【北邮本科课件 计算机组成原理】第8章 输入输出系统
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第八章 输入输出系统《计算机组成原理课件》
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图8.4 中断处理示意图
21
图 8.5 中 断 处 理 过 程 的 详 细 流 程 图
22
流程图中应注意几点：
– 1、只有CPU转入公操作时才能接受中断请 求 – 2、需要保存PC，和当前CPU状态 – 3、在本次中断执行过程中，不能响应新的 中断，由“中断屏蔽”控制 – 4、中断由硬件和软件结合完成
(1) 先向I/O设备发出命令字，请求进行数据传送； (2) 从I/O接口读入状态字；
(3) 检查状态字中的标志，看看数据交换是否可以进行；
(4) 假如这个设备没有准备就绪，则第(2)、第(3)步重复进行，一直 到这个设备准备好交换数据，发出准备就绪信号“Ready”为止；
(5) CPU从I/O接口的数据缓冲寄存器输入数据，或者将数据从CPU 输出至接口的数据缓冲寄存器。与此同时，CPU将接口中的状态
–在各种类型的中断请求中： • 一般是故障引起的中断最优先； • 其次是简单中断及I/O程序中断。 –在I/O程序中断中： • 一般高速外设优先级高于低速外设的优先级； • 输入设备的优先级高于输出设备的优先级。
38
8.4 DMA访问方式
8.4.1 DMA的基本概念
直接内存访问(DMA)是一种完全由硬件执行I/O交
12
直接内存访问（DMA）方式——基本概念
直接内存访问（DMA）方式 – 是一种完全由硬件执行I/O交换的工作方式 – 工作过程：DMA控制器从CPU完全接管对总线的控 制，数据交换不经过CPU，而直接在内存和外围设 备之间进行，以高速传送数据
– 特点：数据传送速度很高，传送速率仅受到内存访 问时间的限制。与中断方式相比，需要更多的硬件。 DMA方式适用于内存和高速外围设备之间大批数据 交换的场合。
图8.4 中断处理示意图
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图 8.5 中 断 处 理 过 程 的 详 细 流 程 图
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流程图中应注意几点：
– 1、只有CPU转入公操作时才能接受中断请 求 – 2、需要保存PC，和当前CPU状态 – 3、在本次中断执行过程中，不能响应新的 中断，由“中断屏蔽”控制 – 4、中断由硬件和软件结合完成
(1) 先向I/O设备发出命令字，请求进行数据传送； (2) 从I/O接口读入状态字；
(3) 检查状态字中的标志，看看数据交换是否可以进行；
(4) 假如这个设备没有准备就绪，则第(2)、第(3)步重复进行，一直 到这个设备准备好交换数据，发出准备就绪信号“Ready”为止；
(5) CPU从I/O接口的数据缓冲寄存器输入数据，或者将数据从CPU 输出至接口的数据缓冲寄存器。与此同时，CPU将接口中的状态
–在各种类型的中断请求中： • 一般是故障引起的中断最优先； • 其次是简单中断及I/O程序中断。 –在I/O程序中断中： • 一般高速外设优先级高于低速外设的优先级； • 输入设备的优先级高于输出设备的优先级。
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8.4 DMA访问方式
8.4.1 DMA的基本概念
直接内存访问(DMA)是一种完全由硬件执行I/O交
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直接内存访问（DMA）方式——基本概念
直接内存访问（DMA）方式 – 是一种完全由硬件执行I/O交换的工作方式 – 工作过程：DMA控制器从CPU完全接管对总线的控 制，数据交换不经过CPU，而直接在内存和外围设 备之间进行，以高速传送数据
– 特点：数据传送速度很高，传送速率仅受到内存访 问时间的限制。与中断方式相比，需要更多的硬件。 DMA方式适用于内存和高速外围设备之间大批数据 交换的场合。
计算机组成原理第8章 输入输出系统
8.1 输入/输出系统概述
