計算機(jī)組成原理第四版第八章

1、8.1 I/O系統(tǒng)概述系統(tǒng)概述8.2外圍設(shè)備的速度分級和信息交換方式外圍設(shè)備的速度分級和信息交換方式8.3 I/O設(shè)備的信息交換方式設(shè)備的信息交換方式8.4 通用通用I/O標(biāo)準(zhǔn)接口標(biāo)準(zhǔn)接口 計算機(jī)的基本功能之一是能夠與其它的外部設(shè)備交換信計算機(jī)的基本功能之一是能夠與其它的外部設(shè)備交換信息，但是由于這些設(shè)備具有各不相同的組成結(jié)構(gòu)和工作原理，息，但是由于這些設(shè)備具有各不相同的組成結(jié)構(gòu)和工作原理，因此，與中央處理機(jī)的連接方式也各不相同。也就是說，交因此，與中央處理機(jī)的連接方式也各不相同。也就是說，交換數(shù)據(jù)是一項復(fù)雜的工作。換數(shù)據(jù)是一項復(fù)雜的工作。 輸入輸出系統(tǒng)又簡稱為輸入輸出系統(tǒng)又簡稱為I/O系統(tǒng)，

2、其功能是完成計算機(jī)與系統(tǒng)，其功能是完成計算機(jī)與外部世界的聯(lián)系。它與整機(jī)的速度、處理能力、實(shí)用性、兼外部世界的聯(lián)系。它與整機(jī)的速度、處理能力、實(shí)用性、兼容性等各種性能都有非常密切的關(guān)系。隨著計算機(jī)應(yīng)用的不容性等各種性能都有非常密切的關(guān)系。隨著計算機(jī)應(yīng)用的不斷廣泛與深入，斷廣泛與深入，I/O系統(tǒng)就越來越占有重要地位。系統(tǒng)就越來越占有重要地位。 Back 一、一、I/O系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成 二、二、I/O設(shè)備的尋址方式設(shè)備的尋址方式 1 、直接選擇方式、直接選擇方式 2 、譯碼方式、譯碼方式 3 、統(tǒng)一編址方式、統(tǒng)一編址方式 三、三、外圍設(shè)備的輸入輸出方式外圍設(shè)備的輸入輸出方式一、一、I/O系統(tǒng)的組成系

3、統(tǒng)的組成 計算機(jī)與外部世界的聯(lián)系是通過交換計算機(jī)與外部世界的聯(lián)系是通過交換信息實(shí)現(xiàn)的。信息實(shí)現(xiàn)的。I/O系統(tǒng)是信息交換的手段，系統(tǒng)是信息交換的手段，它由硬件和相應(yīng)的軟件組成。在硬件上，它由硬件和相應(yīng)的軟件組成。在硬件上，I/O系統(tǒng)由系統(tǒng)由I/O設(shè)備、設(shè)備控制器、設(shè)備、設(shè)備控制器、I/O接口接口和中央處理機(jī)四部分組成。和中央處理機(jī)四部分組成。BackI/O設(shè)備尋址設(shè)備尋址 是指以某種方式，從計算機(jī)是指以某種方式，從計算機(jī)連接的許多設(shè)備中選擇一個參加連接的許多設(shè)備中選擇一個參加規(guī)定的規(guī)定的I/OI/O操作。操作。BackI/O設(shè)備設(shè)備 外部設(shè)備能夠利用光、電、磁外部設(shè)備能夠利用光、電、磁及機(jī)械傳動

4、等手段，把信息轉(zhuǎn)換為及機(jī)械傳動等手段，把信息轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制代碼的形式。二進(jìn)制代碼的形式。BackBackI/O系統(tǒng)的組成系統(tǒng)的組成I/O接口I/O 接口接口I/O設(shè)備設(shè)備設(shè)備控制器設(shè)備控制器設(shè)備控制器設(shè)備控制器 設(shè)備控制器能將設(shè)備生成的各種形式的二設(shè)備控制器能將設(shè)備生成的各種形式的二制代碼轉(zhuǎn)換成電信號，并根據(jù)輸入信號的要求制代碼轉(zhuǎn)換成電信號，并根據(jù)輸入信號的要求對設(shè)備進(jìn)行控制。設(shè)備控制器是設(shè)備與計算機(jī)對設(shè)備進(jìn)行控制。設(shè)備控制器是設(shè)備與計算機(jī)連接的界面，是外部設(shè)備的一個組成部分。連接的界面，是外部設(shè)備的一個組成部分。Back I/O接口的功能接口的功能交接主機(jī)和設(shè)備的狀態(tài)信息交接主機(jī)和設(shè)備的狀態(tài)信

