计算机组成原理-第8章

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1、第8章,输入输出系统,第8章,计算机的输入输出系统是整个计算机系统中最具有多样性和复杂性的部分，本章首先介绍主机与外设之间的连接问题，接着重点介绍程序查询方式、程序中断方式、DMA方式和通道方式。,8.1 主机与外设的连接,8.1.1 输入输出接口 主机和外设的连接方式有辐射型连接、总线型连接等。输入/输出接口（I/O接口）是主机和外设之间的交接界面，通过接口可以实现主机和外设之间的信息交换。 主机和外设各自具有自己的工作特点，它们在信息形式和工作速度上具有很大的差异，接口正是为了解决这些差异而设置的。,8.1 主机与外设的连接,主机和外设之间需要交换的信息有： 1. 数据信息 这类信息可以是

2、通过输入设备送到计算机的输入数据，也可以是经过计算机运算处理和加工后，送到输出设备的结果数据。传送可以是并行的，也可以是串行的。 2. 控制信息 这是CPU对外设的控制信息或管理命令，如外设的启动和停止控制、 输入或输出操作的指定、工作方式的选择、中断功能的允许和禁止等。,8.1 主机与外设的连接,3. 状态信息 这类信息用来标志外设的工作状态，比如，输入设备数据准备好标志，输出设备忙闲标志等。CPU在必要时可通过对它的查询来决定下一步的操作。 4. 联络信息 这是主机和外设间工作的时间配合信息，它与主机和外设间的信息交换方式密切相关。通过联络信息可以决定不同工作速度的外设和主机之间交换信息的

3、最佳时刻，以保证整个计算机系统能统一协调地工作。,8.1 主机与外设的连接,5. 外设识别信息 这是I/O寻址的信息，使CPU能从众多的外设中寻找出与自己进行信息交换的唯一外部设备。,8.1 主机与外设的连接,8.1.2 接口的功能和基本组成 1. 接口的功能 (1) 实现主机和外设的通信联络控制 接口中的同步控制电路用来解决主机与外设的时间配合问题。 (2) 进行地址译码和设备选择 当CPU送来选择外设的地址码后，接口必须对地址进行译码以产生设备选择信息，使主机能和指定外设交换信息。,8.1 主机与外设的连接,(3) 实现数据缓冲 在接口电路中，一般设置有一个或几个数据缓冲寄存器，用于数据的

4、暂存，以避免因速度不一致而丢失数据。在传送过程中，先将数据送入数据缓冲寄存器中，然后再送到输出设备或主机中去。 (4) 数据格式的变换 在输入或输出操作过程中，为了满足主机或外设的各自要求，接口电路中必须具有完成各类数据相互转换的功能。,8.1 主机与外设的连接,(5) 传递控制命令和状态信息 当CPU要启动某一外设时，通过接口中的控制命令寄存器向外设发出启动命令；当外设准备就绪时，则有状态信息送回接口中的状态寄存器，为CPU 提供反馈信息，告诉CPU，I/O设备已经具备和CPU交换数据的条件。当外设向CPU提出中断请求和DMA请求时，CPU也有相应的响应信号反馈给外设。,8.1 主机与外设的

5、连接,2. 接口的基本组成 接口中要分别传送数据信息、控制信息和状态信息，数据信息、控制信息和状态信息都通过数据总线来传送。大多数计算机都把I/O设备的状态信息视为输入数据，而把控制信息看成输出数据，并在接口中分设各自相应的寄存器，赋以不同的端口地址，各种信息分时地使用数据总线传送到各自的寄存器中。,8.1 主机与外设的连接,8.1 主机与外设的连接,接口与端口是两个不同的概念。端口是指接口电路中可以进行读/写的寄存器，若干个端口加上相应的控制逻辑电路才组成接口。,8.1 主机与外设的连接,通常，一个接口中包含有数据端口、控制端口和状态端口。存放数据信息的寄存器称为数据端口，存放控制命令的端口

