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1、计算机组成原理,第八章 输入输出系统,2019年10月17日星期四,1,8.1 输入输出系统,计算机的输入输出系统简称为I/O系统，它包括I/O输入、I/O管理部件及有关软件。一个计算机系统的综合处理能力，系统的可扩展性、兼容性和性能性价比、都和I/O系统有密切关系。,2019年10月17日星期四,2,8.1 输入输出系统,一、外围设备的速度分级和信息交换方式 1、外围设备的速度分级 外设种类繁多，存在以下几种情况： （1）不同种类的外设数据传输速率差别很大； （2）同一种设备在不同时刻传输速率也可能不同。,2019年10月17日星期四,3,8.1 输入输出系统,从表8.1看到各种外围设备的数
2、据传输速率相差很大。如果把高速工作的主机同不同速度工作的外围设备相连接那么首先遇到的一个问题。就是如何保证主机与外围设备在时间上同步? 这就是我们要讨论的外围设备的定时问题,2019年10月17日星期四,4,8.1 输入输出系统,2、输入/输出设备同CPU交换数据的过程： 输入过程： (1)CPU把一个地址值放在地址总线上，这一步将选择某一输入设备； (2)CPU等候输入设备的数据成为有效； (3)CPU从数据总线读入数据，并放在一个相应的寄存器中。,2019年10月17日星期四,5,8.1 输入输出系统,输出过程： (1)CPU把一个地址值放在地址总线上，选择输出设备； (2)CPU把数据放
3、在数据总线上； (3)输出设备认为数据有效，从而把数据取走。 问题的关键在于：究竟什么时候数据才成为有效? 很显然，由于输入/输出设备本身的速度差异很大，因此，对于不同速度的外围设备，需要有不同的定时方式，总的说来，CPU与外围设备之间的定时，有以下三种情况。,2019年10月17日星期四,6,8.1 输入输出系统,3、速度极慢或简单的外围设备 对这类设备，如机械开关、显示二极管等等，CPU总是能足够快地作出响应。换句话说，对机械开关来讲，CPU可以认为输入的数据一直有效，因为机械开关的动作相对CPU的速度来讲是非常慢的，对显示二极管来讲，CPU可以认为输出一定准备就绪，因为只要给出数据，显示
4、二极管就能进行显示，所以，在这种情况下，CPU只要接收或发送数据就可以了。,2019年10月17日星期四,7,8.1 输入输出系统,4、慢速或中速的外围设备 由于这类设备的速度和CPU的速度并不在一个数量级，或者由于设备(如键盘)本身是在不规则时间间隔下操作的，因此，CPU与这类设备之间的数据交换通常采用异步定时方式。其定时过程如下： CPU从外设接收一个字: 询问外设的状态，如果该外设的状态标志表明设备已“准备就绪”，那么CPU就从总线上接收数据。,2019年10月17日星期四,8,8.1 输入输出系统,CPU在接收数据以后，发出输入响应信号，告诉外设已经把数据总线上的数据取走。 外设把“准
5、备就绪”的状态标志复位，并准备下一个字的交换。 CPU询问外设时，外设没有“准备就绪”，那么它就发出表示外设“忙”的标志。于是，CPU将进入一个循环程序中等待，并在每次循环中询问外设的状态，一直到外设发出“准备就绪”信号以后，才从外设接收数据。,2019年10月17日星期四,9,8.1 输入输出系统,CPU向外设发送一个字: CPU发送数据的情况也与上述情况相似，外设先发出请求输出信号，而后，CPU询问外设是否准备就绪。如果外设已准备就绪，CPU便发出准备就绪信号，并送出数据。外设接收数据以后，将向CPU发出“数据已经取走”的通知。 通常，把这种在CPU和外设间用问答信号进行定时的方式叫做应答
