I/O系统概述_01在线视频

大家好 从今天开始我们将进入

输入输出系统这一部分的内容的学习

这部分内容对应到我们教材的

第六章 第七章一直到第八章

也就是我们这门课

我们在开篇就说过它的主要的培养目标

是希望大家最后具备

输入输出接口系统

软硬件系统的初步设计能力

那么我们通过长长的这段时间的学习

到今天终于开始进入

接口这样一个环节了

那么作为这部分内容的第一讲

今天我们先来给大家介绍一下

有关输入输出技术的一些基本的概念

或者说我们把它叫做概述

这部分的内容包括三个部分

首先是输入输出接口的一些基本概念

还有就是IO端口以及它的编址方式

和IO地址译码

这里头我们又出现了译码这个概念

或者说这个名词

实际上译码这个名词我们在

上一周就整个存储器接口设计中间

我们已经讲了很多了

我们介绍了译码的概念

介绍了怎么样来设计译码电路

实际上对于存储器接口的译码

和IO地址的译码

它们在原理是完全类似的

所以这一部分的内容我们在未来的课程中

我们不会再那么详细的介绍了

我们只是重点去讲清楚

存储器接口的译码电路

和IO端口的译码电路 它们的一些不同点

把这些搞清楚了

那么这些所有的技术

都沿用到下面是一样的

好 下边我们先介绍一下有关接口

以及接口的一些基本组成

或者它的一些概念

我们接口从第一章就开始讲起

我们说整个微型计算机系统

主机的四大组成部分

CPU 内存

总线 还有就是输入输出接口

那么接口到底到今天为止

我们说接口都具有什么样的功能呢？

这里我们把它列出来了

我们在前面讲的时候

我们用了一个图我们来给大家

描述接口大概的含义

就说从这样 它的一个位置

在系统中间的一个位置的示意图

我们说它一头担着CPU 一头担着外部设备

也就是说它实现了CPU这样一个高速的部件

和外部设备这样一个低速的

甚至是多种多样的设备

之间的一个信息交互

我们必须要通过中间这样一个接口

那么因为它的这样一个角色

所以它具有这样一些功能

首先它一定要实现一个

高速和低速部件的一个速度匹配问题

那么这样子才能够实现它们之间的信息交互

第二 这里头 我们说

CPU的能量或者说它的能力

实际上是很小的

你要让它所有的

它所控制的对象都要由它来亲自去控制

那是不可能的 这就像一个人

你的能力总归是有限的

你想去推动地球

那是绝对不可能的

所以它必须要有一个助手

或者要有多个助手

接口在这里起到了一样作用

就是它负责去驱动外面的一个设备

也就是实际上

提升CPU带动外设的一种能力

还有我们说过外部设备它的这些

不论是电平的高低

信号的类型 信号的格式等等

这些都不一样

因此这些都需要接口来解决

因此接口就有了这么样一堆的功能

这些功能里

对于速度的匹配

我们就会通过数据的输入输出端口

或者说通过它来实现对数据的缓存或者暂存

这样一个功能来实现

这个功能是我们未来学习

IO接口系统的一个主要的方向

就是怎么样能够实现数据的

通过这样的缓存或者驱动

来达到信息的这样的传输

为什么通过这样的缓存或者暂存功能

就能实现这样的一个速度的匹配呢？

我们做一个简单的解释

比如我们现在这样一个是慢速的部件

或者说我们一个人在走路

另外一个人在开着车

那么我们之间要进行信息交互

那么 当然我们说如果这个车非常非常慢

像我们前面说的

它怠速前进 人在小跑着 我们也能说话

但是如果我们现在希望车开的很快

就飞快地开走了

我们人又不可能飞起来

那怎么办呢？

我们可以通过手机来聊天 对吧

或者说对讲机 这也是可以的

那么手机聊天实际上就是

把我们人的信息放到手机

通过手机这样一个信号的载波

