《计算机组成原理》电子课件第5章 输入输出设备与输入输出
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陕西师范大学_计算机组成原理_课件ppt_白中英第5版_chp5
∙42/210∙ 陕西师范大学 计算机科学学院
指令存储器
数据存储器
5.2.3 LAD指令执行过程详解
◊ 取指令过程与MOV指令相同 ◊ 下面讲解执行指令过程
∙43/210∙ 陕西师范大学 计算机科学学院
∙44/210 ∙ , 陕西师范大学 计算机科学学院 ③ ④ ⑤ ⑥ ① 从 指令寄存器中的操作码（ CPU 程序计数器 程序计数器内容加 102 识别出是 号地址读出的 PC LAD 中的值为 指令，至此，取指周期即告结束。 1LAD ，变成 102 指令通过指令总线 OP 103 （八进制）； ）被译码； ，为取下一条指令做好准备； IBUS 装入指令寄存器 IR； ② PC 的内容被放到指令地址总线 ABUS(I) 上,对指存进行译码 并启动读命令；
5.2.2 MOV指令执行过程详解-执行指令 ◊ 执行指令过程详解
∙40/210∙ 陕西师范大学 计算机科学学院
5.6 MOV指令执行过程详解-取指令
10
目标 源
① ③ ⑤ OC 送出控制信号，打开 OC）送出控制信号到通用寄存器，选择 DR ALU 中的数据 输出三态门，将 10 打入到目标寄存器 ALU输出送到数据总线 R1 R0 （ ， 10 R0 ）作源寄存器，选择 的内容由 DBUS 00 上。注意， 变为10。 R0 ② 操作控制器（ ④ OC送出控制信号，将 送出控制信号到 送出控制信号，将 ALU DBUS ，指定 上的数据打入到数据缓冲寄存器 ALU 做传送操作； DR （10 ）； ∙41/210∙ 陕西师范大学 计算机科学学院 任何时候 至此， 作目标寄存器； MOV DBUS 指令执行结束。 上只能有一个数据。
∙32/210∙ 陕西师范大学 计算机科学学院
Eg.
指令存储器
数据存储器
5.2.3 LAD指令执行过程详解
◊ 取指令过程与MOV指令相同 ◊ 下面讲解执行指令过程
∙43/210∙ 陕西师范大学 计算机科学学院
∙44/210 ∙ , 陕西师范大学 计算机科学学院 ③ ④ ⑤ ⑥ ① 从 指令寄存器中的操作码（ CPU 程序计数器 程序计数器内容加 102 识别出是 号地址读出的 PC LAD 中的值为 指令，至此，取指周期即告结束。 1LAD ，变成 102 指令通过指令总线 OP 103 （八进制）； ）被译码； ，为取下一条指令做好准备； IBUS 装入指令寄存器 IR； ② PC 的内容被放到指令地址总线 ABUS(I) 上,对指存进行译码 并启动读命令；
5.2.2 MOV指令执行过程详解-执行指令 ◊ 执行指令过程详解
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5.6 MOV指令执行过程详解-取指令
10
目标 源
① ③ ⑤ OC 送出控制信号，打开 OC）送出控制信号到通用寄存器，选择 DR ALU 中的数据 输出三态门，将 10 打入到目标寄存器 ALU输出送到数据总线 R1 R0 （ ， 10 R0 ）作源寄存器，选择 的内容由 DBUS 00 上。注意， 变为10。 R0 ② 操作控制器（ ④ OC送出控制信号，将 送出控制信号到 送出控制信号，将 ALU DBUS ，指定 上的数据打入到数据缓冲寄存器 ALU 做传送操作； DR （10 ）； ∙41/210∙ 陕西师范大学 计算机科学学院 任何时候 至此， 作目标寄存器； MOV DBUS 指令执行结束。 上只能有一个数据。
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Eg.
计算机组成原理(本全)课件
计算机组成原理(本 全)课件
目录
CONTENTS
• 计算机系统概述 • 中央处理器(CPU) • 存储器系统 • 输入输出(I/O)系统 • 计算机的体系结构 • 计算机的软件系统
01 计算机系统概述
计算机的发展历程
第一代计算机
电子管计算机，20世纪40年代 中期至50年代末期，主要用于
军事和科学研究领域。
CPU每个时钟周期执行的指令数，是 衡量CPU性能的重要指标。
03 存储器系统
存储器的分类和作用
分类
根据存储器的功能和位置，可以分为内存和外存两大类。内存是计算机内部存储器，用 于存放运算数据和程序代码；外存则是计算机外部存储器，用于长期保存大量数据和程
序。
作用
存储器是计算机的重要组成部分，它负责存储程序运行过程中所需的数据、指令等信息 ，使得CPU能够快速、准确地读取和写入数据，从而完成程序的执行。
软件系统
包括系统软件和应用软件两大类。
操作系统
是计算机的软件系统中最基本、最重要的部分，负责 管理和调度计算机的软硬件资源。
计算机的工作原理
二进制数制
计算机内部采用二进制数制进行运算和存储。
指令和程序
计算机按照程序中预定的指令序列进行自动执 行。
存储程序原理
将程序和数据存储在计算机内部，根据指令从存储器中取出数据和指令进行运 算和传输。
内存的工作原理和组织结构
工作原理
