计算机组成原理第八章输入输出系统
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计算机组成原理 第八章 输入输出系统
外围处理机方式
8．3 程序中断方式
一、 中断的基本概念
从此过程可以 总结：
1. 发生中断了和 响应中断区别 是什么？
2. 一条指令执行 过程会被中断 吗？
3. 中断周期是由 硬件完成的 4. 当一个中断服 务程序执行结 束后，会马上 响应新的中断 吗？
一些问题：P243
(1) CPU只有在当前一条指令执行完毕后（公操作）才受理设 备的中断请求。（中断源锁存器） (2) 为了正确地返回到原来主程序被中断的断点(PC内容)而继 续执行主程序，必须保存程序计数器PC的内容到堆栈中去，称 保存断点。 (3)在进入设备服务之前，当前程序的CPU状态要保存到堆栈中 去。这些操作叫做保存现场。 (4) 当CPU响应中断后，正要去执行中断服务程序时，可能有另 一个新的中断源向它发出中断请求。（中断屏蔽 寄存器、中断 优先级） (5) 中断处理过程是由硬件和软件结合来完成的。
四、多级中断
每一个中断源都有一个优先级，优先级高的中断 可以打断优先级低的中断的执行，即中断可以嵌 套执行。
•第一，中断请求寄存器，中断屏 蔽寄存器 根据系统的配置不同，多级中断可分为一 •第二，一维和二维，二维在同级 内不能再中断 维多级中断和二维多级中断 •第三，响应逻辑由硬件实现，二 优先权与优先级的区 维采用独立请求与链式查询结合 别是… 一维多级中断是指每一级中断里只有一个中断源 •第四，用堆栈保存现场信息 二维多级中断是指每一级中断里又有多个中断源。
8．2．5 中断控制器
是一个集成电路芯片，它将中断接口与优级判断 等功能汇集于一身。
8259为例
程序中断方式总结
中断请求是外围设备向CPU发出的 CPU响应中断就会执行相应的中断程序 中断处理过程 中断过程是CPU中的中断部件和中断接口配合 完成的 单级中断就是中断程序不能再被打断 中断向量是… 多级中断 中断控制器是中断接口与优先级判断等功能集 成在一起
计算机组成原理第8章 输入输出系统
8.1 输入/输出系统概述
8.1.2 I/O设备的寻址方式
在独立编址方式中，主存地址空间和I/O端口地址空间是相对独 立的，分别单独编址。例如，在8086系统中，其主存地址范围是从 00000H～FFFFFH连续的1 MB，其I/O端口的地址范围从0000H～ FFFFH，它们互相独立，互不影响。CPU访问主存时，由主存读写 控制线控制；访问外设时，由I/O读写控制线控制，所以在指令系统 中必须设置专门的I/O指令。
8.3 程序中断方式
8.3.2 中断的工作过程
一个计算机系统包含多个中断源。由于中断产生的随机性， 使得有可能在某一时刻有多个中断源向CPU发出中断请求，但是 CPU在任意时刻只能响应并处理一个中断。
中断优先级判定的方法一般有两种：软件判优和硬件判优。
8.3 程序中断方式
8.3.2 中断的工作过程
读取外设状态字
程
外设准备就绪？
序 查
询
方
传送一次数据
式 的
工
修改传送数据
作
流
程
传送完否？
结束
8.2 程序查询方式
8.2.2 程序查询方式的接口
数
输 入 设 备
锁
据
存
缓
器
冲
器
三
R
态
DQ
缓 冲
器
地址 译码
8.2 程序查询方式
8.2.2 程序查询方式的接口
数
据
锁
存
器
地
输
址
出
译
设
码
备
R
QD
状 态 寄 存 器
8.3 程序中断方式
8.3.1 中断的基本概念
计算机组成原理第8章-输入输出系统
第八章输入输出系统8.1输入输出设备的编址方式8.2 总线结构8.2.1 概述总线是传送信息的通路，在计算机系统中使用的总线可分成3类：(1)计算机系统中各部件内部传送信息的通路。
例如：运算器内部寄存器与寄存器之间、寄存器与算术逻辑运算单元(ALU)之间的传送通路，通常称之为内部总线。
(2)计算机系统中各部件之间传送信息的通路。
例如CPU与主存储器之间，CPU与外设端口之间传送信息的通路，通常称之为“系统总线”。
(3)计算机多机系统内部各计算机之间传送信息的通路，通常称之为“机间总线”或“多机总线”。
本节中讨论的主要是CPU与外设接口之间的系统总线，又可称作输入输出总线，简称I／O总线。
提到总线，人们马上会想到它由许多条传输线构成，这些传输线的总条数称作总线的宽度，连接在一条总线上常常有多个设备或部件，因此常被称作共享总线或分时总线。
因为不管一条总线上连接了多少个设备，任何时候只能有两个设备利用总线进行通信，一是信息发送者，一是信息接收者。
于是就应该有一个部件来确定当前总线由哪两个设备来使用。
如果有多个部件申请使用总线时，还应该由它根据申请者的优先级别来确定使用总线的优先次序，所有这些功能要由总线控制逻辑来完成。
因此总线应该是由一定数量的传输线和总线控制器两部分构成。
