1、第6章 输入/输出接口系统 6.1 输入输入/输出系统概述输出系统概述在微机系统中，常用的输入/输出等外围设备有键盘、鼠标器、硬盘、软驱、光驱、打印机、显示器、调制解调器、数/模转换器、模/数转换器、扫描仪以及一些专用设备。而把各种外围设备同微机连接起来实现数据传送的控制电路称为“输入/输出接口电路”，简称“I/O接口”。6.1.1 输入输入/输出系统的构成输出系统的构成输入输出系统包括I/O接口和连接的外围设备。输入/输出系统通过一定的技术实现信息在主机与外围设备间的交换。其构成如图6.1所示。现代计算机一般通过总线把主机与输入/输出系统连接起来，接口电路插入总线插槽，为外围设备提供相应的连
2、线和信号。第6章 输入/输出接口系统 图6.1 输入/输出系统的构成第6章 输入/输出接口系统 6.1.2 I/O设备设备外部设备是微机系统的重要组成部分，是外界信息的来源和出口。I/O设备统称为外部设备，类型繁多，其重要的性能指标包括设备使用特性、数据传输速率、数据的传输单位、设备共享属性等，可从不同角度对它们进行分类。1.按设备的使用特性分类按设备的使用特性分类按设备的使用特性，可将外部设备分为两类。第一类是存储设备，也称外存或后备存储器、辅助存储器，是计算机系统用以存储信息的主要设备。该类设备存取速度较内存慢，但容量比内存大得多，价格相对也便宜。第二类就是输入/输出设备，又具体可分为输入
3、设备、输出设备和交互式第6章 输入/输出接口系统 设备。输入设备用来接收外部信息，如键盘、鼠标、扫描仪、视频摄像机及各类传感器等。输出设备是用于将计算机加工处理后的信息送向外部的设备，如打印机、绘图仪、显示器、数字视频显示设备、音响输出设备等。交互式设备则是集成上述两类设备，利用输入设备接收用户命令信息，并通过输出设备(主要是显示器)同步显示用户命令以及命令执行的结果。第6章 输入/输出接口系统 2.按传输速率分类按传输速率分类按传输速率的高低，可将I/O设备分为三类。第一类是低速设备，这是指其传输速率仅为每秒钟几个字节至数百个字节的一类设备。属于低速设备的典型设备有键盘、鼠标、语音的输入和输
4、出设备等。第二类是中速设备，这是指其传输速率在每秒钟数千个字节至数十万个字节的一类设备。典型的中速设备有行式打印机、激光打印机等。第三类是高速设备，这是指其传输速率在数百个千字节至千兆字节的一类设备。典型的高速设备有磁带机、磁盘机、光盘机等。第6章 输入/输出接口系统 3.按信息交换的单位分类按信息交换的单位分类按信息交换的单位，可将I/O设备分成两类。第一类是块设备(Block Device)，这类设备用于存储信息。由于信息的存取总是以数据块为单位的，故而得名。它属于有结构设备。典型的块设备是磁盘，每个盘块的大小为512B4KB。磁盘设备的基本特征是其传输速率较高，通常每秒钟为几兆位；其另一
5、特征是可寻址，即对它可随机地读/写任一块。此外，磁盘设备的I/O常采用DMA方式。第二类是字符设备(Character Device)，用于数据的输入和输出。其基本单位是字符，故称为字符设备，它属于无结构设备。字符设备的种类繁多，如交互式终端、打印机等。字符设备的基第6章 输入/输出接口系统 本特征是其传输速率较低，通常为几个字节至数千字节，其特征是不可寻址，即输入/输出时不能指定数据的输入源地址及输出的目标地址。此外，字符设备在输入/输出时，常采用中断驱动方式。4.按设备的共享属性分类按设备的共享属性分类这种分类方式将I/O设备分为三类。第一类是独占设备。它是指在一段时间内只允许一个用户(进
