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1、第八章,输入输出设备与输入输出系统,教学要求,教学学时: 8 教学要求： 了解输入输出系统及常用输入输出设备； 理解计算机总线的构成原理； 了解输入输出接口的基本功能和一般组成； 掌握常用的输入输出方法； 了解提高数据输入输出能力和可靠性的可行途径。,教学要求,教学重点： 计算机总线的构成原理、 输入输出接口的基本功能和一般组成、 常用的输入输出方法、 提高数据输入输出能力和可靠性的可行途径。 教学难点： 计算机总线的构成原理、 输入输出接口的基本功能和一般组成、 常用的输入输出方法。,主要内容,输入输出设备 输入输出系统概述 计算机总线 输入输出接口概述 常用的输入输出方式 提高数据输入输出
2、能力和可靠性的可行途径 习题与思考题,8.1 输入输出设备,8.2 输入输出系统概述,输入输出系统的主要作用及组成 主要作用 输入输出系统是完整计算机系统的重要组成部分，对计算机系统的运行性能有巨大影响，它的主要作用是连通计算机的各个功能部件和设备，在它们之间实现数据交换。 基本组成 硬件部分：主要由计算机总线和输入输出接口两部分组成 软件部分：需要有操作系统的支持。,8.2 输入输出系统概述,输入输出系统复杂多变的原因 花样太多 差异太大 解决问题的途径 建立总线系统 建立各种接口电路 采用不同的输入输出数据传输方式,8.3 计算机总线,计算机总线概述 计算机总线的构成 总线仲裁和数据传输控
3、制 教学计算机的总线系统实例,1. 计算机总线概述,计算机总线及其硬件组成 计算机总线 是在计算机各部件之间传输信息的公共通路，包括传输数据（信息）信号的逻辑电路、管理信息传输协议的逻辑线路和物理连线。每次传输时，总线可以从多个信息来源中选择其一并传输到一（或多个）信息接收部件。 总线的硬件组成 可选用集电极开路输出的电路 也可选用输出端有高阻态输出 支持的电路,这样的线路输出端可以直接扭结在一起，并通过为其中某个门给出有效电平的控制信号，为其他门给出无效电平的控制信号，实现将多个输入中的某一路信息送到总线上。,1. 计算机总线概述,总线功能 数据总线(data bus, DB)：传输数据信息
4、，支持的最大数据输入输出能力与它的时钟频率和宽度的乘积成正比； 地址总线(address bus, AB)：传输地址信息，其宽度决定了系统可寻址的最大内存空间； 控制总线(control bus, CB)：给出总线周期类型、I/O操作完成的时刻、DMA周期、中断等有关的控制信号。,1. 计算机总线概述,总线周期 总线周期：通常是指通过总线完成一次内存读写操作或完成一次输入输出设备的读写操作所必需的时间。 总线周期类型 依据操作性质可以有4种类型：内存读周期、内存写周期、I/O读周期、I/O写周期。 总线周期的组成：一个总线周期通常由两个时间段组成 地址时间(address time)：CPU向
5、内存或I/O设备送地址信息到地址总线 数据时间(data time)：CPU完成数据读写 正常总线周期(normal bus cycle)： 如果每次数据传输都要用上述两个时间组成的完整的总线周期完成读写，则称这种总线周期为正常总线周期(normal bus cycle)，在这种总线周期里每次只能传输一个数据。,1. 计算机总线概述,总线性能 总线性能 主要是指数据输入输出的吞吐量 总线性能对计算机系统的总体性能有着重大的影响，找出提高总线性能和系统输入输出的数据吞吐量的方案，是计算机厂家一直努力解决的问题。 提高总线性能的方案 尽量提高处理机总线本身的速度 从总线结构上想办法，就是提供几组总
6、线,2. 计算机总线的构成,单总线 指计算机只使用唯一的一组总线，计算机系统中所有的部件、设备都连接到这组总线上。如下图所示。 优点：结构简单，成本低、易于接入新设备； 缺点：不利于提高总线上的数据传输率。,2. 计算机总线的构成,双总线 是指在计算机中配置两组总线，这两组总线可以并发执行输入输出操作，使总线的输入输出能力和计算机系统的总体性能得到很大的提高。如下图所示。,2. 计算机总线的构成,三总线 是指在计算机中配置三组总线，在双总线的基础上提供一组高性能的局部总线，即PCI总线。PCI总线的时钟频率比较高(33MHz)，数据线位数比较多，主要用于连接各种快速设备。如右图所示。,3. 总
