计算机组成原理-输入输出系统(1)
计算机组成原理(华科版)第七章 输入输出系统
第七章 输入输出系统
5. 外围处理机方式(Peripheral Processor Unit—PPU) 外围处理机的结构更接近于一般的处理机，甚至 就是一般小型通用计算机。它可完成I/O通道所要完 成的I/O控制，还可完成码制变换、格式处理、数据 块的检错、纠错等操作。它可具有相应的运算处理 部件、缓冲部件，还可形成I/O程序所必须的程序转 移等操作。它可简化设备控制器，而且可用它作为 维护、诊断、通信控制、系统工作情况显示和人机 联系的工具。 外围处理机基本上独立于主机工作。在多数系 统中，设置多台外围处理机，分别承担I/O控制、通 信、维护诊断等任务。有了外围处理机后，计算机 系统结构有了质的飞跃，由功能集中式发展为功能 分散的分布式系统。
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计算机组成原理
第七章 输入输出系统
7.1 信息交换的控制方式
信息交换的控制方式一般分为5种类型。
1. 程序查询方式(Programmed Direct Control) 这种方式又称为程序直接控制方式，是指信息交 换的控制完全由主机执行程序来实现。当主机执行到 某条指令时，发出询问信号，读取设备的状态，并根 据设备状态，决定下一步操作，这样要花费很多时间 用于查询和等待，效率大大降低。这种控制方式用于 早期的计算机。现在，除了在微处理器或微型机的特 殊应用场合，为了求得简单而采用外，一般不采用了。
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计算机组成原理
第七章 输入输出系统
I/O 控制方式
主要由程序实现
主要由附加硬件实现
程序 查询方式
程序 中断方式
DMA方式
通道方式
PPU 方式
图 7.1
外围设备的 I/O 方式
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计算机组成原理
第七章 输入输出系统
计算机组成原理 白中英 第三版(完整版)第八章输入输出系统
1．如果认为CPU等待设备的状态信号是处于非工作状态（即踏步等待），那么在下面几种主机与设备之间的数据传送中：（）主机与设备是串行工作的；（）主机与设备是并行工作的；（）主程序与设备是并行运行的。
A．程序查询方式 B. 程序中断方式 C. DMA方式解： A C B2．中断向量地址是_____。
A．子程序入口地址 B. 中断服务程序入口地址C．中断服务程序入口地址指示器 C. 例行程序入口地址解： C3．利用微型机制作了对输入数据进行采样处理的系统。
在该系统中，每抽取一个输入数据就要中断CPU一次，中断处理程序接受采样的数据，将其放到主存的缓冲区内。
该中断处理需时x 秒，另一方面缓冲区内每存储n个数据，主程序就将其取出进行处理，这种处理需时y秒。
因此该系统可以跟踪到每秒_____次的中断请求。
A．N/(n×x+y) B. N/(x+y)×n C. Min(1/x, n/y)解： A4．采用DMA方式传送数据时，每传送一个数据就要占用一个____的时间。
A．指令周期 B. 机器周期C. 存储周期D. 总线周期解： C5．通道的功能是：（1）________，（2）______。
按通道的工作方式分，通道有______通道、_______通道和______通道三种类型。
解：（1）执行通道指令，组织外围设备和内存进行数据传输；（2）执行CPU的I/O指令，以及向CPU报告中断。
选择通道、字节多路通道、数组多路通道6．在教科书图8.7中，当CPU对设备B的中断请求进行服务时，如设备A提出请求，CPU能够响应中断吗？为什么？如果设备B一提出请求总能立即得到服务，问怎样调整才能满足此要求？解：（1）CPU不能响应中断（2）因为同级中断不能嵌套，而A、B设备属于同级中断（3）如果想要设备B一提出请求即能得到服务，则应该使设备B为最高优先级，这里可将设备 B单独接至3级IR，处于最高优先级。
8．设某机有5级中断：L0，L1，L2，L3，L4，其中断响应优先次序为：L0最高，L1次之，L4最低。
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
计算机专业基础综合计算机组成原理(输入／输出(I／O)系统)历年真题试卷汇编1
