计算机组成原理（第二版） 第5章 输入输出系统.ppt

5.1 输入/输出系统概述 在计算机系统中CPU与除主机之外的其他部件之间传输数据的软硬件机构统称为输入/输出系统，简称I/O系统。计算机I/O系统的作用是把计算机系统外的数据接收到计算机主机中，同时将计算机系统处理后的数据传输到计算机系统外。 除了处理器和一组存储模块外，一个计算机系统的第3个关键部件是输入/输出（I/O）接口。每个接口连接系统总线，并控制一个或多个外围设备。 5.1 输入/输出系统概述 输入/输出接口是完成外围设备和主机相互连接的功能界面，种类繁多、功能各异的外围设备要想接入到系统总线，必须符合总线规定的物理、电气、功能、时间等特性，实现这些技术规范的功能部件就是由输入/输出接口来完成的，它包含了在外设与总线之间执行通信功能的逻辑。 主机和外设之间进行信息交换为什么一定要通过接口呢？原因如下： ① 各种外设使用不同的操作方法，将控制一定范围的设备的必要逻辑放入处理器内是不切实际的。 ② 外设的数据传输速度一般比存储器或处理器慢得多，是不切实际的。 ③ 外设的数据传输速度一般比存储器或处理器慢得多，使用高速的系统总线直接与外设通信是不切实际的。 ④ 外设经常使用与处理器不同的数据格式和字长度。 基于上述原因，必须使用I/O接口。I/O接口有如下两大功能： ① 通过系统总线或中央交换器与处理器和存储器连接。 ② 通过专用数据线与一个或多个外设连接。 5.1 输入/输出系统概述 5.1.2 接口的功能、基本组成和类型 1．接口的功能 I/O接口的主要功能划分成以下几种： ① 控制和定时。 ② 处理器通信。 ③ 设备通信。 ④ 数据缓冲。 ⑤ 检错。 5.1 输入/输出系统概述 2．接口的基本组成 如上所述，接口中要分别传输数据信息、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输。 5.1 输入/输出系统概述 3．接口的类型 （1）按数据传输方式分类 可分为串行接口和并行接口。 （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、DMA接口，以及更复杂一些的通道控制器、I/O处理机。 （3）按功能选择的灵活性分类 可分为可编程接口和不可编程接口。 （4）按通用性分类 可分为通用接口和专用接口。 （5）按输入/输出的信号分类 可分为数字接口和模拟接口。 5.1 输入/输出系统概述 5.1.3 外设的识别与端口寻址 1．端口地址编址方式 （1）独立编址 在这种编址方式中，内存地址空间和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，其内存地址范围是从00000H～FFFFFH连续的lMB，其I/O端口的地址范围从0000H～FFFFH，它们互相独立，互不影响。 （2）统一编址 在这种编址方式中，I/O端口地址和内存单元的地址是统一编址的，把I/O接口中的端口作为内存单元一样进行访问，不设置专门的I/O指令。 5.1 输入/输出系统概述 5.1.4 输入/输出信息传输控制方式 1．程序查询方式 2．程序中断方式 3．直接存储器存取（DMA）方式 4．I/O通道控制方式 5.2 程序查询方式及其接口 5.2.1 程序查询方式 1．程序查询的基本思想 根据外设的不同性质，这种传输方式又可分为无条件传输和程序查询方式两种。 在无条件传输方式中，I/O端口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。在CPU认为需要时，随时可直接利用I/O指令访问相应的I/O端口，实现与外设之间的数据交换。这种方式的优点是软、硬件结构都很简单，但要求时序配合精确，一般的外设难以满足要求。 5.2 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，比如何时按键，打印机是否能接收新的打印输出信息等。当CPU与外设工作不同步时，很难确保CPU在执行输入操作时，外设一定是“准备好”的；而在执行输出操作时，外设一定是“缓冲器空”的。 为了保证数据传输的正确进行，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就循环等待，只有当外设已做好准备，CPU才能执行I/O指令进行数据传输，这就是程序查询方式。 5.2 程序查询方式及其接口 5.2 程序查询方式及其接口 5.2.2 程序查询方式接口 程序查询方式是最简单、经济的I/O方式，只需很少的硬件。通常接口中至少有两个寄存器，一个是数据缓冲寄存器，即数据端口，用来存放与CPU进行传输的数据信息； 另一个是供CPU查询的设备状态寄存器，即状态端口，这个寄存器由多个标志位组成，其中最重要的是“外设准备就绪”标志（输入或输出设备的准备就绪标志可以不是同一位）。 当CPU得到这位标志后就进行判断，以决定