内存由多个存储单元组成，每个单元可以存储一个二进制数 。当CPU需要读取或写入数据时，会通过地址总线发送地址 信号，内存控制器根据地址信号找到对应的存储单元，完成 数据的读取或写入操作。
组织结构
内存的组织结构通常采用线性编址方式，即将内存单元按照 一定顺序排列，每个单元都有一个唯一的地址。内存的容量 大小由地址总线的位数决定，地址总线位数越多，可访问的 内存单元数量就越多。
目录
CONTENTS
• 计算机系统概述 • 中央处理器(CPU) • 存储器系统 • 输入输出(I/O)系统 • 计算机的体系结构 • 计算机的软件系统
01 计算机系统概述
计算机的发展历程
第一代计算机
电子管计算机，20世纪40年代 中期至50年代末期，主要用于
军事和科学研究领域。
CPU每个时钟周期执行的指令数，是 衡量CPU性能的重要指标。
03 存储器系统
存储器的分类和作用
分类
根据存储器的功能和位置，可以分为内存和外存两大类。内存是计算机内部存储器，用 于存放运算数据和程序代码；外存则是计算机外部存储器，用于长期保存大量数据和程
序。
作用
存储器是计算机的重要组成部分，它负责存储程序运行过程中所需的数据、指令等信息 ，使得CPU能够快速、准确地读取和写入数据，从而完成程序的执行。
软件系统
包括系统软件和应用软件两大类。
操作系统
是计算机的软件系统中最基本、最重要的部分，负责 管理和调度计算机的软硬件资源。
计算机的工作原理
二进制数制
计算机内部采用二进制数制进行运算和存储。
指令和程序
计算机按照程序中预定的指令序列进行自动执 行。
存储程序原理
将程序和数据存储在计算机内部，根据指令从存储器中取出数据和指令进行运 算和传输。
内存的工作原理和组织结构
工作原理
内存由多个存储单元组成，每个单元可以存储一个二进制数 。当CPU需要读取或写入数据时，会通过地址总线发送地址 信号，内存控制器根据地址信号找到对应的存储单元，完成 数据的读取或写入操作。
组织结构
内存的组织结构通常采用线性编址方式，即将内存单元按照 一定顺序排列，每个单元都有一个唯一的地址。内存的容量 大小由地址总线的位数决定，地址总线位数越多，可访问的 内存单元数量就越多。
《计算机组成原理》课件
指令结束
将结果存回内存或寄存器 。
CPU的性能指标
速度
执行指令的速度，通常以MIPS（百万条 指令每秒）表示。
功耗
CPU在工作时的能耗。
集成度
CPU中晶体管的数量和密度。
可靠性
CPU在正常工作条件下无故障运行的概率 。
03
存储器
内存的分类与结构
分类
根据存储介质，内存可以分为RAM（随机存取存储器）和ROM（只读存储器）。RAM又可以分为DRAM（动态 随机存取存储器）和SRAM（静态随机存取存储器）。
谢谢您的聆听
THANKS
《计算机组成原理》ppt课件
CONTENTS
• 计算机系统概述 • 中央处理器 • 存储器 • 输入输出系统 • 总线系统 • 计算机系统可靠性及安全性
01
计算机系统概述
计算机的发展历程
机械计算机时代
1946年第一台电子计算机ENIAC诞生，占地170平方米，重30吨，运算速度5000次/秒。
晶体管计算机时代
20世纪50年代中期至60年代，计算机体积缩小，运算速度提高，可靠性增强。
集成电路计算机时代
20世纪60年代末至70年代初，微处理器出现，个人电脑开始进入市场。
大规模集成电路计算机时代
20世纪70年代中期至今，计算机体积更小，性能更高，应用领域更广泛。
计算机系统的组成
硬件系统
包括中央处理器、存储器、输入输出设备 等物理部件。
结构
内存主要由存储单元阵列、地址译码器和数据输入/输出缓冲器组成。每个存储单元阵列负责存储数据，地址译 码器负责将地址码转换为相应的存储单元的地址，数据输入/输出缓冲器则负责数据的读写操作。
内存的工作原理
将结果存回内存或寄存器 。
CPU的性能指标
速度
执行指令的速度，通常以MIPS（百万条 指令每秒）表示。
功耗
CPU在工作时的能耗。
集成度
CPU中晶体管的数量和密度。
可靠性
CPU在正常工作条件下无故障运行的概率 。
03
存储器
内存的分类与结构
分类
根据存储介质，内存可以分为RAM（随机存取存储器）和ROM（只读存储器）。RAM又可以分为DRAM（动态 随机存取存储器）和SRAM（静态随机存取存储器）。
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《计算机组成原理》ppt课件
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• 计算机系统概述 • 中央处理器 • 存储器 • 输入输出系统 • 总线系统 • 计算机系统可靠性及安全性
01
计算机系统概述
计算机的发展历程
机械计算机时代
1946年第一台电子计算机ENIAC诞生，占地170平方米，重30吨，运算速度5000次/秒。
晶体管计算机时代
20世纪50年代中期至60年代，计算机体积缩小，运算速度提高，可靠性增强。
集成电路计算机时代
20世纪60年代末至70年代初，微处理器出现，个人电脑开始进入市场。
大规模集成电路计算机时代
20世纪70年代中期至今，计算机体积更小，性能更高，应用领域更广泛。
计算机系统的组成
硬件系统
包括中央处理器、存储器、输入输出设备 等物理部件。
结构
