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1、第第8章章输入输出输入输出系统系统 7/15/20221第第8章章计计算算机机的的输输入入输输出出系系统统是是整整个个计计算算机机系系统统中中最最具具有有多多样样性性和和复复杂杂性性的的部部分分，本本章章首首先先介介绍绍主主机机与与外外设设之之间间的的连连接接问问题题，接接着着重重点点介介绍绍程程序序查查询询方方式式、程程序序中中断断方方式式、DMA方式和通道方式。方式和通道方式。7/15/202228.1主机与外设的连接主机与外设的连接8.1.1输输入入输输出接口出接口主主机机和和外外设设的的连连接接方方式式有有辐辐射射型型连连接接、总总线线型型连连接接等等。输输入入/输输出出接接口口（I/
2、O接接口口）是是主主机机和和外外设设之之间间的的交交接接界界面面，通通过过接接口口可可以以实实现现主主机机和和外设之间的信息交换。外设之间的信息交换。主主机机和和外外设设各各自自具具有有自自己己的的工工作作特特点点，它它们们在在信信息息形形式式和和工工作作速速度度上上具具有有很很大大的的差差异异，接接口口正是为了解决这些差异而设置的正是为了解决这些差异而设置的。7/15/202238.1主机与外设的连接主机与外设的连接主机和外主机和外设设之之间间需要交需要交换换的信息的信息有：有：1.数据信息数据信息这这类类信信息息可可以以是是通通过过输输入入设设备备送送到到计计算算机机的的输输入入数数据据，
3、也也可可以以是是经经过过计计算算机机运运算算处处理理和和加加工工后后，送送到到输输出出设设备备的的结结果果数数据据。传传送送可可以以是是并并行行的的，也也可以是串行的。可以是串行的。2.控制信息控制信息这这是是CPU对对外外设设的的控控制制信信息息或或管管理理命命令令，如如外外设设的的启启动动和和停停止止控控制制、输输入入或或输输出出操操作作的的指指定定、工工作方式的作方式的选择选择、中断功能的允、中断功能的允许许和禁止等。和禁止等。7/15/202248.1主机与外设的连接主机与外设的连接3.状状态态信息信息这这类类信信息息用用来来标标志志外外设设的的工工作作状状态态，比比如如，输输入入设设
4、备备数数据据准准备备好好标标志志，输输出出设设备备忙忙闲闲标标志志等等。CPU在在必必要要时时可可通通过过对对它它的的查查询询来来决决定定下下一一步步的的操作。操作。4.联络联络信息信息这这是是主主机机和和外外设设间间工工作作的的时时间间配配合合信信息息，它它与与主主机机和和外外设设间间的的信信息息交交换换方方式式密密切切相相关关。通通过过联联络络信信息息可可以以决决定定不不同同工工作作速速度度的的外外设设和和主主机机之之间间交交换换信信息息的的最最佳佳时时刻刻，以以保保证证整整个个计计算算机机系系统统能能统统一一协调协调地工作。地工作。7/15/202258.1主机与外设的连接主机与外设的连
5、接5.外外设识别设识别信息信息这这是是I/O寻寻址址的的信信息息，使使CPU能能从从众众多多的的外外设设中中寻寻找出与自己找出与自己进进行信息交行信息交换换的唯的唯一外部设备。一外部设备。7/15/202268.1主机与外设的连接主机与外设的连接8.1.2接口的功能和基本组成接口的功能和基本组成1.接口的功能接口的功能(1)实现主机和外设的通信联络控制实现主机和外设的通信联络控制接接口口中中的的同同步步控控制制电电路路用用来来解解决决主主机机与与外外设设的时间配合问题。的时间配合问题。(2)进行地址译码和设备选择进行地址译码和设备选择当当CPU送送来来选选择择外外设设的的地地址址码码后后，接接
6、口口必必须须对对地地址址进进行行译译码码以以产产生生设设备备选选择择信信息息，使使主主机机能能和指定外设交换信息。和指定外设交换信息。7/15/202278.1主机与外设的连接主机与外设的连接(3)实现数据缓冲实现数据缓冲 在在接接口口电电路路中中，一一般般设设置置有有一一个个或或几几个个数数据据缓缓冲冲寄寄存存器器，用用于于数数据据的的暂暂存存，以以避避免免因因速速度度不不一一致致而而丢丢失失数数据据。在在传传送送过过程程中中，先先将将数数据据送送入入数数据据缓缓冲冲寄寄存存器器中中，然然后后再再送送到到输输出出设设备备或或主主机机中去。中去。(4)数据格式的变换数据格式的变换在在输输入入或