6、程)访问的设备，即临界资源。因而，对多个并发进程而言，应互斥地访问这类设备。系统一旦把这类设备分配给了某进程，便由该进程独占，直至用完释放。应当注意，独占设备的分配有可能引起进程死锁。第二类是共享设备。它是指在一段时间内允许多第6章 输入/输出接口系统 个进程同时访问的设备。当然，对于每一时刻而言，该类设备仍然只允许一个进程访问。显然，共享设备必须是可寻址的和可随机访问的设备。典型的共享设备是磁盘。对共享设备不仅可获得良好的设备利用率，而且它也是实现文件系统和数据库系统的物质基础。第三类是虚拟设备。它是指通过虚拟技术将一台独占设备变换为若干台逻辑设备，供若干个用户(进程)同时使用。第6章 输入
7、/输出接口系统 6.1.3 I/O接口的定义和功能接口的定义和功能I/O接口是连接主机系统和外围设备的一种电路。I/O接口一边是面向计算机系统，另一边是面向外部设备或其他系统。一个完整的I/O接口不仅包含一些硬件电路，还包含相应的软件驱动程序。这些软件有些放在接口的ROM中，有些放在主机板的ROM中，也有些放在磁盘上，需要时才装入内存。在PC中，这些软件称为基本I/O系统，即BIOS。应用程序可以通过调用BIOS来操作I/O接口，形成接口硬件、驱动程序、应用程序三层结构，保持每个层次的相对独立，避免由应用程序直接控制硬件，提高底层通用性和高层的可移植与灵活性。这样，I/O接口通过BIOS程序可
8、以提供一个易于标准化的软件接口。第6章 输入/输出接口系统 一般说来，I/O设备的工作速度要比CPU慢很多，而且由于种类的不同，它们之间的速度差异也很大。I/O设备都有自己的定时控制电路，以自己的速度传输数据，无法与CPU的时序取得一致，而且不同I/O设备采用的信号类型不同，有些是数字信号，有些是模拟信号。如何把各种要求的外围设备与微机进行连接，就需要I/O接口电路来解决CPU与I/O设备进行信息数据交换时存在的诸如速度不匹配、时序不匹配、信息格式不匹配等等问题。第6章 输入/输出接口系统 通常接口有以下一些功能：(1)设置数据的寄存或缓冲逻辑，以适应CPU与外设之间的速度差异。(2)能够进行
9、信息格式的转换，例如串行和并行的转换。(3)能够协调CPU和外设两者在信息的类型和电平方面的差异，如电平转换电路、数/模或模/数转换器等。(4)协调时序差异。(5)地址译码和设备选择功能。(6)设置中断和DMA控制逻辑，以保证在中断和DMA允许的情况下产生中断和DMA请求信号，并在接收到中断和DMA应答之后完成中断处理和DMA传输。第6章 输入/输出接口系统(7)可编程功能，可编程的接口芯片在不改变硬件的情况下，只需修改程序就可以改变接口的工作方式，大大增加了接口的灵活性和可扩充性，使接口具有替代CPU的控制功能，形成智能化接口。(8)负载匹配功能可使微机系统在控制的对象需要较大功率时，接口能
10、够使其与之匹配，实现对设备的电气驱动。第6章 输入/输出接口系统 6.1.4 I/O接口的组成接口的组成1接口硬件接口硬件接口硬件电路一般由核心的接口芯片加上辅助的逻辑电路构成。逻辑电路提供数据的缓冲、地址的译码、控制信号的连接等基本工作。接口芯片提供传输功能，一般具有若干个可编程的寄存器，寄存器完成芯片的控制、数据的输入/输出、工作状态等信息的存储，并具有访问地址，可通过地址访问的这些寄存器编程实现程序员的访问，通常叫做“端口”。整个接口可抽象化为程序员可见的数据端口、控制端口、状态端口等，如图6.2所示。第6章 输入/输出接口系统 图6.2 接口的组成框图第6章 输入/输出接口系统 2接口
