组成第十六讲：输入输出设备控制方式

I/O准备
I/O准备 CPU 处理中断服务程序 实现 I/O 与主机之间的传送
一个存取周期 CPU 执行现行程序 存取周期结束 启动I/O DMA请求 I/O准备 CPU 执行现行程序
DMA 方式
I/O准备
实现I/O与主存 之间的传送
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I/O设备数据传送控制方式 4．I/O通道控制方式 在通道控制下，一个主机可以连接几个通道。每个通道又可 连接多台I/O设备，这些设备可具有不同速度，可以是不同种 类。这种输入输出系统增强了主机与通道操作的并行能力以 及通道之间、同一通道的各设备之间的并行操作能力。
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计算机组Baidu Nhomakorabea原理
I/O设备数据传送控制方式 外围处理机基本上独立于主机工作。在某些大型计算机系统中，
设置多台外围处理机，分别承担I/O控制、通信、维护、诊断
等任务。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。
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地址码
硬盘控制器 软盘控制器 打印机 彩色图形显示器 异步通讯控制器
16 8 16 16 8
320～32FH 3F0～3F7H 3B0～3BFH 3D0～3DFH 3F8～3FFH
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I/O设备数据传送控制方式 一般把I/O设备数据传送控制方式分为五种 1．程序直接控制方式 程序直接控制（programed direct control）方式就是完全 通过程序来控制主机和外围设备之间的信息传送。通常的办 法是在用户的程序中安排一段由输入输出指令和其它指令所 组成的程序段直接控制外围设备的工作。
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3. 输入输出接口的编址方式 在接口电路中通常都具有多个可由CPU进行读写操作的 寄存器，每个寄存器也叫做“端口”。为了CPU便于对I／ O设备进行寻址和选择，必须给众多的I／O设备的端口进行 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以下两种 寻址方法。 (1) 存储器、I/O接口统一编址 将接口电路中的端口地址与存储单元统一编址 优：访存指令可访问端口，这样寻址类型多，编程较方 便。 缺：占用存储器空间；速度慢。 (2) I/O端口独立编址 给I/O接口中的各端口提供与存储器空间完全分开、完全 独立的I/O地址空间。 优：专门的I/O指令，与访存分开；指令执行快；不占内 存地址空间。缺：需专用指令、寻址方式少。
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I/O设备数据传送控制方式 通道能独立地执行用通道命令编写的输入输出控制程序， 产生相应的控制信号送给由它管辖的设备控制器，继而完 成复杂的输入输出过程。通道是一种通用性和综合性都较 强的输入输出方式， 它代表了现代计算机组织向功能分布方向发展的初始发展 阶段。I/O通道具有自己的指令系统，并能实现指令所控 制的操作，
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外围设备接口的结构
接口地址
I/O接口 功能演示
总线 数据线
地址线 地址 有效 RD WE 外设接口
地址 译码 器
状态寄存器
数据寄存器
命令寄存器
外设状态
外设数据
外设控制信号
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1.输入输出接口的基本结构 CPU和外设之间通常传递的信息：数据、状态、控制 地址 数据 CPU IO/M RD WR 控 制 电 路 DR SR CR 数据 状态 控制 I/O 设备
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专用I/O指令，例如，指令IN完成输入操作，指令OUT完成 输出操作。指令的地址码字段指出输入输出设备的设备代 码。
BM PC等系列机设置有专门的I/O指令，设备的编址可 达512个，部分设备的地址码（输入输出地址分配表） 如下
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输入输出设备地址分配表
输入输出设备
占用地址
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功能
接口是计算机与I/O设备或其他系统之间所设置的 逻辑控制部件，也称I/O控制器。 接口的引入： • 功能： •外设类型不同： •能实现数据缓冲和数 机械、电子、机电、电磁 据锁存 •传送信息类型： •能完成信息格式和电 数字量、模拟量 平的转换 •传送速度 •能进行地址译码和设 •传送方式： 备选择 串行、并行 •能保证数据传送的定 •编码方式： 时与协调