5、息;使主機(jī)與設(shè)備的速度相匹配使主機(jī)與設(shè)備的速度相匹配;實(shí)現(xiàn)主機(jī)與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換實(shí)現(xiàn)主機(jī)與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換;實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式的交換實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式的交換Back二、二、I/O設(shè)備的尋址方式：設(shè)備的尋址方式： I/O設(shè)備尋址是指以某種方式，從計設(shè)備尋址是指以某種方式，從計算機(jī)連接的許多設(shè)備中選擇一個參加規(guī)算機(jī)連接的許多設(shè)備中選擇一個參加規(guī)定的定的I/O操作。操作。Back尋址方式：尋址方式： 1 、直接選擇方式、直接選擇方式 2 、譯碼方式、譯碼方式 3 、統(tǒng)一編址方式、統(tǒng)一編址方式直接選擇方式直接選擇方式 在在I/O指令的地址碼中，用一位表示某一指令的地址碼中，用一位表示某一設(shè)備，例如使用設(shè)備，例

6、如使用00001表示電傳機(jī)，表示電傳機(jī)，000010表表示行打印機(jī)。顯然，用示行打印機(jī)。顯然，用6位碥碼可以表示位碥碼可以表示6個個設(shè)備。上述這種尋址方式稱為直接選擇方式。設(shè)備。上述這種尋址方式稱為直接選擇方式。這種方式適用于設(shè)備不多的系統(tǒng)，一般在微這種方式適用于設(shè)備不多的系統(tǒng)，一般在微機(jī)中采用。機(jī)中采用。Back譯碼方式譯碼方式 如如I/O指令有指令有6位地址碼，若采用二進(jìn)制位地址碼，若采用二進(jìn)制編碼方式，則可譯出編碼方式，則可譯出64個地址碼。這種尋址個地址碼。這種尋址就是譯碼方式。就是譯碼方式。Back 統(tǒng)一編址方式統(tǒng)一編址方式 在單總線結(jié)構(gòu)的機(jī)器中，可以采用在單總線結(jié)構(gòu)的機(jī)器中，可以采

7、用主存單元和設(shè)備接口中的寄存器統(tǒng)一編主存單元和設(shè)備接口中的寄存器統(tǒng)一編址。也就是說，可能象訪問存儲址。也就是說，可能象訪問存儲 單元一單元一樣訪問設(shè)備接口中的寄存器。這樣處理樣訪問設(shè)備接口中的寄存器。這樣處理I/O操作具有很大的靈活性，不需要為機(jī)操作具有很大的靈活性，不需要為機(jī)器設(shè)置專門的器設(shè)置專門的I/O指令。指令。Back I/O設(shè)備的信息交換方式設(shè)備的信息交換方式 一臺計算機(jī)能夠帶有外設(shè)的最大數(shù)量是計算機(jī)的主要指一臺計算機(jī)能夠帶有外設(shè)的最大數(shù)量是計算機(jī)的主要指標(biāo)，多品種的外設(shè)能夠適應(yīng)計算機(jī)應(yīng)用的不斷發(fā)展的要求，大標(biāo)，多品種的外設(shè)能夠適應(yīng)計算機(jī)應(yīng)用的不斷發(fā)展的要求，大數(shù)量的外設(shè)表明了計算機(jī)

