输入输出系统概述.ppt

《输入输出系统概述.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《输入输出系统概述.ppt（30页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。

1、1Computer System Organization and Architecture返回目录第第19讲讲 输入输出输入输出(IO)系统系统 2Computer System Organization and Architecture返回目录1I/O设备的编址及设备控制器的设备的编址及设备控制器的功能功能1.1.什么是接口？什么是接口？答：接口是计算机与答：接口是计算机与I/O设备或其他系统之间所设置的逻辑设备或其他系统之间所设置的逻辑控制部件，也称控制部件，也称I/O控制器。控制器。2.2.两种两种I/OI/O设备的编址方式设备的编址方式n统一编址方式统一编址方式n独立编址方式独立编址

2、方式1 输入输出系统概述输入输出系统概述3Computer System Organization and Architecture返回目录I/OI/O接口的基本功能接口的基本功能n接口(Interface)和端口(Port)的概念:端口是指接口电路中可以被CPU直接访问的寄存器.接口是若干端口加上相应的控制逻辑电路.nI/O接口的基本功能实现主机和外围设备之间的数据传送控制.其中包括同步控制,设备选择和中断控制等.DMA还具有直接访问存储器功能,并给出存储器地址.实现数据缓冲,以达到主机同外围设备之间的速度匹配.在接口电路中,一般设置一个或几个数据缓冲寄存器.在数据传送过程中,先将数据送入数

3、据缓冲寄存器,然后再送到目的设备(输出)或主机(输入)接受主机的命令,提供设备接口的状态,并按照主机的命令控制设备.4Computer System Organization and Architecture返回目录CPU控控制制电电路路DRSRCRI/O 设备设备地址地址数据数据IO/MRDWR数据数据状态状态控制控制输入输出接口输入输出接口5Computer System Organization and Architecture返回目录接口电路的内部结构nCPUCPU与外设主要有数据、状态和控制信息需要相互交换，与外设主要有数据、状态和控制信息需要相互交换，于是从应用角度看内部：于是从应

4、用角度看内部：数据寄存器数据寄存器输入数据寄存器：保存外设给输入数据寄存器：保存外设给CPUCPU的数据的数据输出数据寄存器：保存输出数据寄存器：保存CPUCPU给外设的数据给外设的数据 状态寄存器状态寄存器保存外设或接口电路的状态保存外设或接口电路的状态 控制寄存器控制寄存器保存保存CPUCPU给外设或接口电路的命令给外设或接口电路的命令6Computer System Organization and Architecture返回目录接口电路的外部特性n主要体现在引脚上，分成两侧信号主要体现在引脚上，分成两侧信号面向面向CPUCPU一侧的信号：一侧的信号：用于与用于与CPUCPU连接连接主

5、要是数据、地址和控制信号主要是数据、地址和控制信号面向外设一侧的信号：面向外设一侧的信号：用于与外设连接用于与外设连接提供的信号五花八门提供的信号五花八门功能定义、时序及有效电平等差异较大功能定义、时序及有效电平等差异较大7Computer System Organization and Architecture返回目录接口电路的可编程性n许多接口电路具有多种功能和工作方式，可以许多接口电路具有多种功能和工作方式，可以通过编程的方法选定其中一种通过编程的方法选定其中一种n接口需进行物理连接，还需编写接口软件接口需进行物理连接，还需编写接口软件n接口软件有两类：接口软件有两类：初始化程序段初始化

6、程序段设定芯片工作方式等设定芯片工作方式等数据交换程序段数据交换程序段管理、控制、驱动外设，管理、控制、驱动外设，负责外设和系统间信息交换负责外设和系统间信息交换8Computer System Organization and Architecture返回目录n结构方式结构方式 按照数据传送的宽度可分为并行接口和串行接口。在并行接口中，设备和接口是将一个字节(或字)的所有位同时传送。在串行接口中，设备和接口间的数据是一位一位串行传送的，而接口和主机之间是按字节或字并行传送。接口要完成数据格式的串并变换。n数据传送配合方式数据传送配合方式 按照数据传送的控制方式可分成程序控制输入输出接口，程序