6、称为命令端口，存放状态信息的寄存器称为状态端口。CPU通过输入指令可以从有关端口中读出信息，通过输出指令可以把信息写入有关端口。对状态端口只进行输入操作，将设备状态标志送到CPU 中去；对命令端口只进行输出操作，CPU将向外设发送各种控制命令。因此，在有的接口电路中状态信息和控制信息共用一个寄存器，称之为设备的控制状态寄存器。,8.1 主机与外设的连接,3. 接口的类型 (1) 按数据传送方式分类 有串行接口和并行接口。这里所说的数据传送方式指的是外设和接口一侧的传送方式，而在主机和接口一侧，数据总是并行传送的。 (2) 按主机访问I/O设备的控制方式分类 可分为程序查询式接口、中断接口、DM

7、A接口等。 (3) 按功能选择的灵活性分类 有可编程接口和不可编程接口。,8.1 主机与外设的连接,(4) 按通用性分类 有通用接口和专用接口。 (5) 按输入/输出的信号分类 有数字接口和模拟接口。 (6).按应用来分类 运行辅助接口。 用户交互接口。 传感接口。 控制接口。,8.1 主机与外设的连接,8.1.3 外设的识别与端口寻址 外设识别是通过地址总线和接口电路中的外设识别电路来实现的，I/O端口地址就是主机与外设直接通信的地址，CPU可以通过端口发送命令、读取状态和传送数据。 1.端口地址编址方式 I/O端口编址方式有两种：一种是I/O映射方式，即把I/O端口地址与主存单元地址分别进

8、行独立的编址；另一种是存储器映射方式，即把端口地址与主存单元地址统一编址。,8.1 主机与外设的连接,(1) 独立编址 主存地址空间和I/O端口地址空间是相对独立的，分别单独编址。比如，在8086中，其主存地址范围是从00000HFFFFFH连续的1MB，其I/O端口的地址范围从0000HFFFFH，它们互相独立，互不影响。CPU访问主存时，由主存读/写控制线控制；访问外设时，由I/O读/写控制线控制，所以在指令系统中必须设置专门的I/O指令。当CPU使用I/O指令时，其指令的地址字段直接或间接的指示出端口地址。,8.1 主机与外设的连接,(2) 统一编址 I/O端口地址和主存单元的地址是统一

9、编址的，把I/O接口中的端口作为主存单元一样进行访问，不设置专门的I/O指令。 每个外设至少有两个寄存器：控制状态寄存器和数据缓冲寄存器，外设寄存器的地址码是连续的。在PDP-11中，把主存的高4KB地址空间留给外设接口寄存器和CPU内部寄存器使用，这4KB存储空间不允许用户再存放其他内容。,8.1 主机与外设的连接,2.独立编址方式的端口访问 Intel 80x86最多可直接寻址256个字节端口，可间接寻址65536 个字节端口。 任意两个连续的8位端口可作为16位端口处理；四个连续的8位端口可作为32位端口处理。因此，I/O地址空间最多能提供64K个8位端口、32K个16位端口、16K个3

10、2位端口或总容量不超过64KB的不同端口的组合。,8.1 主机与外设的连接,80x86的专用I/O指令IN和OUT有直接寻址和间接寻址两种类型。直接寻址I/O端口的寻址范围为00FFH，至多为256个端口地址。这时程序可以指定： 编号0到255的256个8位端口； 编号0、2、4 252、254的128个16位端口； 编号0、4、8 248、252的64个32位端口。,8.1 主机与外设的连接,间接寻址由DX寄存器间接给出I/O端口地址。DX寄存器长16位，寻址范围为0000FFFFH，最多可寻址216=64K个端口地址，这时程序可指定： 编号0到65535的65536个8位端口； 编号0、2

11、、4 65532、65534的32768个16位端口； 编号0、4、8 65528、65532的16384个32位端口。,8.1 主机与外设的连接,CPU一次可实现字节（8位）、字（16位）或双字（32位）的数据传送，与存储器中的双字一样。32位端口应对准可被4整除的偶地址，与存储器中的字一样，16位端口应对准偶地址，8位端口可定位在偶地址，也可定位在奇地址。,8.1 主机与外设的连接,8.1.4 输入/输出信息传送控制方式 主机和外设之间的信息传送控制方式，经历了由低级到高级、由简单到复杂、由集中管理到各部件分散管理的发展过程，按其发展的先后次序和主机与外设并行工作的程度，可以分为四种。,8