11、软件接口软件接口软件是为完成处理器与外设之间输入/输出操作而编写的驱动程序。一个完整的接口软件应该包含初始化程序段、传送控制程序段、主控程序段、错误处理与退出程序段以及辅助程序段等，分别用于对可编程接口芯片工作方式的设置、数据传送过程的控制、基本环境的设置、错误处理、人机交互等。第6章 输入/输出接口系统 6.2 I/O接口技术接口技术6.2.1 I/O端口的编址技术端口的编址技术1统一编址方式统一编址方式这种编址方式不区分存储器地址空间和I/O接口地址空间，把所有的I/O接口的端口都当做存储器的一个单元对待。每个接口芯片都安排一个或几个与存储器统一编号的地址号，也不设专门的输入/输出指令，所
12、有传送和访问存储器的指令都可用来对I/O接口操作。这种编址方式是把端口地址映像到存储空间，相当于把存储空间的一部分划做端口地址空间，所以这种编址方式也叫“存储器映像编址”，如图6.3所示。第6章 输入/输出接口系统 图6.3 存储器映像编址的地址空间第6章 输入/输出接口系统 统一编制方式访问内存的所有指令都可用于I/O操作，数据处理功能强，同时I/O接口可与存储器部分共用译码和控制电路。但I/O接口地址要占用存储器地址空间的一部分，而且没有专门的I/O指令，程序中较难区分I/O操作。2独立编址方式独立编址方式这种编址方式是将存储器地址空间和I/O接口地址空间分别进行地址的编排，使用时用不同的
13、操作指令予以区分，编程访问互不影响，如图6.4所示。第6章 输入/输出接口系统 图6.4 独立编址方式的地址空间第6章 输入/输出接口系统 8086/8088微机采用独立编址方式，内存空间地址是01M范围，端口地址空间单独设置。由于I/O端口个数一般比存储单元少很多，访问端口的地址线设为A0A9，可编址端口可达1024个，对微机显得绰绰有余。访问I/O端口的地址线少，译码简单，寻址速度很快，设有专门的输入指令(IN)和输出指令(OUT)来完成I/O操作，使编程很清晰。独立编址方式的主要优点是内存地址空间与I/O接口地址空间分开，互不影响，译码电路较简单，并设有专门的I/O指令，编程容易区分，且
14、执行速度快。其缺点是只用I/O指令访问I/O端口，功能有限且要采用专用I/O周期和专用I/O控制线，使微处理器复杂化。第6章 输入/输出接口系统 8086/8808微机采用独立编址方式，端口地址分为系统板和扩展板的地址。系统板上的I/O芯片如定时/计数器、中断控制器、DMA控制器、并行接口等使用低地址空间的地址。扩展板的地址对应I/O扩展槽上的接口控制电路，如软驱卡、硬驱卡、图形卡、声卡、打印卡、串行通信卡等。不同的微机系统对I/O端口地址的分配是不同的。PC根据上述I/O接口的硬件分类，把I/O空间分成两部分。虽然PC的I/O地址线可以用到16条，对应的I/O端口编址可达64 K个，各种数据
15、宽度的CPU可以与I/O端口一次传送32位、16位、8位数据形式，并分别按被4整除的偶地址、奇地址、偶地址/奇地址对准，但由于IBM公司当初设计微机主板及规第6章 输入/输出接口系统 划接口卡时，其端口地址译码采用非完全译码方式，即只考虑了低10位地址线A0A9，故其I/O端口地址范围是0000H03FFH，总共只有1024个端口，并且把前512个端口分配给了主板接口电路，后512个端口分配给了扩展槽上的常规外设接口。后来在PC/AT系统中作了一些调整，其中前256个端口(0000FFH)供系统板上的I/O接口芯片使用，后768个端口(1003FFH)供扩展槽上的I/O接口控制卡使用，如表6.
