第8章_输入输出系统讲义

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1、1.假设微指令的操作控制字段共 18 位，若采用直接控制，则一条微指令最多可同时启动 个微操作命令。若采用字段直接编码控制，并要求一条微指令能同时启动 3 个微操作，则微指令的操作控制字段应分 段，若每个字段的微操作数相同，这样的微指令格式最多可包含 个微操作命令。 2.相联存储器的访问方式是_ _。 A.先入先出访问 B.按地址访问 C.按内容访问 D.先入后出访问 3.CPU 执行程序时，为了从内存中读取指令， 需要先将 的内容输送到 上。 A指令寄存器 B程序计数器(PC)C标志寄存器 D.变址寄存器 A数据总线 B地址总线 C控制总线 D通信总线 4. CPU从主存取出一条指令并执行该

2、指令的时间叫做_B_。 A. 机器周期 B. 指令周期 C. 时钟周期 D. 总线周期 5.系统总线是指（ D ）。 A.运算器、控制器和寄存器之间的信息传送线 B.运算器、寄存器和主存之间的信息传送线 C.运算器、寄存器和外围设备之间的信息传送线 D.CPU、主存和外围设备之间的信息传送线,6.流水CPU是由一系列叫做“段”的处理线路所组成，和具有m个并行部件的CPU相比，一个m段的流水CPU（ ） A.具备大致同等水平的吞吐能力 B.不具备同等水平的吞吐能力 C.吞吐能力前者明显大于后者 D.吞吐能力前者明显小于后者 7.某计算机字长32位，其存储容量是1MB，若按字编址，它的寻址范围是（

3、） A.01M B.0512KB C.0256K D.0256KB 8.双端口存储器在（ ）情况下会发生读/写冲突。 A左端口与右端口的地址码不同 B.左端口与右端口的地址码相同 C左端口与右端口的数据码相同 D.左端口与右端口的数据码不同 9.冯.诺依曼机工作方式的基本特点是_。 A多指令流单数据流 B.按地址访问并顺序执行指令 C堆栈操作 D.存储器按内容选择地址 10.按照总线仲裁电路的位置不同，可分为_仲裁和_仲裁。 11.CPU能直接访问_和_，但不能直接访问磁盘和光盘。 12.主存与cache的地址映射有_、_、_三种方式。,第8章 输入输出系统,8.1 输入输出系统概述 8.2

4、I/O端口的编址方式及数据传送方式 8.3 程序直接控制方式 8.4 程序中断方式 8.5 DMA方式 8.6 通道控制方式,1.什么是输入输出系统 计算机主机与外界交换信息时的硬件和软件的总称，简称为I/O系统。 2.输入输出系统的构成 (1)硬件部分：外部设备、设备控制器与接口、I/O总线。 (2)软件部分：驱动程序、用户程序、管理程序、升级补丁等。,3.输入输出系统的功能： 选择相应的外部设备进行数据传输。 控制外部设备与主机进行信息交换，主要功能有：数据缓冲、数据格式转换、协调控制、控制/状态信息交换。,1. I/O 设备与主机的连接方式,(1) 辐射式连接,不便于增删设备,8.1 输

5、入输出系统概述,(2) 总线连接,便于增删设备,(3) 通道,把辐射式和总线式相结合。,(4) I/O处理机,并行能力提高,2. CPU与I/O 接口之间的信息,（1）数据信号 如：8位、16位、32位数据； （2）状态信号 表示外设是否准备好信号。 如：READY、BUSY、ACK(确认应答) （3）控制信号 表示启动、停止外设之类的信号。,CPU与IO接口进行通信是通过接口内部的一组寄存器来实现的。这些寄存器称为端口。,三、输入输出设备和CPU交换数据的过程： 输入过程： (1) CPU把地址值放在地址总线上，选择某设备； (2) CPU等候输入设备的数据成为有效； (3) CPU从数据总