8.1.2 I/O设备的寻址方式
在独立编址方式中，主存地址空间和I/O端口地址空间是相对独 立的，分别单独编址。例如，在8086系统中，其主存地址范围是从 00000H～FFFFFH连续的1 MB，其I/O端口的地址范围从0000H～ FFFFH，它们互相独立，互不影响。CPU访问主存时，由主存读写 控制线控制；访问外设时，由I/O读写控制线控制，所以在指令系统 中必须设置专门的I/O指令。
8.3 程序中断方式
8.3.2 中断的工作过程
一个计算机系统包含多个中断源。由于中断产生的随机性， 使得有可能在某一时刻有多个中断源向CPU发出中断请求，但是 CPU在任意时刻只能响应并处理一个中断。
中断优先级判定的方法一般有两种：软件判优和硬件判优。
8.3 程序中断方式
8.3.2 中断的工作过程
读取外设状态字
程
外设准备就绪？
序 查
询
方
传送一次数据
式 的
工
修改传送数据
作
流
程
传送完否？
结束
8.2 程序查询方式
8.2.2 程序查询方式的接口
数
输 入 设 备
锁
据
存
缓
器
冲
器
三
R
态
DQ
缓 冲
器
地址 译码
8.2 程序查询方式
8.2.2 程序查询方式的接口
数
据
锁
存
器
地
输
址
出
译
设
码
备
R
QD
状 态 寄 存 器
8.3 程序中断方式
8.3.1 中断的基本概念
计算机组成原理第八章输入输出系统
计算机组成原理第八章输入输出系统1. 概述输入输出系统是计算机的重要组成部分，它负责处理计算机与外部设备之间的数据交换。
本文将介绍计算机组成原理第八章输入输出系统的相关内容。
2. 输入输出系统的基本概念输入输出系统是计算机与外设之间数据传输和控制的桥梁。
它由输入和输出两部分组成。
输入系统负责将外设传输的数据转换为计算机可识别的形式，输出系统则将计算机处理的数据转换为外设可识别的形式。
输入输出系统通常由输入输出设备、输入输出接口和输入输出控制器组成。
输入输出设备包括键盘、鼠标、扫描仪等，输入输出接口实现设备与计算机之间的数据传输，输入输出控制器负责控制输入输出接口的工作。
3. 输入输出系统的工作原理输入输出系统的工作可以分为五个阶段：命令传递、数据传送、缓冲操作、中断处理和错误处理。
命令传递阶段是指计算机向输入输出设备发送控制信息，包括读写命令、纠错命令等。
数据传送阶段是指计算机将数据从存储器传送到输入输出设备或将输入输出设备的数据传送到存储器。
缓冲操作阶段是指输入输出设备与计算机之间的数据缓冲区进行数据交换，以提高数据传输效率。
中断处理阶段是指在输入输出过程中，若发生异常情况会触发中断并由中断处理程序进行处理。
错误处理阶段是指在输入输出过程中，若发生错误会进行相应的错误处理操作。
4. 输入输出系统的分类输入输出系统可以根据数据传输方式进行分类，常见的分类有程序控制输入输出和直接存储器访问输入输出。
程序控制输入输出是指计算机通过控制程序来实现输入输出设备的数据传输和控制。
它的优点是控制灵活、适用范围广，但缺点是效率低，对计算机性能有较大的影响。
直接存储器访问输入输出是指计算机通过专门的输入输出控制器直接与存储器进行数据交换。
它的优点是效率高，不会对计算机性能产生较大影响，但缺点是硬件复杂，需要专门的输入输出控制器支持。
5. 输入输出系统的性能指标输入输出系统的性能指标主要包括响应时间、吞吐量和可靠性。
第八章-输入输出系统(共64张PPT)全文编辑修改
3、中断类型：
– 按中断产生的位置： • 外部中断：CPU以外的部件引起的中断。 外中断又可分为不可屏蔽中断和可屏蔽中断 两种。不可屏蔽中断优先级较高，常用于 应急处理，如掉电、内存读写校验错等。 可屏蔽中断级别较低，常用于一般I/O设 备的数据传送。
• 内部中断：由CPU内部硬件或软件引起的中 断，如单步中断、溢出中断。
路之前，还要受到屏蔽触发器的控制。
当MASK=1，表示对应中断源的请求被屏蔽。 当MASK=0，才允许对应中断源的请求参与排队判优
中断屏蔽寄存器的作用
INT
≥1
由程序 控制
中断屏蔽 0 1 0 1 0 1 0 1 寄存器 ＆
向 量 地 址
……
编 码 器
排 队 逻 辑
＆
＆
＆ 0 1 0 1 0 1 0 1 中断请求 寄存器
程序查询方式——程序流程图
设置计数值
修改计数器
设置内存缓冲区首址
比如指令系统中的软中断指令INT n。 中断处理次序和中断响应次序是两个不同的概念：