16、1和表6.2所示。第6章 输入/输出接口系统 表表6.1 系统板的端口地址分配系统板的端口地址分配第6章 输入/输出接口系统 表表6.2 扩展板的端口地址分配扩展板的端口地址分配第6章 输入/输出接口系统 为了避免端口地址发生冲突，用户设计的接口电路在选用I/O端口地址时须注意：凡是被系统配置所占用了的地址一律不能使用；未被占用的地址(计算机厂家申明保留的地址除外)，用户可以使用；一般，用户可使用30031FH地址，为了避免与其他用户开发的插件板发生地址冲突，最好采用地址开关。第6章 输入/输出接口系统 6.2.2 I/O端口的寻址方式端口的寻址方式PC设置专用I/O指令访问端口，如指令IN、
17、OUT完成对端口的读、写操作，指令还具有直接寻址、间接寻址两种寻址方式。直接寻址使用1个字节的立即数寻址，寻址范围为00HFFH，间接寻址使用16位间接寄存器DX给出端口的地址，16位地址可寻址范围为0000HFFFFH。对于数据宽度为32位、16位的CPU还可以使用EAX、AX通用寄存器传送数据,但对于一般的I/O系统8位数据宽度基本可以满足需要，不必像处理器内部那样追求更宽数据宽度、更高处理能力。此外还有串输入/输出指令INS、OUTS等块I/O指令，可以实现存储器与I/O端口间的数据块传送。第6章 输入/输出接口系统 6.2.3 I/O 端口端口地址地址的的译码技术译码技术 1门电路译码
18、门电路译码 门电路译码适用于仅需要一个端口地址的情况。例如，要产 生 端 口34EH的 译 码 信 号 CS，即 地 址 线 为A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0=1101001110 且AEN为低时，则CS为低，对应的译码电路如图6.5 所示。2通用译码器译码通用译码器译码 通用译码器译码适用于对多个端口地址的译码，目前常用的译码器有 74LS138、74LS139 和 74LS154等。74LS138 译码器如图 6.6 所示，由于 A4A0没有参加译码，所以译码器每一位输出端均对应 32 个端口地址，即 Y0对应的端口地址为 00H1FH，Y1对应的端口地址为 20H3FH，Y2对
19、应的端口地址为40H5FH，以此类推。第6章 输入/输出接口系统 图6.5 门电路译码电路 第6章 输入/输出接口系统 图6.6 74LS138通用译码器 第6章 输入/输出接口系统 3比较器译码比较器译码比较器译码电路如图6.7所示，它对A端输入和B端输入的状态进行比较，若A端和B端两输入端状态相等，则比较器输出有效。此方法只需改变比较器A端输入状态，就可以改变I/O接口的端口地址，该电路可产生16个端口地址。第6章 输入/输出接口系统 图6.7 比较器译码电路第6章 输入/输出接口系统 4开关选择译码开关选择译码在接口电路的端口地址灵活适应不同地址分配时，电路做好后，可通过开关选择或跳线等
20、方式进行改变。DIP开关有ON和OFF两种状态，可分别对应0、1两种情况，跳线也可以通过连接0、1分别作不同的地址使用，如图6.8所示。第6章 输入/输出接口系统 图6.8 开关/跳线选择译码电路第6章 输入/输出接口系统 5.GAL译码译码GAL(Generic Array Logic，通用阵列逻辑器件)是美国LATTICE公司推出的可编程逻辑器件PLD，可设计成各种门电路，如触发器、寄存器、计数器、比较器、译码器、多路开关等，用于代替一些中小规模的集成电路芯片，能够简化设计、提高可靠性，同时，具有电可擦除、加密、降低功耗等优势，受到用户的青睐，在各种电路设计中得到了广泛的应用。GAL是与-