7、中断输入输出接口和直接存储器存取(DMA)接口等。I/O接口分类接口分类9Computer System Organization and Architecture返回目录端端口口统统一一编编址址是是把把每每一一个个端端口口视视为为一一个个存存储储器器单单元元，并并赋赋以以相相应应的的存存储储器器地地址址。微微处处理理机机访访问问端端口口，如如同同访访问问存存储储器器（只只是是地地址址不不同同），所所有有访访问问存存储储器器指指令令同同样样适适合合于于I/O端端口口。由由于于端端口口地地址址被被映映象象到到存存储储空空间间，作作为为存存储储空空间间的的一小部分，因此，也称为一小部分，因此，也称

8、为“存储器映象编址存储器映象编址”。1 1）统一编址方式）统一编址方式）统一编址方式）统一编址方式 (存储器对应存储器对应存储器对应存储器对应I/OI/O方式方式方式方式)输入输出接口的编址方式输入输出接口的编址方式10Computer System Organization and Architecture返回目录端口地址与存储器地址统一编址端口地址与存储器地址统一编址译码器CPUAB去存储器去去I/O端口端口RDWRn优点：优点：不需要专门的不需要专门的I/O指令指令I/O数据存取与存储器数据存取一样灵活数据存取与存储器数据存取一样灵活n缺点：缺点：I/O端口要占去部分存储器地址空间端口要

9、占去部分存储器地址空间程序不易阅读（不易分清访存和访问外设）程序不易阅读（不易分清访存和访问外设）11Computer System Organization and Architecture返回目录端口独立编址是把所有端口独立编址是把所有I/O接口看作一个独立接口看作一个独立于存储的于存储的I/O空间。在这个空间。在这个I/O空间内，每个空间内，每个端口都被分配一个地址与之对应。要访问独端口都被分配一个地址与之对应。要访问独立于存储空间的端口，立于存储空间的端口，必须用专门的必须用专门的I/O指令指令（IN和和OUT）。2 2）独立编址方式）独立编址方式）独立编址方式）独立编址方式 (专用专

10、用专用专用I/OI/O方式方式方式方式)12Computer System Organization and Architecture返回目录译码器8086CPU去存储器去去I/O端口端口译译码码器器A0A15A0A19n优点：优点：I/OI/O端口的地址空间独立端口的地址空间独立控制和地址译码电路相对简单控制和地址译码电路相对简单专门的专门的I/OI/O指令使程序清晰易读指令使程序清晰易读n缺点：缺点：I/OI/O指令没有存储器指令丰富，寻址方式少指令没有存储器指令丰富，寻址方式少13Computer System Organization and Architecture返回目录nIBMP

11、C等系列机设置有专门的等系列机设置有专门的IO指令，设指令，设备的编址可达备的编址可达512个，部分设备的地址码如表个，部分设备的地址码如表10.1所示。所示。从表中可见，每一台设备占用了从表中可见，每一台设备占用了若干个地址码分别表示相应的设备控制器中的若干个地址码分别表示相应的设备控制器中的寄存器地址。寄存器地址。IBM PCIBM PC设备地址码设备地址码 I/O设备占用地址数占用地址数地址码（地址码（16进制）进制）硬盘控制器 软盘控制器 彩色图形显示器 异步通信控制器168168320-32FH3F0-3F7H3D0-3DFH3F8-3FFH14Computer System Org

12、anization and Architecture返回目录程序员试题若某个计算机系统中，内存地址与若某个计算机系统中，内存地址与I/OI/O地址统一编地址统一编址，访问内存址，访问内存单元单元和和I/OI/O是靠是靠_来区分。来区分。A.A.数据总线上输出的数据数据总线上输出的数据 B.B.不同的地址代码不同的地址代码 C.C.内存与内存与I/OI/O使用不同的地址总线使用不同的地址总线 D.D.不同的指令不同的指令B15Computer System Organization and Architecture返回目录一、程序直接控制传递方式一、程序直接控制传递方式二、程序中断控制方式二、程

