计算机组成原理第7章.ppt

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第七章第七章输入输出系统输入输出系统17.1I/O7.1I/O系统概述系统概述一、一、I/OI/O系统的基本组成系统的基本组成11、I/OI/O系统的硬件系统的硬件*I/O*I/O系统的发展：

系统的发展：

注重可扩展性、性能；注重可扩展性、性能；*I/O*I/O硬件的组成：

硬件的组成：

由由I/OI/O设备、设备、I/OI/O接口、接口、I/OI/O管理部件组成管理部件组成222、I/OI/O系统的软件系统的软件*I/O*I/O软件的组成：

软件的组成：

用指令或程序表示；用指令或程序表示；与与I/OI/O硬件结构相关硬件结构相关I/OI/O指令指令CPUCPU发出的发出的CPUCPU与与I/OI/O设备间传送的设备间传送的机器指令机器指令；通道指令通道指令通道发出的通道发出的主存与主存与I/OI/O设备间传送的设备间传送的专用指令专用指令*I/O*I/O系统组成：

系统组成：

由由I/OI/O设备、设备、I/OI/O接口、接口、I/OI/O管理部件及管理部件及I/OI/O程序程序等组成等组成*I/O*I/O软件的任务：

软件的任务：

信息的输入及输出传送，信息的输入及输出传送，主机与主机与I/OI/O系统的工作协调；系统的工作协调；3二、二、I/OI/O设备与主机的联系设备与主机的联系11、I/OI/O设备与主机的连接方式设备与主机的连接方式CPUCPU主存主存I/OI/O接口接口总线总线I/OI/O设备设备I/OI/O接口接口I/OI/O设备设备*连接方式：

连接方式：

常采用常采用总线方式总线方式422、I/OI/O设备的编址方式设备的编址方式指指机器指令机器指令如何如何区分区分操作的目标类型操作的目标类型（主存单元主存单元或或IOIO设备设备）

（1）

（1）统一编址方法统一编址方法*IO*IO的实现方法：

的实现方法：

MEMMEMI/OI/O设备设备N-1N-1XXX-1X-100*特点：

特点：

无需增加机器指令、地址码较长，主存不易扩展无需增加机器指令、地址码较长，主存不易扩展5

（2）

（2）独立编址方法独立编址方法*IO*IO的实现方法：

的实现方法：

机器指令机器指令用单独的用单独的输入输入、输出输出机器指令表示，机器指令表示，MEMMEM读读/MEM/MEM写指令写指令的地址码范围的地址码范围输入输入/输出指令输出指令的地址码范围的地址码范围X-1X-100MEMMEMN-XN-X00I/OI/O设备设备总线信号总线信号用单独的用单独的IOR#IOR#、IOW#IOW#信号实现操作控制，信号实现操作控制，3633、I/OI/O设备的寻址方式设备的寻址方式指指I/OI/O接口或设备接口或设备如何如何判断判断自己是否为总线操作的目标设备自己是否为总线操作的目标设备*I/O*I/O设备的编址：

设备的编址：

编址方式编址方式每个每个I/OI/O设备有一个设备有一个惟一的惟一的设备号，设备号，实现方式实现方式机器启动时机器启动时OSOS分配分配实现、或实现、或硬件电路硬件电路实现；实现；*I/O*I/O设备的寻址：

设备的寻址：

I/OI/O接口或设备中接口或设备中设备选择电路设备选择电路监视监视总线状态，总线状态，有有I/OI/O操作操作时时比较比较自身设备号与总线上地址、自身设备号与总线上地址、判断判断自己是否为目标设备；自己是否为目标设备；设备号设备号寄存器寄存器或电路或电路11比较器比较器地址锁存器地址锁存器数据缓冲器数据缓冲器命中命中&设备硬件设备硬件CPUCPU主存主存IOR#IOW#IOR#IOW#MEMR#MEMW#MEMR#MEMW#744、I/OI/O设备与主机的联络方式设备与主机的联络方式指指I/OI/O设备设备与主机间的与主机间的传送定时方式传送定时方式，I/OI/O接口与之相对应接口与之相对应I/OI/O设备设备CPUCPU主存主存I/OI/O接口接口总线总线I/OI/O设备设备I/OI/O接口接口I/OI/O设备设备SSttrroobbeeAAcckkCCLLKKI/OI/O接口接口*异步联络方式：