内存主要由存储单元阵列、地址译码器和数据输入/输出缓冲器组成。每个存储单元阵列负责存储数据，地址译 码器负责将地址码转换为相应的存储单元的地址，数据输入/输出缓冲器则负责数据的读写操作。
内存的工作原理
《输入输出设备》PPT课件
场扫描是控制垂直方向扫描，在荧光屏上最后一条水平线扫描结束 后，光栅垂直回归到第一条水平扫描线的起点，回归时亮点消失，又叫 “场消隐”或“垂直回归”。整个荧光屏上由一条条光栅组成的画面，叫 做一幅或一帧。
显然，扫描线越多，分辨率越高。图象也就越清晰。一般每帧有405线， 526线，625线，819线多种，我国电视每帧用625线。显示时只有一个光点在屏 幕上扫描，由于人眼的视觉暂留现象使看见的图象是连续的。
图形显示器通常配有键盘，光笔，数字化仪，鼠标器，CRT显示器和绘 图机等。下面简要介绍图形显示器的基本原理。
在原有的字符显示器上加一块显示图形的逻辑电路板，即可变成简易的 图形显示器；如果配上图形输入板和绘图机，则可构成一种廉价的小型图形处 理系统。
图像显示器
在数字图象处理中，数字图象显示器是最后也是最重要的环节，它可以让 人们通过视觉，更好地理解和解释图象的内容。
为了保证图象有较好的水平与垂直线性，象素长宽比例通常为4：3。 例 如 ， 12 英 寸 彩 色 CRT 的 分 辨 率 为 640*480 个 象 素 ； 14 英 寸 显 示 800*600个象素；16英寸显示1024*768个象素都满足4：3的比例。此外， 某些专用的方形CRT显示分辨率为512*512或1024*1024，甚至4096*4096 个象素。
• 输出设备 1 显示器 2 打印机 针式打印机 激光打印机: 激光扫描技术、电摄影技术 喷墨打印机：“连续射流分解成滴” 3 绘图仪：平台式和鼓式 4 语音输出设备：扬声器、耳机 5 缩微胶卷输出设备
• 外存储设备 1 软盘 2 硬盘 内置硬盘 3 光盘：CD、DVD 4 磁带
盒式硬盘
• 数据通信设备 • 终端设备
图形显示器
图形显示器是用点，线（直线和曲线），面（平面和曲面）组合成要求的 平面或立体图形。同时可以作平移，比例变换，旋转，坐标变换，投影变换（ 把三维图形变换为二维图形），
显然，扫描线越多，分辨率越高。图象也就越清晰。一般每帧有405线， 526线，625线，819线多种，我国电视每帧用625线。显示时只有一个光点在屏 幕上扫描，由于人眼的视觉暂留现象使看见的图象是连续的。
图形显示器通常配有键盘，光笔，数字化仪，鼠标器，CRT显示器和绘 图机等。下面简要介绍图形显示器的基本原理。
在原有的字符显示器上加一块显示图形的逻辑电路板，即可变成简易的 图形显示器；如果配上图形输入板和绘图机，则可构成一种廉价的小型图形处 理系统。
图像显示器
在数字图象处理中，数字图象显示器是最后也是最重要的环节，它可以让 人们通过视觉，更好地理解和解释图象的内容。
为了保证图象有较好的水平与垂直线性，象素长宽比例通常为4：3。 例 如 ， 12 英 寸 彩 色 CRT 的 分 辨 率 为 640*480 个 象 素 ； 14 英 寸 显 示 800*600个象素；16英寸显示1024*768个象素都满足4：3的比例。此外， 某些专用的方形CRT显示分辨率为512*512或1024*1024，甚至4096*4096 个象素。
• 输出设备 1 显示器 2 打印机 针式打印机 激光打印机: 激光扫描技术、电摄影技术 喷墨打印机：“连续射流分解成滴” 3 绘图仪：平台式和鼓式 4 语音输出设备：扬声器、耳机 5 缩微胶卷输出设备
• 外存储设备 1 软盘 2 硬盘 内置硬盘 3 光盘：CD、DVD 4 磁带
盒式硬盘
• 数据通信设备 • 终端设备
图形显示器
图形显示器是用点，线（直线和曲线），面（平面和曲面）组合成要求的 平面或立体图形。同时可以作平移，比例变换，旋转，坐标变换，投影变换（ 把三维图形变换为二维图形），
清华计算机组成原理课件09输入输出设备
分类
输入输出设备可以根据其功能和用途分为多种类型，如键盘、鼠标、显示器、 打印机、扫描仪、摄像头等。
输入输出设备在计算机系统中的地位与作用
地位
输入输出设备是计算机系统的重 要组成部分，是实现人机交互的 关键环节。
作用
输入输出设备的作用包括输入数 据、命令等信息，输出处理结果 、图形、图像等信息，使计算机 能够更好地为人类服务。
显示器输出
通过显示器的电子枪发射电子束，在屏幕上 形成像素点，再转换为图像。
音响输出
通过音响的扬声器将电信号转换为声音波， 再通过空气传播产生声音。
打印机输出
通过打印机的喷头或激光器在纸张上形成像 素点，再转换为文字或图像。
3D打印机输出
通过3D打印机的喷头或激光器在材料上形 成层叠结构，再转换为三维实体。
清华计算机组成原理课件09输入 输出设备
目 录
• 输入输出设备概述 • 常见的输入设备 • 常见的输出设备 • 输入输出设备的工作原理 • 输入输出设备的未来发展
01 输入输出设备概述
输入输出设备的定义与分类
定义
输入输出设备是计算机系统中用于与外部环境进行信息交互的部件，能够将外 部数据转换为计算机可识别的格式，或将计算机处理后的结果输出到外部环境。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
输入输出设备的发展趋势与未来展望
总结词
输入输出设备将朝着更加智能化、人性化、多样化的方向发展。
