《计算机组织与系统结构教学课件季福坤第7章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机组织与系统结构教学课件季福坤第7章（139页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、学习要点 输入输出接口的概念、功能及其编址方式 输入输出信息传送控制方式 中断的相关概念、程序中断的过程 DMA传送方法和传送过程 通道的概念、结构和工作过程 总线的概念和类型,第7章 外部设备与输入/输出系统,7.6 Intel Pentium CPU,7.3 程序查询方式及接口,7.4 中断控制方式,第7章 外部设备与输入/输出系统,7.1 外部设备概述,7.2 主机与外设的连接,7.7 系统总线及结构,7.5 DMA方式,退出,7.1.1 外部设备的分类,7.1.2 外部设备的地位和作用,退出,7.1 外部设备概述,7.1.1 外部设备的分类,外部设备包括常见的输入设备、输出设备、外部存
2、储器、数据通信设备、脱机输入输出设备及过程控制设备等。每一种外部设备的工作都是在自己的控制器控制下进行的，而每一种控制器又是通过接口与主机进行连接，受主机控制。,1输入设备 输入设备是人机交互最重要的接口，负责把各种命令、程序和数据等输入到计算机中。常用的输入设备分为字符输入（如键盘、条形码阅读器、磁卡机等）、图形输入（如鼠标、触摸屏、图形数字化仪等）、图像输入（如摄像机、数码相机、扫描仪等）、声音输入（如话筒）等几类。由于输入到计算机中的信息多种多样，并且各种形式的信息都要转换成二进制的形式，因此不同输入设备在工作原理上、工作速度上存在很大差别。 2输出设备 能将计算机的处理结果以人们熟悉的
3、形式反馈给用户所使用的设备就是输出设备，如显示器（LCD显示器和CRT显示器等）、打印机、音箱等。,3外部存储器 外部存储器简称外存，也称为辅助存储器（辅存），用来存储大量的、暂时不用的程序和数据的存储器，允许有较低的处理速度。外部存储器在第4章已有介绍，在此不再赘述。 4数据通信设备 数据通信设备用于构建计算机网络通信的平台，以实现资源共享。包括多路通信控制器、调制解调器、网络适配器（网卡）等。,5脱机输入输出设备 脱机输入输出设备是指在脱离主计算机的情况下，由设备本身完成数据传输的设备。主要用于大型的计算中心，作为数据的输入输出和转换装置。例如，软盘数据站就是一种脱机输入输出设备，用户可按
4、要求利用软盘数据站实现原始数据的集中和修改，并将初步处理过的数据记录在软盘上，以后再通过输入设备将盘片上的数据成批地输入到计算机中。脱机输入输出设备其工作原理和普通设备相同。,6过程控制设备 计算机在进行实时控制时，需要从控制对象取得参数，而直接来自现场的参数多是模拟量，需要转换成数字量才能被计算机处理，因此，在计算机和现场之间需要中间设备进行模拟到数字的转换，即模/数转换器（A/D）；另一方面，经计算机处理产生的数据需要反馈给现场，也需要有数字量到模拟量的转换，即数/模转换器（D/A）。A/D和D/A均是过程控制设备，有关的进行现场信号采集的传感器、传动器等检测设备也是过程控制设备。,返回本
5、节,7.1.2 外部设备的地位和作用,外设是计算机的重要组成部分，它是计算机与人类、计算机之间进行信息交换的桥梁、接口和界面。如果没有外设，计算机将无法进行工作。计算机科学之所以飞速发展，外设功不可没。现在的计算机系统配置的外设越来越多，可多至几百台。随着大规模集成电路的发展，在一般的微机系统中，外设的价格已远远超过主机的价格。人们对外设的依赖越来越强，外设在计算机系统中的地位也越来越高。 外设的作用可归纳出下列几个方面：,提供人机对话的通道 外设是用来实现用户与计算机之间交流信息的设备。无论计算机用于何处，都要由人直接或间接与计算机交互联系，实现这联系的装置是外设。例如，有了显示器、键盘等外
6、设，用户可直接、方便地与计算机联系，大大提高计算机的效能，加速计算机的应用推广，并充分发挥人的智能作用。,完成数据格式的转换 外设能将人可识别的信息转换成机器可识别的信息，即二进制形式的信息。这类设备如键盘、鼠标、手写板、图形扫描仪、摄像机、语言识别器等等。反之，计算机的处理结果是二进制形式的信息，也需要转换为人可识别的信息形式，这类设备如打印机、显示器、绘图仪、语音合成器等等。 存储系统软件和大型应用软件 随着计算机功能的增强，系统软件的规模和被处理的信息量也日益扩大，不可能将它们全部存于主存。外设就成了系统软件和大型应用软件的驻留设备。这类设备多数可作为计算机系统的辅助存储器，如磁盘、光盘
7、、磁带等等。,计算机在各个领域应用的桥梁 外设是计算机在各个领域应用的重要物质基础。计算机的应用范围早已从早期的数值计算拓展到文字、图形、图像、语音、表格等形式的信息处理，外设作为计算机系统的重要组成部分，便以多种多样的形式进入各个领域。为满足自动化控制过程的需要，计算机需要“模/数”、“数/模”转换器的协助；在网络普遍应用的今天，少不了调制解调器、网卡、音频设备和视频设备；语音输入识别装置、智能打印机、传真机等现代化外设使人们办公效率得到提高。计算机应用领域越来越多，无论在哪一个领域，都要有相应的外设作为桥梁才能使得计算机得以充分利用。,返回本章,返回本节,7.2.1 输入输出接口,7.2.