计算机专业基础综合计算机组成原理（输入／输出(I／O)系统）历年真题试卷汇编1(总分：72.00，做题时间：90分钟)一、单项选择题(总题数：26，分数：52.00)1.CPU在中断响应周期中____。
【南京航空航天大学2000年】（分数：2.00）A.执行中断服务程序B.执行中断隐指令√C.与I／O设备传送数据D.处理故障解析：解析：考查中断周期和中断隐指令。
在中断周期，山中断隐指令自动完成保护断点、寻找中断服务程序入口地址以及硬什关中断的操作。
2.在中断响应周期，CPU主要完成以下工作____。
【南京航空航天大学2000年】（分数：2.00）A.关中断，保护断点，发中断响应信号并形成能转移地址√B.开中断，保护断点，发中断响应信号并形成能转移地址C.关中断，执行中断服务程序D.开中断，执行中断服务程序解析：解析：考查中断响应周期CPU的工作。
在中断响应周期，CPU主要完成关中断，保护断点，发中断响应信号并形成能转移地址的工作，即执行中断隐指令。
3.在中断周期中，由____将允许中断触发器置“0”。
【北京理工大学2006年】（分数：2.00）A.关中断指令√B.中断隐指令C.开中断指令D.清零指令解析：解析：考查关中断指令与中断允许触发器。
在中断周期中，由关中断指令将允许中断触发器置“0”。
4.CPU响应中断时最先完成的步骤是____。
【哈尔滨工业大学2004年】（分数：2.00）A.开中断B.保存断点C.关中断√D.转入中断服务程序解析：解析：考查中断执行流程。
5.在中断服务程序中，保护和恢复现场之前需要____。
【北京理工大学2002年】（分数：2.00）A.开中断B.关中断√C.响应D.恢复解析：解析：考查中断执行流程。
为了保证保护和恢复现场的过程不被中断信号打断，在保护和恢复现场之前需要关中断，等到保护和恢复现场之后，再开中断，以便中断信号可以继续进来。
6.CPU响应中断时，保护两个关键的硬件状态是____。
计算机组成原理——输入输出（IO）系统考研题
计算机组成原理——输⼊输出（IO）系统考研题（⼀） I/O系统基本概念（⼆）外部设备1. 输⼊设备：键盘、⿏标2. 输出设备：显⽰器、打印机3. 外存储器：硬盘存储器、磁盘阵列、光盘存储器（三） I/O接⼝（I/O控制器）1. I/O接⼝的功能和基本结构2. I/O端⼝及其编址3．I/O地址空间及其编码（四） I/O⽅式1. 程序查询⽅式2. 程序中断⽅式中断的基本概念；中断响应过程；中断处理过程；多重中断和中断屏蔽的概念。
3. DMA⽅式DMA控制器的组成；DMA传送过程。
4. 通道⽅式（2009）22. 下列选项中，能引起外部中断的事件是A. 键盘输⼊B. 除数为0C. 浮点运算下溢出D. 访存缺页答案：A考点：内部中断和外部中断的区别外中断:I/O设备等来⾃主机外部设备的中断。
内中断：CPU内部的异常、例外、陷⼊内中断（2010）21、单级中断系统中，中断服务程序执⾏顺序是（）I保护现场II开中断III关中断IV保存断点V中断事件处理VI恢复现场VII中断返回A、I->V->VI->II->VIIB、III->I->V->VIIC、III->IV->V->VI->VIID、IV->I->V->VI->VII答案：A考点：单级中断的概念该题的⼀个特点是单级中断，不会出现多重中断的中断嵌套问题，由于是单级中断，断点也不需要保存了，CPU直接返回中断前的位置就可以了！同时关中断是由硬件⾃动实现的，并不属于中断服务程序。
⽽恢复断点、恢复现场之后需要开中断才能返回断点这⾥给出⼀般的中断处理的过程：22、假定⼀台计算机的显⽰存储器⽤DRAM芯⽚实现，若要求显⽰分辨率为1600*1200，颜⾊深度为24位，帧频为85HZ，现实总带宽的50%⽤来刷新屏幕，则需要的显存总带宽⾄少约为（ )A、245MbpB、979MbpsC、1958MbpsD、7834Mbps答案：D考点：1600*1200*24*85/0.51M约为106(2010)21．某计算机有五级中断L4 ~ L0，中断屏蔽字为M4M3M2M1M0，Mi=1（0≤i≤4）表⽰对Li级中断进⾏屏蔽。
计算机组成原理(本全PPT)
用作固件存储，如BIOS、固件等。
外存储器
特点
容量大、价格低、速度慢、数据可长期保存。
分类
机械硬盘（HDD）和固态硬盘（SSD）。
外存储器
应用
作为计算机的主要存储设备。
特点
容量大、价格低、速度慢、数据可长期保存。
外存储器