总线控制器可以是集中式的，集中在某个部件内部，也可以是分散式的，分散在共享总线的多个部件中。
8.2.2总线的控制方式以集中式总线控制方式为例来说明常用的3种总线控制与仲裁方式。
1．串行链式查询方式采用串行链式查询方式来实现判优功能的连接图如图8－3所示。
从图8-3中可以看出，该总线上连接着多个部件，对各个部件来说，除了共享数据总线和地址总线外，还有3条控制线(构成控制总线)：总线请求信号线(BR)、总线忙信号线(BS)和总线认可信号线(BG)。
由于总线认可信号线对共享总线的多个部件来说形成了一条串行的链，故串行链式查询方式因此而得名。
计算机组成原理 第八章 输入输出系统
• 要求：不需要增加额外的 硬件电路。
• 应用： 适同在CPU不太忙 且传送速度要求不高时。
Байду номын сангаас开始
读取状态
数据准备好？
是
否
交换并处理一个数据
否 操作完成？
是 结束
2、程序中断方式
• 工作原理：在外设准备数据时， CPU执行与传送 数据无关的工作，外设在准备好数据后，主动向 CPU发送一个中断请求，当CPU执行完当前指令 后，停止当前程序的执行，自动转向中断服务程 序，在中断服务程序中，完成一个数据的传送， 之后中断返回至原来的断点处，继续执行。
基本概念——CPU和外围设备的定时
• CPU和外围设备的定时，分为三种情况：
◦ 慢速外围设备 ◦ 中速外围设备 ◦ 高速外围设备
基本概念——CPU和外围设备的定时
• 速度极慢或简单的外围设备：对于这类设备CPU 总是能足够快地作出响应，也可以说，CPU认为 输入的数据一直有效，在这种情况下，CPU只要 接受和发送数据就可以了。
基本概念——CPU和外围设备之间信息交换的方式
• CPU和外设之间信息交换的方式： ◦ 程序查询方式 ◦ 程序中断方式 ◦ 直接内存访问（DMA）方式 ◦ 通道方式
基本概念——CPU和外围设备之间信息交换的方式
1、程序查询方式
• 工作原理：CPU查询外设 已准备好后，才传送数据。
• 特点：CPU与外设间通过 程序同步，CPU被外设独 占，CPU效率低下。
• 特点：能独立地执行用通道指令编写的输入输出 控制程序，产生相应的控制信号送给由它管辖的 设备控制器，继而完成复杂的输入输出过程。
• 要求：需要具有特殊功能的处理器，某些应用中 称为输入输出处理器（IOP）。
• 应用： 适同在CPU不太忙 且传送速度要求不高时。
Байду номын сангаас开始
读取状态
数据准备好？
是
否
交换并处理一个数据
否 操作完成？
是 结束
2、程序中断方式
• 工作原理：在外设准备数据时， CPU执行与传送 数据无关的工作，外设在准备好数据后，主动向 CPU发送一个中断请求，当CPU执行完当前指令 后，停止当前程序的执行，自动转向中断服务程 序，在中断服务程序中，完成一个数据的传送， 之后中断返回至原来的断点处，继续执行。
基本概念——CPU和外围设备的定时
• CPU和外围设备的定时，分为三种情况：
◦ 慢速外围设备 ◦ 中速外围设备 ◦ 高速外围设备
基本概念——CPU和外围设备的定时
• 速度极慢或简单的外围设备：对于这类设备CPU 总是能足够快地作出响应，也可以说，CPU认为 输入的数据一直有效，在这种情况下，CPU只要 接受和发送数据就可以了。
基本概念——CPU和外围设备之间信息交换的方式
• CPU和外设之间信息交换的方式： ◦ 程序查询方式 ◦ 程序中断方式 ◦ 直接内存访问（DMA）方式 ◦ 通道方式
基本概念——CPU和外围设备之间信息交换的方式
1、程序查询方式
• 工作原理：CPU查询外设 已准备好后，才传送数据。
• 特点：CPU与外设间通过 程序同步，CPU被外设独 占，CPU效率低下。
• 特点：能独立地执行用通道指令编写的输入输出 控制程序，产生相应的控制信号送给由它管辖的 设备控制器，继而完成复杂的输入输出过程。
• 要求：需要具有特殊功能的处理器，某些应用中 称为输入输出处理器（IOP）。
计算机组成原理第八章输入输出系统
数据缓冲器用于保存CPU内部总线与系统数据总线之间进行 传送的数据。
读/写逻辑决定数据传送的方向，其中IOR为读控制，IOW为 写控制，CS为设备选择，A0为I/O
计算机组成原理第八章输入输出系统
23
8.3.5中断控制器
多个8259进行级联以处理多达64个中断请求。在这种 情况下允许有一个主中断控制器和多个从中断控制器， 称为主从系统。
12
8.3.2程序中断方式的基本接口
设备选择器。设备选择器用来判别总线上 送出的地址（或称呼叫的设备）是否为本 设备，它实际上是设备地址的译码比较电 路。