8、功能的增強(qiáng)。但由于各種外設(shè)的工作數(shù)量的外設(shè)表明了計算機(jī)功能的增強(qiáng)。但由于各種外設(shè)的工作原理以及與主機(jī)的連接方式差異很大，控制方式也不相同。根原理以及與主機(jī)的連接方式差異很大，控制方式也不相同。根據(jù)據(jù)I/O設(shè)備的工作速度及工作方式的不同，大致可分為設(shè)備的工作速度及工作方式的不同，大致可分為6種控制種控制方式：方式： 1、 程序控制直接傳送方式程序控制直接傳送方式 2 、程序查詢方式、程序查詢方式 3 、中斷方式、中斷方式 4 、直接存貯器訪問（、直接存貯器訪問（DMA）方式）方式 5 、通道方式、通道方式 6 、I/O處理機(jī)方式處理機(jī)方式Back 程序控制直接傳送方式程序控制直接傳送方式 直接傳

9、送方式又稱為無條件傳送方式或同步方式。直接傳送方式又稱為無條件傳送方式或同步方式。這種傳送方式用于外設(shè)各種動作的時間是固定和已知這種傳送方式用于外設(shè)各種動作的時間是固定和已知的情況，將的情況，將I/O指令插入到程序中，當(dāng)程序執(zhí)行到指令插入到程序中，當(dāng)程序執(zhí)行到I/O指指令時，該外設(shè)必定已為數(shù)據(jù)交換作好準(zhǔn)備。執(zhí)行令時，該外設(shè)必定已為數(shù)據(jù)交換作好準(zhǔn)備。執(zhí)行I/O指指令就完成了數(shù)據(jù)的輸入或輸出。無條件傳送方式簡單，令就完成了數(shù)據(jù)的輸入或輸出。無條件傳送方式簡單，所需要的硬件和軟件也較少，但是該方式必須在已知所需要的硬件和軟件也較少，但是該方式必須在已知且確信外設(shè)已準(zhǔn)備好情況下才能采用，否則就會出錯。

10、且確信外設(shè)已準(zhǔn)備好情況下才能采用，否則就會出錯。Back 程序查詢方式程序查詢方式 查詢方式也稱為有條件傳送方式。在這種方式查詢方式也稱為有條件傳送方式。在這種方式中，中，CPU在執(zhí)行在執(zhí)行I/O操作之前，必須對外設(shè)的狀態(tài)操作之前，必須對外設(shè)的狀態(tài)進(jìn)行測試，只有當(dāng)外設(shè)準(zhǔn)備好才進(jìn)行傳送，未準(zhǔn)備進(jìn)行測試，只有當(dāng)外設(shè)準(zhǔn)備好才進(jìn)行傳送，未準(zhǔn)備好，好，CPU要等待。這樣，在外設(shè)的接口中，除了有要等待。這樣，在外設(shè)的接口中，除了有寄存器數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)寄存器之外，還有標(biāo)志狀態(tài)的狀寄存器數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)寄存器之外，還有標(biāo)志狀態(tài)的狀態(tài)寄存器。圖態(tài)寄存器。圖8.3給出了查詢方式輸出和輸入的流程給出了查詢方式輸出和輸入的流程

11、圖。圖。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：CPU要不斷查詢外設(shè)狀態(tài)。由于外設(shè)速度很要不斷查詢外設(shè)狀態(tài)。由于外設(shè)速度很慢，當(dāng)外設(shè)沒有準(zhǔn)備好，慢，當(dāng)外設(shè)沒有準(zhǔn)備好，CPU就要等待而不能做其就要等待而不能做其它事，這樣將浪費(fèi)了它事，這樣將浪費(fèi)了CPU的許多時間，因此該方式的許多時間，因此該方式效率不高，常常用于以輸入輸出為主，效率不高，常常用于以輸入輸出為主，CPU沒有大沒有大量的計算和數(shù)據(jù)處理的情況。量的計算和數(shù)據(jù)處理的情況。Back中斷控制方式中斷控制方式 是一種最常采用的是一種最常采用的I/O方式。在這種方式中，方式。在這種方式中，CPU不必查不必查詢外設(shè)狀態(tài)，而是當(dāng)外設(shè)準(zhǔn)備好時，外設(shè)通過詢外設(shè)狀態(tài)，而是當(dāng)外設(shè)準(zhǔn)備