6、式数据交换 。,2019年10月17日星期四,10,8.1 输入输出系统,5、高速的外围设备 由于这类外设是以相等的时间间隔操作的，而CPU也是以等间隔的速率执行输入/输出指令的 ，因此，这种方式叫做同步定时方式。一旦CPU和外设发生同步，它们之间的数据交换便靠时钟脉冲控制来进行。例如若外设是一条传送2400位秒的传输线。那么CPU每隔12400秒执行一次串行的输入操作 更快的同步传送要采用直接内存访问(DMA)方式，这将在后面详细介绍。,2019年10月17日星期四,11,8.1 输入输出系统,二、信息交换方式 在计算机系统中，CPU管理外围设备有以下几种方式： 1、程序查询方式 数据在CP
7、U和外围设备之间的传送完全靠计算机程序控制，查询方式的优点是CPU的操作和外围设备的操作能够同步，而且硬件结构比较简单。但问题是，外围设备动作很慢，程序进入查询循环时将白白浪费掉CPU很多时间。,2019年10月17日星期四,12,8.1 输入输出系统,这种情况同上述例子中第一种方法相仿，CPU此时只能等待，不能处理其他业务。即使CPU采用定期地由主程序转向查询设备状态的子程序进行扫描轮询的办法，CPU宝贵资源的浪费也是可观的。因此当前除单片机外，很少使用程序查询方式。,2019年10月17日星期四,13,8.1 输入输出系统,2 、程序中断方式 中断是外围设备用来“主动”通知CPU，准备送出
8、输入数据或接收输出数据的一种方法。通常，当一个中断发生时，CPU暂停它的现行程序，而转向中断处理程序，从而可以输入或输出一个数据。当中断处理完毕后，CPU又返回到它原来的任务，并从它停止的地方开始执行程序。,2019年10月17日星期四,14,8.1 输入输出系统,这种方式和我们前述例子的第二种方法相类似。可以看出，它节省了CPU宝贵的时间，是管理I/O操作的一个比较有效的方法。中断方式一般适用于随机出现的服务，并且一旦提出要求，应立即进行。同程序查询方式相比，硬件结构相对复杂一些，服务开销时间较大。,2019年10月17日星期四,15,8.1 输入输出系统,3、直接内存访问(DMA)方式 直
9、接内存访问(DMA)方式是一种完全由硬件执行I/O交换的工作方式。这种方式既考虑到中断响应，同时又要节约中断开销。 此时，DMA控制器从CPU完全接管对总线的控制，数据交换不经过CPU，而直接在内存和外围设备之间进行，以高速传送数据。,2019年10月17日星期四,16,8.1 输入输出系统,这种方式和前述例子的第三种方法相仿，主要优点是数据传送速度很高，传送速率仅受到内存访问时间的限制。与中断方式相比，需要更多的硬件。 DMA方式适用于内存和高速外围设备之间大批数据交换的场合。,2019年10月17日星期四,17,8.1 输入输出系统,4、通道方式 DMA方式的出现已经减轻了CPU对I/O操
10、作的控制，使得CPU的效率有显著的提高，而通道的出现则进一步提高了CPU的效率。这是因为，CPU将部分权力下放给通道。 通道是一个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)，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。这种方式与前述例子的第四种方法相仿，大大提高了CPU的工作效率。然而这种提高CPU效率的办法是以花费更多硬件为代价的。,2019年10月17日星期四,18,8.1 输入输出系统,5、外围处理机方式 外围处理机(PPU)方式是通道方式的进一步发展。由于PPU基本上独立于主机工作，它的结构更接近一般处理机，甚至就是微小型计算机。在一些系统中，设置了
11、多台PPU，分别承担I/O控制、通信、维护诊断等任务。从某种意义上说，这种系统已变成分布式的多机系统。,2019年10月17日星期四,19,8.1 输入输出系统,外围设备的输入/输出方式：,2019年10月17日星期四,20,8.2 程序查询方式,程序查询方式又叫程序控制I/O方式在这种方式中数据在CPU的外围设备之间的传送完全靠计算机程序控制，是在CPU主动控制下进行的当输入输出时，CPU暂停执行本程序，转去执行输入输出的服务程序，根据服务程序中的I/O指令进行数据传送 这是一种最简单、最经济的输入输出方式它只需要很少的硬件，因此大多数机器特别是在微、小型机中，常用程序查询方式来实现低速设备