BS外设接口忙（BuSy）标志 RD外设准备就绪（ReaDy）标志 EI（Enable Interrupt中断允许触发器） IR（Interrupt Request）中断请求触发器 IM（Interrupt Mask）中断屏蔽触发器 ⑨表①示表在示中④控⑤由断⑥将表表制程⑦后服表 中示示信序表受务（示断当允号启示理程②③1在请设许，0动如外序表表）一求备中将外果设通示示表条线动断数⑧设“的过接数示指的作标据表，中中输口据C令请结志“示将断 断入P向 由执求束准E转U该屏请指I外外行信为或备计发向外蔽求令算设设末号“缓就出该机设”，把发传尾接1冲绪组控设接”标向接成出送时收C寄”制备原口志外口P启到，到存标理信的U设I中第动接接M“器志号检中八“发数为信口口中数R章C查断忙出据输“D将号的向断据中服入”置响缓0接；缓C请填输断”务标“P应时冲出口冲求满请U程系志1中，寄中寄发””时统求序；B断C存的存出标，线S入P信器置B器中志U设，口S号的在“；断I备和R；并数一1请；向R”关据，条D求接标闭读“指信口志中至准令号送复断C备执；出P位；就行U一。绪结中”束的标寄1志3存R器D；清
③轮换优先级方式B：要求CPU可在任何时间规定最优 优先级，然后顺序地规定其他IR线上的优先级。
读/写逻辑决定数据传送的方向，其中IOR为读控制，IOW为 写控制，CS为设备选择，A0为I/O
计算机组成原理第八章输入输出系统
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8.3.5中断控制器
多个8259进行级联以处理多达64个中断请求。在这种 情况下允许有一个主中断控制器和多个从中断控制器， 称为主从系统。
12
8.3.2程序中断方式的基本接口
设备选择器。设备选择器用来判别总线上 送出的地址（或称呼叫的设备）是否为本 设备，它实际上是设备地址的译码比较电 路。
BS外设接口忙（BuSy）标志 RD外设准备就绪（ReaDy）标志 EI（Enable Interrupt中断允许触发器） IR（Interrupt Request）中断请求触发器 IM（Interrupt Mask）中断屏蔽触发器 ⑨表①示表在示中④控⑤由断⑥将表表制程⑦后服表 中示示信序表受务（示断当允号启示理程②③1在请设许，0动如外序表表）一求备中将外果设通示示表条线动断数⑧设“的过接数示指的作标据表，中中输口据C令请结志“示将断 断入P向 由执求束准E转U该屏请指I外外行信为或备计发向外蔽求令算设设末号“缓就出该机设”，把发传尾接1冲绪组控设接”标向接成出送时收C寄”制备原口志外口P启到，到存标理信的U设I中第动接接M“器志号检中八“发数为信口口中数R章C查断忙出据输“D将号的向断据中服入”置响缓0接；缓C请填输断”务标“P应时冲出口冲求满请U程系志1中，寄中寄发””时统求序；B断C存的存出标，线S入P信器置B器中志U设，口S号的在“；断I备和R；并数一1请；向R”关据，条D求接标闭读“指信口志中至准令号送复断C备执；出P位；就行U一。绪结中”束的标寄1志3存R器D；清
③轮换优先级方式B：要求CPU可在任何时间规定最优 优先级，然后顺序地规定其他IR线上的优先级。
计算机组成原理课件(第8章__输入输出系统)
1、定义 在这种方式中CPU需要根据外设的工作 状态来决定何时进行数据传送，它要 求CPU随时对接口状态进行查询，如果 接口尚未准备好，CPU必须等待，并进 行查询。如果已准备好，CPU才能进行 数据的输入输出，这就是程序查询方 式。
2、程序查询方式的数据传送过程 具体步骤： ①向外设发出命令字，请求数据传送； ②从外设状态字寄存器读入状态字； ③检查状态字中的各种约定标志，看数据交换是否 可以进行。 ④若外设就绪，则进行数据传送，否则，重复②、 ③两步，一直到该设备准备好交换数据，发出就 绪信号“READY”为止。 ⑤在数据传送的同时，CPU将I/O接口中的状态标志 复位
4．外围处理机方式 外围处理机(PPU)方式是通道方式的进一步发 展．由于PPU基本上独立于主机工作，它的结 构更接近一般处理机，甚至就是一般的微小型 计算机．在一些系统中，设置了多台PPU，分 别承担I／O控制、通信、维护诊断等任 务．从某种意义上说，这种系统已变成分布式 的多机系统
8.2 程序查询方式
2．程序中断方式
中断是外围设备用来“主动”通知 CPU ，准 备送出输入数据或接收输出数据的一种方 法．通常，当一个中断发生时， CPU 暂停它 的现行程序，而转向中断处理程序，从而可 以输入或输出一个数据．当中断处理完毕后， CPU 又返回到它原来的任务，并从它停止的 地方开始执行程序．这种方式和我们前述例 子的第二种方法相类似．可以看出，它节省 了 CPU宝贵的时间，是管理 I ／ O 操作的一个 比较有效的方法。中断方式一般适用于随机 出现的服务，并且一旦提出要求，应立即进 行．同程序查询方式相比，硬件结构相对复 杂一些，服务开销时间较大
8.3 程序中断方式
8.2.1 中断的基本概念 采用程序查询方式，当外设速度较低 时，CPU大量的时间用于无效的查 询．不能处理其他事务，也不能对其他 突发事件及时作出反应。如何使CPU既 能对突发事件作出及时响应，避免无效 的查询以提高效率呢?