12、.1 主机与外设的连接,1. 程序查询方式 程序查询方式是一种程序直接控制方式，这是主机与外设间进行信息交换的最简单方式，输入和输出完全是通过CPU执行程序来完成的。 这种方式控制简单，但外设和主机不能同时工作，各外设之间也不能同时工作，系统效率很低，因此，仅适用于外设的数目不多，对I/O处理的实时要求不那么高，CPU的操作任务比较单一，并不很忙的情况。,8.1 主机与外设的连接,2. 程序中断方式 外设在作好输入/输出准备时，向主机发中断请求，主机接到请求后就暂时中止原来执行的程序，转去执行中断服务程序对外部请求进行处理，在中断处理完毕后返回原来的程序继续执行。 程序中断不仅允许主机和外设同

13、时并行工作，并且允许一台主机管理多台外设。但是完成一次程序中断需要许多辅助操作，可能使CPU应接不暇；对于一些高速外设，可能会造成信息丢失，因此，它主要适用于中、低速外设。,8.1 主机与外设的连接,3. 直接存储器存取（DMA）方式 DMA方式是在主存储器和外部设备之间开辟直接的数据通路，可以进行基本上不需要CPU介入的主存和外设之间的信息传送，这样不仅能保证CPU的高效率，而且能满足高速外设的需要。 DMA方式只能进行简单的数据传送操作，在数据块传送的起始和结束时还需CPU及中断系统进行预处理和后处理。,8.1 主机与外设的连接,4. I/O通道控制方式 通道是一个具有特殊功能的处理器，它

14、能独立地执行通道程序，产生相应的控制信号，实现对外设的统一管理和外设与主存之间的数据传送。但它不是一个完全独立的处理机，它要在CPU的I/O指令指挥下才能启动、停止或改变工作状态，是从属于CPU的一个专用处理器。 一个通道执行输入/输出过程全部由通道按照通道程序自行处理，不论交换信息多少，只打扰CPU两次（启动和停止时）。 ,8.2 程序查询方式及其接口,8.2.1 程序查询方式 1. 程序查询的基本思想 由CPU执行一段输入、输出程序来实现主存与外设之间的数据传送方式，叫做程序直接控制方式。根据外设的不同性质，这种传送方式又可分为无条件传送和程序查询方式两种。 在无条件传送方式中，I/O接口

15、总是准备好接收主机的输出数据，或总是准备好向主机输入的数据，因而CPU无需查询外设的工作状态，而默认外设始终处于准备就绪状态。,8.2 程序查询方式及其接口, 许多外设的工作状态是很难事先预知的，为了保证数据传送的正确进行，就要求CPU在程序中查询外设的工作状态，如果外设尚未准备就绪，CPU就等待，只有外设已作好准备，CPU才能执行I/O指令，这就是程序查询方式。,8.2 程序查询方式及其接口,2. 程序查询方式的工作流程 (1) 预置传送参数 在传送数据之前，由CPU执行一段程序，预置传送参数。传送参数包括存取数据的主存缓冲区首地址和传送数据的个数。 (2) 向I/O接口发命令字 当CPU选

16、中某台外设时，执行输出指令向I/O接口发出命令字，启动外设，为接收数据或发送数据的操作做准备。,8.2 程序查询方式及其接口,(3) 从I/O接口取回状态字 CPU执行输入指令，从I/O接口中取回状态字并进行测试，判断数据传送是否可以进行。 (4) 查询外设标志 CPU不断查询状态标志，如果外设没有准备就绪，CPU就踏步进行等待，一直到这个外设准备就绪，并发出“准备就绪”信号为止。,8.2 程序查询方式及其接口,(5) 传送数据 只有外设准备好，才能实现主机与外设间的一次数据传送。输入时，CPU执行输入指令，从I/O接口的数据缓冲寄存器中接收数据；输出时，CPU执行输出指令，将数据写入I/O接口的数据缓冲寄存器。 (6) 修改传送参数 每进行一次数据传送，需要修改传送参数，其中包括主存缓冲区地址加1，传送个数减1。,8.2 程序查询方式及其接口,(7) 判断传送是否结束 如果传送个数不为0，则转第3步，继续传送，直到传送结束为止。,8.2 程序查询方式及其接口,输出指令(OUT 控制口,AL),输入