21、或阵列结构，其不同的组合构成不同功能的输入/输出逻辑，需要相应的开发工具编程器和专门的汇编/编译程序及编程语言，如ABEL设计语言。第6章 输入/输出接口系统 6.2.4 接口电路与接口电路与CPU的连接的连接接口电路的接口芯片一般是8位的，可以连接各种字长的CPU，但CPU的哪8位数据线连接接口电路，直接影响设计。这里主要涉及的是CPU不同的8位字节，其地址不同。以16位的8086 CPU为例，其低字节的地址的最低位永远是0，而高字节的地址的最低位永远是1，即低字节的地址是偶地址，高字节的地址是奇地址，如表6.3所示。第6章 输入/输出接口系统 表表6.3 16位位CPU各字节地址各字节地址
22、第6章 输入/输出接口系统 当接口芯片的8位数据连接16位CPU的低8位数据总线时，高8位数据被忽略。这时因为A0恒为0，用于芯片选择的译码，而且接口芯片如果需要2位地址区分内部端口时，用CPU的A2、A1连接接口芯片，则端口的地址是连续的偶地址，保证接口芯片内部端口的地址区分。同理，接口芯片使用16位CPU的高8位数据总线时，情况类似。对于32位的CPU，只不过是字节地址的低两位A2、A1固定为11、10、01、00，原理是相通的。第6章 输入/输出接口系统 6.3 接口的数据传送方式接口的数据传送方式6.3.1 程序查询方式程序查询方式程序查询方式也叫条件传送方式，是在程序控制下进行信息传
23、送，在基本硬件支持下完成数据的输入/输出。其特点是靠CPU执行程序，把数据在CPU的AL寄存器和外设间传送。数据的输入/输出时机靠CPU执行程序去查询，若状态不符合，则CPU不能进行输入/输出操作，需要等待；只有当状态信号符合要求时，CPU才能进行相应的输入/输出操作。第6章 输入/输出接口系统 这种方式下，要求外设的一些状态信息反映到接口的状态寄存器相应的位进行存储。如对输入设备来说，它能够提供“准备好”(READY)信号，READY=1表示输入数据已准备好。输出设备则提供“忙”(BUSY)信号，BUSY=1表示当前时刻不能接收CPU发来的数据，只有当BUSY=0时，才可接收来自于CPU输出
24、的数据。数据输入的基本电路如图6.9所示。输入设备将数据送入锁存器，同时发选通信号使输入设备状态置为就绪(READY=1)，CPU查询输入设备状态(读READY)，判断数据是否已准备好。若READY=1则CPU通过执行IN指令读取数据，同时IN指令又使READY=0，清除准备就绪信号。第6章 输入/输出接口系统 图6.9 数据输入接口电路第6章 输入/输出接口系统 查询输入操作的程序流程图如图6.10所示。可见，对READY的状态查询，CPU通过读状态端口的相应位然后进行判断。这种传送控制方式的最大优点是，能够保证输入/输出数据的正确性；缺点是CPU利用率很低，I/O处理的实时性很差，一般用于
25、要求简单的数据传送的场合。第6章 输入/输出接口系统 图6.10 查询输入操作流程图第6章 输入/输出接口系统 程序查询方式的数据输出与输入工作方式类似，CPU 在输出数据前，首先判断 BUSY信号是否有效，若无效(BUSY=0 表示外设不忙)表示 CPU可输出新的数据；否则，CPU 等待直到BUSY无效后再执行数据输出指令。CPU 通过执行 OUT 指令将输出数据锁存在数据锁存器，同时令 BUSY=1。当外设读取数据后，由外设输出的回答信号ACK 使 BUSY=0，这样 CPU 在判断BUSY 无效后可继续输出新的数据。数据输出接口电路如图 6.11所示。第6章 输入/输出接口系统 图6.1