13、序中断控制方式 三、直接内存访问方式三、直接内存访问方式DMA DMA 四、四、I/O通道控制通道控制 五、输入、输出处理机方式五、输入、输出处理机方式2 I/O 设备数据传送控制方式设备数据传送控制方式16Computer System Organization and Architecture返回目录程序传送方式以程序传送方式以CPUCPU为中心，数据传送的控制为中心，数据传送的控制来自来自CPUCPU，通过执行预先编制的输入通过执行预先编制的输入/输出程序输出程序实现数据传输。实现数据传输。程序传送方式可分为无条件传送和查询传送方程序传送方式可分为无条件传送和查询传送方式。式。v无条件传

14、送方式无条件传送方式 在传送信息时，已知外部设备是准备好的在传送信息时，已知外部设备是准备好的状态，所以输入输出时都不需要查询外部设备状态，所以输入输出时都不需要查询外部设备的状态。在输入或输出时，相应给出的状态。在输入或输出时，相应给出ININ或或OUTOUT指令即可。但这种方式必须确信外部设备已准指令即可。但这种方式必须确信外部设备已准备好的状态才可使用，否则就会出错，故很少备好的状态才可使用，否则就会出错，故很少使用。使用。1程序直接控制传送方式17Computer System Organization and Architecture返回目录程序程序查询查询方式的工作流程方式的工作流

15、程(1)预预置置传传送参数送参数 在在传传送送数数据据之之前前，由由CPUCPU执执行行一一段段程程序序，预预置置传传送送参参数数。传传送送参参数数包包括括存存取取数数据据的的主主存存缓缓冲冲区区首首地地址址和和传送数据的个数。传送数据的个数。(2)向向I/O接口接口发发命令字命令字 当当CPUCPU选中某台外设时，执行输出指令向选中某台外设时，执行输出指令向I/OI/O接口接口发出命令字，启动外设，为接收数据或发送数据的操发出命令字，启动外设，为接收数据或发送数据的操作做准备。作做准备。(3)从从I/O接口取回状接口取回状态态字字 CPUCPU执行输入指令，从执行输入指令，从I/OI/O接口

16、中取回状态字并接口中取回状态字并进行测试，判断数据传送是否可以进行。进行测试，判断数据传送是否可以进行。18Computer System Organization and Architecture返回目录(4)查询外设标志查询外设标志 CPUCPU不不断断查查询询状状态态标标志志，如如果果外外设设没没有有准准备备就就绪绪，CPUCPU就就踏踏步步进进行行等等待待，一一直直到到这这个个外外设设准准备就绪，并发出备就绪，并发出“准备就绪准备就绪”信号为止。信号为止。(5)传送数据传送数据(6)修改传送参数修改传送参数 每进行一次数据传送，需要修改传送参数，每进行一次数据传送，需要修改传送参数，其

17、中包括主存缓冲区地址加其中包括主存缓冲区地址加1 1，传送个数减，传送个数减1 1。(7)判断传送是否结束判断传送是否结束 如果传送个数不为如果传送个数不为0 0，则转第，则转第(3)(3)步，继续传步，继续传送，直到传送结束为止。送，直到传送结束为止。20Computer System Organization and Architecture返回目录查询传送流程21Computer System Organization and Architecture返回目录1程序直接控制传送方式特点22Computer System Organization and Architecture返回目录2

18、 程序中断传送方式程序中断传送方式中断传送方式中断传送方式 当外设准备好后，外设当外设准备好后，外设接口接口便主动向便主动向CPUCPU发发“中断请求中断请求”信号。信号。CPUCPU响应这一请求，则暂响应这一请求，则暂停正在执行的程序，而转入与外设操作有关停正在执行的程序，而转入与外设操作有关的中断服务程序。在中断服务程序中完成数的中断服务程序。在中断服务程序中完成数据的输入或输出，中断服务程序执行完毕，据的输入或输出，中断服务程序执行完毕，CPUCPU返回到原来程序的断点继续执行。返回到原来程序的断点继续执行。23Computer System Organization and Archi