异步联络方式：

*同步联络方式：

同步联络方式：

*立即响应方式：

立即响应方式：

I/OI/O设备设备随时响应随时响应主机操作，无联络信号主机操作，无联络信号8三、三、I/OI/O设备与主机的传送控制方式设备与主机的传送控制方式指主机指主机对对I/OI/O操作操作的的管理方式管理方式，又称，又称I/OI/O组织方式组织方式*I/O*I/O设备的特征：

设备的特征：

传输速度传输速度不同，不同，每次传送数据量每次传送数据量不同；不同；*I/O*I/O组织方式的目标：

组织方式的目标：

尽量尽量减少传送所占减少传送所占CPUCPU时间时间，如如I/OI/O接口、设备接口、设备-主存直接主存直接；尽量尽量提高传送速度提高传送速度，如批量传送方式如批量传送方式9*I/O*I/O组织方式例题：

组织方式例题：

要要1010个孩子个孩子轮流轮流吃完吃完44颗糖，有哪些处理方法？

颗糖，有哪些处理方法？

先先给给某孩子一颗糖，某孩子一颗糖，看着他看着他，等到等到他吃完他吃完时时给给下一颗下一颗；再再给给另一孩子另一孩子；先先告诉告诉某孩子吃糖规则某孩子吃糖规则（共共44颗糖，颗糖，自己拿自己拿、每次一颗、每次一颗），改作业改作业改作业改作业，收到收到他全部吃完的报告他全部吃完的报告时时，再，再告诉告诉另一孩子另一孩子；先先写好写好吃糖规则及孩子名单、吃糖规则及孩子名单、告诉告诉班长按规则处理，班长按规则处理，改作业改作业改作业改作业，收到收到他管理有困难的他管理有困难的报告时报告时处理处理该问题该问题；或由班长全权负责。

；或由班长全权负责。

先先给给某孩子一颗糖，某孩子一颗糖，改作业改作业改作业改作业，收到收到他一颗吃完的报告他一颗吃完的报告时时给给下一颗下一颗；再再给给另一孩子另一孩子；*I/O*I/O传送控制方式的种类：

传送控制方式的种类：

程序控制方式程序控制方式程序查询方式程序查询方式程序中断方式程序中断方式直接存储器访问直接存储器访问（DMA）（DMA）方式方式通道及通道及I/OI/O处理机处理机（IOP）（IOP）方式方式1011、程序查询方式、程序查询方式*功能：

功能：

可实现可实现CPU-I/OCPU-I/O设备设备间的间的单个数据单个数据传送；传送；*传送控制原理：

传送控制原理：

CPUCPU启动启动I/OI/O操作后、操作后、不停地查询不停地查询I/OI/O设备状设备状态，在态，在I/OI/O设备设备准备就绪准备就绪或空闲或空闲时，时，才才才才进行进行数据传送；数据传送；*I/O*I/O特点：

特点：

CPUCPU与与I/OI/O设备串行工作；设备串行工作；1122、程序中断方式、程序中断方式*功能：

功能：

可实现可实现CPU-I/OCPU-I/O设备设备间的间的单个数据单个数据传送；传送；*传送控制原理：

传送控制原理：

CPUCPU启动启动I/OI/O操作后、操作后、继续执行继续执行现行程序，现行程序，I/OI/O设备设备准备就绪准备就绪后、后、提出提出提出提出请求，请求，CPUCPU响应响应请求、请求、进行进行数据传送；数据传送；*I/O*I/O特点：

特点：

CPUCPU与与I/OI/O设备可并行工作；设备可并行工作；*对对I/OI/O接口的要求：

接口的要求：

需增设请求提出、请求撤消电路需增设请求提出、请求撤消电路101233、直接存储器存取、直接存储器存取（DMA）（DMA）方式方式*功能：

功能：

可实现可实现MEM-I/OMEM-I/O设备设备间间简单的简单的成组数据成组数据传送；传送；*传送控制原理：

传送控制原理：

CPUCPU发出发出传送需求后、传送需求后、继续执行继续执行现行程序，现行程序，I/OI/O接口接口控制控制MEM-I/OMEM-I/O设备间批量传送、结束时设备间批量传送、结束时提出提出请求，请求，CPUCPU响应响应请求、请求、进行进行结束处理结束处理可再次启动传送可再次启动传送；*I/O*I/O特点：

