外设将数据送到数据缓冲寄存器后，使 DB=10，CPU经查询判断得知数据准备好，便通过输入指令 取走数据，同时设置DB=01； (2)若是输出设备，则当接口中的数据缓冲寄存器为空是，使 DB=10，CPU经查询判断得知外设准备好接收数据，便通过 输出指令送出数据，同时设置DB=01；
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异步控制方式
异步总线的操作过程：
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异步控制方式
以DMAC为例说明工作过程如下： (1)DMAC发出总线请求BREQ； (2)前一个主设备降下总线忙BUSY信号，表示前一个总线 周期的结束，CPU经判断发出总线批准信号BACK； (3)DMAC接收到BACK信号后，撤消总线请求，并发出选 择回答STACK信号，表示已接收到批准信号BACK，于是 CPU结束批准信号，放弃总线控制权。 (4)DMAC接管总线，升起总线忙BUSY信号，同时，向总 线送出地址码和传送命令； (5)DMAC向从设务发出主同步信号MSYNC，启动总线传 送操作； (6)传送结束时，从设备发出从同步信号SSYNC，DMAC 接收后，发出撤消选择回答信号STACK、总线忙信号BUSY 及主同步信号MSYNC。 至此，一个总线周期结束。