详细描述
随着人工智能、物联网等技术的不断进步，输入输出设备将更加智能化，能够更好地适应 不同用户的需求，提高人机交互的效率和体验。同时，新型输入输出设备将更加多样化， 为用户提供更多选择。
实例
智能家居控制系统可以通过语音、手势等多种方式控制家电，实现智能化管理。同时，随 着虚拟现实、增强现实等技术的发展，未来将有更多新型输出设备出现，提供更丰富、更 真实的感官体验。
输入输出设备可以根据其功能和用途分为多种类型，如键盘、鼠标、显示器、 打印机、扫描仪、摄像头等。
输入输出设备在计算机系统中的地位与作用
地位
输入输出设备是计算机系统的重 要组成部分，是实现人机交互的 关键环节。
作用
输入输出设备的作用包括输入数 据、命令等信息，输出处理结果 、图形、图像等信息，使计算机 能够更好地为人类服务。
显示器输出
通过显示器的电子枪发射电子束，在屏幕上 形成像素点，再转换为图像。
音响输出
通过音响的扬声器将电信号转换为声音波， 再通过空气传播产生声音。
打印机输出
通过打印机的喷头或激光器在纸张上形成像 素点，再转换为文字或图像。
3D打印机输出
通过3D打印机的喷头或激光器在材料上形 成层叠结构，再转换为三维实体。
清华计算机组成原理课件09输入 输出设备
目 录
• 输入输出设备概述 • 常见的输入设备 • 常见的输出设备 • 输入输出设备的工作原理 • 输入输出设备的未来发展
01 输入输出设备概述
输入输出设备的定义与分类
定义
输入输出设备是计算机系统中用于与外部环境进行信息交互的部件，能够将外 部数据转换为计算机可识别的格式，或将计算机处理后的结果输出到外部环境。
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输入输出设备的发展趋势与未来展望
总结词
输入输出设备将朝着更加智能化、人性化、多样化的方向发展。
详细描述
随着人工智能、物联网等技术的不断进步，输入输出设备将更加智能化，能够更好地适应 不同用户的需求，提高人机交互的效率和体验。同时，新型输入输出设备将更加多样化， 为用户提供更多选择。
实例
智能家居控制系统可以通过语音、手势等多种方式控制家电，实现智能化管理。同时，随 着虚拟现实、增强现实等技术的发展，未来将有更多新型输出设备出现，提供更丰富、更 真实的感官体验。
计算机组成原理课件chap5-输入输出
5.2 I/O设备
一、概述
I/O
主 机 接 口 设备 控制器 机、电 磁、光 部分
外部设备
外部设备大致分三类 1. 人机交互设备 键盘、鼠标、打印机、显示器 2. 计算机信息存储设备 磁盘、光盘、磁带 3. 机 机通信设备 调制解调器等 计算机科学与工程系 12
二、输入设备
1. 键盘
5.2
按键
判断哪个键按下 将此键翻译成 ASCII 码 （编码键盘法）
状 态 线
(2) 数据线
(3) 命令线 (4) 状态线
命 设 令 备 线 选 择 线
I/O 接口
设备
计算机科学与工程系 17
2. 接口的功能和组成
功能
选址功能 传送命令的功能
5.3
组成
设备选择电路 命令寄存器、命令译码器
传送数据的功能
反映设备状态的功能 完成触发器 D
数据缓冲寄存器
设备状态标记
工作触发器 B
中断请求
5.5
INTR
D
Q
MASK
INTR 中断请求触发器
来自 CPU 的 中断查询信号
INTR = 1 有请求
MASK 中断屏蔽触发器 MASK = 1 被屏蔽
1 &
Q
D
受设备本身控制
D 完成触发器 计算机科学与工程系
26
2. 排队器
排队 软件 详见第八章
5.5
硬件 在 CPU 内或在接口电路中（链式排队器）
CPU 和 I/O 并行工作
现行程序
启动 I/O设 备
… …
K K+1
中 断 服 务 程 序
没有踏步等待现象 中断现行程序
计算机组成原理讲义
计算机组成原理讲义计算机组成原理是一门研究计算机硬件和软件协同工作的学科。
它研究计算机系统的组成、结构、工作原理和设计方法，涉及到计算机的各个层次、各个组成部分和各种操作。
计算机组成原理作为计算机科学和计算机工程的基础课程，对于理解计算机的工作原理和提高计算机系统设计和性能优化具有重要意义。
首先，计算机组成原理涵盖了计算机的硬件组成。
计算机的硬件部分主要包括中央处理器（CPU）、存储器、输入输出设备和总线等。
中央处理器是计算机的核心部件，又被称为计算机的大脑。
它包括算术逻辑单元（ALU）和控制单元（CU），负责执行指令、算术运算和逻辑运算等。
存储器用于存储数据和指令，分为主存储器（RAM）和辅助存储器（硬盘、固态硬盘等）。
输入输出设备用于与计算机交互，包括键盘、鼠标、显示器、打印机等。
总线用于连接计算机的各个组成部分，包括数据总线、地址总线和控制总线等。
了解计算机硬件组成，对于设计和优化计算机系统具有重要意义。
其次，计算机组成原理涉及计算机的工作原理。
计算机的工作原理主要包括数据的表示和存储、指令的执行和流水线技术等。
数据的表示和存储是计算机进行数据处理的基础。
计算机使用二进制表示数据，将数据存储在内存中。
指令的执行是计算机进行计算和逻辑操作的基本单元。
计算机通过解码和执行指令，对数据进行处理。
流水线技术是提高计算机执行效率的一种重要方法。
通过将指令执行分解成多个阶段，可以提高指令的吞吐量。
