计算机组成原理第7章
计算机组成原理第七章
磁记录原理
磁性材料的物理特性 磁表面存储器的读写原理
–
–
读操作：当磁头经过载磁体的磁化元时，由于磁头铁芯 读操作：当磁头经过载磁体的磁化元时， 是良好的导磁材料， 是良好的导磁材料，磁化元的磁力线很容易通过磁头而 形成闭合磁通回路。 形成闭合磁通回路。不同极性的磁化元在铁芯里的方向 是不同的。 是不同的。 写操作：当写线圈中通过一定方向的脉冲电流时， 写操作：当写线圈中通过一定方向的脉冲电流时，铁芯 内就产生一定方向的磁通。 内就产生一定方向的磁通。
磁表面存储
– –
用某些磁性材料薄薄地涂在金属铝或塑料表面作载磁体 存储信息 优点
存储容量大， 存储容量大，位价格低 记录介质可以重复使用 记录信息可以长期保存而不丢失 非破坏性读出， 非破坏性读出，读出时不需要再生信息
– –
缺点
存取速度慢，机械结构复杂， 存取速度慢，机械结构复杂，对工作环境要求高
通常用作辅助大容量存储器使用
磁盘存储器的技术指标
采用定长数据块格式， 【例题1解】：(4)采用定长数据块格式，直接寻址的最小单 例题 解 采用定长数据块格式 位是一个记录块(一个扇区 一个扇区)， 位是一个记录块 一个扇区 ，每个记录块记录固定字节数目 的信息，在定长记录的数据块中， 的信息，在定长记录的数据块中，活动头磁盘组的编址方式 可用如下格式： 可用如下格式：
第七章
外围设备
外围设备 磁记录原理 磁盘驱动器 磁盘控制器 磁盘存储器
教学要求
重点和难点
外围设备的一般功能 磁记录原理 磁盘的组成 磁盘驱动器和控制器 磁盘上的信息分布 磁盘存储器的技术指标
主要内容
外围设备概述 磁盘存储设备 磁盘存储设备的技术发展 磁带存储设备 光盘和磁光盘存储设备
西安电子科技大学_计算机组成原理第7章输入输出IO系统_课件PPT
7.2 外部设备：习题
设一个磁盘盘面共有200个磁道，盘面总存储容量 60MB，磁盘旋转一周的时间为25ms，每磁道有8个扇 区，各扇区间有一间隙，磁头通过每个间隙需1.25ms。 则磁盘通道所需最大传输率是_____。
A. 10MB/s
B. 60MB/s
C. 83.3MB/s D. 20MB/s
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7.3 I/O接口(I/O控制器)：习题
在统一编址的情况下，就I/O设备而言，其对应的I/O 地址说法错误的是_____。 A. 要求固定在地址高端 B. 要求固定在地址低端 C. 要求相对固定在地址的某部分 D. 可以随意在地址的任何地方
7 第 章 输入输出(I/O)系统
7.4 I/O方式
2021年9月3日 21:40:22
7.4 I/O方式
程序查询方式 实现简单；CPU与I/O设备只能串行工作。
程序中断方式 中断的基本类型 按中断源的位置： 内中断 外中断 如何得到中断服务程序的入口地址： 向量中断: 由中断事件自己提供(硬件向量法) 非向量中断：由CPU查询得到(软件查询法)
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7.4 I/O方式
程序中断方式
中断的过程：
中断请求：由中断源发出
中断响应：每条指令执行阶段结束前，未屏蔽
断点保护（硬件完成） 中断判优
PUSH PSW 关中断: IF=0; TF=0
中断源识别
PUSH CS
获得中断服务程序首地址 PUSH IP
中断处理
PUSH regs STI （选） 中断处理
一台字符显示器的VRAM中存放的是_____。
A. 显示字符的ASCII码
B. BCD码
C. 字模
D. 汉字内码
《计算机组成原理》第7章：存储系统