分类
CD、DVD和蓝光光盘等。
应用
用于数据备份和存储。
高速缓存(Cache)
址和控制信号。
总线按照传输信号类型可以分为 数据总线、地址总线和控制总线。
总线按照连接部件可以分为内部 总线和外部总线，内部总线连接 计算机内部各部件，外部总线连
接计算机与外部设备。
主板的结构与功能
主板的结构包括
处理器插座、内存插槽、扩展插槽、硬盘接口、电源接 口等。
主板的功能包括
提供各部件之间的连接，实现数据传输和控制信号传递 ；保障系统的稳定性和可靠性；提供系统扩展能力。
I/O数据传输方式
优点
CPU可以执行其他任务，适用于高速I/O 设备。
VS
缺点
需要设置中断控制器，实现起来较为复杂 。
I/O数据传输方式
优点
CPU不直接参与数据传输，适用于大数据块 传输。
缺点
需要设置DMA控制器，成本较高。
I/O设备控制方式
要点一
优点
简单、易于实现。
要点二
缺点
CPU效率低下，适用于慢速I/O设备。
计算机组成原理(本全ppt)
• 计算机系统概述 • 中央处理器(CPU) • 存储器系统 • 输入输出系统(I/O) • 总线与主板 • 计算机系统性能评价与优化
01
计算机系统概述
计算机的发展历程
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》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
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就绪 从I/O模块
读取字
I/O->CPU
行工作，系统效率 低。
CPU在一个时间内 只能和一个外设交 换信息。
向存储器 写入字
N
结束？
下一指Y 令
CPU->存储器
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程序中断传送方式
❖ 程序中断传送(program interrupt transfer)方式
通常在程序中安排一条指令,发出START信号启动外围设 备,然后主机继续执行程序。当外围设备完成数据传送的 准备后,便向CPU发“中断请求”(INT)信号。CPU接到 请求后若可以停止正在运行的程序,则在一条指令执行完 后转去执行“中断服务程序”,完成传送数据工作,通常传 送一个字或一个字节。 传送完毕仍然返回原来的程序。 因此,在一定程度上实现了CPU和外围设备的并行工作。
但对于一些工作频率较高的外设,例如,磁盘,磁带等,数据 交换是成批的,且单位数据之间的时间间隔较短,如果也采 用程序中断方式,将可能造成信息丢失。
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直接存储器存取(DMA)方式
❖ 直接存储器存取(direct memory access)方式
基本思想是在外围设备和主存之间开辟直接的数据传送 通路。在正常工作时,所有工作周期均用于执行CPU的程 序。当外围设备完成输入或输出数据的准备工作后,占用 总线一个工作周期,和主存直接交换数据。这个周期过 后,CPU又继续控制总线执行原程序。如此重复,直到整个 数据块的数据传送完毕。 这项工作是由I/O系统中增设的 DMA控制器完成的,由它给出每次传送数据的主存地址,并 统计已传送数据的个数以确定是否传送结束。除了在数 据块传送的起始和结束时需用中断分别进行前处理和后 处理外,无需CPU的频繁干预。主存储器被并行工作的 CPU和I/O子系统所共享。
这是I/O空间独立于存储器空间的情况,即设备码 的编码和存储器的存储单元的编码是平行存在的。
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I/O设备功能。 这时I/O空间和存储器空间是合在一起的,即I/O
设备和存储单元是统一编址的。 80X86是有专门的I/O指令, 设备的编址可达512个
表10.1 微机系统部分I/O地址分配表
第10章 输入输出(I/O)系统
❖ 10.1 输入输出(I/O)系统概述 ❖ 10.2 程序中断输入输出方式 ❖ 10.3 DMA输入输出方式 ❖ 10.4 I/O通道控制方式 ❖ 10.5 总线结构 ❖ 10.6 外设接口 ❖ 10.7 网络存储—SAN和NAS
返回
1
10.1 输入输出(I/O)系统概述
端口是指接口电路中可以被CPU直接访问的寄存 器。