8、2 外设的识别与端口寻址,7.2.3 输入/输出控制方式,7.2 主机与外设的连接,退出,7.2.1 输入输出接口,外设是计算机系统的重要组成部分。外部设备种类繁多，在工作原理、驱动方式、信息格式和工作速度上都有较大差异，因此外设与CPU不能直接相连，必须经过中间电路进行连接，这部分中间电路就是输入输出接口电路，简称输入输出（I/O）接口。也就是说，I/O接口是位于系统与外设间协助完成数据传送和控制任务的逻辑电路，是系统与外界进行信息交换的中转站。接口与主机、外设间的连接如图7-1所示。,1I/O接口的功能 I/O接口用于实现主机与外设的数据交换和外设控制，一般应具有以下基本功能： （1）数据
9、缓冲功能 CPU和外设速度不匹配的问题可以通过在接口电路中设置数据缓冲来解决，数据缓冲经常使用锁存器和缓冲器，并配以适当的联络信号来实现这种功能。 （2）对信号形式和数据的格式进行转换功能 主机直接处理的信号和外设使用的信号可能完全不同，在输入输出时，就需要I/O接口将信号转换成适合对方的形式。例如，用接口电路来完成信号的电平转换、模/数转换和数/模转换、数据的并串转换或者串并转换等。,（3）对外设的控制和检测功能 I/O接口接受CPU送来的命令或控制信号、定时信号，实施对外设的控制与管理，外设的工作状态和应答信号也通过接口及时返回给CPU，以握手联络信号来保证主机和外部输入输出操作的同步。
10、（4）设备选择功能 系统中一般带有多种外设，同一种外设也可能有多台，而CPU在同一时间里只能与一台外设交换信息，这就要借助于接口的地址译码以选定外设。只有被选定的外设才能与CPU进行数据交换。,2I/O接口的基本结构 为实现CPU与外设间正确的进行数据交流，需要I/O接口发挥作用。由图7-1所示，可以得出，I/O接口应该具有以下基本结构： （1）数据寄存器：起数据缓冲作用。输入时，保存外设向CPU发送的数据（称为数据输入寄存器）；输出时，保存CPU向外设发送的数据（称为数据输出寄存器）；有些数据寄存器具有输入和输出两种功能，由读写控制决定输入还是输出。 （2）控制寄存器：确定接口电路的工作方式
11、，选择数据传送方向（输入或输出）及交换信息方式（查询或中断方式）。,（3）状态寄存器：反映外设工作状态。 （4）逻辑电路：能用中断方式传送信息。 （5）命令译码、端口地址译码及控制电路。 接口电路的功能越强，内部寄存器的种类和数量就越多，电路结构就越复杂，使用接口时要发送的控制命令就越多，程序也就越复杂。 3CPU与I/O接口之间传递的信息类型 I/O接口是系统与外界进行信息交换的中转站，在一侧要面向CPU，在另一侧要面向外设。系统与I/O接口之间要传送的信息，通常包括： 数据信息：是CPU与I/O接口交换的基本信息，可以是输入设备输入到计算机中的数据，也可以是计算机处理产生的结果，有8位、1
12、6位等，可并行传送，也可串行传送。,状态信息：反映当前外设所处的工作状态，以便CPU对外设进行监视。CPU用程序查询I/O设备的状态时，实际就是将状态位信息读至CPU进行分析，如“设备忙”、“设备空闲”等。 控制信息：CPU通过接口发给外设的，以控制外设的工作。如“启动”（START）信号用于启动一个外设工作，“选通”（STROBE）信号给外设送一个数据等。,返回本节,7.2.2 外设的识别与端口寻址,CPU和I/O设备进行数据传送，在接口中就必须有一些寄存器或特定的硬件电路供CPU直接存取访问，称之为I/O端口。为了区分不同的I/O端口，也要象存储器一样给它们编号，这就是I/O端口的地址。C