否
中断事件在提出中断请求的同时，通过硬件向主机提供中断服务程序的入口地址，即向量地址。 传送完？
CPU等候输入设备的数据成为有效
（2）数据通道中断源，也称直接启存动储外器设存放（DMA）操作。
3级
4级
则 只 需 使 中 断 屏 蔽 码 改 （1）一般的输入、输出外围设备。
一般是故障引起的中断最优先；
为： 第1级 1 1 1 1 （4）DMA传送速度快，CPU和外设并行工作，提高了系统的效率；
先由主机通过启动指令启动外设工作，启动后主机用测试指令不断查询外设工作状态，当输入设备处于准备好状态或输出设备处于空闲状态时，
计算机组成原理第8章 输入输出系统.ppt
2019年12月24日星期
二
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8.1 主机与外设的连接
计算机组成原理
1. 程序查询方式
这种方式控制简单，但外设和主机不能同时 工作，各外设之间也不能同时工作，系统效率很 低，因此，仅适用于外设的数目不多，对I/O处理 的实时要求不那么高，CPU的操作任务比较单一， 并不很忙的情况。
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二
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8.1 主机与外设的连接
计算机组成原理
(5) 传递控制命令和状态信息
当CPU要启动某一外设时，通过接口中的控 制命令寄存器向外设发出启动命令；当外设准备 就绪时，则有状态信息送回接口中的状态寄存器， 为CPU 提供反馈信息，告诉CPU，I/O设备已经 具备和CPU交换数据的条件。当外设向CPU提出 中断请求和DMA请求时，CPU也有相应的响应信 号反馈给外设。
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二
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8.1 主机与外设的连接
计算机组成原理
2.
程序中断在信息交换方式中处于最重要的地 位，它不仅允许主机和外设同时并行工作，并且 允许一台主机管理多台外设。但是完成一次程序 中断需要许多辅助操作，可能使CPU应接不暇； 另外，对于一些高速外设，由于信息交换是成批 的，如果处理不及时，可能会造成信息丢失，因 此，它主要适用于中、低速外设。
任意两个连续的8位端口可作为1个16位端口 处理；四个连续的8位端口可作为1个32位端口处 理。因此，I/O地址空间最多能提供64K个8位端 口、32K个16位端口、16K个32位端口或总容量 不超过64KB的不同端口的组合。
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二
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8.1 主机与外设的连接
计算机组成原理
80x86的专用I/O指令IN和OUT有直接寻址和 间接寻址两种类型。直接寻址I/O端口的寻址范围 为00～FFH，至多为256个端口地址。这时程序 可以指定：
第8章输入输出设备2PPT课件
8.2 输入输出接口 I/O接口的功能 1、实现数据缓冲 实现输入缓冲、输出锁存，协调CPU与外设在速度上的差异 2、执行CPU的命令 CPU对外设的各种命令以控制代码的形式发送到接口电路 3、向CPU返回外设的状态 为了控制CPU与外设之间的数据传送，接口电路还要向CPU提
供诸如数据寄存器“空”、“满”、“准备就绪”、“忙” 、“闲”等状态信号，并在CPU查询时反馈这些状态信息
➢ 外设的编址方式 • 独立编址（I/O映射方式） - 存储单元和I/O端口统一分开编址，各自有独立的地址空间 - 指令系统中设置了专用I/O指令来用访问I/O端口，通过指令
来区分寻址对象（I/O 还是Memory） - 优点：I/O端口不占用存储器空间；I/O端口数目不多，占用
地址线少，译码电路简单；I/O指令长度短，速度快 - 缺点： 专用I/O指令增加指令系统复杂性，且指令较少，程
I/O接口的功能 4、设备选择 外设接口应具有识别自我的能力，只有当CPU给出的端口地址
