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。
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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）。
采用异步定时方式 设备状态:
结束 就绪
工作(忙)
再启动
等待
暫停
启动 等待
CPU接收外设一批数 据字的过程:
启动
N
就绪?
Y
传送一个字
CPU发响应信号
复位就绪
传送完? N Y
结束
基本概念——CPU和外围设备的定时
• 高速外围设备：CPU和这类设备之间通常采用 同步定时方式，一旦CPU和外设发生同步，他 们之间的数据交换用时钟脉冲来进行。 1)同步定时方式： CPU以等间隔的速率执行I/O指令。 靠时钟脉冲控制进行。 2)DMA方式
◦ 计算机与I/O设备间的连接与信息交换不能直接 进行，而必须设计一个“接口电路”作为两者之 间的桥梁，使CPU和外设协调工作，这种I/O接 口电路又叫“I/O适配器”（I/O Adapter）。
外设的分类
◦ 按照功能可分为输入设备和输出设备两大类： • 输入设备用于将各种形式的外部信息转换为 计算机所能识别的二进制信息
–要实现上述功能需解决以下一系列的问题：
◦ 怎样在CPU、主存和外设间建立一个高效的信息传输 “通路”；
◦ 怎样将用户的I/O请求转换成设备的命令；
◦ 如何对外设进行编址；
◦ 怎样使CPU方便地寻找到要访问的外设；
◦ I/O硬件和I/O软件如何协调完成主机和外设之间的数据传送；
等等
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外设的特点
◦ 外设具有工作速度差异大、结构原理差异大、时 序独立、异步性明显等特点，处理的信息从数据 格式到逻辑时序一般不可能直接与CPU兼容。
• 特点：数据的传送不经过CPU（由DMAC控制）， 而I/O设备管理由CPU控制，简化了CPU对I/O的控制。 硬件开销大，结构复杂，但CPU的效率高。
• 要求：需要DMA控制器及相关逻辑支持。 • 应用：适用与高速度大量数据传送时。
4、通道与输入输出处理机方式
• 通道是一个具有特殊功能的处理器，它可以实现 对外围设备的统一管理和外围设备与内存之间的 数据传送。
2
基本概念——输入输出系统的功能
• 输入输出系统的功能：
◦ 为了得到高效可靠的数据传输，选择输入输 出设备。
◦ 在选定的输入输出设备和CPU之间进行数据 交换。
输入输出系统概述
输入/出系统解决哪些问题：
–解决各种形式信息的输入和输出
即：用户如何将所需的信息（文字、图表、声音、视频等）通过不
同的外设输入到计算机中，以及计算机内部处理的结果信息如何 通过相应的外设输出给用户
◦ 输入过程：
• CPU把一个地址值放在地址总线上，这一步将选 择一个输入设备
• CPU等候输入设备的数据成为有效
• CPU从数据总线上读入数据，并放在一个相应的 寄存器中
◦ 输出过程：
• CPU把一个地址值放在地址总线上，这一步将选 择一个输出设备
• CPU把数据放在数据总线上
• 输出设备认为数据有效，从而把数据取走。
• 特点：在外设准备数据时，CPU与外设并行工作， CPU效率有所提高，并且CPU可以同时被多个外 设占用。
• 要求：接口中需要中断控制逻辑支持。 • 应用：适用于中低速设备。
3、直接内存访问（DMA）方式
• 工作原理：将I/O过程中，与内存交换数据的操作交 由DMA控制器来控制，简化了CPU对输入输出的控 制，进一步提高了CPU的效率。
第八章 输入输出系统
❖基本概念 ❖程序查询方式 ❖程序中断方式 ❖DMA方式 ❖通道方式 ❖通用I/O标准接口
输入输出系统概述
什么是输入输出系统？
–用来控制外设与主机（内存或CPU内的寄存器）之间 进行数据交换的机构。
–通常把输入输出设备及其接口线路、控制部件、通道 或I/O处理器以及I/O软件统称为输入输出系统。也即 输入输出子系统应该由I/O硬件和I/O软件两部分组成， 它最典型地反映了硬件与软件的结合。
• 输出设备则用于将计算机中的二进制信息转 换为人或其他机器所能识别的信息形式。
◦ 按照外设的工作速度又可以分为低速设备、中 速设备、高速设备。例如，键盘、鼠标是常见 的低速设备，磁盘是常见的高速设备。
◦ 根据外设在计算机系统中所起的作用，可以分 为人—机交互设备、外存储器设备、通信设备。
• 输入输出设备和CPU交换数据的过程：
• 常用的有：机械开关，显示二极管等。
开关------CPU认为输入数据一直有效;
显示二极管------输出一定准备就绪。
基本概念——CPU和外围设备的定时
• 慢速或中速的外围设备：CPU与这类设备之间的 数据交换通常采用异步定时方式。
• 在这种情况下，CPU和外设之间用问答信号进行 定时的方式叫做应答式数据交换。