2、程序查询方式的数据传送过程 具体步骤： ①向外设发出命令字，请求数据传送； ②从外设状态字寄存器读入状态字； ③检查状态字中的各种约定标志，看数据交换是否 可以进行。 ④若外设就绪，则进行数据传送，否则，重复②、 ③两步，一直到该设备准备好交换数据，发出就 绪信号“READY”为止。 ⑤在数据传送的同时，CPU将I/O接口中的状态标志 复位
4．外围处理机方式 外围处理机(PPU)方式是通道方式的进一步发 展．由于PPU基本上独立于主机工作，它的结 构更接近一般处理机，甚至就是一般的微小型 计算机．在一些系统中，设置了多台PPU，分 别承担I／O控制、通信、维护诊断等任 务．从某种意义上说，这种系统已变成分布式 的多机系统
8.2 程序查询方式
2．程序中断方式
中断是外围设备用来“主动”通知 CPU ，准 备送出输入数据或接收输出数据的一种方 法．通常，当一个中断发生时， CPU 暂停它 的现行程序，而转向中断处理程序，从而可 以输入或输出一个数据．当中断处理完毕后， CPU 又返回到它原来的任务，并从它停止的 地方开始执行程序．这种方式和我们前述例 子的第二种方法相类似．可以看出，它节省 了 CPU宝贵的时间，是管理 I ／ O 操作的一个 比较有效的方法。中断方式一般适用于随机 出现的服务，并且一旦提出要求，应立即进 行．同程序查询方式相比，硬件结构相对复 杂一些，服务开销时间较大
8.3 程序中断方式
8.2.1 中断的基本概念 采用程序查询方式，当外设速度较低 时，CPU大量的时间用于无效的查 询．不能处理其他事务，也不能对其他 突发事件及时作出反应。如何使CPU既 能对突发事件作出及时响应，避免无效 的查询以提高效率呢?
《计算机组成原理》8-输入输出系统
允许中断３
INTA &
&
&
允许中断４ &
&
&
&
1
1
1
1
INTR1
INTR2
INTR3
（ b） 串 行 优 先 链 中 断 排 队 线 路
INTR4
&
至下一级
≥1
INT
程序中断方式
2、中断的处理过程
✓ 软件排队的基本做法是：当CPU访问到 INT0
中
有中断请求时，则保留好中断断点后立
断 服
即进入软件排队程序的入口。从最高优
✓ 中断排队的实现 可以用硬件排队或软件排队两种方法来实现
➢ 硬件排队方式 硬件排队的基本特点是，优先级别高的中断源提出中 断请求后，就自动封锁优先级别较低的中断源的中断请求
➢ 软件排队方式 软件排队是通过编写查询程序实现的。
程序中断方式
2、中断的处理过程
➢ 硬排队方式 I N T R0
INTR1 1
程序直接控制方式
2、条件传送方式
✓ 通过程序查询接口中的状态来控制数据传送的方式，也被称为程序查询 方式。
✓ 程序查询方式中，在执行一次有效的数据传送操作之前，必须对外部设 备的状态进行查询，如果外部设备准备就绪，才能执行数据传送操作。
程序直接控制方式
2、条件传送方式
检查状态标记
N 准备就绪？ Y 执行数据传送
I/O接口
1、接口的概念
✓ 介于主机与外部设备之间的一种缓冲电路称为I/O接口电路，简称I/O接口
（Interface）
✓ 对于主机，I/O接口提供了外部设备的工作状态及数据；对于外部设备，I/O
计算机组成原理 第08章 总线与输入输出系统
6
8.2.1 总线类型与结构—-分类
按照总线连接对象在计算机系统中所处的层次不同 （位臵）
片内总线 系统总线 通信总线/I/O总线 并行总线 串行总线 专用总线 公用（共享）总线 同步总线 异步总线
7
按照总线中数据线的多少不同（传送信息）
按照总线的使用方式不同
按照总线的传输方式不同（定时）
2
8.1 总线与输入输出系统概述
任何模块间的信息（地址、数据、控制）都是 通过总线来传递的，总线成为了系统的中枢、 信息的通路，自然而然地成为影响系统性能的 一个重要的组成部分。
控制
地址
数据
系 统 总 线
CPU
Cache /主存
I/O 设备1
I/O 设备2
图8.1 利用单总线进行连接通信的计算机系统
11
33
66
8.2.1 总线类型与结构—的20条地址线时，允许寻 址的内存空间有多大？使用PCI总线的32条地 址线时，允许寻址的内存空间又有多大？ 解：
ISA总线内存空间=220个内存单元=1M个内存单元 PCI总线内存空间=232个内存单元=4G个内存单元
总线的标准化
为了充分发挥总线性能、保障兼容性、便于系 统组建，总线需要标准化。 总线标准：正式公布的工业标准和实际存在的 工业标准。符合某种标准的总线称为标准总线。 总线的标准化包括：各种特性、数据传输率、 通信协议、政策协议等一系列规定和约定。 典型的标准总线：ISA、EISA、PCI、PCI-E、 RS232、USB、1394等。同一标准可有多种版 本。