12、的输入输出管理。,2019年10月17日星期四,21,一、设备编址 用程序实现输入输出传送的机器，根据其结构特点，外围设备有两种不同的编址方法：统一编址法和单独编址法。,2019年10月17日星期四,8.2 程序查询方式,22,统一编址： 是指输入输出设备中的控制寄存器，数据寄存器，状态寄存器等也和内存单元一样看待，将它们和内存单元联合在一起编排地址这样就可用访问内存的指令(读、写指令)去访问I/O设备的某个寄存器，因而不需要专门的I/O指令组。,2019年10月17日星期四,8.2 程序查询方式,23,单独编址： 内存地址和I/O设备地址是分开的，访问内存和访问I/O设备使用不同操作码的指令
13、，即访问I/O设备有专门的I/O指令组。,2019年10月17日星期四,8.2 程序查询方式,24,二、输入/输出指令 当用程序实现输入输出传送时，I/O指令一般具有如下功能： (1)置“1”或置“0”设备接口的某些控制触发器，用于控制设备进行某些动作、关闭设备、令磁带转动等 (2)测试设备的某些状态，如“忙”、“准备就绪”等以便决定下一步的操作 (3)传送数据当输入数据时，将I/O设备中数据寄存器的内容送到CPU某一寄存器；当输出数据时将CPU中某寄存器的内容送到I/O设备的数据寄存器 不同的机器，所采用的I/O指令格式和操作也不相同,2019年10月17日星期四,8.2 程序查询方式,25
14、,三、程序查询方式的接口,2019年10月17日星期四,8.2 程序查询方式,26,程序查询方式的接口电路应包括如下部分： 1. 设备选择电路 接到总线上的每个设备都预先给定设备地址码。CPU执行I/O指令时需要把指令中的设备地址送到地址总线上，用以指示CPU要选择的设备。每个设备接口电路都包含一个设备选择电路。用它判别地址总线上呼叫的设备是不是本设备。如果是，本设备就进入工作状态，否则不予理睬。设备选择电路实际上是设备地址的译码器。,2019年10月17日星期四,8.2 程序查询方式,27,2数据缓冲寄存器 当输入操作时，用数据缓冲寄存器来存放从IO设备读出的数据。然而送往CPU；当输出操作
15、时。用数据缓冲寄存器来停放CPU近来的数据，以便送给I/O设备输出。 3设备状态位（标志） 设备状态位是接口中的标志触发器，如“忙”、“准备就绪”、“错误”等。用来标志设备的工作状态。以便接口对外设进行监视。一旦CPU用程序询问I/O设备时，将状态位信息取至CPU进行分析。,2019年10月17日星期四,8.2 程序查询方式,28,四、程序查询输入/输出方式 程序查询方式是利用程序控制实现CPU和I/O设备之间的数据传送程序执行的动作如下： (1)先向I/O设备发出命令字，请求进行数据传送； (2)从I/O接口读入状态字； (3)检查状态字中的标志，看看数据文换是否可以进行；,2019年10月
16、17日星期四,8.2 程序查询方式,29,(4)假如这个设备没有准备就绪，则第(2)、第(3)步重复进行准备好交换数据，发出准备就绪信号“Ready”为止。 (5)CPU从I/O接口的数据缓存寄存器输入数据或将数据从CPU输出至接口的数据缓冲寄存器与此同时，CPU将接口中的状态标志复位。,2019年10月17日星期四,8.2 程序查询方式,30,2019年10月17日星期四,8.2 程序查询方式,程序查询I/O设备流程图,31,8.3 程序中断方式,一、中断的基本概念 “中断”概念的出现，是计算机系统结构设计中的一个重大变革。第二节中曾经提到。在程序中断方式中某一外设的数据准备就绪后，它“主动”向CPU发出请求中断的信号，请求CPU暂时中断日前的工作而进行数据交换当CPU响应这个中断时。便暂停运行主程序，并自动转移到该设备的中断服务程序。当中断服务程序结束以后。CPU又回到原来的主程序。这种原理和调用子程序相访，不过，这里要求转移到中断服务子程序的请求是由外部设备发出的。中断方式特别适合于随机出现的服务,