接口是若干端口加上相应的控制逻辑电路。
❖ I/O接口的基本功能
⑴实现主机和外围设备之间的数据传送控制。 ⑵实现数据缓冲,以达到主机同外围设备之间的
速度匹配。 ⑶接受主机的命令,提供设备接口的状态,并按照
主机的命令控制设备。
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I/O模块的一般结构
系统接口
外部设备(I/O设备)
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10.1.1 I/O设备的编址
❖ I/O设备的编址
为了CPU便于对I/O设备进行寻址和选择,必须给 众多的I/O设备进行编址,也就是给每一台设备规定 一些地址码,称为设备号或设备代码。
❖ CPU对I/O设备有两种寻址方法：
⑴专设I/O指令。 例如：指令IN完成输入，指令OUT完成输出操作。
程序直接控制方式输入数据的程序流程如下：
❖ 程序直接控制
(programed direct
control)方式
向I/O模块 发出读命令
CPU->I/O
完全通过程序来控 制主机和外围设备 之间的信息传送。
❖ 特点：
控制简单。
CPU和外设只能串
读I/O模 块状态
I/O->CPU
不就绪 检查状态 出错 出错处理
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I/O通道控制方式
DMA的不足之处: 首先对外围设备的管理和某些操作的 控制仍需由CPU承担。在大中型计算机系统中,系统所配 备的外设种类多,数量大,这样,对外设的管理和控制也就愈 来愈多,愈来愈复杂。大容量外存的使用,使主存和外存之 间的数据流量大幅度增加,有时还要求多个DMA同时使用, 引起访问主存的冲突增加。
外设接口
数据线
地址线 控制线
数据寄存器 状态/控制寄存器
I/O 逻辑
外部设备 界面接口
…...
外部设备 界面接口
数据 状态 控制
数据 状态 控制
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I/O接口类型
❖ ⑴按照数据传送的宽度可分为并行接口和串 行接口。
❖ 并行接口中,设备和接口是将一个字节(或字)的所有位同 时传送的。
❖ 串行接口中,设备和接口间的数据是一位一位串行传送 的,而接口和主机之间是按字节或字并行传送, 接口要完 成数据格式的串—并变换。
❖输入输出系统包括外部设备(输入输出设 备和辅助存储器)及其与主机(CPU和存储 器)之间的控制部件。控制部件又称为设备 控制器、或设备适配器、或接口。其作用 是控制并实现主机与外部设备之间的数据 传送。
2
接口与主机、外设间的连接
系统接口 地址信息 —————→
接口
外设识别
设备接口
主机
数据(并) ←————→
❖ I/O通道控制(I/O channel control)方式
输入输出设备 硬盘控制器 软盘控制器 单色显示器/并行打印机 彩色图形显示器 异步通信控制器
占用地址数 地址码(16进制)
16
320~32FH
8
3F0~3F7H
16
3B0~3BFH
16
3D0~3DFH
8
3F8~3FFH 6
I/O接口的基本功能
❖ 接口(Interface)和端口(Port)的概念:
数据/命令/状态
数据(并/串) ←———→
外设
控制联络信息 ←————→
控制电路
控制联络 ←———→
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为什么需要I/O接口
❖ 各种外设的操作方法不同，由CPU统一控制不切合 实际。
❖ 外设的数据传输速率比存储器和CPU慢，使得高速 总线不能直接与外设相连。
❖ 外设所使用的数据格式各不一致。
I/O接口
❖ ⑵按照数据传送的控制方式可分成：程序控制输入 输出接口，程序中断输入输出接口和直接存储器存 取(DMA)接口。
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10.1.2 I/O设备数据传送控制方式
❖ 程序直接控制方式 ❖ 程序中断传送方式 ❖ 直接存储器存取（DMA）方式 ❖ I/O通道控制方式 ❖ 外围处理机方式
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程序直接控制方式