特点：

数据传送过程无需数据传送过程无需CPUCPU干预与中转干预与中转101344、通道及、通道及I/OI/O处理机处理机（IOP）（IOP）方式方式*功能：

功能：

可实现可实现MEM-I/OMEM-I/O设备设备间间高级的高级的成组数据成组数据传送。

传送。

*通道方式原理：

通道方式原理：

CPUCPU编写编写传送控制程序、传送控制程序、发出发出通知后，通知后，继续继续执行执行现行程序，现行程序，I/OI/O通道通道管理与控制管理与控制MEM-MEM-设备间数据传送；设备间数据传送；*IOP*IOP方式原理：

方式原理：

CPUCPU发出发出传送需求传送需求（更简单更简单）后，后，继续执行继续执行现行现行程序，程序，IOPIOP管理与控制管理与控制MEM-MEM-设备间的数据传送。

设备间的数据传送。

1014*I/O*I/O接口：

接口：

是主机与是主机与I/OI/O设备间的设备间的连接电路连接电路，负责负责“中转中转”各种各种操作信息操作信息；一、一、I/OI/O接口的功能接口的功能7.3I/O7.3I/O接口接口CPUCPU主存储器主存储器I/OI/O接口接口I/OI/O设备设备11ABABDBDBCBCBI/OI/O接口接口I/OI/O设备设备nn主存控制器主存控制器BIUBIU*I/O*I/O接口的连接：

接口的连接：

一侧连接一侧连接总线总线、一侧连接、一侧连接I/OI/O设备设备；*I/O*I/O接口的作用：

接口的作用：

实现对实现对I/OI/O设备的设备的操作标准化操作标准化；设备控制设备控制数据传送数据传送状态查询状态查询15*I/O*I/O接口的功能：

接口的功能：

数据缓冲数据缓冲用用寄存器寄存器暂存暂存来自总线及来自总线及I/OI/O设备的数据；设备的数据；设备选址设备选址监视监视总线状态，总线状态，判断判断自身是否为目标部件；自身是否为目标部件；根据总线地址根据总线地址操作中转操作中转用用寄存器寄存器暂存暂存来自总线的操作命令，来自总线的操作命令，适时适时转发转发操作；操作；根据根据I/OI/O设备状态设备状态信号转换信号转换将信息将信息转换转换为符合为符合I/OI/O设备要求的信号，设备要求的信号，转换包括格式、电平、时序等方面；转换包括格式、电平、时序等方面；设备状态监视设备状态监视监视监视设备状态，并设备状态，并暂存暂存到到寄存器寄存器中，中，供查询、或向供查询、或向CPUCPU主动主动报告报告；*I/O*I/O端口：

端口：

可与可与数据总线数据总线（DB）（DB）直接交换信息的直接交换信息的寄存器寄存器；种类种类数据端口、命令端口、状态端口数据端口、命令端口、状态端口16二、二、I/OI/O接口的组成接口的组成11、I/OI/O接口的硬件组成接口的硬件组成*硬件组成：

硬件组成：

核心是内部控制逻辑电路；核心是内部控制逻辑电路；数据数据总线总线控制控制总线总线地址地址总线总线外外设设信信号号内部控制内部控制逻辑电路逻辑电路29数据输出锁存寄存器数据输出锁存寄存器状态寄存器状态寄存器数据输入缓冲寄存器数据输入缓冲寄存器控制寄存器控制寄存器数据总线数据总线缓冲缓冲地址总线地址总线锁存锁存设备选设备选择电路择电路端口地址译码器端口地址译码器信信号号转转换换逻逻辑辑1722、I/OI/O接口的软件组成接口的软件组成*软件组成：

软件组成：

按照设备操作特性、按照设备操作特性、I/OI/O传送方式需求，对传送方式需求，对I/OI/O接接口的口的相应相应I/OI/O端口端口进行进行按序操作按序操作的程序；的程序；1833、I/OI/O接口的分类接口的分类*按按数据传送方式数据传送方式分类：

分类：

并行接口并行接口接口接口-设备间设备间同时同时传输传输nn位数据，位数据，串行接口串行接口接口接口-外设间外设间逐位逐位传输传输nn位数据；位数据；