12、好時，外設(shè)通過I/O接口的中斷請接口的中斷請求線向求線向CPU提出中斷申請。提出中斷申請。CPU在符合響應(yīng)條件時響應(yīng)中斷請在符合響應(yīng)條件時響應(yīng)中斷請求，暫停原執(zhí)行的程序而轉(zhuǎn)向為該設(shè)備服務(wù)子程序，待處理完求，暫停原執(zhí)行的程序而轉(zhuǎn)向為該設(shè)備服務(wù)子程序，待處理完之后又返回斷點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行原來的程序。之后又返回斷點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行原來的程序。 為了實(shí)現(xiàn)中斷控制為了實(shí)現(xiàn)中斷控制I/O方式，在方式，在CPU內(nèi)部設(shè)有中斷允許觸發(fā)內(nèi)部設(shè)有中斷允許觸發(fā)器，其狀態(tài)決定器，其狀態(tài)決定CPU是否接受是否接受I/O的中斷請求。中斷能夠允許的中斷請求。中斷能夠允許 觸發(fā)器的狀態(tài)可由指令設(shè)置。當(dāng)一個中斷請求被接受之后，觸發(fā)器的狀態(tài)可由

13、指令設(shè)置。當(dāng)一個中斷請求被接受之后，CPU必須確定是哪一臺設(shè)備發(fā)出的中斷請求信號，以便為其服必須確定是哪一臺設(shè)備發(fā)出的中斷請求信號，以便為其服務(wù)。另外，當(dāng)多臺設(shè)備同時發(fā)務(wù)。另外，當(dāng)多臺設(shè)備同時發(fā) 出中斷請求信號時，必須確定出中斷請求信號時，必須確定CPU響應(yīng)設(shè)備請求的優(yōu)先順序，中斷方式適用于隨機(jī)的輸入輸響應(yīng)設(shè)備請求的優(yōu)先順序，中斷方式適用于隨機(jī)的輸入輸出要求。出要求。Back DMA方式的基本原理是用硬件完成中斷服務(wù)程序的全部方式的基本原理是用硬件完成中斷服務(wù)程序的全部功能，這樣不需要響應(yīng)中斷及處理中斷的過程，可以使功能，這樣不需要響應(yīng)中斷及處理中斷的過程，可以使CPU的的狀態(tài)保持不變，只是暫

14、停一個或二個總線工作周期，由狀態(tài)保持不變，只是暫停一個或二個總線工作周期，由I/O設(shè)備設(shè)備與存貯器直接交換信息。也就是與存貯器直接交換信息。也就是CPU進(jìn)行一次簡單中斷，由進(jìn)行一次簡單中斷，由DMA控制器來完成全部傳送的控制工作。它適用于高速設(shè)備，控制器來完成全部傳送的控制工作。它適用于高速設(shè)備，成組傳送。成組傳送。 DMA請求請求DMA響應(yīng)響應(yīng)發(fā)送內(nèi)存地址發(fā)送內(nèi)存地址傳送一個字?jǐn)?shù)據(jù)傳送一個字?jǐn)?shù)據(jù)檢測傳送檢測傳送是否結(jié)束？是否結(jié)束？DMA結(jié)束結(jié)束修改地址指針和字計數(shù)器修改地址指針和字計數(shù)器否否是是BackDMA方式傳送數(shù)據(jù)流程圖方式傳送數(shù)據(jù)流程圖DMA方式方式 通道方式通道方式 利用通道方式可

15、以使利用通道方式可以使CPU與與I/O設(shè)備完全設(shè)備完全并行地輸入輸出的數(shù)據(jù)傳送過程完全可由通并行地輸入輸出的數(shù)據(jù)傳送過程完全可由通控制器完成，控制器完成，CPU僅在開始與結(jié)束時，進(jìn)行僅在開始與結(jié)束時，進(jìn)行啟動與管理。啟動與管理。 通道控制器是一個專用的處理器，利用它通道控制器是一個專用的處理器，利用它對外設(shè)進(jìn)行控制和管理。在含有大型的外設(shè)對外設(shè)進(jìn)行控制和管理。在含有大型的外設(shè)的計算機(jī)系統(tǒng)中，大大提高了的計算機(jī)系統(tǒng)中，大大提高了CPU的效率。的效率。Back I/O處理機(jī)方式處理機(jī)方式 為了更高地提高為了更高地提高CPUCPU效率，在一些大型高性能效率，在一些大型高性能計算機(jī)中，將全部的工作由一個專用的處理機(jī)完計算機(jī)中