7、线仲裁和数据传输控制,总线仲裁的概念 总线仲裁相关概念 总线仲裁解决的是多个设备竞争使用总线的管理问题，由总线仲裁逻辑线路完成。 专门执行总线仲裁功能的部件叫总线仲裁器或称总线控制器。 总线仲裁器通过判别主设备使用总线的优先级来完成仲裁。 总线仲裁的分类 集中式仲裁:总线仲裁器基本集中在一个部件上 分散式仲裁方式:总线仲裁器分散在多个总线部件之上,3. 总线仲裁和数据传输控制,常用的仲裁方法 查询方式，如串行链式查询方式 计数器定时查询方式 独立请求方式 数据传输控制 也称总线通信控制，解决的是通信双方交换数据过程中在时间上的配合关系，也就是同步问题。 同步通信 异步通信,4. 教学计算机的总
8、线系统实例,数据总线 地址总线 控制总线,8.4 输入输出接口概述,输入输出接口的基本功能 通用可编程接口的一般组成 串行接口实例,1. 输入输出接口的基本功能,提供主机识别（指定、找到）要用的I/O设备的支持，这是通过为每个设备规定几个地址码或编号来实现的。常用的有两种编址方式： 对计算机的主存储器与I/O设备按统一的格式和方法来分配与安排地址编码； 设置并使用专用的输入(IN)输出(OUT)指令访问I/O设备（执行输入输出操作）。该方法采用较广泛。 建立主机和设备之间的控制与相互了解的机制； 提供主机和设备交换信息过程中的数据缓冲机构； 提供主机和设备交换信息过程中的其他特别需求支持。,2
9、. 通用可编程接口的一般组成,通用可编程接口 为了尽量减少接口的种类数目，人们总是希望用同一块接口能提供尽量多的功能，并且能灵活选择其运行功能和运行的控制参数，这样的接口被称为“通用可编程接口”，这里所说的“可编程”是指可以在程序中通过指令指定接口的功能，指定接口的运行控制参数等。 一般组成 I/O端口地址 各种寄存器：命令寄存器；状态寄存器；数据缓冲寄存器 各种控制逻辑线路,8.5 常用的输入输出方式,常用的输入输出方式概述 中断的概念和中断处理过程 DMA的概念和DMA处理过程,1. 常用的输入输出方式概述,程序直接控制方式(program direct control) 是指在用户程序中
10、直接使用I/O指令完成输入输出操作，它是由CPU通过查询设备的运行状态，来控制数据传送过程的。 程序中断传送方式(program interrupt transfer) 是由被读写的设备主动向CPU报告它是否已进入准备好状态，而CPU不必循环测试，从而大大减轻了CPU的负担，提高了系统的总体运行性能。 直接存储器存取方式(direct memory access) 主要用于快速设备和主存成组交换数据的场合。,1. 常用的输入输出方式概述,I/O通道控制方式(I/O channel control) 是使用从属于CPU的、专用于处理I/O操作的处理器协助CPU完成输入输出操作的运行方式。 外围处
11、理机(peripheral processor unit) 主要用于大型高性能的计算机系统中，是使用微小型通用计算机协助主处理机完成输入输出操作。它不但可以完成前面的I/O通道的I/O控制功能，还可以完成更加复杂多样的附加操作功能，如码制转换、格式处理、数据块的检错纠错处理，承担I/O系统与设备的诊断维护、人机交互处理等处理功能。,2. 中断的概念和中断处理过程,中断 计算机中的“中断”是在完整运行一个程序的过程中，断续地以“插入”的方式执行一个（些）完成特定处理功能的程序段。 中断的主要作用 一种重要的输入输出方式 硬件故障的报警与处理 支持多道程序并发运行 支持实时处理功能 支持人机交互与
12、联系,2. 中断的概念和中断处理过程,中断有关的一些概念 中断源：能引起中断的事件或能发出中断请求的设备。 内中断、外中断 硬件中断、软将中断 可屏蔽中断、不可屏蔽中断 中断优先级 中断嵌套,2. 中断的概念和中断处理过程,中断处理过程 中断请求：是由中断源发出并送给CPU的控制信号，由中断源设备通过置“1”设置在接口上的中断触发器完成的。 中断响应：当CPU接到中断请求信号（可能多个）时，如果条件具备，它就会响应中断请求。 中断处理,串行链式排队线路,7,3.DMA的概念和DMA处理过程,DMA的概念及组成 DMA的概念 DMA是在专门的硬件（DMA接口）控制下，实现高速I/O设备与主存储器
13、之间成批交换数据的输入输出操作方式。 DMA传送方式 独占总线方式 周期挪用方式 DMA接口的组成,DMA接口的内部组成,3.DMA的概念和DMA处理过程,DMA 传送数据的过程,8.6 提高数据输入输出能力和可靠性的可行途径,从提高各功能部件的运行性能考虑 采用资源重复配备方案 提高计算机总线性能的措施 尽量提高总线的工作频率 增加数据总线的位数 支持成组数据传送方式 设置多总线结构,提高接口线路的运行性能 提高接口电路的智能化处理能力 增加更多的缓冲能力 使用更多的接口卡 从计算机硬件系统考虑 冗余技术 备份技术,习题与思考题,P374 第15、18、23题 P375 第25、29、31题,