26、1 数据输出接口电路第6章 输入/输出接口系统 程序查询方式的数据输出的程序流程图与图6.10类似，读者可自行画出。采用程序查询方式进行数据输入/输出，当CPU同时面对多个设备进行查询时，需要解决优先级问题。CPU执行程序是串行的，对外设状态的查询也是轮流方式的，优先级根据查询的次序自然就得到了划分，即先查询的设备具有较高的优先级。查询优先级流程图如图6.12所示。第6章 输入/输出接口系统 图6.12 查询优先级流程图第6章 输入/输出接口系统 但是当为设备B服务以后，这时即使A已准备好，它也不理睬，而是继续查询C，也就是说A的优先地位并不固定(即不能保证随时处于优先)。为了保证A随时具有较
27、高的优先级，可采用加标志的方法。当CPU为B服务完以后，先查询A是否准备好，若此时发现A已准备好，立即转向对A的查询服务，而不是为C设备服务。【例例6.1】假设状态口的地址为PORT1，输入数据口的地址为PORT2，传送数据的总字节数据为COUNT，则查询式输入的数据程序段如下：第6章 输入/输出接口系统 MOV BX,0 ；初始化地址指针 BX MOV CX,COUNT ；字节数 BEGAIN:IN AL,PORT1 ；读入状态位 TEST AL,01H ；数据是否准备好 JZ AGAIN ；未准备好，继续测试 IN AL,PORT2 ；已准备好，读入数据 MOV BX,AL ；存到内存缓冲
28、区 INC BX LOOP BEGAIN ；未传送完，继续传送 第6章 输入/输出接口系统 另外，还有程序控制更简单的情况就是无条件传送方式。CPU与慢速的设备交换数据时，可以认为它们总是处于“就绪”状态，随时可以进行数据传送，这需要外设保证一直处于准备就绪的状态或在下一次传送时数据能够被及时读/写完毕。在对一些简单外设(如开关、七段显示管等)操作时，一般采用这类方式。第6章 输入/输出接口系统 6.3.2 中断方式中断方式查询方式下，CPU通过执行程序主动地、循环读取状态字和检测状态位。如果状态位表示的外设状态未准备就绪，则CPU必须继续查询等待，这占用了CPU大量的执行时间，而CPU真正用
29、于传输数据的时间却很短，计算机的工作效率非常低。如果有多个外设需要查询方式工作，由于CPU只能轮流对每个外设进行查询，而这些外设的速度往往并不相同，这时CPU显然不能很好地满足各个外设对CPU的及时输入/输出数据的要求，所以在实时系统以及多个外设的系统中，采用程序查询进行数据传送是不太理想的方式。第6章 输入/输出接口系统 为了提高CPU的效率，使用系统具有的实时输入/输出数据的能力，可以采用中断传送方式。中断传送是外设需要进行数据传送时主动向CPU申请服务，当输入/输出设备已将数据准备好，或者输出设备可以接收数据时，便可以向CPU发出中断请求，CPU暂时停下正在执行的程序而和外设进行一次数据
30、传输，输入或输出操作完成后，CPU再回到原来的程序继续执行。这时的CPU不用去循环查询等待，而可以去处理其他事情。可见采用中断传送方式，CPU和外设能有一定的并行性，这样不但大大提高了CPU的效率，对外设的请求也能做到实时响应和处理。第6章 输入/输出接口系统 以中断方式的输入为例，其接口原理图如图6.13所示。当外设准备好一个输入数据时，便发一个选通信号STB，将数据输入接口电路的锁存器中，并使中断请求触发器置“1”。若此时中断屏蔽触发器的状态为1，则由控制电路产生一个向CPU发出请求中断的信号INT。中断屏蔽触发器的状态为1还是为0，决定了接口是否允许该中断请求信号的产生。第6章 输入/输
31、出接口系统 图6.13 中断方式的数据输入接口电路第6章 输入/输出接口系统 CPU接收到中断请求信号后，如果CPU内部的中断允许触发器(8086/8088 CPU中为IF标志)状态为1，则在当前指令被执行完后，响应中断，并由CPU发回中断响应信号INTA,将中断请求触发器复位，准备接收下一次的选通信号。CPU响应中断后，立即停止执行当前的程序，转去执行一个为外部设备服务的程序，此程序称为中断处理子程序或中断服务程序。中断服务程序的任务是完成外设的数据传送，执行完后CPU又返回到刚才被打断的程序，接着原来的程序继续执行。第6章 输入/输出接口系统 对于一些慢速而且随机地与计算机进行数据交换的外
