[嵌入式]【组成原理期末复习】08输入输出系统

1.I/O接口的功能

• 设备选择
  • 统一编址方式 I/O设备中的地址寄存器、数据寄存器、状态寄存器和内存单元一样看待
  • 独立编址方式 I/O设备有专门的I/O指令组
• 数据传送 外设和总线之间的数据缓冲寄存器
• 外设状态信息
• 传送命令 接收来自CPU的控制信息

2.I/O接口与外设之间数据传送（速度分级）

I/O接口与CPU的速度大致相当，高速CPU和速度参差不齐的外设通信：

• 无条件传送（速度极慢或简单的外设）

  • 如机械开关、二极管等
  • CPU可以认为设备一直准备就绪，直接接收或发送数据

• 异步传送方式（应答）（慢速或中速设备）

  • 在接口和设备之间安排若该条信号线

• 同步传送方式（高速设备）

  • 一旦接口和外设确认同步，便按照时钟脉冲控制进行

3.I/O接口与CPU之间的数据传送

• 无条件传送

  • 在外设与接口采用无条件传送时，接口和CPU才能采用无条件传送
  • 输出采用锁存器，输入采用三态门与数据总线相连

• 程序查询方式

  • 程序指令一般有如下功能：
    • 选择设备（设备状态置0/1）
    • 测试设备状态
    • 传送数据
  • 执行过程：
    • 请求I/O接口
    • 读入接口状态字
    • 如果就绪则进行数据交换
  • 限制：
    • 程序查询期间不能做其他工作，特别是多个设备轮询时，处理时间浪费，CPU工作效率低
    • 若外设要求的CPU服务时间间隔小于一个询问周期，则可能造成数据丢失

• 程序中断方式

  • 中断机制：
    • 在当前程序结束后转入公操作之后才进行中断程序
    • 需要保护现场
    • 需要设置中断屏蔽（开中断和关中断）
    • 中断是硬件和软件结合起来完成的
  • 机器内部原因的中断叫做内中断，也叫异常；外部设备请求的中断叫做外中断
  • 基本I/O接口：
    • 准备就绪触发器（RD）
    • 允许中断触发器（EI）
    • 中断请求触发器（IR）
    • 中断屏蔽触发器（IM）
  • 中断地址的获取：
    • 中断向量表（IVT） CPU响应中断时，由硬件产生向量地址，指出中断源设备的中断服务程序入口
    • 公共的中断服务程序
  • 单级中断：与总线仲裁中的链式总线仲裁相同，离CPU越近，优先级越高
  • 多级中断：采用了独立请求和链式查询方式结合的方式

• DMA方式（直接存储器访问）

  • DMA控制器从CPU完全接管对总线的控制，数据交换不经过CPU干预
  • 传送过程：
    • 预处理 CPU给出命令，传送起始地址和交换数据字个数
    • 给出当前传送数的主存地址，统计传送数据的个数判断传送是否结束
    • 开辟专用缓存器，接收或提供传送的数据
    • 后处理 CPU执行中断程序，检查传送数据是否正确
  • 传送方式：
    • 成组连续传送：控制简单，在DMA控制器访问内存期间，相当一部分内存工作周期是空闲的
    • 周期挪用：I/O设备访问内存时，CPU周期向后顺延，一般适用于I/O设备读写周期大于内存存储周期的情况
    • 透明DMA：CPU和DMA交替访问内存，一个CPU周期可以分为两部分，一部分DMA访问内存，另一部分CPU访问内存
  • DMA控制器
    • 内存地址计数器 存放内存中要交换数据的地址
    • 字计数器 记录传送数据块的长度
    • 数据缓冲寄存器
    • DMA请求标志
    • 控制/状态逻辑
    • 中断机构 报告数据传送结束
  • 选择型和多路型DMA控制器：
    • 选择型：DMA控制器选择一个设备，服务完成后再为其它设备服务
    • 多路型：逻辑上也允许多个设备同时工作，以字节交叉方式进行数据传送 适合多个慢速设备

• 通道和输入/输出处理器

  • 代替CPU进行外设控制的独立部件，可以自己取出CPU中的指令进行执行，可以同时控制多个设备，报告给CPU