《汇编语言与计算机系统组成 教学课件 ppt 作者 李心广 第7章 输入输出系统》由会员分享，可在线阅读，更多相关《汇编语言与计算机系统组成 教学课件 ppt 作者 李心广 第7章 输入输出系统（61页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第7章 输入/输出系统,7.1 I/O系统概述,7.7 系统总线,7.5 DMA方式,7.2 I/O接口,7.3 直接程序控制方式,7.4 程序中断方式,7.6 通道与IOP,7.8 典型外设接口,7. 1 I/O系统概述,计算机的I/O系统，主要用于解决主机与外部设备间的信息通讯，提供信息通路，使外围设备与主机能够协调一致地工作。 7. 1. 1 I/O系统组成 输入输出系统由I/O硬件和I/O软件两部分组成。 1I/O硬件 输入/输出系统中的I/O硬件包括：系统总线、I/O接口、I/O设备及设备控制器。 系统总线是指CPU、主存、I/O设备（通过I/O接口）各大部件之间的信息传输线。按传输
2、信息的不同，又可分为：数据总线、地址总线和控制总线三类。 I/O接口通常是指主机与I/O设备之间设置的一个硬件电路及其相应的控制软件。 I/O设备是指计算机系统除主机外的大部分硬件设备，I/O设备又称为外部设备或外围设备，简称外设。,设备控制器用来控制I/O设备的具体动作，不同的I/O设备需要完成的控制功能不同。 2I/O软件 输入/输出系统中的I/O软件包括：用户的I/O程序、设备驱动程序、设备控制程序。 用户I/O程序是指用户利用操作系统提供的调用界面编写的具体I/O设备的输入输出程序。例如用户编写的用打印机输出文本的程序。 设备驱动程序是一种可以使计算机和设备通信的特殊程序。可以说相当于
3、硬件的接口，操作系统只有通过这个接口，才能控制硬件设备的工作。 设备控制程序就是驱动程序中具体对设备进行控制的程序。设备控制程序通过接口控制逻辑电路，发出控制命令字。 7. 1. 2 设计I/O系统应考虑的三个要素 1数据定位：设备选择，找到设备中数据的地址。 I/O系统必须能够根据主机提出的要求进行设备的选择，并按照数据在设备中的地址找到相应的数据。,2数据传输：传送数据的数量、速率及方向。 I/O系统必须对数据传送的数量、速率及方向进行控制。 3同步：仅当设备准备好时输出数据；当数据可用时输入数据。 I/O系统必须保证主机与外设间的同步，或称为协调工作。 7. 1. 3 主机与I/O设备间
4、的连接方式 主机与I/O设备间的连接方式主要有：总线型方式、通道方式及I/O处理机方式。 1总线型连接方式 总线型方式是主机与I/O设备间连接的最基本的方式，目前微机系统中广泛采用这种方式。 CPU通过系统总线与主存储器、I/O接口电路相连接，通过I/O接口电路进一步实现对外设的控制。 如果计算机系统只采用一组系统总线，称为单总线结构。当然还有多总线结构的系统，主要是为了提高系统的数据传输效率。,总线连接的优点：结构简单、标准化、I/O接口扩充方便。 总线连接的缺点：系统中部件之间的信息交换，均依赖于总线，总线成为系统中的速度瓶颈，因而对于配置大量外设的系统不适合。 2通道方式 输入/输出通道
5、是一个独立于CPU的，专门管理I/O的处理机，它控制设备与主存直接进行数据交换。它有自己的通道指令，这些通道指令由CPU启动，并在操作结束时向CPU发出中断信号。在通道方式中，数据的传送方向、存放数据的内存起始地址以及传送的数据块长度等都由通道来进行控制。 另外，通道控制方式可以做到一个通道控制多台设备与主存进行数据交换。因而，通道方式进一步减轻了CPU的工作负担，增加了计算机系统的并行工作程度。通道方式主要用于大型主机（Mainframe）系统中 ，一般用在所连接外设数量多、类型多以及速度差异大的系统中。 按照信息交换方式和所连接的设备种类不同，通道可以分为三种类型：字节多路通道、选择通道和