处于自己的地址范围内（即被选中），接口才与CPU交换信 息，否则不允许有任何操作 5、实现数据格式的转换 CPU与接口的数据传送是并行数据传送，而有的外设是串行数 据传送，因此接口应具有数据并行→串行或串行→并行的功 能
设的核心
8.3 主机与外设交换信息的方式 ➢ 计算机的基本功能之一是能够与外部设备交换信息 ➢ 主机与外设交换数据有5种方式 • 程序查询方式 • 程序中断方式 • 直接存储器访问（DMA）方式 • 通道方式 • 输入输出处理机（IOP）方式
程序查询方式
开始
• 工作原理：CPU查询外设是否 准备好。准备好交换数据，否则
I/O指令格式 • I/O设备统一编址时，指令系统中不设置专用的I/O指令，用
计算机组成原理第8章-输入输出系统
第八章输入输出系统8.1输入输出设备的编址方式8.2 总线结构8.2.1 概述总线是传送信息的通路，在计算机系统中使用的总线可分成3类：(1)计算机系统中各部件内部传送信息的通路。
例如：运算器内部寄存器与寄存器之间、寄存器与算术逻辑运算单元(ALU)之间的传送通路，通常称之为内部总线。
(2)计算机系统中各部件之间传送信息的通路。
例如CPU与主存储器之间，CPU与外设端口之间传送信息的通路，通常称之为“系统总线”。
(3)计算机多机系统内部各计算机之间传送信息的通路，通常称之为“机间总线”或“多机总线”。
本节中讨论的主要是CPU与外设接口之间的系统总线，又可称作输入输出总线，简称I／O总线。
提到总线，人们马上会想到它由许多条传输线构成，这些传输线的总条数称作总线的宽度，连接在一条总线上常常有多个设备或部件，因此常被称作共享总线或分时总线。
因为不管一条总线上连接了多少个设备，任何时候只能有两个设备利用总线进行通信，一是信息发送者，一是信息接收者。
于是就应该有一个部件来确定当前总线由哪两个设备来使用。
如果有多个部件申请使用总线时，还应该由它根据申请者的优先级别来确定使用总线的优先次序，所有这些功能要由总线控制逻辑来完成。
因此总线应该是由一定数量的传输线和总线控制器两部分构成。
总线控制器可以是集中式的，集中在某个部件内部，也可以是分散式的，分散在共享总线的多个部件中。
8.2.2总线的控制方式以集中式总线控制方式为例来说明常用的3种总线控制与仲裁方式。
1．串行链式查询方式采用串行链式查询方式来实现判优功能的连接图如图8－3所示。
从图8-3中可以看出，该总线上连接着多个部件，对各个部件来说，除了共享数据总线和地址总线外，还有3条控制线(构成控制总线)：总线请求信号线(BR)、总线忙信号线(BS)和总线认可信号线(BG)。
由于总线认可信号线对共享总线的多个部件来说形成了一条串行的链，故串行链式查询方式因此而得名。
计算机组成原理 第八章 输入输出系统
• 要求：不需要增加额外的 硬件电路。
• 应用： 适同在CPU不太忙 且传送速度要求不高时。
Байду номын сангаас开始
读取状态
数据准备好？
是
否
交换并处理一个数据
否 操作完成？
是 结束
2、程序中断方式
• 工作原理：在外设准备数据时， CPU执行与传送 数据无关的工作，外设在准备好数据后，主动向 CPU发送一个中断请求，当CPU执行完当前指令 后，停止当前程序的执行，自动转向中断服务程 序，在中断服务程序中，完成一个数据的传送， 之后中断返回至原来的断点处，继续执行。
基本概念——CPU和外围设备的定时
• CPU和外围设备的定时，分为三种情况：
◦ 慢速外围设备 ◦ 中速外围设备 ◦ 高速外围设备
基本概念——CPU和外围设备的定时
• 速度极慢或简单的外围设备：对于这类设备CPU 总是能足够快地作出响应，也可以说，CPU认为 输入的数据一直有效，在这种情况下，CPU只要 接受和发送数据就可以了。
基本概念——CPU和外围设备之间信息交换的方式
• CPU和外设之间信息交换的方式： ◦ 程序查询方式 ◦ 程序中断方式 ◦ 直接内存访问（DMA）方式 ◦ 通道方式
基本概念——CPU和外围设备之间信息交换的方式
1、程序查询方式
• 工作原理：CPU查询外设 已准备好后，才传送数据。
• 特点：CPU与外设间通过 程序同步，CPU被外设独 占，CPU效率低下。
• 特点：能独立地执行用通道指令编写的输入输出 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。