13、PU通过这些地址即端口向接口电路中的寄存器发送命令，读取状态和传送数据，因此一个接口可以有多个端口，如命令端口、状态端口和数据端口，分别对应于控制寄存器、状态寄存器和数据输入缓冲器等。,在接口电路中，一般一个端口对应一个寄存器；也可以一个端口对应多个寄存器，此时由内部控制逻辑根据程序指定的I/O端口地址和数据标志位选择相应寄存器进行读/写操作。也就是说，访问端口就是访问接口电路中的寄存器。这样，I/O操作实质上转化为对I/O端口的操作，即CPU所访问的是与I/O设备相关的端口，而不是I/O设备本身。对I/O端口的访问，则取决于I/O端口的编址方式。常用的编址方式有统一编址和独立编址。,1统一编
14、址 这种编址方式也称为存储器映射编址方式，是把每一个端口视为一个存储单元，I/O端口与存储单元在同一个地址空间中进行编址。I/O端口地址与存储单元地址形式完全相同，CPU访问端口就如同访问存储器，只是地址编号不同而已，所有访问内存的指令都适用于I/O端口。端口地址被映像到存储空间作为存储空间的一部分，这种编址方式既具有一定优点的同时也具有一定缺点。 统一编址的优点是：CPU对所有外设的操作与对存储器的操作完全相同，可使用全部的存储器操作指令，而不必使用专用的I/O指令，这可大大增强系统的I/O功能，使访问外设端口的操作方便、灵活；端口有较大的编址空间。,统一编址的缺点是：I/O端口地址占用了存
15、储器的一部分地址空间，使可用的主存空间减少；寻址速度比专用的I/O指令慢，端口指令较长，执行速度较慢；难以区分访问主存还是访问外设，造成程序阅读困难；地址译码电路复杂。 2独立编址 这种编址方式是将I/O端口与存储器分别单独编址，两者的地址空间是互相独立、互不影响的。例如，8086系统的内存地址范围为00000HFFFFFH，而外设端口的地址范围为0000HFFFFH，CPU在访问内存和外设时，需要提供不同的控制信号来区分当前要进行操作的对象是内存还是外设。采用这种编址方式，CPU访问I/O端口必须采用专用的I/O指令，所以也叫专用I/O指令方式。,这种编址方式的优点是：I/O端口不占用内存单
16、元地址，节省内存空间；由于系统需要的I/O端口寄存器一般比存储器单元要少得多，故I/O地址线较少，因此I/O端口地址译码较简单，寻址速度快。 这种编址方式的缺点是：专用I/O指令类型少，远不如存储器访问指令丰富，使程序设计灵活性较差，且使用I/O指令一般只能在累加器和I/O端口交换信息，处理能力不如统一编址方式强。,返回本节,7.2.3 输入/输出控制方式,随着计算机技术的飞速发展，计算机系统中输入输出设备的种类越来越多，速度差异越来越大，对这些设备的控制也变得越来越复杂，CPU与外设之间的数据传输必须采用多种控制方式，才能满足各类外设的要求。在计算机中，为了保证高效、可靠地工作，可采用的输入输出控制方式主要有直接程序控制方式、中断控制方式、DMA方式和通道控制方式等。,1直接程序控制方式 直接程序控制方式是指由CPU执行一段输入输出程序来实现主机与外设之间数据传送的方式。该方式可进一步划分为无条件传送和条件传送。无条件传送方式中，传送前，CPU不需要了解外设状态，直接进行数据传送；条件传送方式，也叫程序查询方式，在传送前，CPU需