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7.1 存储系统概论
所谓速度，通常用存取时间(访问时间)和存取周期 来表示。存取时间是指从启动一次存取操作到完成 该操作所经历的时间；存取周期是指对存储器进行 连续两次存取操作所需要的最小时间间隔。由于有 些存储器在一次存取操作后需要有一定的恢复时间， 所以通常存取周期大于或等于取数时间。单位容量 的价格是指每位的价格。数据传输率是指在单位时 间内可以存取的二进制信息的位数，在数值上等于 存储器总线宽度除以存取周期，所以又可称为存储 器总线带宽或频宽。除此之外，存储器件还有一个 十分重要的性能，就是它是否是挥发性的。
图7-6 2114的读/写周期波形图
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7.2.2 静态MOS RAM芯片举例
4. 静态存储器的组织 1)位扩展
图7-7 位扩展连接方式
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性 能 存储信息 破坏性读出 需要刷新 行列地址 运行速度
SRAM 触发器 否 否 同时送 快 电容 是 需要 分两次送 慢
DRAM
集成度
发热量 存储成本
低
大 高
高
小 低
表7-1 静态存储器和动态存储器性能比较
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7.2 主 存 储 器
7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.2.4 7.2.5 7.2.6 7.2.7
基本概念 静态MOS RAM芯片举例 动态MOS RAM 2164芯片 动态MOS RAM 4116芯片 动态RAM的刷新 只读存储器举例 主存储器与CPU的连接
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7.2.2 静态MOS RAM芯片举例
3. 读写时序 为了使芯片正常工作，必须按所要求的时序关系 提供地址信息、数据信息和有关控制信号，2114 的读/写周期波形图如图7-6所示。 1) 读周期 2) 写周期
计算机组成原理第7章
第 7 章 输入/输出系统
计算机中的输入/输出系统主要用于解决主机与外部设 备间的信息通信,提供信息通路,使外围设备与主机能够协调 一致地工作。输入/输出系统的基本功能是:
(1 )确定一次数据传输过程中的源端设备和目的端设备。 (2 )确保 I / O 设备和主机之间能够顺利地进行信息交换。
第 7 章 输入/输出系统
第 7 章 输入/输出系统
图 7－2 I / O 设备通过通道与主机交换信息
第 7 章 输入/输出系统
3.I / O 处理机方式 I / O 处理机又称为外围处理机,它是独立于主机工作的, 可以完成对 I / O 设备的控制,同时还可以完成简单的数据处 理,如格式转换、纠错等。具有 I / O 处理机的输入/输出系统 相比通道而言,与 CPU 工作的并行性更高。
第 7 章 输入/输出系统
在这种方式下,可以将 DMA 控制器看做一个和 CPU 共 享主存的独立处理器,当DMA 控制器和 CPU 同时访问主存 的请求发生冲突时, DMA 控制器具有较高的优先权,这样就 能及时响应高速设备提出的数据传输请求。因此,也可将 DMA 控制器看做以主存储器为中心的一种方式。
(2 )如果让 CPU 并行地执行其他程序,那么当外设准备 阶段结束后,如何通知 CPU去执行相应的 I / O 操作?