那这个信号最后传送到

那个开车人的那个手机信号上头

这样大家就能聊天了

所以外部设备它把这个信号

它把它要传输的数据

通过接口放在了接口里边

一个缓存或者暂存的这样一个区域里头

或者它的一个里面端口里头

然后CPU再去读取 这样的话

就实现了低速和高速部件这样的

一个信息的交互

这一点 后面我们会

通过一些具体的示例来帮助大家进一步理解

那么对于信号的驱动

当然接口就一定要有驱动的功能了

对于信号的转换或者信号电平高低的匹配

它要有一些信号类型的转换

我们现在这一周和下一周

我们会学到的都是数字接口

所以它只是牵扯到一个驱动或者缓存

因此我们接口选择的都是那些非常简单的

或者说它的电平的高低都跟CPU是一致的

所以还不太存在转换

但是到我们最后一章

我们通过模拟接口的时候

我们就会发现信号类型是要转换的

所以接口还必须要有这样子的功能

那么对于一些信号格式上的不一样

它还要有一些格式上的转换

另外呢

对于这种总线

即使所有所有的前面都可以一样

接口 外部设备跟CPU之间

还是不能够允许直接地信息交互

因为一旦直接进行信息交互

它就有可能造成一些外部干扰的进入

所以我们一定要有一个总线隔离的作用

这样一个功能

总线隔离通常最简单的一种方式就是三态门

当然这里还有时序匹配

这就是接口的总体的一些功能

接口的内部

我们可以用简单地用这样一个示意图来描述

在这个图里头

最上面的两个

就是以及比较大的这些

就是我们刚才说的这些数据的

暂存或者缓存的一些地方

也可以简单地说是接口里面的寄存器

这个概念我们在前面已经多次用到了

接口里面的寄存器就是端口

所以对于数据的传输来讲

因为它可以进来也可以出去

所以对于数据的端口

它是要有输入和输出两个方向的

那么对于这个所谓状态端口

它是用来接收外部设备当前的工作状态

比如我们经常见到的打印机

我们说打印机 实际上我们

好像按一下空键 文档哗一下出去了

实际上打印机内部它有一个巨大的缓冲区

这个缓冲区里一定要能够接收你

计算机发出的要打印的文档

它在这个缓冲区里

打印机要自己要把你

发过来的文档要经过处理

处理成它能够识别的这样的一个形式

然后再打印输出

那么这个缓冲区总是有容量的

再大容量也是有限的

而且它的处理也是需要时间的

所以当它来不及处理 缓冲区爆满的时候

它就拒绝再接收了

所以这个缓冲区是满还是空闲

它就有一个状态

这些状态是要告诉系统

我能不能再接收你发过来的信息

所以这个状态我们在前面其实也提到过

我们在讲AND指令 TEX指令

我们用的那个例子里头

我们都提到状态字 就是状态信息

那么状态信息是外部设备提供 发给系统的

所以接口里面要有一个状态寄存器

这个状态寄存器是输入寄存器

它是用来反映这个状态信息 送给接口

当然我们说

对于端口的访问

我们在讲IN指令和OUT指令时候

我们讲过不论是IN也好OUT也好

IN是读进来 对吧

那么对于CPU来讲就是读端口的状态

OUT是CPU把数据输出出去

它也就是输出到这样的接口里面的端口中

所以这些输入和输出

或者读或写都是控制信号

它都要在读写控制信号控制下才能进行

所以这里还要有相应的控制端口

就是用来存储或者说锁存各种控制信号的

当然接口里头 我们看到右侧这一些

还要包括些数据的驱动

包括整个的译码电路和控制逻辑电路

这个是免不了的 一定要有的

整个虚线框括起来这个就是整个接口

接口我们说过它实际上是一组电路

在这一组电路里头有各种

包括我们现在看到的像这种译码

还有逻辑的控制 驱动等等这些

除此之外就有我们现在看到的

左侧各种寄存器或者说端口