计算机组成原理对于理解计算机工作原理和提高计算机系统性能具有重要意义。
最后，计算机组成原理涉及计算机的设计方法。
计算机的设计方法包括指令系统的设计、组合逻辑电路的设计和微程序设计等。
指令系统的设计是计算机体系结构的基础，决定了计算机的功能和性能。
组合逻辑电路设计是实现计算机各个功能模块的基础，包括加法器、乘法器、寄存器和控制电路等。
微程序设计是实现指令的执行和控制的基础，将指令分解成微指令并存储在控制存储器中。
计算机组成原理(本全)ppt课件
定点数的加减法实现
通过硬件电路实现定点数的加减法，包括加 法器、减法器等。
浮点数的加减运算
浮点数的表示方法
包括IEEE 754标准中浮点数的表示方法、规格化表示 和精度。
浮点数的加减法规则
包括阶码和尾数的运算规则、对阶操作、尾数加减运 算和结果规格化等。
浮点数的加减法实现
通过硬件电路实现浮点数的加减法，包括浮点加法器 、浮点减法器等。
指令的执行过程与周期
指令执行过程
取指、译码、执行、访存、写回等阶段 。
VS
指令周期
完成一条指令所需的时间，包括取指周期 、间址周期、执行周期等。
07
中央处理器（CPU）
CPU的功能与组成
控制器
负责指令的取指、译码和执行，控制 数据和指令在CPU内部的流动。
运算器
执行算术和逻辑运算，包括加、减、 乘、除、与、或、非等操作。
多核处理器与并行计算
多核处理器
将多个处理器核心集成在一个芯片上，每个核心可以独立执行指令，提高处理器的并行 处理能力。
并行计算
利用多核处理器或多个处理器同时处理多个任务或数据，加速计算过程，提高计算效率 。
08
输入输出系统
I/O接口与I/O设备
I/O接口的功能
实现主机与外设之间的信息交换，包括数据 缓冲、信号转换、设备选择等。
乘法与除法运算
浮点数的乘除法运算
包括浮点数的乘法、除法和平方根运算等。
定点数的乘除法运算
包括原码一位乘法、补码一位乘法、原码除 法和补码除法等。
乘除法运算的实现
通过硬件组成与设计
运算器的基本组成
包括算术逻辑单元（ALU）、寄存器组、数据总线等。
运算器的设计原则
计算机组成原理课件 第5章输入输出B
第5章输入输出系统5.1 概述5.2 外部设备5.3 I/O 接口555.4 程序查询方式56DMA 5.5 程序中断方式5.6 DMA 方式5.5 程序中断方式55一、中断的概念中断：计算机执行程序过程中，若出现异常情况或者特殊请求，则计算机转向对异常情况或者特殊请求的处理，处理结束后再返回继续执行原程序。
中断提高了计算机的效率和效能。
中断提高了计算机的效率和效能实现中断功能所需的软硬件技术统称为中断技术。
一、中断的概念…中断入口1K 服务K +1…程序1Q中断入口2Q +1…服务程序2二I/O 5.5二、I/O 中断的产生I/O设备与主机交换信息时，由于外设速度低于CPU，CPU启动设备后，需要等待一段时间后才能交换信息，在外设做准备时，CPU继续执行现行程序在外设准备就绪并提出中断请执行现行程序，在外设准备就绪并提出中断请求之后，再暂时中断现行程序，转入I/O服务程序这就产生了中断程序，这就产生了I/O中断。
二、I/O 中断的产生 5.5以打印机为例CPU 与打印机并行工作执行主程序继续执行主程序继续执行主程序响中响应中断中断返回应中断断返回CPU 启动打印机传送数据传送数据发准备发打印打印中断请求中断请求打印机空闲接收数据接收数据5.5采用中断机制原因•低速外设就绪后提出中断请求；•应付突发事件的需要；•实时控制中响应外来信号的需要；•软件中断指令引起的中断为了实现中断，计算机系统中必须配有相应的为了实现中断计算机系统中必须配有相应的中断系统或者中断机构。
为了处理I/O中断，在I/O接口电路中必须配置相应的硬件电路，包括中断请求触发器、屏蔽触发器、排队器、中断向量地址形成部件等。
三、程序中断方式的接口电路程序中断方式接路每台外设配置个中断请求触发器INTR，其值为1每台外设配置一个中断请求触发器INTR，其值为1时表示设备向CPU提出中断请求；只有设备就绪时才能提出中断请求，即完成触发器D状态为1。
计算机组成原理(第2版)
1.1 计算机系统简介 1.2 计算机的基本组成
1.3 计算机硬件的主要技术指标
1.4 本书结构
1.1 计算机系统简介
一、 计算机的软硬件概念
1. 计算机系统
计 算 机 系 统 硬件 计算机的实体， 如主机、外设等 软件 由具有各类特殊功能 的信息（程序）组成
1.1
系统软件 用来管理整个计算机系统
[M] [ACC]
被乘数
MQ X
0
[X]×[MQ]
ACC
ACC∥MQ
④ 除法操作过程
ACC ALU X
运算器
1.2
指令
初态 除 M
MQ
ACC
[M]
被除数
X MQ
[ACC]÷[X]
余数在ACC中
(3)控制器的基本组成
完成 一条 指令 取指令 PC
1.2
取指 访存
执行 访存
CU
分析指令
执行指令
IR
CU
13
1B = 23b
辅存容量
1GB = 230b
1.4 本书结构
计算机
第１篇 概论
1.4 本书结构
计算机
存储器
I/O
第２篇 计算机系统的硬件结构
系统总线
CPU
1.4 本书结构
计算机
存储器
I/O
第３篇 CPU
系统总线
CPU
中央处理器
ALU
CU
CPU 内部互连
寄存器
1.4 本书结构
计算机
存储器
I/O