第 7 章 输入/输出系统
当外部设备与主机之间采用总线方式进行连接时,根据 不同的设备和环境要求可以采用以下三种方式。
1. 直接程序控制方式 直接程序控制方式指 CPU 直接利用程序控制 I / O 设备 实现数据输入和输出,程序中包含一系列的启动外设、检测 外设状态、数据传输等功能的 I / O 指令。 这种方式的特点是 CPU 掌握主动权,外设只能被动接受 CPU 的操作,当 CPU 发送一个命令后,必须等待外设操作完 毕,因此主机和外设处于串行工作状态。这种方式的优点是 控制逻辑简单,只需简单的硬件支持。
计算机组成原理(第七章 输入输出系统
第七章输入输出系统第一节基本的输入输出方式一、外围设备的寻址1．统一编址：将输入输出设备中控制寄存器、数据寄存器、状态寄存器等与内存单元一样看待，将它们和内存单元联合在一起编排地址，用访问内存的指令来访问输入输出设备接口的某个寄存器，从而实现数据的输入输出。
2．单独编址：将输入输出设备中控制寄存器、数据寄存器、状态寄存器单独编排地址，用专门的控制信号进行输入输出操作。
3．CPU与外围设备进行通信有三种类型：（1）CPU向外围设备发出操作控制命令。
（2）外围设备向CPU提供状态信息。
（3）数据在CPU与外围设备之间的传递。
历年真题1．对外设统一编址是指给每个外设设置一个地址码。
（2002年）【分析】CPU与外设之间的信息传送是通过硬件接口来实现的，各种外设的硬件接口上又都包含有多个寄存器，如控制寄存器、数据寄存器、状态寄存器等。
统一编址是将外设接口上的各种寄存器等同于内存储器的存储单元，通过使用访问内存单元的指令来访问外设接口上的各个寄存器，这样就可以使用访存指令来访问外设，输入输出操作简单，程序设计比较简便。
由于外设接口上的寄存器种类和数量通常不止一个，所以一个外设至少对应一个以上的内存地址。
【答案】对外设统一编址是将外设接口上的寄存器等同内存单元，给每个外设设置至少一个地址码。
二、外围设备的定时1．外围设备的定时方式有异步传输方式和同步定时方式两种。
2．实现输入输出数据传输的方式主要有：程序控制方式、直接存储访问（DMA）方式、通道方式。
程序控制方式又可分为程序查询方式和中断方式两种。
历年真题1．对I/O数据传送的控制方式，可分为程序中断控制方式和独立编址传送控制方式两种。
（2001年）【分析】对1/O数据传送的控制方式，可分为程序直接控制方式、程序中断控制方式、DMA控制方式、通道控制方式等。
程序中断控制方式只是其中的一种方法，独立编址是指对1/O设备的控制寄存器、数据寄存器、状态寄存器等单独进行地址编排，使用专门的指令对其进行操作，可用在各种数据传送的控制方式中。
计算机组成原理第七章
计算机组成原理第七章首先，让我们来看看CPU的组成部分。
一个典型的CPU由控制器（Control Unit）和算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，简称ALU）组成。
控制器负责指令的解码和执行，而ALU负责处理数据的运算和逻辑操作。
此外，CPU还包括寄存器、时钟和总线等重要的组件。
在CPU的工作过程中，指令周期是一个非常关键的概念。
指令周期是指执行一条指令所需的时间，它通常包括取指令、译码、执行和访存等阶段。
指令周期的长度取决于CPU的设计和时钟频率等因素。
为了提高CPU的运行效率，指令流水线（Instruction Pipeline）被引入到CPU的设计中。
指令流水线将指令的执行过程分为多个阶段，并在每个阶段同时执行不同指令的不同阶段。
这样可以提高指令的吞吐量和CPU的性能。
然而，指令流水线也会带来一些问题，比如数据冒险（Data Hazard）和控制冒险（Control Hazard）。
数据冒险是指由于数据相关性引起的指令执行顺序的问题，而控制冒险是指由于分支指令的执行带来的指令流程的问题。
为了解决这些问题，CPU引入了数据前推（Data Forwarding）和分支预测（Branch Prediction）等技术。
除了指令流水线，中断处理也是CPU设计中的一个重要问题。
中断是指CPU在执行指令的过程中，由外部设备或程序发出的中断请求信号。
CPU在接收到中断信号后，会暂停当前的指令执行，保存当前的上下文，然后处理中断请求。
处理完中断后，CPU会恢复之前的指令执行。
最后，超标量技术是一种用于提高CPU性能的技术。
超标量CPU可以同时执行多条指令，以提高指令的吞吐量和CPU的性能。