32、设，采用中断控制方式可以大大提高系统的工作效率。中断是现代计算机非常重要的技术，有着非常广泛的应用。中断技术还需要解决如何进行中断的优先级划分、中断排队、中断屏蔽、中断嵌套等一系列问题，更详细的内容在后面的相关章节会有具体介绍。第6章 输入/输出接口系统 6.3.3 DMA方式方式(直接存储器存取方式直接存储器存取方式)中断传送方式，能够使外设与CPU有一定程度的并行，大大提高了CPU的使用效率，也能做到对外设请求的及时处理。但这种方式下，仍然需要靠CPU执行程序实现数据的传送，并且每次进入中断和退出中断，以及保护现场和恢复现场均需要占用CPU资源，每次中断过程传送一个数据。如果中断频繁发生，
33、CPU的大量时间需要做中断的一系列处理，而且每中断一次有一定的周期过程。众多外设中断发生的周期过短，造成CPU的响应和处理会不及时，产生数据丢失的现象。第6章 输入/输出接口系统 DMA方式是一种完全靠硬件独立工作而不需要CPU执行程序的高速数据传输方式。DMA方式只需CPU启动和授权，传输过程不需CPU干预，在DMA控制器控制下完成传输。在实现DMA传输时，由DMA控制器直接控制总线的使用，在外设与内存之间建立起直接的数据传输通路。这种数据传送方式在传输前和传输结束时与CPU有一个总线控制权转移交接的过程，即DMA传输前，CPU要把总线控制权交给DMA控制器，而在结束DMA传输后，DMA控制
34、器立即把总线控制权交回给CPU。一个完整的DMA传输过程包括DMA请求、响应、传输和结束四个步骤。第6章 输入/输出接口系统 上述几种微机接口的数据传输方式只能由用户实现对数据的输入/输出传送控制和安排，在大型计算机上则存在安全方面的漏洞。专用I/O处理机的控制方式是把原来由CPU完成的各种I/O操作与控制全部交给I/O处理机(IOP)去完成，具体包括通道处理机和外围处理机技术。通道处理机是IBM公司首先提出来的一种I/O处理机控制方式，中央处理机靠管态指令控制外围设备的输入/输出操作。用户在目态程序中通过访管指令进入管理程序进行通道程序的编制，引起中断进行管态下I/O的处理，这能够显著提高C
35、PU运算与外设操作的重叠程度。系统中多个通道连接多台外设，各自运行自己的通道程序，使多种外设可以充分地并行。第6章 输入/输出接口系统 外围处理机(PPU)方式还可以做到独立于主处理机进行异步工作。外围处理机是独立的处理机，通过输入/输出交叉开关网络连接通道，真正把CPU从输入/输出操作中解脱出来，专注运算任务。外围处理机可以自由选择通道和设备进行通信，主存、PPU、通道和设备控制器相互独立，程序动态控制其连接，工作更灵活，并且PPU具有一定的运算能力，可以承担一般的外围运算处理和操作控制，还能够让外设之间直接交换信息，进一步减少了CPU对I/O的介入。这都提高了整个计算机系统的工作效率。I/
36、O处理机的功能包括：第6章 输入/输出接口系统(1)完成通道处理机的全部功能，完成数据的传送。(2)数据的码制转换，如十进制与二进制之间的转换，ASCII码与BCD码之间的转换。(3)数据传送的校验和校正。各种外设都有比较复杂而有效的校验方法，必须通过执行程序予以实现。(4)故障处理及系统诊断。负责处理外设及各种I/O控制器出现的故障。通过定时运行诊断程序，诊断外设及I/O处理机的工作状态，并予以显示。(5)文件管理。设备管理是操作系统的工作，此部分可以由I/O处理机承担其中的大部分任务。(6)人机对话处理、网络及远程终端的处理工作。第6章 输入/输出接口系统 总之，I/O处理机因为具有数据处
