計算機組成原理：輸入輸出系統(tǒng)

8輸入輸出系統(tǒng)

2§輸入輸出系統(tǒng)概述

輸入輸出系統(tǒng)組成：1I/O設備、I/O接口2I/O軟件

輸入輸出系統(tǒng)功能：2數(shù)據(jù)緩沖器的功能3數(shù)據(jù)轉換器1完成外設與主機的數(shù)據(jù)交換

4外部設備控制和管理的功能

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輸入輸出設備與主機連接：

由于輸入輸出設備和主機存在著很大的差異：它們的工作方式不同，傳輸速率不同，結構方式不同，使用器件不同，因此各種輸入輸出設備必須要通過相應的接口，通過輸入輸出總線方能與主機交換信息。

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I/O接口：又稱輸入輸出接口，是一種為在主機和外設之間傳送信息而設置的硬件線路。接口用于在系統(tǒng)總線和外設之間傳輸信號，并起緩沖作用，以滿足接口兩邊的時序要求。由于外設的多樣性和復雜性，不同的外設接口其功能不盡相同。但一般講，接口應具備如下的基本功能：①識別設備。②輸入輸出功能：接口能按照讀寫信號從總線上接收CPU送來的數(shù)據(jù)和控制信息，或把數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息送到總線上。

5③數(shù)據(jù)緩沖功能：CPU與外設的速度往往不相匹配，為消除速度差異，接口必須提供數(shù)據(jù)緩沖功能。、④數(shù)據(jù)轉換功能：不同外設信息格式不同，與主機信息格式也不同，接口應提供計算機與外設信息格式的轉換，比如正負邏輯的轉換、串一并轉換、數(shù)／?；蚰＃瘮?shù)轉換等。⑤傳送主機命令，反映設備的工作狀態(tài)。⑥除上述功能外，接口還應具有檢錯糾錯功能、中斷功能、時序控制功能等。

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接口的組成：主要由以下幾個主要部件組成：①數(shù)據(jù)緩沖寄存器；②設備地址識別線路；③設備狀態(tài)字寄存器；④主機命令字寄存器；⑤數(shù)據(jù)格式轉換線路⑥數(shù)據(jù)地址寄存器；⑦控制邏輯。

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I/O接口的編址方式：1統(tǒng)一編址方式

統(tǒng)一編址方式的最大好處是主機可采用完全相同的方式訪問主存儲器和外部設備。

82獨立編址方式：

采用獨立編址的好處是主存儲器的利用率高，用戶可使用的主存儲器空間不受可連接的外部設備數(shù)量的影響。但是指令系統(tǒng)中必須設置輸入輸出指令（IN／OUT指令）來完成輸入輸出操作功能，而不能用訪存指令來代替。

9§8.1外圍設備的定時方式與信息交換方式

輸入/輸出設備同CPU交換數(shù)據(jù)的過程：

輸入數(shù)據(jù)：①CPU把地址值放在地址總線上，選擇輸入設備；②CPU等候輸入設備的數(shù)據(jù)成為有效；③CPU從數(shù)據(jù)總線讀入數(shù)據(jù)，并放在一個相應的寄存器中。輸出數(shù)據(jù)：①CPU把地址值放在地址總線上，選擇輸出設備；②CPU把數(shù)據(jù)放在數(shù)據(jù)總線上；③輸出設備認為數(shù)據(jù)有效，從而把數(shù)據(jù)取走。

究竟什么時候數(shù)據(jù)才成為有效?如何保證高速工作的主機同不同速度工作的外圍設備在時間上同步?這就是我們要討論的外圍設備的定時問題。

10一、外圍設備的定時方式CPU與外圍設備之間的定時，有以下三種情況：速度極慢外圍設備：CPU及時相應。慢速或中速的外圍設備：采用應答式的異步定時方式。高速的外圍設備：采用同步定時方式（即采用統(tǒng)一的時鐘信號來進行數(shù)據(jù)的傳送定時，CPU是以等間隔的速率執(zhí)行輸入/輸出指

令）

11二、信息交換的控制方式主機與外設信息交換的控制方式有5種：程序查詢方式：是由CPU通過程序不斷查詢I/O設備是否是否已做好準，從而控制I/O與主機交換信息。左圖是CPU欲從某外設讀數(shù)據(jù)塊至主存的程序查詢方式流程圖：這種方式效率低，通常用于連接低速的外圍設備，如終端和打印機。

12程序中斷方式：就是CPU向I/O發(fā)出輸入或輸出命令后，繼續(xù)執(zhí)行原來自身程序，只有當I/O準備好并向CPU發(fā)出中斷請求后，才中斷現(xiàn)行的程序，轉至中斷服務程序，來控制I/O與主機交換信息。左圖是CPU欲從某外設讀數(shù)據(jù)塊至主存的程序中斷方式流程圖：

13直接存儲器訪問(DMA)方式：是在輸入輸出的過程中，不需要CPU的控制，而在主存儲器與輸入輸出設備之間建立一條直接傳送數(shù)據(jù)的道路，這就是直接存儲器訪問方式，主要用來實現(xiàn)內存與高速外設之間大批數(shù)據(jù)交換，交換過程中無須CPU參與。I/0通道方式：通道是一個特殊功能的處理機，可以實現(xiàn)對外圍設備的統(tǒng)一管理和外圍設備與內存之間的數(shù)據(jù)傳送.CPU將傳輸控制功能交給通道后只負責數(shù)據(jù)處理功能。這樣CPU和通道同時使用內存，實現(xiàn)了CPU運算與1/0設備的并行工作。