在串行异步通信中，采用了一种更为简单的通 信方式，即在串行异步通信总线中，既不用握 手信号，也没有时钟线，它利用收、发双方事 先约定的数据传输格式和传输速率来协调数据 的传输。 例如，RS232串行异步通信总线。
8.2.1 总线类型与结构—-分类
按照总线连接对象在计算机系统中所处的层次不同 （位臵）
片内总线 系统总线 通信总线/I/O总线 并行总线 串行总线 专用总线 公用（共享）总线 同步总线 异步总线
7
按照总线中数据线的多少不同（传送信息）
按照总线的使用方式不同
按照总线的传输方式不同（定时）
2
8.1 总线与输入输出系统概述
任何模块间的信息（地址、数据、控制）都是 通过总线来传递的，总线成为了系统的中枢、 信息的通路，自然而然地成为影响系统性能的 一个重要的组成部分。
控制
地址
数据
系 统 总 线
CPU
Cache /主存
I/O 设备1
I/O 设备2
图8.1 利用单总线进行连接通信的计算机系统
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8.2.1 总线类型与结构—的20条地址线时，允许寻 址的内存空间有多大？使用PCI总线的32条地 址线时，允许寻址的内存空间又有多大？ 解：
ISA总线内存空间=220个内存单元=1M个内存单元 PCI总线内存空间=232个内存单元=4G个内存单元
总线的标准化
为了充分发挥总线性能、保障兼容性、便于系 统组建，总线需要标准化。 总线标准：正式公布的工业标准和实际存在的 工业标准。符合某种标准的总线称为标准总线。 总线的标准化包括：各种特性、数据传输率、 通信协议、政策协议等一系列规定和约定。 典型的标准总线：ISA、EISA、PCI、PCI-E、 RS232、USB、1394等。同一标准可有多种版 本。
在串行异步通信中，采用了一种更为简单的通 信方式，即在串行异步通信总线中，既不用握 手信号，也没有时钟线，它利用收、发双方事 先约定的数据传输格式和传输速率来协调数据 的传输。 例如，RS232串行异步通信总线。
计算机组成原理-E第8章输入输出系统
第8章 输入输出系统
8.1
主机与外设的连接
8.2 程序查询方式及其接口
8.3 中断系统和程序中断方式
8.4
DMA方式及其接口
8.5
通道控制方式
8.6
总线技术
8.1 主机与外设的连接
8.1.4 输 入输出信 息传送控
制方式
8.1.1 输 入输出接
口
8.1.3 外设的识 别与端口
寻址
8.1.2 接口 的功能和 基本组成
2． 接口的基本组成 如上所述，接口中要分别传送数据信息、控制信息和状态信息，数据信息、控制信息和 状态信息都通过数据总线来传送。大多数计算机都把外部设备的状态信息视为输入数据，而 把控制信息看成输出数据，并在接口中分设各自相应的寄存器，赋以不同的端口地址，各种 信息分时地使用数据总线传送到各自的寄存器中去。接口的基本组成及与主机、外设间的连 接如图 8-1 所示。
（4）按通用性分类 有通用接口和专用接口。通用接口是可供多种外设使用的标准接口，通用性强。专用
接口是为某类外设或某种用途专门设计的。 （5）按输入/输出的信号分类 有数字接口和模拟接口。数字接口的输入输出全为数字信号，以上列举的并行接口和
串行接口都是数字接口。而模数转换和数模转换器属于模拟接口。 （6）按应用来分类 ① 运行辅助接口。运行辅助接口是计算机日常工作所必需的接口器件，包括：数据总
8.1.1 输入输出接口
主机和外设的连接方式有辐射型连接、总线型连接等。输入输出接口（I/O 接口）是主机和外设之间的交接界面，通过接口可以实现主机和外设之间 的信息交换。
主机和外设之间进行信息交换为什么一定要通过接口呢？这是因为主机和 外设各自具有自己的工作特点，它们在信息形式和工作速度上具有很大的 差异，接口正是为了解决这些差异而设置的。
8.1
主机与外设的连接
8.2 程序查询方式及其接口
8.3 中断系统和程序中断方式
8.4
DMA方式及其接口
8.5
通道控制方式
8.6
总线技术
8.1 主机与外设的连接
8.1.4 输 入输出信 息传送控
制方式
8.1.1 输 入输出接
口
8.1.3 外设的识 别与端口
寻址
8.1.2 接口 的功能和 基本组成