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三种方式的 CPU 工作效率比较
程序 查询 方式 CPU 执行 现行程序 启动I/O CPU查询等待并传输I/O数据 CPU 执行 现行程序
程序 中断 方式
I/O 准备及传送 间 CPU 执行现行程序 CPU 执行现行程序 断 指令执行周期结束 启动I/O 中断请求
组成:寄存器组、控制逻辑电路、主机与接口和接口与I/O设备之间 的信号联接线、数据地址线、控制状态信号线
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2. I/O接口分类
结构方式 并行和串行 收发配合方式 同步和异步 数据传送配合方式 程序传送、中断传送、DMA、通道、IO处理器 电路规模 简单接口、可编程接口、外设接口适配器
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I/O设备数据传送控制方式 采用通道方式组织输入输出系统，多使用主机-通道-设备控 制器-I/O设备四级连接方式。通道通过执行通道程序实施对 I/O系统的统一管理和控制，因此，它是完成输入输出操作的 主要部件。 在CPU启动通道后，通道自动去内存取出通道指令并执行指令 。直到数据交换过程结束向CPU发出中断请求，进行通道结束 处理工作。
D
CU
D D
CU
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CU
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CU
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MM：主存储器 CPU：中央处理器 CH：I/O通道 CU：设备控制器 D：I/O设备 计算机组成原理
CU
D D D CU
D
D
I/O设备数据传送控制方式 5．外围处理机方式 输入输出处理机通常称作外围处理机 (eripheral processor unit，简称PPU)。这种外围处理机的 结构更接近处理机，甚至就是一般小型通用计算机或微机。 它可以完成I/O通道所要完成的I/O控制，还可完成码制转换 、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程序所必须的程序 转移手段。
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I/O设备数据传送控制方式 3．直接存储器存取方式 直接存储器存取（direct memory access，简称DMA）方式的 基本思想是在外围设备和主存之间开辟直接的数据传送通路。 在正常工作时，所有工作周期均用于执行CPU的程序，当外围 设备完成输入或输出数据的准备工作后，占用总线一个工作周 期，和主存直接交换数据。这个周期后，CPU又继续控制总线 ，执行原程序。 如此重复，直到整个数据块的数据传送完毕。
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I/O设备数据传送控制方式 所以，I/O通道已具备处理机的功能。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
I/O操作有关的命令。它要在CPU的I/O指令指挥下启动、停止 或改变工作状态。
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MM
CPU
输入输出 系统的结构
CH
CH
CH
CU
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I/O设备数据传送控制方式 这项工作是由I/O系统中增设的DMA控制器完成的，由它给出 每次传送数据的主存地址，并统计已传送数据的个数以确定 是否传送结束。除了在数据块传送的开始和结束时需用中断 分别进行前处理和后处理外，无需CPU的频繁干预。主存储器 被并行工作的CPU和I/O子系统所共享。 DMA方式的不足之处：首先，对外围设备的管理和某些操作的 控制仍需由CPU承担。其次，当多个DMA同时使用时，会增加 引起访问主存的冲突。
输入输出（I/O）系统概述 输入输出系统包括外部设备（输入输出设备和辅助存储器） 及其与主机（CPU和存储器）之间的控制部件。控制部件称之 为设备控制器，有时也称为设备适配器或接口（如磁盘控制 器、打印机控制器等），其作用是控制并实现主机与外部设 备之间的数据传送。本章主要介绍设备控制器的工作原理。
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I/O设备数据传送控制方式 2．程序中断传送方式 在程序中断传送（program interrupt transfer）方式中，通 常在程序中安排一条指令，发出START信号启动外围设备，然后 机器继续执行程序。当外围设备完成数据传送的准备后，便向 CPU发“中断请求”（INT）信号。CPU接到请求后若可以停止正 在执行的程序，则在一条指令执行完后（非流水线计算机）， 转去执行“中断服务程序”，完成数据传送工作，通常一次传 送一个字节或一个字。传送完毕仍返回原来的程序。