MIPS CPI
每秒执行百万条指令
执行一条指令所需时钟周期数
FLOPS 每秒浮点运算次数
3.存储容量
1.3 计算机硬件的主要技术指标
1.4 本书结构
1.1 计算机系统简介
一、 计算机的软硬件概念
1. 计算机系统
计 算 机 系 统 硬件 计算机的实体， 如主机、外设等 软件 由具有各类特殊功能 的信息（程序）组成
1.1
系统软件 用来管理整个计算机系统
[M] [ACC]
被乘数
MQ X
0
[X]×[MQ]
ACC
ACC∥MQ
④ 除法操作过程
ACC ALU X
运算器
1.2
指令
初态 除 M
MQ
ACC
[M]
被除数
X MQ
[ACC]÷[X]
余数在ACC中
(3)控制器的基本组成
完成 一条 指令 取指令 PC
1.2
取指 访存
执行 访存
CU
分析指令
执行指令
IR
CU
13
1B = 23b
辅存容量
1GB = 230b
1.4 本书结构
计算机
第１篇 概论
1.4 本书结构
计算机
存储器
I/O
第２篇 计算机系统的硬件结构
系统总线
CPU
1.4 本书结构
计算机
存储器
I/O
第３篇 CPU
系统总线
CPU
中央处理器
ALU
CU
CPU 内部互连
寄存器
1.4 本书结构
计算机
存储器
I/O
MIPS CPI
每秒执行百万条指令
执行一条指令所需时钟周期数
FLOPS 每秒浮点运算次数
3.存储容量
计算机组成原理 输入输出原理 优秀课件
需要更多硬件
14
通道方式
DMA方式的进一步发展，数据的传送方向、内存起始地址及传送的数据块长度等都由 独立于CPU的通道来进行控制，可进一步减少CPU的干预。 通道是一个具有特殊功能的处理器IOP 分担CPU的I/O 处理的功能 可实现外设的统一管理和DMA操作 大大提高CPU效率，更多的硬件
适合随机出现的服务 需要专门的硬件
13
直接内存访问DMA方式
中断方式用中断服务子程序完成数据交换
效率较低
一次中断仅传输少量数据，CPU开销大
不适合于成组数据交换
DMA用于成组交换数据的场合 硬件执行I/O交换
准备阶段和结束阶段需要占用CPU 传输阶段DMAC从CPU接管总线，直接在内存及外设之间进行，节约了中断开销
设备就绪 定时到 唤醒P1
用户进程P2
中断服务 P2 查询状态
进程调度 用户进程P1 实际传输
设备
设备准备数据
定时查询
11
中断控制方式
用户程序 CPU
启动设备 发送命令参数
设备就绪 轮询等待(busy-waiting) 实际传输
设备
设备准备数据
用户程序 独占查询
read wait(设备就绪) 系统调用 P1进等待队列
5
外围设备的定时方式
外围设备种类繁多，不同设备在速度上差异甚远，信号格式也不尽相同， 如何将不同速度的设备与高速运转的主机相连？如何同步?
输入输出设备与CPU交换数据的基本过程
输入过程 输出过程
6
输入输出过程
输入过程
CPU将一个地址放在地址总线上，选择设备 CPU等候输入设备的数据成为有效 CPU从数据总线读入数据
存操作数
21
14
通道方式
DMA方式的进一步发展，数据的传送方向、内存起始地址及传送的数据块长度等都由 独立于CPU的通道来进行控制，可进一步减少CPU的干预。 通道是一个具有特殊功能的处理器IOP 分担CPU的I/O 处理的功能 可实现外设的统一管理和DMA操作 大大提高CPU效率，更多的硬件
适合随机出现的服务 需要专门的硬件
13
直接内存访问DMA方式
中断方式用中断服务子程序完成数据交换
效率较低
一次中断仅传输少量数据，CPU开销大
不适合于成组数据交换
DMA用于成组交换数据的场合 硬件执行I/O交换
准备阶段和结束阶段需要占用CPU 传输阶段DMAC从CPU接管总线，直接在内存及外设之间进行，节约了中断开销
设备就绪 定时到 唤醒P1
用户进程P2
中断服务 P2 查询状态
进程调度 用户进程P1 实际传输
设备
设备准备数据
定时查询
11
中断控制方式
用户程序 CPU
启动设备 发送命令参数
设备就绪 轮询等待(busy-waiting) 实际传输
设备
设备准备数据
用户程序 独占查询
read wait(设备就绪) 系统调用 P1进等待队列
5
外围设备的定时方式
外围设备种类繁多，不同设备在速度上差异甚远，信号格式也不尽相同， 如何将不同速度的设备与高速运转的主机相连？如何同步?
输入输出设备与CPU交换数据的基本过程
输入过程 输出过程
6
输入输出过程
输入过程
CPU将一个地址放在地址总线上，选择设备 CPU等候输入设备的数据成为有效 CPU从数据总线读入数据
存操作数
21
第五章 计算机组成原理输入输出分析PPT课件
端口？接口？
二、接口的功能和组成
1. 总线连接方式的 I/O 接口电路
数
(1) 设备选择线
据 线
(2) 数据线
(3) 命令线
(4) 状态线
I/O 接口 设备
I/O 接口 设备
I/O总线 状 命设 态 令备 线 线选
择 线
数据线
地址线 CPU
命令线
状态线
I/O接口
数据缓冲 寄存器DBR
设备状态 标记
2. DMA 与主存交换数据的三种方式
(1) 停止 CPU 访问主存
外设要求传送一批数据时，由DMA接口向CPU发一个停止 信号，要求CPU放弃总线使用权，DMA接口获得总线控制权 后，开始数据传输。数据传送结束，将总线控制权交回给 CPU.