37、理功能及一定的存储能力，所以可以完成输入/输出所需的大量工作，与主机系统完全并行工作，从而大大提高了系统的性能。具有I/O处理机的系统，中央处理机不与外部设备直接联系，由I/O处理机进行全部的管理与控制，它是独立于中央处理机异步工作的。从结构上看，它可分为两大类，一类是与中央处理机共享主存，I/O处理机要执行的管理程序一般放在主存储器，为所有I/O处理机所共享。每台I/O处理机可以有一个小容量的局部存储器，在需要的时候，才将本处理机所要执行的程序加载到局存中。此类结构的机器有CDC公司的CYBER、Texas公司的ASC。另一类是非共享主存储器的结第6章 输入/输出接口系统 构，各台I/O处理
38、机具有自己大容量的局部存储器存放本处理机运行所需的管理程序。其优点是减少了主存储器的负担。目前大多数的并行计算机系统都是这种结构，例如STAR-100。进一步扩展，I/O处理机可超出单纯的输入/输出设备管理和数据传送，发展前端机、后台机，智能外设和智能接口把管理和操作控制工作在端点完成，调用外设的过程就是I/O系统的各个处理机之间及存储缓冲之间的信息传送，从而进一步让CPU摆脱I/O负担，提高I/O系统的数据吞吐率。第6章 输入/输出接口系统 6.4 接口的分析与设计接口的分析与设计6.4.1 接口的分析方法接口的分析方法分析接口，一般可从接口电路的两侧分别入手，因为接口的一侧是CPU，另外一
39、侧是外设，接口起到连通和隔离的作用。对于CPU一侧，在搞清楚CPU类型的基础上，需要明确地址线的情况、数据线宽度以及控制线的定义和时序等。外设一侧，属于被控对象，种类繁多，所连接的信号繁杂，所需的电平、时序及逻辑定义等情况复杂，需要具体分析外设连接的控制信号、状态信号以及工作时的情况，接口应该能够连接和满足外设的需求和用户现场对外设的要求。通过第6章 输入/输出接口系统 掌握接口两侧的外部特性和工作过程，接口的硬件和软件分析就有了一定的依据。然后具体分析接口本身采用的核心接口芯片、外围功能电路以及所配置的软件各个功能段所完成的任务。这样对整个接口就能够建立起清晰的认识。第6章 输入/输出接口系
40、统 6.4.2 接口的设计方法接口的设计方法接口的核心是接口芯片，接口芯片的选择是设计的关键所在。目前的电子技术发展水平，已经实现了接口电路的集成化过程，电路设计基于大中规模的集成芯片，减少了电路设计繁难度。深入了解和掌握接口芯片的功能、特点、原理、应用及初始化、编程驱动等成为设计方面考虑的重点。因此，应根据设计要求合理选择适当的芯片，遵循功能实现、集成度高、经济合算、系列性、设计难度小的原则。尽管接口芯片包括了以往的通用外围电路，但对具体的设计而言，仍然需要在核心芯片外附加一些电路进行扩充，构成满足设计要求的接口电路板，如译码、缓冲、电平转换、驱动能力、时序等方面的电路。第6章 输入/输出接
41、口系统 配合硬件电路工作的软件设计是另外一项重要的设计内容。一般说来，编程语言是首先面临的选择，通常首选汇编语言作为底层硬件的驱动。汇编语言直接面向硬件，能够深入硬件细节进行操作，充分发挥硬件的作用，而且其代码效率和功能不可替代。在不直接和硬件交互的程序设计上，应尽可能采用高级语言实现，如C和C+等。其好处是编程效率高，实现方便快捷，容易入手，但实时性、效率不佳。一般系统也提供了大量的可用资源，如PC的BIOS、DOS调用等，直接实现了一些底层的功能，尤其是标准设备和通用功能的实现，用户靠其软件接口直接编程调用，比较方便，但可移植性、独立性就会差，而且用户设计的对象往往会是专门用途和非标准的，需要从底层完全设计。