7、或输输出出操操作作过过程程中中，为为了了满满足足主主机机或或外外设设的的各各自自要要求求，接接口口电电路路中中必必须须具具有有完完成成各各类类数据相互转换的功能。数据相互转换的功能。(并并-串、数串、数-模模)7/15/202288.1主机与外设的连接主机与外设的连接(5)传递控制命令和状态信息传递控制命令和状态信息当当CPU要要启启动动某某一一外外设设时时，通通过过接接口口中中的的控控制制命命令令寄寄存存器器向向外外设设发发出出启启动动命命令令；当当外外设设准准备备就就绪绪时时，则则有有状状态态信信息息送送回回接接口口中中的的状状态态寄寄存存器器，为为CPU提提供供反反馈馈信信息息，告告诉诉
8、CPU，I/O设设备备已已经经具具备备和和CPU交交换换数数据据的的条条件件。当当外外设设向向CPU提提出出中中断断请请求求和和DMA请请求求时时，CPU也也有有相相应应的的响响应应信信号反馈给外设。号反馈给外设。7/15/202298.1主机与外设的连接主机与外设的连接2.接口的基本组成接口的基本组成接接口口中中要要分分别别传传送送数数据据信信息息、控控制制信信息息和和状状态态信信息息，数数据据信信息息、控控制制信信息息和和状状态态信信息息都都通通过过数数据据总总线线来来传传送送。大大多多数数计计算算机机都都把把I/O设设备备的的状状态态信信息息视视为为输输入入数数据据，而而把把控控制制信信
9、息息看看成成输输出出数数据据，并并在在接接口口中中分分设设各各自自相相应应的的寄寄存存器器，赋赋以以不不同同的的端端口口地地址址，各各种种信信息息分分时时地地使使用用数数据据总总线线传传送到各自的寄存器中。送到各自的寄存器中。7/15/2022108.1主机与外设的连接主机与外设的连接主主机机外设识别外设识别数据数据/命令命令/状态状态控制电路控制电路地址信息地址信息控制联络控制联络信息信息数据数据(并并)外外设设控制联络控制联络数据数据(并并/串串)接口接口7/15/2022118.1主机与外设的连接主机与外设的连接接接口口与与端端口口是是两两个个不不同同的的概概念念。端端口口是是指指接接口
10、口电电路路中中可可以以进进行行读读/写写的的寄寄存存器器，若若干干个个端端口口加加上相应的控制逻辑电路才组成接口。上相应的控制逻辑电路才组成接口。7/15/2022128.1主机与外设的连接主机与外设的连接通通常常，一一个个接接口口中中包包含含有有数数据据端端口口、控控制制端端口口和和状状态态端端口口。存存放放数数据据信信息息的的寄寄存存器器称称为为数数据据端端口口，存存放放控控制制命命令令的的端端口口称称为为命命令令端端口口，存存放放状状态态信信息息的的寄寄存存器器称称为为状状态态端端口口。CPU通通过过输输入入指指令令可可以以从从有有关关端端口口中中读读出出信信息息，通通过过输输出出指指令
11、令可可以以把把信信息息写写入入有有关关端端口口。对对状状态态端端口口只只能能实实施施读读出出(输输入入)操操作作，将将读读取取的的外外设设状状态态标标志志送送到到CPU中中去去；对对命命令令端端口口只只进进行行写写入入(输输出出)操操作作，CPU将将向向外外设设发发送送各各种种控控制制命命令令。因因此此，在在有有的的接接口口电电路路中中状状态态信信息息和和控控制制信信息息共共用用一一个个寄寄存存器器，称之为设备的称之为设备的控制控制/状态寄存器状态寄存器。7/15/2022138.1主机与外设的连接主机与外设的连接3.接口的接口的类类型型(1)按数据按数据传传送方式分送方式分类类有有串串行行接
