计算机组成原理电子教案马辉 第10章.ppt

第10章输入输出系统 本章导读 输入/输出系统是计算机重要的组成部分之一，其主要功能是完成程序和数据的输入及机器运行结果的输出。本章首先介绍输入输出系统的基本概念，主要内容包括输入输出系统发展的概况和I/O系统的组成，I/O与主机间信息传送的基本方式。 本章导读 然后对计算机常用的输入/输出设备进行了简单介绍。接着对I/O接口的功能与结构，接口类型，I/O端口及其编址方式进行介绍，进一步详细讨论计算机输入输出的控制方式，包括程序查询方式、程序中断方式、DMA方式、通道方式等。最后简单介绍常用的一些外设接口标准。 本章要点 I/O系统基本概念 常用输入/输出外部设备 I/O接口的功能和基本结构 I/O端口及其编址 程序查询I/O方式 程序中断I/O方式 DMA方式与通道方式 10.1 输入输出系统基本概念 10.1.1 输入输出系统的发展概况 10.1.2 输入输出系统的组成 10.1.3 I/O设备与主机的联系方式 10.1.4 I/O与主机信息传送的控制方式 10.1.1 输入输出系统的发展概况 计算机系统的输入输出子系统是计算机对外部世界的接口。它提供了控制计算机与外部交互的系统化方式，并向操作系统提供必要的信息以使其能够有效地管理输入输出操作。 输入/输出系统的发展大致经历了以下几个阶段： ①、直接相连阶段 在计算机发展的早期，使用的I/O设备比较少，它们与主机交换信息时都直接通过CPU进行。如图10-1所示。 在这一时期，I/O设备具有以下特点：首先，每个I/O设备都必须配有一套独立的逻辑电路与CPU相连，用来实现信息的交换。第二，输入输出过程是穿插在CPU执行程序之中进行的。第三，每个I/O设备的逻辑控制电路与CPU的控制器构成一个不可分割的整体，彼此倚赖，因此欲增添或删减、更换I/O设备比较困难。 ②、接口模块阶段 这一阶段的I/O设备通过接口模块与主机连接，常在中间使用总线结构。如图10-2所示。 通常在接口中设有数据通路和控制通路，数据通路完成数据格式的转换及缓冲，控制通路用以传送CPU对I/O设备发出的各种控制命令或送给CPU各种I/O设备的反馈信息。由于中间有控制通路，CPU和I/O设备间能采用中断或DMA方式作到一定程度的并行工作，提高了系统的工作效率。 ③、通道及I/O处理机阶段 通道是用来负责管理I/O设备及实现主存与I/O设备间交换信息的部件，它可视为一种具有特殊功能的处理器。I/O处理机更接近一般处理机，但是它主要用来完成I/O控制，具有比通道更强的功能，基本独立于主机工作。 在这一阶段，CPU可基本不直接参与输入输出的管理，具有更高的资源利用率。 10.1.2 输入输出系统的组成 输入输出系统作为计算机系统的子系统，也有硬件和软件两部分组成。 I/O系统的硬件比较多样化，在带接口的I/O系统中，I/O硬件包括I/O设备和与CPU相连接的接口模块两部分。 其中接口模块电路实际包含许多数据传输线、数据缓冲器和寄存器，同时还有控制信号通路和相应的逻辑电路。而在通道方式的I/O系统中，每个通道可以与多个设备控制器相连，而且一个设备控制器还可以连接多台同一类型的设备。 I/O系统的软件在不同结构的系统中也是不一样的。如果采用的是接口模块方式，应用机器指令系统中的I/O指令和系统软件中的管理程序就可以使I/O与主机协调工作。如果采用的是通道管理方式，除了I/O指令之外，还必须要有通道指令和相应的操作系统。 虽然软件的差异较大，但它们在系统中完成的任务是一致的。它们的任务主要是： ①、将用户的程序或数据输入到计算机主机内。 ②、将运算结果输出给用户。 ③、协调I/O系统与主机的工作。 10.1.3 I/O设备与主机的联系方式 I/O设备与主机的联系方式包括很多方面。 ①、I/O编址方式 为了便于CPU对I/O设备进行寻址和选择，必须给众多的I/O设备进行编址，也就是给每一台设备规定一些地址码，称为设备号或设备代码。 随着CPU对I/O设备下达命令方式的不同而有两种寻址方法。一种是统一编址（或叫存储器映像寻址方式）。另一种是不统一编址（或叫I/O单独编址方式）。 ②、传送方式 在同一时间，有n位信息通过n根连线在CPU和I/O设备间进行传送的方式叫做并行传送。 若在某一时间只通过一根线传送一位信息，要传送多位信息时需在时间上分开逐位进行，这种方式叫做串行传送。 ③、定时方式 输入输出设备本身在速度上有很大差异，而它们与主机在速度上的差异更大。因此，要考虑主机与外设在时间上的同步。这种同步的定时有三种情况。 第一，速度极慢的I/O设备。如机械开关、显示二极管等，中央处理器总是能够快捷地应对它们的动作的响应，而由于它们的动作是这样的慢，中央处理器可以认为它们在它的一个工作周期内的数据传送是有效的。因此