主存工作时间
t
CPU控制 并使用主存
CPU不执行程序
DMA控制 并使用主存
MASK = 1 被屏蔽
D 完成触发器
2. 排队器 排队 硬件 在 CPU 内或在接口电路中（链式排队器）
软件 通过软件查询顺序来实现
设备 1#、2#、3#、4# 优先级按 降序排列
1
0
0
INTP1 1
INTP2 1
INTP3 1
0
INTP4 1
& INTP1´ 1
1
&
INTR1
INTP2´ 0
所有指令执行过程中的一个基准时间
主存工作时间
t
DMA控制 并使用主存
设备工作 结束
输入数据
四、I/O 中断处理过程
1. CPU 响应中断的条件和时间
(1) 条件 CPU 允许中断触发器 EINT = 1
二、接口的功能和组成
1. 总线连接方式的 I/O 接口电路
数
(1) 设备选择线
据 线
(2) 数据线
(3) 命令线
(4) 状态线
I/O 接口 设备
I/O 接口 设备
I/O总线 状 命设 态 令备 线 线选
择 线
数据线
地址线 CPU
命令线
状态线
I/O接口
数据缓冲 寄存器DBR
设备状态 标记
2. DMA 与主存交换数据的三种方式
(1) 停止 CPU 访问主存
外设要求传送一批数据时，由DMA接口向CPU发一个停止 信号，要求CPU放弃总线使用权，DMA接口获得总线控制权 后，开始数据传输。数据传送结束，将总线控制权交回给 CPU.
主存工作时间
t
CPU控制 并使用主存
CPU不执行程序
DMA控制 并使用主存
MASK = 1 被屏蔽
D 完成触发器
2. 排队器 排队 硬件 在 CPU 内或在接口电路中（链式排队器）
软件 通过软件查询顺序来实现
设备 1#、2#、3#、4# 优先级按 降序排列
1
0
0
INTP1 1
INTP2 1
INTP3 1
0
INTP4 1
& INTP1´ 1
1
&
INTR1
INTP2´ 0
所有指令执行过程中的一个基准时间
主存工作时间
t
DMA控制 并使用主存
设备工作 结束
输入数据
四、I/O 中断处理过程
1. CPU 响应中断的条件和时间
(1) 条件 CPU 允许中断触发器 EINT = 1
计算机组成原理ppt课件
常见输入输出接口类型和特点比较
要点一
常见输入输出接口类型
要点二
特点比较
常见的输入输出接口类型包括PS/2接口、USB接口、HDMI 接口、DisplayPort接口、SATA接口等。
不同的输入输出接口类型具有不同的特点，如传输速度、支 持热插拔、连接方式等。例如，USB接口支持热插拔和即插 即用，而SATA接口则主要用于连接硬盘和光驱等存储设备。
定点数表示与运算方法
定点数表示方法
阐述定点数的表示方法，包括符号位、 数值位等，并介绍定点数的范围及精 度。
定点数加减运算
详细讲解定点数的加减运算方法，包 括补码加减运算等。
定点数乘除运算
介绍定点数的乘除运算方法，包括原 码乘除、补码乘除等算法。
定点数运算器的设计
阐述定点数运算器的设计原理和实现 方法，包括加法器、减法器、乘法器 和除法器等。
当中断发生时，计算机首先保存当前程序的执行状态，然后转去执行中断处理程序。中断处理程序执行完毕 后，计算机再返回原程序继续执行。这个过程需要由计算机的操作系统来管理和控制。
THANK YOU
指令系统设计原则和优化策略
有效性原则
指令系统应能有效地支持高级 语言的实现，提高程序执行效 率。
兼容性原则
新设计的指令系统应尽可能与 已有的指令系统保持兼容。
完备性原则
指令系统应满足程序设计的各 种需求，具备完备性。
规整性原则
指令系统应尽可能规整，简化 硬件实现和软件编程。
优化策略
采用流水线技术、超标量技术、 乱序执行技术等优化策略，提 高指令执行速度和效率。
高速缓冲存储器（Cache）原理及应用
Cache原理
Cache是一种高速缓冲存储器，它位于CPU和内存之间，用于存储CPU最近访问过的数 据和指令。通过Cache技术，可以提高CPU访问内存的效率和速度。
计算机组成原理-输入输出系统-电子工业出社--罗克露
IRQ Q
IRQ DC
TD TM
IRQ INT
低位
并行总线
发送部件
并—串 转换
传送数据 10110101
串行总线
接收 部件
接收部件
串—并 转换
三、接口的功能与分类
1、接口功能主要有4点： 寻址 数据缓冲 数据格式变换、电平转换 控制逻辑
2、接口分类 并行接口与串行接口 同步接口与异步接口 中断接口、DMA接口 等等
3、接口的主要部件组成：
数据缓冲器
设备地址识别线路
设备状态寄存器
主机命令字寄存器
数据格式转换
控制逻辑
0000
0000
7FFF 8000
FFFF
主存地址 空间
I/O 地址空间
例：统一编址方式
4、I/O接口（I/O设备） 的编址方式
主存地址 空间
（1） 统一编址方式 （2） 独立编址方式 FFFF
000 I/O
地址空间
3FF
例： 独立编址方式
一、主机与外设的连接模式
1、总线型 是微型计算机中最常用的系统结构形式，见
下图。
地址锁存器
地址总线
CPU 数据缓冲器
数据总线
总线控制器
控制总线
适
中 DMA 接口
主 断控
存
控 制 器
制 器
I/O 设备
接口 配 器
I/O 设备
外 围
设
备
优点： 结构简单、易于扩展、易于实现。 缺点： 信息吞吐量有限、速度较慢。
二、总线操作时序
1、同步控制方式
总线周期时钟ຫໍສະໝຸດ T1T2T3
T4
地址
读命令