6、成组多路通道。,3I/O处理机方式 I/O处理机是通道的进一步发展，它独立于主机工作，在结构上接近于一般的处理机，但其专用性更适于I/O处理。在一个系统中可设置多台I/O处理机，分别承担I/O控制、通信、维护诊断等任务，形式上类似于一个多机系统。 I/O处理机有自己的指令系统，可编写完整的I/O管理程序和预处理程序。 I/O处理机方式与通道方式相比，基本上把原来CPU管理I/O的这部分功能全部接管过来了，这样使得I/O处理与CPU的操作完全并行起来。 通用CPU可用作I/O处理机使用，在大型机和巨型机中，也可将完整的计算机作为I/O处理机使用，称为前端处理机或外围处理机。例如在巨型机CRAY1
7、中用超级小型机VAX11/780作前端处理机。,7. 2 I/O接口,I/O接口通常是指主机与I/O设备之间设置的一个硬件电路。它用于在系统总线和外设之间传输信号，并起缓冲作用，以满足接口两边的时序要求。 7. 2. 1 I/O接口的功能和组成 1I/O接口的功能 一般讲，接口应具备如下的基本功能： （1）识别设备地址，选择指定设备 （2）传送控制命令及返回状态信息 （3）数据传送和数据缓冲 （4）数据格式转换 （5）其他功能 2I/O接口的组成 可以归纳如下：,由于I/O接口具有识别设备地址，选择指定设备的功能，那么就应该具有相应的设备选择电路； 由于I/O接口具有传输控制命令及返回状态信息
8、的功能，那么就必须有相应的寄存器保存这些信息，即控制命令寄存器及状态寄存器，还必须要有控制命令的译码器； 由于I/O接口具有数据传送及数据缓冲的功能，那么就必须有相应的数据缓冲寄存器； 由于I/O接口具有数据格式转换功能，那么就必须有相应的控制电路； 对于检错纠错、中断、DMA、时序控制等都需要相应的控制逻辑及寄存器。,7. 2. 2 I/O端口的编址方式 1端口的概念 接口中的命令寄存器称为命令端口，数据缓冲寄存器称为数据端口，状态标记寄存器称为状态端口，在计算机系统中，这些端口都有相应的地址供访问。 2I/O端口的编址方式 I/O端口的编址方式有两种，一种是独立编址方式，也称为专用的I/O
9、端口编址方式；另一种是存储器映射编址方式，也称为统一编址方式。 （1）独立编址方式（专用I/O端口编址方式） 这种编址方式的特点是I/O端口和存储器在两个独立的地址空间中进行编址，见图72，I/O端口的读、写操作由专用的控制信号（如：IOR和IOW）来实现，在指令系统中需要有专用的I/O指令（如：IN指令和OUT指令）实现对I/O端口的访问。,独立编址方式的优点：I/O端口具有独立的地址空间，不占用内存空间；存储器同I/O端口的操作指令不同，程序比较清晰；I/O端口的地址码较短，译码电路比较简单，也可以节省指令存储空间和指令执行时间；存储器和I/O端口的控制相互独立，可以分别设计。 独立编址方
10、式的缺点：需要有专用的I/O指令，而这些I/O指令的功能一般不如访问存储器的指令丰富，设计程序不够方便。,（2）存储器映射编址方式（统一编址方式） 这种编址方式的特点是I/O端口和存储器共用统一的地址空间，一旦地址空间分配给I/O端口后，存储器就不能再占有这一部分的地址空间。在这种方式下，I/O端口的读写操作同样由访存的控制信号（如：MEMR和MEMW）来实现，所有访问存储器的指令（包括数据传送指令、算术逻辑运算指令）都可以用于访问I/O端口。,存储器映射方式的优点：CPU可使用所有存储器操作指令对I/O端口中数据进行操作，十分灵活和方便；不需要用专门的指令及控制信号区分是存储器还是I/O操作
11、，使得系统相对简单。 存储器映射方式的缺点：I/O端口占用了内存单元的部分地址空间，使内存容量减小；由于在程序中不易分清指令访问的是存储器还是I/O端口，所以采用这种方式编制的程序不易阅读；访问I/O端口和访问内存一样，由于访问内存时的地址长，指令的机器码也长，执行时间显然增加。 7. 2. 3 I/O接口的分类 I/O接口可以按照多种不同的方式进行分类。 1按通用性分类 按通用性可以将I/O接口分为通用接口与专用接口。 2按可编程性分类 按可编程性可以将I/O接口分为可编程接口和不可编程接口。 3按数据传送方式分类 按数据传送方式可以将I/O接口分为并行I/O接口和串行I/O接口。,4按数据