14外圍處理機方式(PPU)：是通道方式的進一步發(fā)展,基本獨立于主機工作，它的結構更接近一般處理機，甚至就是微小型計算機。在一些系統(tǒng)中，設置了多臺PPU，分別承擔I/O控制、通信、維護診斷等任務。從某種意義上說，這種系統(tǒng)已變成分布式的多機系統(tǒng)。綜上所述，外圍設備的輸入/輸出的控制方式有:

15§8.2程序中斷方式

程序中斷控制方式中斷處理過程如圖：中斷處理過程流程圖：程序中斷方式的基本接口：

16§8.3DMA方式

直接存儲器訪問(DMA)方式⒈引入：輸入輸出操作給CPU增加了很大的額外開銷，而輸入輸出操作并不是必須得由CPU才能完成，為了提高CPU的效率我們可以在輸入輸出操作過程中，不要CPU控制，而在主存儲器與輸入輸出設備之間建立一條直接傳送數(shù)據(jù)的道路，這就是直接存儲器訪問方式的。通常稱其為DirectMemoryAccess簡稱DMA方式。采用DMA方式必須解決好一個問題。這就是主存與外設同是兩個被控制的對象，它們間沒有相互控制能力。因此，必須設置一個可代替CPU完成控制功能的部件，這就是“DMA控制器（負責數(shù)據(jù)傳送工作）”

17⒉DMA控制器：是獨立于CPU的集成電路芯片，DMA控制器的主要功能如下：①接收外設的DMA請求并向CPU發(fā)出總線請求，取得總線使用權后為主存和外設建立直接傳送數(shù)據(jù)的道路。②由DMA控制器對內存尋址，即決定數(shù)據(jù)傳送的內存單元地址及數(shù)據(jù)傳送個數(shù)的計數(shù)，并執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送的操作；③向CPU報告DMA操作的結束。

18⒊DMA控制器的基本組成：(1)內存地址計數(shù)器：用于存放內存中要交換的數(shù)據(jù)的地址。(2)字計數(shù)器：用于記錄傳送數(shù)據(jù)塊的長度(多少字數(shù))。(3)數(shù)據(jù)緩沖寄存器：用于暫存每次傳送的數(shù)據(jù)(一個字)。⑷DMA請求標志：當設備準備好字后給出一個控制信號，使DMA請求標志置1。

19(5)“控制/狀態(tài)”邏輯：由控制電路和時序電路，以及標志狀態(tài)組成，用來修改內

存地址計數(shù)器和字計數(shù)器，指定傳送類型（輸人或輸出），并對DMA請求信號和CPU響應信號進行協(xié)調和同步。(6)中斷機構：當一組數(shù)據(jù)交換完畢時，由溢出信號觸發(fā)中斷機構，向CPU提出中斷請求。

20⒋DMA數(shù)據(jù)傳送過程：DMA的數(shù)據(jù)塊傳送過程可分為三個階段：①傳送前預處理：由CPU向DMA控制器的設備地址寄存器中送入設備號并啟動設備；向內存地址計數(shù)器中送入起始地址；向字計數(shù)器中送入交換的數(shù)據(jù)字個數(shù)。在這些工作完成后，CPU繼續(xù)執(zhí)行原來的主程序。

21②正式傳送：外設準備好時，發(fā)出DMA請求，由DMA控制器向CPU發(fā)出總線請求（HOLD）；CPU在本機器周期執(zhí)行完畢后響應該請求，使DMA控制器接管數(shù)據(jù)總線和地址總線的控制，并向內存提供地址；在內存與外圍設備之間進行數(shù)據(jù)交換，每交換一個字則地址計數(shù)器和字計數(shù)器加1，當字計數(shù)值益處時，DMA操作結束并向CPU提出中斷報告。③后處理工作：DMA的中斷響應后，CPU停止主程序的執(zhí)行，轉去執(zhí)行中斷服務程序來校驗送入內存的數(shù)據(jù)是否正確；決定是否繼續(xù)傳數(shù)；測試在傳送過程中是否發(fā)生了錯誤等等。

22⒌DMA傳送方式：指DMA控制器與CPU怎樣分時使用內存。通常有以下3種方式：停止CPU訪問：當外設需要傳送一批數(shù)據(jù)時，由DMA控制器發(fā)一個停止信號給CPU，要求CPU放棄對總線的控制權。DMA控制器獲得總線控制權以后，開始進行數(shù)據(jù)傳送，在一批數(shù)據(jù)傳送完畢后，DMA控制器通知

CPU可以使用內存，并把總線控制權交還給CPU.

23周期娜用：在這種DMA傳送方法中，當I/O設備沒有DMA請求時,CPU

按程序要求訪問內存；一旦I/O設備有DMA請求，則由I/O設備挪用一個或幾個內存周期。

周期挪用的方法適用于I/O設備讀寫周期大于內存存儲周期的情況。

24DMA與CPU交替訪內：一個CPU周期可分為兩個周期，一個專供

DMA控制器訪問，另一個專供CPU訪問，不需要總線使用權的申請、建立和歸還過程。這種方式CPU既不停止主程序的運行，也不進入等待狀態(tài)，是一種高效率的工作方式。但硬件電路復雜。

25DMA控制器的分類：●選擇型DMA控制器：選擇型DMA控制器在物理上可以連接多個設備，而在邏輯上只允許連接一個設備，即在某一個時間內只能為一個設備服務。它適合數(shù)據(jù)傳輸率接近主存存取速度的高速設備?！穸嗦沸虳MA控制器：多路型DMA控制器不僅在物理上可以連接多個外圍設備，而且在邏輯上也允許這些外設同時工作，各設備以字節(jié)交叉方式通過DMA控制器進行數(shù)據(jù)傳送。它適合連接低速外設。

26DMA控制方式時其操作過程如下：