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4. 输入 / 输出系统概述 5. 计算机的总线：总线构成 总线周期 运行方式 等待状态 6. 接口电路：接口电路的功能、 一般组成，串行口实例 7. 常用的输入/输出方式 8. 中断 和 DMA的 处理过程
输入/输出子系统 总线： 连接计算机各功能部件的 逻辑电路和连线，包括管理 信息传输规则的电路被称为 总线。
《计算机组成原理》电子课件
第5章 输入输出设备与 输入输出系统
重庆电大网址：
计算机硬件系统
控 制 器
第3章
运 算 器 入 出 接 口 和 总 线
第2章
高速缓存
主存储器 外存设备
第4章
输入设备 输出设备
第5章
第五章内容辅导
第五两章的教学内容占全部 教学内容的 20% 。 涉及概念性的知识比较多， 原理性的内容一般理解即可； 实用性的知识较多，有些线 路或设备组成实例，勿背。
第五章作业
第五章习题中的 第2题， 第 4题，第 9题， 第14题，第15题，第19题 第27题，第29题。 （8个作业题均必做）
附：使用串行接口的教学实验
(1) 教学实验计算机介绍 教学计算机上有串行接口， 8位并行与主机交换信息， 串行地和PC仿真终端通信， 用IN、OUT指令完成入出， 采用状态查询方式工作。
通用可编程接口电路
中断电路 (中断触发器,中断 屏蔽触发器 等) 电平转换及串行/并 行转换电路等
常用的输入/输出方式
程序直接控制方式(状态循环 查询) 简单，CPU效率低，CPU、外 设串行 程序中断传送方式 CPU利用效率略高，CPU、外 设并行
常用的输入/输出方式
直接内存访问方式 (DMA) 外设直接访问内存， CPU利 用率更高 I / O 通道控制方式 外围处理机方式
功能的程序，具体内容自己确定。
有关中断的概念与术语
中断源及分类: 内/外中断 中断优先级 中断请求 禁止(开/关)中断 中断屏蔽
软件中断 中断响应 中断嵌套
有关中断的概念与术语
中段处理过程: 关中断 保存断点和现场 判中断源并转入中断服务程序 开中断 执行中断服务程序 关中断 恢复现场和断点 开中断 返回断点
DMA 的概念与处理
DMA 是在高速外设和 主存储器之间自动成批 传送信息、以尽量减少 CPU 干预的入/出方式.
DMA 卡上应包括 通用接口卡的全部组成部分, 并多出如下内容: 主存地址寄存器，传送字数计数器 DMA 控制逻辑 : DMA 请求 DMA响应 DMA工作方式 DMA优先级及排队逻辑 等
一次完整的 DMA 传送过程
总线的等待状态： 增加的数据时间被称 为总线的等待状态。 影响系统的运行效率。
单总线和多总线结构
早期的计算机，如 DEC 公司的 PDP-11 只使用一组总线，包括数据总线， 地址总线，控制总线。 其优点是结构简单，成本低廉， 缺点是运行效率低。 总线 输入 输出
CPU
主存
设备
设备
多( 2 或 3 )总线结构
DMA 预处理 CPU 向 DMA 送命令, 如 DMA 方式， 主存地址，传送的字数等， 之后 CPU 执行原来的程序
DMA 控制在 I/O 设备与主 存间交换数据 准备一个数据, 向CPU发 DMA请求,取得总线控制权， 进行数据传送，修改卡上 主存地址，
修改字数计数器内且 检查其值是否为零, 不为零则继续传送， 若已为零，则向 CPU 发中断请求.
第五章内容概要
直控 中断 DMA， 总线 接口 与设备
主总 局部 慢扩展，周期 方式 等待催 识别 缓冲 和状态，控制 中断 等相随 一般组成 和 原理，显示 键盘 打印机
第
五
章
输入 / 输出系统 和 输入 / 输出设备 1. 输入 / 输出设备概述 2. 常用 输入设备组成与运行原理 : 终端 键盘 鼠标 3. 常用 输出设备组成与运行原理 : 终端 显示器 打印机（针式 喷墨式 激光）
当前计算机通常采用多总线结构
处理机总线 CPU
32MHz 4B~8B
主存 扩展总线 控制线路
二 总 线 结 构
ISA / EISA I/O设备1
8.33MHz
1,2,4B
I/O设备2
.....多( 2 或 3 )线结构处理机总线 CPU
66MHz 4B~8B
主存
PCI BUS
I/O设备3 ISA / EISA
几个概念及术语
三种总线： 数据总线：传输数据，速度与位数 地址总线：传输地址，位数 控制总线：指明总线周期的类型和 一次入/出操作完成的时刻等信息
几个概念及术语 总线周期的类型: 内存读 内存写 外设读 外设写 中断 和 DMA
几个概念及术语
总线周期：正 常 总 线 周 期： 一次地址时间和 一次数据时间 BURST总线周期： 一次地址时间和多次数据时间
PCI桥 33MHz 4B
I/O设备4 8.33MHz
三 总 线 结 构
接快速设备
扩展总线
控制线路
1,2,4B I/O设备1 I/O设备2
接慢速设备
.....
通用可编程接口电路
通 用 : 能有多种用法与入/出功能 可编程: 能通过指令指定接口的功能 和运行控制参数等
通用可编程接口电路
接口内的组成部分: 设备识别线路 数据缓冲寄存器（输入/输出） 控制寄存器 状态寄存器
（2）教学实验内容
在教学计算机已有监控程序， 串行口能正常运行，串行口的
端口地址:00(数据),01(状态)， 参照教材上已有的I/O程序例子，
设计用串口完成I/O操作的程序
（3）教学实验步骤
学懂教材中使用串行接口的程序， 学习查询串行口运行状态的方法，
用状态查询方式使用IN、OUT指令。 写出几个小的完成输入/输出操作