計(jì)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(jí)和信息交換方式外圍設(shè)備的速度分級(jí)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(jì)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(jì)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(shuō)，交因此，與中央處理機(jī)的連接方式也各不相同。也就是說(shuō)，交換數(shù)據(jù)是一項(xiàng)復(fù)雜的工作。換數(shù)據(jù)是一項(xiàng)復(fù)雜的工作。 輸入輸出系統(tǒng)又簡(jiǎn)稱(chēng)為輸入輸出系統(tǒng)又簡(jiǎn)稱(chēng)為I/O系統(tǒng)，

2、其功能是完成計(jì)算機(jī)與系統(tǒng)，其功能是完成計(jì)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(jì)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(jì)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(lái)越占有重要地位。系統(tǒng)就越來(lái)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(jì)算機(jī)與外部世界的聯(lián)系是通過(guò)交換計(jì)算機(jī)與外部世界的聯(lián)系是通過(guò)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(jì)算機(jī)是指以某種方式，從計(jì)算機(jī)連接的許多設(shè)備中選擇一個(gè)參加連接的許多設(shè)備中選擇一個(gè)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(dòng)

4、等手段，把信息轉(zhuǎn)換為及機(jī)械傳動(dòng)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(hào)，并根據(jù)輸入信號(hào)的要求制代碼轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并根據(jù)輸入信號(hào)的要求對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。設(shè)備控制器是設(shè)備與計(jì)算機(jī)對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。設(shè)備控制器是設(shè)備與計(jì)算機(jī)連接的界面，是外部設(shè)備的一個(gè)組成部分。連接的界面，是外部設(shè)備的一個(gè)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(jì)設(shè)備尋址是指以某種方式，從計(jì)算機(jī)連接的許多設(shè)備中選擇一個(gè)參加規(guī)算機(jī)連接的許多設(shè)備中選擇一個(gè)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(gè)個(gè)設(shè)備。上述這種尋址方式稱(chēng)為直接選擇方式。設(shè)備。上述這種尋址方式稱(chēng)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(gè)地址碼。這種尋址個(gè)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(shuō)，可能象訪問(wèn)存儲(chǔ)址。也就是說(shuō)，可能象訪問(wèn)存儲(chǔ) 單元一單元一樣訪問(wèn)設(shè)備接口中的寄存器。這樣處理樣訪問(wèn)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(zhuān)門(mén)的器設(shè)置專(zhuān)門(mén)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(tái)計(jì)算機(jī)能夠帶有外設(shè)的最大數(shù)量是計(jì)算機(jī)的主要指一臺(tái)計(jì)算機(jī)能夠帶有外設(shè)的最大數(shù)量是計(jì)算機(jī)的主要指標(biāo)，多品種的外設(shè)能夠適應(yīng)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(xún)方式、程序查詢(xún)方式 3 、中斷方式、中斷方式 4 、直接存貯器訪問(wèn)（、直接存貯器訪問(wèn)（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(chēng)為無(wú)條件傳送方式或同步方式。直接傳送方式又稱(chēng)為無(wú)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(dòng)作的時(shí)間是固定和已知這種傳送方式用于外設(shè)各種動(dòng)作的時(shí)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(shí)，該外設(shè)必定已為數(shù)據(jù)交換作好準(zhǔn)備。執(zhí)行令時(shí)，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(wú)條件傳送方式簡(jiǎn)單，令就完成了數(shù)據(jù)的輸入或輸出。無(wú)條件傳送方式簡(jiǎn)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(huì)出錯(cuò)。