12、传送的控制方式分类 按数据传送的控制方式可以将I/O接口分为程序型接口和DMA型接口。 73 直接程序控制方式 直接程序控制方式是指CPU直接利用I/O指令编程，实现数据的输入/输出。直接程序控制方式可分为两种传送方式：立即程序传送方式和程序查询方式。 7. 3. 1 立即程序传送方式 立即程序传送方式是指I/O接口总是准备好接收来自主机的数据，或准备随时向主机输入数据，CPU无需查看接口的状态，就可以执行I/O指令进行数据传送。这种传送方式又称为无条件传送或同步传送。立即程序传送方式接口框图如图74所示。,立即传送方式的操作步骤一般如下： （1）CPU把一个设备地址送到地址总线上，经地址译码
13、电路选中一台特定的设备。 （2）若为输出操作，则CPU向数据线送出数据并通过命令线发出写命令，将数据通过数据总线写入到外设接口的数据缓冲寄存器；若为输入操作，则CPU发出读命令，通过数据总线将数据缓冲区中的数据读入到CPU中的寄存器。 立即传送方式一般适合于对采样点的定时采样或对控制点的定时控制等场合。,732 程序查询方式 程序查询方式是指CPU在进行输入/输出操作之前，先查询外设的状态，只有当外设准备就绪时，才进行数据传送。这种传送方式也称为条件传送方式。 1程序查询方式接口电路举例 下面举一个打印机或CRT终端输出接口的例子，如图75。,这个输出接口的工作过程如下： CPU通过执行输入指
14、令读取“准备好状态”。 CPU通过执行输出指令将一个字符送至数据寄存器（字符）。 由写信号与地址译码器输出的数据状态线相与后的信号启动打印机打印该字符，同时清除“准备好状态”触发器。 打印机打印完一个字符后，发“完成”信号，置准备好触发器为“1”，表示打印机可以接受下一个字符。 2程序查询方式接口设备驱动程序流程 设备驱动程序用来管理CPU和外设间数据和控制信息的通信，它包括数据初始化、控制数据传输、结束数据传输及处理异外事件（如缺纸、未准备好等）。设备驱动程序也称为设备处理程序。 下图是程序查询方式接口设备驱动程序流程图：,程序查询方式设备驱动程序流程各步骤解释如下： 设置要传送数据在内存缓
15、冲区中的首地址。 设置计数初值，用来控制程序的循环，也代表了要传送这一批数据的多少。 执行一条读状态寄存器的指令，读取设备的准备状态。 若设备准备好，就进入，否则转到。对于输入设备，准备好表示输入设备已经把数据放入输入缓冲寄存器，输入缓冲区满；对于输出设备，准备好表示输出设备已经从输出缓冲寄存器中拿走了数据，输出缓冲区空。, 传送一个数据，对于输入设备，CPU执行一条输入指令将数据从输入缓冲寄存器中取走，并清除缓冲区满的状态；对于输出设备，CPU执行一条输出指令将数据写入输出缓冲寄存器，并清除缓冲区空状态。 计数值减1，表示完成了一个数据的传送，需要继续传送的数据减少了一个。 若计数值为0，表
16、示所有数据已经传送结束，结束传送过程，否则进入第步。 内存缓冲地址加1，将地址指向下一个要传送的数。 7. 3. 3 直接程序控制方式适应的场合及缺点 直接程序控制方式适用于下述场合： CPU速度不高。 CPU工作效率问题不是很重要。 需要调试或诊断I/O接口及设备的时候。 直接程序控制方式的缺点是： CPU与外围设备无法并行工作，CPU效率很低。 无法发现和处理异常情况，不能响应来自外部的随机请求。,74 程序中断方式,741 程序中断基本思想和作用 程序中断的基本思想是：CPU在程序中某一时刻启动某一外设后，CPU继续执行原来的程序，这时外设在为CPU的下一次操作做准备（对于输入设备，外设需将数据准备好并送入接口中的输入数据缓冲寄存器；对于输出设备，外设需从接口中的输出数据缓冲寄存器中将数据取走），CPU和外设在这段时间是属于并行工作的，一旦外设准备好，便主动向CPU发出一个中断请求信号，请求CPU为自己服务。如图7.7。,程序中断方式的作用
