计算机组成原理第八章(白中英版)分解.ppt

软件学院·计算机组织与结构 第8章 输入输出系统 计算机组成原理 任课教师：石磊 郑州大学信息工程学院计算机系 Email: shilei@zzu.edu.cn Tel:第一章 计算机系统概论 第二章 运算方法和运算器 第三章 存储系统 第四章 指令系统 第五章 中央处理器 第六章 总线系统 第七章 外围设备 第八章 输入输出系统 第九章 并行组织 教材 白中英，计算机组成原理·网络版，科学出版社，2002 参考书 石磊，计算机组成原理·第2版, 清华大学出版社，2006 钱晓捷，微型计算机原理及应用, 清华大学出版社，2006 王爱英,计算机组成与结构·第3版, 清华大学出版社，2001 白中英 邝坚，计算机组织与结构·网络版，科学出版社，2003 第8章 输入输出系统 I/O接口概述 8.1 CPU对外围设备的管理方式 程序查询方式 8.2 程序中断方式 8.3 DMA方式 8.4 通道方式 I/O接口（电路）→6.2.2 计算机的外围(外部)设备多种多样 工作原理、驱动方式、信息格式、以及工作速度方面彼此差别很大 外设不能与CPU直接相连，必须经过中间电路（I/O接口电路）再与系统相连 I/O接口电路是位于系统与外设间、用来协助完成数据传送和控制任务的逻辑电路 多种多样的外设 工作原理不同 机械、电子、机电、电磁…… 传送信息类型多样 数字量、模拟量、开关量 传送速度差别极大 传送方式不尽相同 串行、并行 编码方式不同 二进制、BCD码、ASCII码…… I/O接口的典型结构 内部结构 数据寄存器：保存微处理器与外设之间交换的数据 状态寄存器：保存外设当前的工作状态信息 控制寄存器：保存微处理器控制接口电路和外设操作的有关信息 外部特性 面向微处理器一侧的信号：与微处理器总线类似 面向外设一侧的信号：与外设有关 I/O接口的软件编程 接口电路具有可编程性（Programmable） 根据具体要求，通过编程选定I/O接口电路的多种功能或工作方式之一 初始化程序 选择I/O接口工作方式、设置原始工作状态等 驱动程序 操纵I/O接口完成具体工作 I/O端口的编址 I/O端口（Port）泛指I/O地址，对应I/O接口寄存器 一个接口电路可以具有多个I/O端口，每个端口用来保存和交换不同的信息 数据寄存器、状态寄存器和控制寄存器占有的I/O地址常依次被称为数据端口、状态端口和控制端口，用于保存数据、状态和控制信息 输入、输出端口可以是同一个I/O地址 接口电路占用的I/O端口有两类编排形式 I/O端口单独编址 I/O端口与存储器统一编址 I/O端口与存储器独立编址 将I/O端口单独编排地址，独立于存储器地址 优点： I/O端口的地址空间独立 控制和地址译码电路相对简单 专门的I/O指令使程序清晰易读 缺点： I/O指令没有存储器指令丰富 I/O端口与存储器统一编址 将I/O端口与存储器地址统一编排，共享一个地址空间 优点： 不需要专门的I/O指令 I/O数据存取灵活 缺点： 占去部分存储器空间 程序不易阅读（在汇编语言级 不容易区别访问存储器和访问外设） 8.1 CPU对外围设备的管理方式 CPU和外设之间信息交换的方式 程序控制下的数据传送 通过CPU执行程序中的I/O指令来完成传送 程序查询方式 程序中断方式 直接存储器存取DMA方式 外设经DMA控制器向CPU申请总线，由DMA控制器利用系统总线完成外设和存储器间的数据传送 通道方式 通道(I/O处理器)管理外设，完成传送和数据处理 外围处理机方式 通道方式的进一步发展，基本独立于主机工作 程序查询方式 CPU需要先了解（查询）外设的工作状态，然后在外设可以交换信息的情况下（就绪）实现数据输入或输出 对多个外设的情况， 按顺序依次查询（轮询） 有查询和传送两个环节 实际中常引入超时判断 查询需大量时间，效率较低 查询输入接口 读取状态端口查询外设状态，若已就绪，读取数据端口得到外设提供的数据 查询输出接口 读取状态端口查询外设状态，若已就绪，将数据写入数据端口输出给外设 8.2 程序中断方式 处理器在执行程序过程中，被内部或外部的事件所打断，转去执行一段预先安排好的中断服务程序；服务结束后，又返回原来的断点，继续执行原来的程序 中断源：引起中断的事件或原因 例如： 外设的数据传送请求 系统定时请求 电源掉电等故障 运算出错等错误 程序异常或调试请求 中断的基本概念 （1/3） 1、概念：当计算机执行正常程序时，系统中出现某些异常情况或特殊请求，这些情况和请求可能来自计算机内部，也可能来自计算机外部；一旦有上述事件发生，计算机执行正常程序的状态被中断，就是说，CPU要暂停它正在执行的程序，而转去处理所发生的事件（通常就是执行一段特殊