6、线读入数据，并放入寄存器。 输出过程： (1) CPU把地址值放在地址总线上，选择设备； (2) CPU把数据放在数据总线上； (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? 高速的CPU与速度参差不齐的外设怎样在时间上同步呢？因此，对于不同速度的外围设备，需要有不同的定时方式。 四、CPU与外围设备之间的定时 慢速外围设备 中速外围设备 高速外围设备,1、慢速外围设备 速度极慢或简单的外围设备：对于这类设备CPU总是能足够快地作出响应，也可以说，CPU认为输入的数据一直有效，在这种情况下，CPU只要接受和发送数据就可以了。 常用的有：机械开关，显

7、示二极管等。 开关-CPU认为输入数据一直有效; 显示二极管-输出一定准备就绪。,2、慢速或中速的外围设备 慢速或中速的外围设备：CPU与这类设备之间的数据交换通常采用异步定时方式。 在这种情况下，CPU和外设之间用问答信号进行定时的方式叫做应答式数据交换。,其定时过程如下（接收数据）： CPU询问外设的状态是否“准备就绪” CPU从总线上接收数据 CPU发出输入响应信号，告诉数据取走 外设把“准备就绪”的状态标志复位 CPU发送数据的情况也与上述情况相似 请求输出-否准备就绪-送出数据-发出“取走”信号 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式数据交换 。,3、高速外围

8、设备 高速外围设备：CPU和这类设备之间通常采用同步定时方式，一旦CPU和外设发生同步，他们之间的数据交换用时钟控制来进行。 1)同步定时方式 CPU以等间隔的速率执行I/O指令。 靠时钟脉冲控制进行。 2)DMA方式,更快的同步传送要采用直接内存访问(DMA)方式。,8.2 I/O 端口的编址方式及数据传送方式,CPU如何对IO进行编址。统一编址和独立编址 如何寻址设备号？ IO与主机怎么连接。通过接口电路 IO与主机以什么方式联络，使它们彼此之间都知道对方处于什么状态。同步异步立即响应方式 信息的传送是串行还是并行。,一、IO端口的编址方式 统一编址 独立编址,补充：输入输出I/O指令格式

9、,1、专用的I/O指令包含操作码、命令码和地址码三部分： 操作码用于区分访存指令和I/O指令 命令码用于区分I/O操作的种类 地址码则指明要访问的外设端口地址以及CPU寄存器号,2、IBM/PC机的I/O指令只有两条：IN和OUT IN指令将外设端口中的数据读入累加寄存器AL(AX) 。 OUT指令将累加寄存器AL(AX)的数据写入外设端口。 它们的汇编助记符及格式如下：,端口地址为8位 IN AL/AX，port；输入指令 OUT port，AL/AX；输出指令 Port为8位的端口地址（0255）；,端口地址为16 位 MOV DX，port IN AL/AX，DX；输入指令 OUT DX

10、，AL/AX；输出指令 DX内为16位的端口地址port。,3、80286以上的CPU还支持I/O端口与内存直接交换数据：,输入操作： MOV DX，Port LES DI，Buffer_in INSB；（将DX所指向的端口地址内的数据输入到由ES：DI所指向的内存单元，传送一个8位的数据） INSW；同上，传送一个16位的数据,输出操作： MOV DX，Port LDS SI，Buffer_out OUTSB；（将由DS：SI所指向的内存单元内的数据输出到DX所指向的端口地址，传送一个8位的数据） OUTSW；同上，传送一个16位的数据,二、I/O设备与主机信息传送方式,程序查询方式：由CP

11、U来执行一段输入输出程序（由I/O指令所编的程序）来控制主机与外设之间的信息传送。,基本思想： I/O接口：设置反映外设工作的状态字 CPU：利用程序循环查询 先由主机通过启动指令启动外设工作，启动后主机用测试指令不断查询外设工作是否完成，一旦外设工作完成，就可进行数据传送了。,8.3 程序查询方式,一、程序查询方式的接口电路,设备选择电路 数据缓冲寄存器 设备状态寄存器,CPU需要不断监测状态位以确定是否该做下一个I/O操作。由于CPU比I/O设备快得多，所以轮询就要浪费大量的CPU时间。,二、程序查询方式的接口电路-工作过程,以输入为例,(1)先向I/O设备发出命令字，请求进行数据传送；,