它通过增加ALU、寄存器和流水线等资源来实现。
总的来说，计算机组成原理第七章主要介绍了CPU的设计和工作原理。
通过学习这一章，我们可以了解到CPU的组成部分、指令周期、指令流水线、中断处理和超标量技术等关键概念。
计算机组成原理(蒋本珊)第七章讲解
第七章１．外部设备有哪些主要功能？可以分为哪些大类？各类中有哪些典型设备？解：外部设备的主要功能有数据的输入、输出、成批存储以及对信息的加工处理等。
外部设备可以分为五大类：输入输出设备、辅助存储器、终端设备、过程控制设备和脱机设备。
其典型设备有键盘、打印机、磁盘、智能终端、数／模转换器和键盘－软盘数据站等。
２．说明磁介质存储器的存储原理。
解：磁介质存储器的存储过程是一种电磁转换的过程。
在磁介质存储器中，信息是记录在一薄层磁性材料上的，这个薄层称为磁层。
磁层与所附着的载体称为记录介质或记录媒体。
磁头是磁记录设备的关键部件之一，是一种电磁转换元件，能把电脉冲表示的二进制代码转换成磁记录介质上的磁化状态，即电→磁转换；反过来，能把磁记录介质上的磁化状态转换成电脉冲，即磁→电转换。
３．分别用RZ 、NRZ 、NRZ唱１、PE 、FM 、MFM 和M２ FM 制记录方式记录下述数据序列，画出写电流波形。
（１）１１０１１０１１１０１１０（２）１０１０１１００１１０００解：（１）写电流波形如图７-９（a）所示。
（２）写电流波形如图７-９（b）所示。
４．若对磁介质存储器写入数据序列１００１１，请画出不归零唱１制、调相制、调频制、改进的调频制等记录方式的写电流波形。
解：写电流波形如图７-１０所示。
５．主存储器与磁介质存储器在工作速度方面的指标有什么不同？为什么磁盘存储器采用两个以上的指标来说明其工作速度？解：主存储器速度指标主要有存取速度和存取周期，而磁介质存储器速度指标为平均存取时间，这是因为磁介质存储器采用顺序存取或直接存取方式。
磁盘存储器的平均存取时间至少应当包括平均寻道时间和平均等待时间两部分，因为磁盘存储器首先需要将磁头移动到指定的磁道上，然后将记录块旋转到磁头下方才能进行读写。
６．某磁盘组有六片磁盘，每片可有两个记录面，存储区域内径为２２cm ，外径为３３cm ，道密度４０道／cm ，位密度４００ b／cm ，转速２４００ r／min 。
7计算机组成原理(第七章)
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1、外设的一般功能 、
外设在计算机和其它机器之间、 外设在计算机和其它机器之间、以及计算机和用户之 间提供联系，其主要作用如下： 间提供联系，其主要作用如下： 人机对话的通道 完成数据变换的设备 软件和信息的驻留地 计算机在各领域应用的桥梁 外设种类很多，归纳起来具有以下特点： 外设种类很多，归纳起来具有以下特点： 由信息载体、 由信息载体、驱动装置和控制电路组成 工作速度比主机慢得多 信息类型和结构各不相同 电气特性也不相同
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2、信息的记录方式 、
在实际应用中，磁性材料写入二进制 或 是靠不同的写入电流 在实际应用中，磁性材料写入二进制0或1是靠不同的写入电流 波形来实现的。形成不同写入电流波形的方式称为记录方式 记录方式。 波形来实现的。形成不同写入电流波形的方式称为记录方式。
调频制：写“1”时，磁头线圈加正向脉冲电流，然后电流归 ；写 归零制： 每个位单元起始处，写电流改变一次方向， 归零制 ：每个位单元起始处，写电流改变一次方向，写入信号作为 时 磁头线圈加正向脉冲电流，然后电流归0； 本位的同步信号；位单元中间记录信息， 时位单元中间不变， 本位的同步信号；位单元中间记录信息，写0时位单元中间不变， 时位单元中间不变 “0”时，磁头线圈加负向脉冲电流，写完后电流也归 。归零制具 时 磁头线圈加负向脉冲电流，写完后电流也归0。 改进调频制写“1”时，磁头线圈有正向电流；写“0”时，磁头线圈 ：写“1”时，写电流在位单元中间改变一次方向；写 时 写电流在位单元中间改变一次方向； 不归零制： 不归零制： 时 磁头线圈有正向电流； 时 时位单元中间改变一次方向。这样， 时位单元变化1次 写1时位单元中间改变一次方向。这样，写0时位单元变化 次，写 时位单元中间改变一次方向 已经不用。 时位单元变化 有自同步能力，但记录密度低， ；写两个或两个以上“0”时，写电 有自同步能力磁头线圈中始终有电流。无自同步能力，也不用。 一个“ 时，磁头线圈中始终有电流。