10、且確信外設(shè)已準(zhǔn)備好情況下才能采用，否則就會(huì)出錯(cuò)。Back 程序查詢(xún)方式程序查詢(xún)方式 查詢(xún)方式也稱(chēng)為有條件傳送方式。在這種方式查詢(xún)方式也稱(chēng)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(duì)外設(shè)的狀態(tài)操作之前，必須對(duì)外設(shè)的狀態(tài)進(jìn)行測(cè)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(cè)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(xún)方式輸出和輸入的流程給出了查詢(xún)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(xún)外設(shè)狀態(tài)。由于外設(shè)速度很要不斷查詢(xún)外設(shè)狀態(tài)。由于外設(shè)速度很慢，當(dāng)外設(shè)沒(méi)有準(zhǔn)備好，慢，當(dāng)外設(shè)沒(méi)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(shí)間，因此該方式的許多時(shí)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(méi)有大沒(méi)有大量的計(jì)算和數(shù)據(jù)處理的情況。量的計(jì)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(xún)外設(shè)狀態(tài)，而是當(dāng)外設(shè)準(zhǔn)備好時(shí)，外設(shè)通過(guò)詢(xún)外設(shè)狀態(tài)，而是當(dāng)外設(shè)準(zhǔn)備

12、好時(shí)，外設(shè)通過(guò)I/O接口的中斷請(qǐng)接口的中斷請(qǐng)求線向求線向CPU提出中斷申請(qǐng)。提出中斷申請(qǐng)。CPU在符合響應(yīng)條件時(shí)響應(yīng)中斷請(qǐng)?jiān)诜享憫?yīng)條件時(shí)響應(yīng)中斷請(qǐng)求，暫停原執(zhí)行的程序而轉(zhuǎn)向?yàn)樵撛O(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?yàn)樵撛O(shè)備服務(wù)子程序，待處理完之后又返回?cái)帱c(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行原來(lái)的程序。之后又返回?cái)帱c(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行原來(lái)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(qǐng)求。中斷能夠允許的中斷請(qǐng)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(gè)中斷請(qǐng)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(gè)中斷請(qǐng)求被接受之后，CPU必須確定是哪一臺(tái)設(shè)備發(fā)出的中斷請(qǐng)求信號(hào)，以便為其服必須確定是哪一臺(tái)設(shè)備發(fā)出的中斷請(qǐng)求信號(hào)，以便為其服務(wù)。另外，當(dāng)多臺(tái)設(shè)備同時(shí)發(fā)務(wù)。另外，當(dāng)多臺(tái)設(shè)備同時(shí)發(fā) 出中斷請(qǐng)求信號(hào)時(shí)，必須確定出中斷請(qǐng)求信號(hào)時(shí)，必須確定CPU響應(yīng)設(shè)備請(qǐng)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(qǐng)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(guò)程，可以使功能，這樣不需要響應(yīng)中斷及處理中斷的過(guò)程，可以使CPU的的狀態(tài)保持不變，只是暫

14、停一個(gè)或二個(gè)總線工作周期，由狀態(tài)保持不變，只是暫停一個(gè)或二個(gè)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(jiǎn)單中斷，由進(jìn)行一次簡(jiǎn)單中斷，由DMA控制器來(lái)完成全部傳送的控制工作。它適用于高速設(shè)備，控制器來(lái)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(qǐng)求請(qǐng)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(gè)字?jǐn)?shù)據(jù)傳送一個(gè)字?jǐn)?shù)據(jù)檢測(cè)傳送檢測(cè)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(jì)數(shù)器修改地址指針和字計(jì)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(guò)程完全可由通并行地輸入輸出的數(shù)據(jù)傳送過(guò)程完全可由通控制器完成，控制器完成，CPU僅在開(kāi)始與結(jié)束時(shí)，進(jìn)行僅在開(kāi)始與結(jié)束時(shí)，進(jìn)行啟動(dòng)與管理。啟動(dòng)與管理。 通道控制器是一個(gè)專(zhuān)用的處理器，利用它通道控制器是一個(gè)專(zhuān)用的處理器，利用它對(duì)外設(shè)進(jìn)行控制和管理。在含有大型的外設(shè)對(duì)外設(shè)進(jìn)行控制和管理。在含有大型的外設(shè)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，大大提高了的計(jì)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(jì)算機(jī)中，將全部的工作由一個(gè)專(zhuān)用的處理機(jī)完計(jì)算機(jī)中