2． 接口的基本组成 如上所述，接口中要分别传送数据信息、控制信息和状态信息，数据信息、控制信息和 状态信息都通过数据总线来传送。大多数计算机都把外部设备的状态信息视为输入数据，而 把控制信息看成输出数据，并在接口中分设各自相应的寄存器，赋以不同的端口地址，各种 信息分时地使用数据总线传送到各自的寄存器中去。接口的基本组成及与主机、外设间的连 接如图 8-1 所示。
（4）按通用性分类 有通用接口和专用接口。通用接口是可供多种外设使用的标准接口，通用性强。专用
接口是为某类外设或某种用途专门设计的。 （5）按输入/输出的信号分类 有数字接口和模拟接口。数字接口的输入输出全为数字信号，以上列举的并行接口和
串行接口都是数字接口。而模数转换和数模转换器属于模拟接口。 （6）按应用来分类 ① 运行辅助接口。运行辅助接口是计算机日常工作所必需的接口器件，包括：数据总
8.1.1 输入输出接口
主机和外设的连接方式有辐射型连接、总线型连接等。输入输出接口（I/O 接口）是主机和外设之间的交接界面，通过接口可以实现主机和外设之间 的信息交换。
主机和外设之间进行信息交换为什么一定要通过接口呢？这是因为主机和 外设各自具有自己的工作特点，它们在信息形式和工作速度上具有很大的 差异，接口正是为了解决这些差异而设置的。
计算机组成原理第八章输入输出系统8.1
第8章
第8章 输入输出系统 主要内容： I/O系统，I/O接口 主机与外设信息交换方式（重点 是中断、DMA方式） 标准接口（SCSI、IEEE1394、 USB）
8.1 外设的定时方式与信息交换方式
8.1.1 外设的定时方式
I/O过程
•CPU送出地址→ABUS 选 择I/O设备 •CPU←→DBUS ←→接口对 应寄存器
操作类型
初
始
提供主存地址
化
信
地址计数
息
控制传送次数
交换量计数
传递请求
DMA 请求 中断
暂存交换数据 数据缓冲
提供外设地址 外设寻址
DMA控制器
接口
（3）DMA流程 传送操作类型、主存首址、
交换量、外设寻址信息
响应 成组方式
启动外设 a
继续程序
单字方式
一次DMA传送
地址+1 交换量-1
c 中断处理
a
10
8.1.3 信息传送(交换)控制方式
（2）查询流程
启动外设
外设工作完成？
N
Y
入/出操作
（3）优缺点 硬件开销小；实时处理能力差,并行程度低。 （4）应用场合 对CPU效率要求不高的场合，或诊断、调试过程。
8.1.3 信息传送8(.交1.换3)信控制息方传式送(交换)控制方式
2.程序中断方式 （1）中断的引入
CAI
5.外围处理机方式(PPU方式) 是通道方式的进一步扩展，外围处理机基本独
立于主机工作。
8.1 外设的定时方式与信息交换方式
8.1.3 信息传送(交换)控制方式
信息交换控制方式
直接程序传送方式（程序查询） 程序中断方式 直接存储器存取方式(DMA) 通道控制方式 外围处理机方式(PPU方式)
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3．具有通道结构的阶段 ．
在小型和微型计算机中，采用 在小型和微型计算机中，采用DMA方式可实 方式可实 现高速外设与主机成组数据的交换，但在大、 现高速外设与主机成组数据的交换，但在大、中型 计算机中，外设配置繁多，数据传送频繁， 计算机中，外设配置繁多，数据传送频繁，若仍采 方式会出现一系列问题。 用DMA方式会出现一系列问题。如果每台外设都配 方式会出现一系列问题 置专用的DMA接口，不仅增加了硬件成本，而且为 接口， 置专用的 接口 不仅增加了硬件成本， 了解决众多DMA同时访问主存的冲突问题，使控制 同时访问主存的冲突问题， 了解决众多 同时访问主存的冲突问题 变得十分复杂。 需要对众多的DMA进行管理， 进行管理， 变得十分复杂。CPU需要对众多的 需要对众多的 进行管理 同样会占用CPU的工作时间，而且因频繁地进入周 的工作时间， 同样会占用 的工作时间 期挪用阶段，也会直接影响CPU的整体工作效率。 的整体工作效率。 期挪用阶段，也会直接影响 的整体工作效率
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6.1.1 I/O系统概述 系统概述
输入输出系统的发展大致可分为四个阶段。 输入输出系统的发展大致可分为四个阶段。 1．早期阶段 ． 早期的I/O设备种类较少 设备种类较少， 设备与主机交换 早期的 设备种类较少，I/O设备与主机交换 信息都必须通过CPU。工作模式如图 1所示。 所示。 信息都必须通过 。工作模式如图8- 所示