12、(2)从I/O接口读入状态字；,(3)检查状态字中的标志，看看数据交换是否可以进行；,(4)假如这个设备没有准备就绪，则第(2)、第(3)步重复进行，一直到这个 设备准备好交换数据，发出准备就绪信号“Ready”为止；,(5)CPU从I/O接口的数据缓冲寄存器输入数据，或者将数据从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。,（6）数据传送,三、程序查询流程,1. 查询流程,单 个 设 备,测试指令,转移指令,传送指令,多个设备,四、程序查询方式的特点： 控制简单，但是主机和外设是串行工作的。 当外设速度很慢时，主机大量时间被消耗在测试等待中，不能充分发挥CPU

13、效率。 CPU一段时间内只能和一台外设交换信息，无法使其它外设同时工作。当多个设备同时准备就绪时，由程序来决定优先级。 发现和处理预先无法估计的错误和异常情况困难。,应用：调试维护过程或其他简单调用外设，适用在CPU不太忙且传送速度要求不高时,工作原理：CPU查询外设已准备好后，才传送数据。 特点：CPU与外设间通过程序同步，CPU被外设独占，CPU效率低下。 要求：不需要增加额外的硬件电路。 应用： 适同在CPU不太忙且传送速度要求不高时。,程序查询方式,中断问题的提出： 在程序查询方式中，CPU和外设的工作是串行的，当CPU和外设交换信息时，就把CPU的控制权交给了该设备，而CPU只能做测

14、试等待，直到外设工作完成。CPU的大部分工作时间被浪费了。 假若CPU在启动外设工作后，设备释放对CPU的控制权使CPU继续工作，当外设工作完成后向CPU发中断请求信号，若CPU响应中断，则停止正在执行的程序，转中断服务程序为该程序服务，这样就能实现CPU和外设并行工作，使CPU的效率充分发挥。,8.4 中断控制方式,8.4 中断控制方式,中断的概念 中断源 中断识别（方法2种） 中断优先级 中断嵌套 中断的处理过程(4个） 中断屏蔽技术,1、中断：指CPU暂时中止现行程序，转去处理随机发生的紧急事件，处理后自动返回原程序的功能和技术。,一、中断的概念,K,K+1,Q,Q+1,2、中断系统是计

15、算机实现中断功能的软硬件总称。 硬件：在CPU中设置中断机构，在外设接口中设置中断控制器； 软件：设置相应的中断服务程序。 3、中断应用 主机和低速的I/O设备速度的不匹配 CPU启动外设后，需要一段时间的等待才能实现主机与I/O设备之间的信息交换。在设备准备的同时，CPU不做无谓的等待，而是继续执行现行的程序，当I/O设备准备就绪后向CPU提出请求CPU暂停正在执行的程序转入中断服务程序。,以打印机为例,CPU 与打印机并行工作,总之，中断技术的出现，提供了一种以响应外部异常事件而改变状态流程的有效手段，它支持了多重程序的运行及多个用户同时共享整个计算机资源，充分发挥了计算机的高速处理和实时

16、处理能力，以及自动处理机内部故障的能力，提高计算机的整机效率。,异常处理 如：计算机在运行时，突然掉电，保存CPU正在处理的信息，待来电后自动恢复。 实时控制 在实时控制领域，要求CPU能够及时响应外来信号的请求，并完成相应的操作。也要求采用中断技术。,二、中断源,发出中断请求的外部设备或引起中断的内部原因。简单来讲就是能够发出中断请求的来源。,内部中断（不可屏蔽） (1) 人为设置的中断：如 转管指令 (2) 程序性事故 溢出、操作码不能识别、除法非法 外部中断 (3) 硬件故障（不可屏蔽） (4) I/O 设备 (5) 外部事件 用 键盘中断 现行程序,三、中断识别,中断识别：CPU确定是哪个中断源发出的中断请求，并