无自同步能力，也不用。 一个“0”时。，但记录密度低，已经不用。 有负向电流。 写电流不改变方向； 有负向电流 写电流不改变方向 写两个或两个以上“ 时 就翻不归零制： 用频率的变化表示0和 。“ 时改变方向 时改变方向， 见1就翻不归零制：流过磁头的电流只有在记录有自同步能力。 ， 就翻不归零制 1时位单元变化 次。用频率的变化表示 和1。有自同步能力。 时位单元变化2次 流过磁头的电流只有在记录“1”时改变方向 时位单元变化 流在位单元边界改变方向（位间相关性编码，以减少磁通翻转次数， 流在位单元边界改变方向（位间相关性编码，以减少磁通翻转次数， 记录“ 时电流方向不变 磁头线圈中始终有电流。无自同步能力， 时电流方向不变。 记录“0”时电流方向不变。磁头线圈中始终有电流。无自同步能力， 提高记录密度）。有自同步能力。 ）。有自同步能力 提高记录密度）。有自同步能力。 ）；写 调相制 ：写“1”时，写电流在位单元中间正跳变 时 写电流在位单元中间正跳变（ ）； 需要增设同步磁道来提供外加同步选通信号。 需要增设同步磁道来提供外加同步选通信号。 （-I→+I）；写 ）。读出时 “0”时，写电流在位单元中间负跳变（+I→-I）。读出时，位单元 时 写电流在位单元中间负跳变（ ）。读出时， 中间的转换区将产生读出信号，该信号既是数据信号， 中间的转换区将产生读出信号，该信号既是数据信号，又是同步信 所以调相制具有自同步能力。 号，所以调相制具有自同步能力。
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IOR# IOW#
MEMR# MEMW#
CPU
地址锁存器
&
&
数据缓冲器
设备号
＝1
寄存器 或电路
命中 比较器
设备硬件
主存
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4、I/O设备与主机的联络方式 指I/O设备与主机(或I/O接口)间的传送定时方式
*异步联络方式：采用异步定时方式， 联络信号为Strobe、Ack/Ready等
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二、I/O设备与主机的联系
1、I/O设备与主机的连接方式 *连接方式：有辐射方式、总线方式两种，常采用总线方式
CPU 总线
主存
总线操作标 准化所需
I/O接口 1 … I/O接口 n
I/O设备
I/O设备
*总线方式连接的I/O实现需求：
机器指令—能区分操作的目标设备类型[主存或I/O设备],
X+N-1
… I/O设备
X
X-1
CPU
… MEM
0
MEM读/MEM写指令的地址码范围
地址、数据 MEMR#、MEMW#
地址、数据 MEMR#、MEMW#
主存
I/O设备 或接口
设备选择—用机器指令中设备码选择目标设备
*特点：无需增加机器指令、地址码较长，主存不易扩展
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(2)独立编址方法
*I/O实现方法： 机器指令—用单独的输入、输出指令表示
接收操作 及数据
启动 设备
I/O设备
设备启动 传送操作实现
时间
*I/O特点：CPU与I/O设备串行工作
*对I/O接口的要求：
需设置暂存及缓冲操作命令、数据、设备状态的电路
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2、程序中断方式
*功能：可实现CPU-I/O设备间的单个数据传送
*传送控制原理：CPU启动I/O操作后、继续执行现行程序， I/O设备准备就绪后、提出请求， CPU响应请求、进行数据传送
总线信号—用单独的IOR#、IOW#信号实现操作控制
X-1
… MEM
0
N-1
… I/O设备
0
地址、数据
MEMR#、MEMW#
主存
CPU
地址、数据
MEM读/MEM写指令 输入/输出指令
的地址码范围
的地址码范围
IOR#、IOW#
I/O设备 或接口
设备选择—用机器指令中操作码、设备码选择目标设备
*特点：需增加2条机器指令、地址码较短， 易单独扩展主存及I/O设备
CPU
主存
总线
I/O管 理部件
I/O接口 … I/O接口
I/O设备 I/O设备
I/O可以不通过CPU (标准化方式)
由I/O设备、I/O接口、I/O管理部件组成