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因此在大、中型计算机系统中，采用了I/O通道 因此在大、中型计算机系统中，采用了 通道 的方式来进行数据交换。 的方式来进行数据交换。 表示了具有通道结构的计算机系统。 图8-3表示了具有通道结构的计算机系统。 表示了具有通道结构的计算机系统
CPU
内存
通 道
I/O
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本章要点： 本章要点：
I/O系统的任务和功能 系统的任务和功能 计算机的I/O方式 计算机的 方式 计算机的I/O设备及其工作原理 计算机的 设备及其工作原理
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I/O系统 6.1 I/O系统
计算机的输入输出系统（ 系统 系统） 接口、 计算机的输入输出系统（I/O系统）由I/O接口、 接口 I/O管理部件以及有关的 软件组成，其主要作用 管理部件以及有关的I/O软件组成 管理部件以及有关的 软件组成， 是实现计算机系统的输入输出功能。 系统具体要 是实现计算机系统的输入输出功能。I/O系统具体要 解决的问题是： 解决的问题是：怎样在主机和外部设备之间建立一 个高效、可靠的信息传输“通路” 个高效、可靠的信息传输“通路”；如何对外设进 行编址， 方便地寻找到要访问的外设； 接 行编址，使CPU方便地寻找到要访问的外设；I/O接 方便地寻找到要访问的外设 口、管理部件如何协调完成主机和外部设备之间的 数据交换等等。 数据交换等等。
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在这个阶段中， 在这个阶段中，计算机系统硬件价格十分昂 机器速度不高，配置的I/O设备不多 设备不多， 贵，机器速度不高，配置的 设备不多，主机与 I/O设备交换的信息量也不大，计算机应用的普及程 设备交换的信息量也不大， 设备交换的信息量也不大 度还比较低。 度还比较低。 2．接口模块和 ．接口模块和DMA阶段 阶段 在这个阶段， 设备通过接口模块与主机连 在这个阶段，I/O设备通过接口模块与主机连 计算机系统采用了总线结构，工作模式如图8-2 接，计算机系统采用了总线结构，工作模式如图 所示。 所示。
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4．具有 处理机的阶段 ．具有I/O处理机的阶段 输入输出系统发展到第四阶段是具有I/O处理 输入输出系统发展到第四阶段是具有 处理 机的阶段。 处理机又叫做外围处理机 机的阶段。I/O处理机又叫做外围处理机 (Peripheral Processor Unit,PPU)，它基本独立于 ， 主机工作，不仅可完成I/O通道要完成的 控制， 主机工作，不仅可完成 通道要完成的I/O控制， 通道要完成的 控制 还可完成码制变换、格式处理、数据块检错、 还可完成码制变换、格式处理、数据块检错、纠错 等操作。具有I/O处理机的输入输出系统与 处理机的输入输出系统与CPU工作 等操作。具有 处理机的输入输出系统与 工作 的并行性更高。这说明I/O系统对主机来说 系统对主机来说， 的并行性更高。这说明 系统对主机来说，具有更 大的独立性。 大的独立性。
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I/O接口可以分为两类：串行接口和并行接口。 接口可以分为两类：串行接口和并行接口。 接口可以分为两类 串行接口与I/O设备之间 按顺序逐位传送信息;接 设备之间， 串行接口与 设备之间，按顺序逐位传送信息 接 口与主机之间，按字或字节并行传送数据， 口与主机之间，按字或字节并行传送数据，数据格 式的变换在接口内部完成。并行接口与I/O设备之间 设备之间， 式的变换在接口内部完成。并行接口与 设备之间， 或者与主机之间都是按字或字节并行传送数据。 或者与主机之间都是按字或字节并行传送数据。显 并行接口传输效率高。目前计算机的I/O接口正 然，并行接口传输效率高。目前计算机的 接口正 向标准化、通用化和系列化方向发展。 向标准化、通用化和系列化方向发展。
输入/ 第6章 输入/输出系统