12、接口口和和并并行行接接口口。这这里里所所说说的的数数据据传传送送方方式式指指的的是是外外设设和和接接口口一一侧侧的的传传送送方方式式，而而在在主机和接口一侧，数据总是并行传送的主机和接口一侧，数据总是并行传送的。(2)按主机按主机访问访问I/O设备设备的控制方式分的控制方式分类类可可分分为为程程序序查查询询式式接接口口、中中断断接接口口、DMA接接口口等等。(3)按功能按功能选择选择的灵活性分的灵活性分类类有可有可编编程接口和不可程接口和不可编编程接口。程接口。7/15/2022148.1主机与外设的连接主机与外设的连接(4)按通用性分按通用性分类类有通用接口和有通用接口和专专用接口。用接口。
13、(5)按按输输入入/输输出的信号分出的信号分类类有数字接口和模拟接口。有数字接口和模拟接口。(6).按应用来分类按应用来分类运行辅助接口。运行辅助接口。用户交互接口。用户交互接口。传感接口。传感接口。控制接口。控制接口。7/15/2022158.1主机与外设的连接主机与外设的连接8.1.3外设的识别与端口寻址外设的识别与端口寻址外外设设识识别别是是通通过过地地址址总总线线和和接接口口电电路路中中的的外外设设识识别别电电路路来来实实现现的的，输输入入输输出出设设备备的的端端口口地地址址就就是是主主机机与与外外设设直直接接通通信信的的地地址址，CPU可可以以通通过过端口发送命令、读取状态和传送数据
14、。端口发送命令、读取状态和传送数据。1.端口地址端口地址编编址方式址方式I/O端端口口编编址址方方式式有有两两种种：一一种种是是I/O映映射射方方式式，即即把把I/O端端口口地地址址与与主主存存单单元元地地址址分分别别进进行行独独立立的的编编址址；另另一一种种是是存存储储器器映映射射方方式式，即即把把端端口口地址与主存单元地址地址与主存单元地址统一编址统一编址。7/15/2022168.1主机与外设的连接主机与外设的连接(1)独立编址独立编址 主主存存地地址址空空间间和和I/O端端口口地地址址空空间间是是相相对对独独立立的的，分分别别单单独独编编址址。比比如如，在在8086中中，其其主主存存地
15、地址址范范围围是是从从00000HFFFFFH连连续续的的1MB，其其I/O端端口口的的地地址址范范围围从从0000HFFFFH，它它们们互互相相独独立立，互互不不影影响响。CPU访访问问主主存存时时，由由主主存存读读/写写控控制制线线控控制制；访访问问外外设设时时，由由I/O读读/写写控控制制线线控控制制，所所以以在在指指令令系系统统中中必必须须设设置置专专门门的的I/O指指令令(P78)(P78)。当当CPU使使用用I/O指指令令时时，其其指指令令的的地地址址字字段段直直接接或或间接的指示出端口地址。间接的指示出端口地址。7/15/2022178.1主机与外设的连接主机与外设的连接(2)统
16、一编址统一编址I/O端端口口地地址址和和主主存存单单元元的的地地址址是是统统一一编编址址的的，把把I/O接接口口中中的的端端口口作作为为主主存存单单元元一一样样进进行行访访问问，不设置专门的不设置专门的I/O指令指令。每每个个外外设设至至少少有有两两个个寄寄存存器器：控控制制状状态态寄寄存存器器和和数数据据缓缓冲冲寄寄存存器器，外外设设寄寄存存器器的的地地址址码码是是连连续续的的。在在PDP-11中中，把把主主存存的的高高4KB地地址址空空间间留留给给外外设设接接口口寄寄存存器器和和CPU内内部部寄寄存存器器使使用用，这这4KB存储空间不允许用户再存放其他内容。存储空间不允许用户再存放其他内容。7/15/2022188.1主机与外设的连接主机与外设的连接例如，例如，PDP-11机分配给某些外设寄存器的端口地址如下。机分配给某些外设寄存器的端口地址如下。纸带输入机：纸带输入机：控制状态寄存器控制状态寄存器 177550Q 数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器 177552Q 穿孔输入机：穿孔输入机：控制状态寄存器控制状态寄存器 177554Q 数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器 177556Q 控制台
