《計算機(jī)組成原理》 課件 第5章 輸入輸出系統(tǒng)

第5章輸入輸出系統(tǒng)5.1輸入輸出系統(tǒng)概述輸入/輸出（Input/Output，簡稱I/O）系統(tǒng)包括輸入系統(tǒng)和輸出系統(tǒng)兩個部分。輸入系統(tǒng)的作用是通過輸入設(shè)備把生活中的數(shù)據(jù)、文字、圖像、聲音、視頻等信息轉(zhuǎn)換成計算機(jī)能識別的二進(jìn)制數(shù)據(jù)由計算機(jī)主機(jī)來處理。輸出系統(tǒng)的作用則是把計算機(jī)主機(jī)處理后的二進(jìn)制數(shù)據(jù)通過輸出設(shè)備轉(zhuǎn)換成我們能識別的數(shù)據(jù)、文字、圖像、聲音、視頻等。

輸入/輸出設(shè)備習(xí)慣上稱為I/O設(shè)備，又稱為外部設(shè)備（簡稱外設(shè)）。5.1.1輸入/輸出接口常見的輸入/輸出(I/O)設(shè)備和計算機(jī)主機(jī)的相互連接方式是：先通過輸入/輸出(I/O)接口連接到計算機(jī)系統(tǒng)總線上，然后通過總線再與計算機(jī)的主機(jī)相連接。1.輸入/輸出接口的功能（1）速度匹配：通過接口可以解決主機(jī)和I/O設(shè)備之間連接時的速度差異問題。（2）時序配合：通過接口電路可以實現(xiàn)I/O設(shè)備和主機(jī)不同時序的相互協(xié)同。（3）信息轉(zhuǎn)換：通過接口電路來解決信息轉(zhuǎn)換的問題。2.輸入/輸出接口的結(jié)構(gòu)

接口中主要部件作用如下：（1）數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器起數(shù)據(jù)緩沖作用，作為輸入時，它保存輸入設(shè)備向CPU發(fā)送的數(shù)據(jù)（稱為數(shù)據(jù)輸入寄存器）；作為輸出時，保存CPU準(zhǔn)備向輸出設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)（稱為數(shù)據(jù)輸出寄存器）。（2）狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器反映I/O設(shè)備或接口電路的工作狀態(tài)，便于CPU及時了解I/O設(shè)備的工作狀態(tài)，能通過查詢方式實現(xiàn)信息傳遞。（3）控制寄存器控制寄存器主要用于確定接口電路的工作方式。

（4）其他：接口電路中還有一些命令譯碼、端口地址譯碼等控制電路。3.輸入/輸出端口的編址方式（1）什么是端口I/O接口中的數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)寄存器、控制寄存器又稱為端口。一個接口可以有多個端口，如數(shù)據(jù)端口對應(yīng)于數(shù)據(jù)寄存器，狀態(tài)端口對應(yīng)于狀態(tài)寄存器，命令端口對應(yīng)于控制寄存器。每個端口寄存器都有自己的地址，稱為端口地址。（2）端口的編址方式I/O端口編址方式有統(tǒng)一編址方式和獨(dú)立編址方式兩種方式。統(tǒng)一編址所謂統(tǒng)一編址，是把I/O端口地址和主機(jī)中的主存儲器（主存）的存儲單元地址一起編址。②

獨(dú)立編址獨(dú)立編址又稱為不統(tǒng)一編址。所謂獨(dú)立編址是指：把I/O設(shè)備的端口地址和主存的存儲單元地址分開單獨(dú)進(jìn)行編號，這樣兩個地址空間獨(dú)立，互不影響。5.1.2輸入/輸出系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送方式在現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)中，輸入/輸出系統(tǒng)的傳送方式分為四種：無條件傳送方式、查詢傳送方式、中斷傳送方式、DMA傳送方式。1.無條件傳送方式無條件傳送方式是一種最簡單的數(shù)據(jù)傳送方式，主要用于功能和工作原理比較簡單的外設(shè)。2.查詢傳送方式查詢傳送方式也稱為條件傳送方式。下圖是采取查詢方式的打印機(jī)硬件接口圖。查詢傳送方式程序流程圖。3.中斷傳送方式為了提高CPU的利用率和進(jìn)行實時數(shù)據(jù)處理，CPU常采用中斷方式與外設(shè)交換數(shù)據(jù)。什么是中斷方式中斷是指CPU在執(zhí)行自己的程序（稱為主程序）時，被內(nèi)部或外部的事件打斷，轉(zhuǎn)去執(zhí)行一段事先安排好的為處理這一事件的中斷服務(wù)程序，在中斷服務(wù)程序結(jié)束后，又返回原來的斷點繼續(xù)執(zhí)行原來的程序的過程。

采用中斷的方式傳送數(shù)據(jù)稱為中斷傳送方式。中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序要按照以下流程編寫：保護(hù)現(xiàn)場→中斷服務(wù)→恢復(fù)現(xiàn)場→中斷返回。采用中斷方式的打印機(jī)硬件接口圖

在硬件設(shè)計上，所有的CPU都至少會有一個以上的外部中斷請求引腳，用來接收外部中斷請求，比如8086CPU的這個引腳用INTR來標(biāo)記。中斷方式的特點

優(yōu)點：利用中斷服務(wù)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，可實現(xiàn)外設(shè)和CPU并行工作，提高了CPU的工作效率。缺點：中斷管理的硬件和軟件實現(xiàn)過程十分復(fù)雜，在帶來好處的同時，硬件和軟件的設(shè)計難度更大。在大批量數(shù)據(jù)傳送時，會造成數(shù)據(jù)傳輸效率的降低。4.DMA傳送方式DMA（DirectMemoryAccess）傳送方式，也稱為直接存儲器存取方式。應(yīng)用場合DMA方式主要應(yīng)用于某種特定類型的外設(shè)和內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，這種外設(shè)在一段時間內(nèi)需要大批量和內(nèi)存交換數(shù)據(jù)。比如：硬盤。DMA方式DMA方式采取的是在主存和外設(shè)之間開辟一條專門的數(shù)據(jù)通道，這個數(shù)據(jù)通道在特殊的硬件電路——DMA控制器的控制下，直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送而不必通過CPU，不需要使用I/O指令進(jìn)行傳送。DMA方式的工作過程DMA控制器首先要向CPU發(fā)出總線請求信號HRQ，要求CPU讓出對總線的控制權(quán)。拿到總線控制權(quán)后，DMA控制器取代CPU，臨時接管總線，控制外設(shè)和存儲器之間直接進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳送，在結(jié)束高速數(shù)據(jù)傳送前再不需要CPU干預(yù)。外設(shè)和主存的大批量數(shù)據(jù)傳送，實際上是一個大的數(shù)據(jù)塊從一個外設(shè)