计算机的基本功能之一是能够与其他的外部设 备交换信息。但是由于这些设备具有各自不同的组 备交换信息。 成结构和工作原理，因此， 成结构和工作原理，因此，与中央处理机的连接方 式也各不相同。输入输出系统又简称为I/O系统 系统， 式也各不相同。输入输出系统又简称为 系统，其 功能是完成计算机与外部设备的联系。 功能是完成计算机与外部设备的联系。它和整机的 速度、处理能力、实用性、 速度、处理能力、实用性、兼容性等各种系统性能 都有非常密切的关系。随着计算机应用范围的不断 都有非常密切的关系。 扩大，I/O系统的地位显得越来越重要。用户主要是 扩大， 系统的地位显得越来越重要。 系统的地位显得越来越重要 通过外部设备和主机交互信息的，因此， 通过外部设备和主机交互信息的，因此，了解常用 的外部设备的工作原理十分必要。 的外部设备的工作原理十分必要。
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6.1.2 I/O系统组成 系统组成
CPU
设备控制器 I/O设备
I/O 接 口 主存
图8-4 I/O系统的组成 系统的组成
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外部设备能够利用光、 外部设备能够利用光、电、磁及机械传动等 手段，把信息转换为二进制代码的形式。 手段，把信息转换为二进制代码的形式。几种常用 的基本外部设备将在8.3节中介绍 如显示器， 节中介绍， 的基本外部设备将在 节中介绍，如显示器，键盘 等。 设备控制器能将设备生成的各种形式的二进 制代码转换成电信号， 制代码转换成电信号，并根据输入信号的要求对设 备进行控制。 备进行控制。设备控制器是设备与计算机连接的部 是外部设备的一个组成部分。 件，是外部设备的一个组成部分。 I/O接口负责交换主机和 设备的状态信息， 接口负责交换主机和I/O设备的状态信息 接口负责交换主机和 设备的状态信息， 使主机与I/O设备的速度相匹配 实现主机与I/O设 设备的速度相匹配， 使主机与 设备的速度相匹配，实现主机与 设 备之间的数据交换，并且实现数据格式的变换。 备之间的数据交换，并且实现数据格式的变换。
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主 机 I/O接口
I/O总线
I/O接口
…
I/O接口
外部设备 1
外部设备 2
…
外部设备 n
外部设备通过I/O接口和主机交换信息 图8-2 外部设备通过 接口和主机交换信息
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通常在接口中都设有数据通路和控制通路。 通常在接口中都设有数据通路和控制通路。 数据经过接口既起到缓冲作用， 数据经过接口既起到缓冲作用，又可完成串 — 串变换。控制通路用以传送CPU 并变换或并 — 串变换。控制通路用以传送 设备发出的各种控制命令， 向I/O设备发出的各种控制命令，或者使 设备发出的各种控制命令 或者使CPU接受 接受 来自I/O设备的反馈信号 设备的反馈信号。 来自 设备的反馈信号。许多接口还能满足中断 请求处理的要求，使得I/O设备与 设备与CPU可按并行方 请求处理的要求，使得 设备与 可按并行方 式工作，大大地提高了CPU的工作效率。采用接 的工作效率。 式工作，大大地提高了 的工作效率 口技术还可以使多台I/O设备分时占用总线 设备分时占用总线， 口技术还可以使多台 设备分时占用总线，使得 多台I/O设备互相之间也可实现并行工作方式 设备互相之间也可实现并行工作方式， 多台 设备互相之间也可实现并行工作方式，有 利于整机工作效率的提高。 利于整机工作效率的提高。
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虽然这个阶段实现了CPU和I/O设备并行工作， 和 设备并行工作 设备并行工作， 虽然这个阶段实现了 但是在主机与I/O设备交换信息时 设备交换信息时， 但是在主机与 设备交换信息时，CPU要中断现行 要中断现行 程序， 设备还不能做到绝对的并行工作。 程序，即CPU与I/O设备还不能做到绝对的并行工作。 与 设备还不能做到绝对的并行工作 为了进一步提高CPU的工作效率 又出现了 的工作效率,又出现了 为了进一步提高 的工作效率 DMA(Direct Memory Access)技术，其特点是 技术， 技术 其特点是I/O 设备与主存之间有一条直接数据通路， 设备可以 设备与主存之间有一条直接数据通路，I/O设备可以 与主存直接交换信息，而不需要打断CPU的工作， 的工作， 与主存直接交换信息，而不需要打断 的工作 故其资源利用率得到了进一步的提高。 故其资源利用率得到了进一步的提高。