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2、I/O系统的软件 *I/O软件的任务：①信息的输入及输出传送， ②主机与I/O系统的工作协调 *I/O软件的组成：用指令或程序表示 I/O指令—CPU发出的CPU与I/O设备间传送的机器指令
主程序
*I/O设备的特征：①传送速度不同，
②传送数据量不同(字符/次、块/次)
*I/O方式的目标： ①减少传送所占CPU时间 如I/O设备(接口)─主存直接传送
②提高传送速度
如批量传送(字符/次×次数/批)
CPU
主存键盘接口 键盘 Nhomakorabea打印机接口 打印机
… 视频压缩卡
摄像机
显卡 显示器
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*I/O组织方式示例：老师要10个孩子轮流、每人吃4颗糖
态，在I/O设备准备就绪[或空闲]时，才进行数据传送
CPU
IOW指令 (数据D1)
IOR指令 (状态=0)
…
IOR指令 (状态=0)
IOR指令 (状态=1)
IOW指令 (数据D2)
I/O接口
接收操作 及数据
转发设备 状态(=0)
…
转发设备 状态(=0)
转发设备 状态(=1)
启动 监视 设备 就绪
转发操作数据，接收设备状态
他管理有困难的报告时处理该问题…；或由班长全权负责。
*I/O传送控制方式的种类：
程序查询方式 程序中断方式 程序控制方式 直接存储器访问(DMA)方式 通道及I/O处理机(IOP)方式
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1、程序查询方式 *功能：可实现CPU-I/O设备间的单个数据传送 *传送控制原理：CPU启动I/O操作后、不停地查询I/O设备状
①先给某孩子一颗糖，看着他，等到他吃类完比时于给总下线一连颗接…；
再给另一孩子…；
②先给某孩子一颗糖，改作业，收到他一颗吃完的报告时给下一颗…；
再给另一孩子…； ③先告诉某孩子吃糖规则(共4颗糖，自己拿、每次一颗…)，改作业，
收到他全部吃完的报告时，再告诉另一孩子…；
④先写好吃糖规则及孩子名单、告诉班长按规则处理，改作业，收到
能区分操作的目标设备[哪个I/O设备]
I/O设备(接口)—能主动判断自身是否为操作的目标设备
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2、I/O设备的编址方式
指机器指令如何区分操作的目标类型(主存单元或I/O设备)
(1)统一编址方法
*I/O实现方法：
机器指令—用统一的MEM读、MEM写指令表示
总线信号—用统一的MEMR#、MEMW#信号实现操作控制
第七章 输入输出系统
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§7.1 I/O系统概述
一、I/O系统的基本组成
1、I/O系统的硬件 *I/O系统的发展：可扩展性、性能
主存 主 机 CPU
I/O设备
CPU
主存
总线
I/O接口 … I/O接口
I/O设备 I/O设备
I/O通过CPU (非标准化方式)
I/O通过CPU (标准化方式)
*I/O硬件的组成：
*同步联络方式：采用同步定时方式，联络信号为CLK
CPU
总线
主存
I/O接口 … I/O接口 … I/O接口 …
CLK
Ack Strobe
I/O设备
I/O设备
I/O设备
*立即响应方式：I/O设备随时响应主机操作，无联络信号
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三、I/O设备与主机的传送控制方式
指主机对I/O操作的管理方式，又称I/O方式
I/O指令一般格式： 操作码 设备码 操作码—表示输入、输出 设备码—选择I/O设备及操作种类 命令码—对该I/O设备的操作内容
命令码 (指令操作码) (指令地址码) (指令地址码)
通道指令—通道发出的主存与I/O设备间传送的专用指令
*I/O系统组成：
由I/O设备、I/O接口、I/O管理部件及I/O指令等组成
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3、I/O设备的寻址 指I/O设备(接口)如何判断自身是否为总线操作的目标设备
*I/O设备的编址实现： 编址—每个I/O设备分配有一个惟一的设备号 实现—硬件电路(固定)、或寄存器(OS分配[机器启动时])
*I/O设备的寻址实现： 内部的设备选择电路监视总线状态，有I/O操作时比较自