19、tecture返回目录中断传送流程24Computer System Organization and Architecture返回目录n优点：避免频繁查询，在一定程度上实现了优点：避免频繁查询，在一定程度上实现了CPUCPU和外围设备的并行工作。和外围设备的并行工作。提高提高CPU效率效率，适合，适合随机出现的服务和中低速外设使用。随机出现的服务和中低速外设使用。n缺点：成批数据交换时，中断影响传送效率，缺点：成批数据交换时，中断影响传送效率，一次传送一个字符，中断处理时间大于传送数一次传送一个字符，中断处理时间大于传送数据时间。据时间。需要一定的硬件电路需要一定的硬件电路。n可处理多台设备

20、并行工作 多台外设依次启动后,可同时进行数据交换的准备工作.若在某一时刻有几台外围设备发出中断请求信号,CPU可根据预先规定好的优先顺序,按轻重缓急去处理几台外设的数据传送,从而实现了外围设备的并行工作.程序中断传送方式特点程序中断传送方式特点25Computer System Organization and Architecture返回目录3 直接存储器访问方式直接存储器访问方式26Computer System Organization and Architecture返回目录DMADMA传送的基本过程如下：传送的基本过程如下：（1 1）当当I IO O接接口口准准备备好好，希希望望进进

21、行行DMADMA操操作作时时，就就向向DMADMA控控制器（制器（DMACDMAC）发出发出DMADMA请求信号（请求信号（DRQDRQ）（2 2）DMADMA控控制制器器将将此此请请求求信信号号转转变变成成对对CPUCPU的的总总线线请请求求信信号号（DMA HRQDMA HRQ）（3 3）CPUCPU当当前前机机器器周周期期执执行行结结束束，响响应应DMADMA请请求求发发出出总总线线应应答信号（答信号（HLDAHLDA），），此时，由此时，由DMADMA控制器接管对总线的控制控制器接管对总线的控制（4 4）由）由DMADMA控制器对存储器寻址，并发出相应控制信号控制器对存储器寻址，并发出

22、相应控制信号（DACKDACK、）,使存储器与使存储器与I IO O接口之间直接交换数据。接口之间直接交换数据。（5 5）在在传传送送一一字字节节数数据据后后，DMADMA控控制制器器自自动动修修改改存存储储器器地地址和传送字节计数器，并检测传送是否结束。址和传送字节计数器，并检测传送是否结束。（6 6）DMADMA传送结束，传送结束，DMADMA控制器向控制器向CPUCPU发出结束信号，并释发出结束信号，并释放总线，使放总线，使CPUCPU重新获得总线控制，恢复正常工作。重新获得总线控制，恢复正常工作。27Computer System Organization and Architectu

23、re返回目录DMA传送流程28Computer System Organization and Architecture返回目录存储器直接存取存储器直接存取（DMADMA）n特点在外设和主机之间开辟一个通道完成成批数据的交换。成批数据交换方便、及时、准确。在多个DMA时会发生冲突。29Computer System Organization and Architecture返回目录nIO通道具有少数专用的指令系统，能实现指令所控制的操作，所以IO通道已具备简单处理机的功能n但它仅仅是面向外围设备的控制和数据的传送，其指令系统也仅仅是几条简单的与IO操作有关的命令。它要在CPU的IO指令指挥下启

24、动、停止或改变工作状态。因此，lO通道不是一个完全独立的处理机，它只是从属于CPU的一个专用IO处理器。它的进一步发展是引入专用的输入输出处理机。nn通道方式的出现进一步提高了通道方式的出现进一步提高了CPU的效率。但需更的效率。但需更多的硬件电路。多的硬件电路。4.I/O通道控制方式通道控制方式 30Computer System Organization and Architecture返回目录5 5 外围处理机方式外围处理机方式n输入输出处理机,通常称作外围处理机(peripheral processor unit 简称PPU)外围处理机的结构更接近一般处理机,甚至就是一般小型通用计算机或微机.它可完成I/O通道所要完成的I/O控制,还可完成码制变换,格式处理,数据块的检错,纠错等操作.它可具有相应的运算处理部件,缓冲部件,还可形成I/O程序所必需的程序转移手段.有了外围处理机,不但可简化设备控制器而且可用它作为维护,诊断,通信控制,系统工作情况显示和人机联系的工具.有了外围处理机后,使计算机系统结构有了质的飞跃,由功能集中式发展为功能分散的分布式系统.