• 要求：需要具有特殊功能的处理器，某些应用中 称为输入输出处理器（IOP）。
• 应用： 适同在CPU不太忙 且传送速度要求不高时。
Байду номын сангаас开始
读取状态
数据准备好？
是
否
交换并处理一个数据
否 操作完成？
是 结束
2、程序中断方式
• 工作原理：在外设准备数据时， CPU执行与传送 数据无关的工作，外设在准备好数据后，主动向 CPU发送一个中断请求，当CPU执行完当前指令 后，停止当前程序的执行，自动转向中断服务程 序，在中断服务程序中，完成一个数据的传送， 之后中断返回至原来的断点处，继续执行。
基本概念——CPU和外围设备的定时
• CPU和外围设备的定时，分为三种情况：
◦ 慢速外围设备 ◦ 中速外围设备 ◦ 高速外围设备
基本概念——CPU和外围设备的定时
• 速度极慢或简单的外围设备：对于这类设备CPU 总是能足够快地作出响应，也可以说，CPU认为 输入的数据一直有效，在这种情况下，CPU只要 接受和发送数据就可以了。
基本概念——CPU和外围设备之间信息交换的方式
• CPU和外设之间信息交换的方式： ◦ 程序查询方式 ◦ 程序中断方式 ◦ 直接内存访问（DMA）方式 ◦ 通道方式
基本概念——CPU和外围设备之间信息交换的方式
1、程序查询方式
• 工作原理：CPU查询外设 已准备好后，才传送数据。
• 特点：CPU与外设间通过 程序同步，CPU被外设独 占，CPU效率低下。
• 特点：能独立地执行用通道指令编写的输入输出 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。
• 要求：需要具有特殊功能的处理器，某些应用中 称为输入输出处理器（IOP）。
计算机组成原理课件(第8章__输入输出系统)
1、定义 在这种方式中CPU需要根据外设的工作 状态来决定何时进行数据传送，它要 求CPU随时对接口状态进行查询，如果 接口尚未准备好，CPU必须等待，并进 行查询。如果已准备好，CPU才能进行 数据的输入输出，这就是程序查询方 式。
2、程序查询方式的数据传送过程 具体步骤： ①向外设发出命令字，请求数据传送； ②从外设状态字寄存器读入状态字； ③检查状态字中的各种约定标志，看数据交换是否 可以进行。 ④若外设就绪，则进行数据传送，否则，重复②、 ③两步，一直到该设备准备好交换数据，发出就 绪信号“READY”为止。 ⑤在数据传送的同时，CPU将I/O接口中的状态标志 复位
4．外围处理机方式 外围处理机(PPU)方式是通道方式的进一步发 展．由于PPU基本上独立于主机工作，它的结 构更接近一般处理机，甚至就是一般的微小型 计算机．在一些系统中，设置了多台PPU，分 别承担I／O控制、通信、维护诊断等任 务．从某种意义上说，这种系统已变成分布式 的多机系统
8.2 程序查询方式
2．程序中断方式
中断是外围设备用来“主动”通知 CPU ，准 备送出输入数据或接收输出数据的一种方 法．通常，当一个中断发生时， CPU 暂停它 的现行程序，而转向中断处理程序，从而可 以输入或输出一个数据．当中断处理完毕后， CPU 又返回到它原来的任务，并从它停止的 地方开始执行程序．这种方式和我们前述例 子的第二种方法相类似．可以看出，它节省 了 CPU宝贵的时间，是管理 I ／ O 操作的一个 比较有效的方法。中断方式一般适用于随机 出现的服务，并且一旦提出要求，应立即进 行．同程序查询方式相比，硬件结构相对复 杂一些，服务开销时间较大
8.3 程序中断方式
8.2.1 中断的基本概念 采用程序查询方式，当外设速度较低 时，CPU大量的时间用于无效的查 询．不能处理其他事务，也不能对其他 突发事件及时作出反应。如何使CPU既 能对突发事件作出及时响应，避免无效 的查询以提高效率呢?
2、程序查询方式的数据传送过程 具体步骤： ①向外设发出命令字，请求数据传送； ②从外设状态字寄存器读入状态字； ③检查状态字中的各种约定标志，看数据交换是否 可以进行。 ④若外设就绪，则进行数据传送，否则，重复②、 ③两步，一直到该设备准备好交换数据，发出就 绪信号“READY”为止。 ⑤在数据传送的同时，CPU将I/O接口中的状态标志 复位
4．外围处理机方式 外围处理机(PPU)方式是通道方式的进一步发 展．由于PPU基本上独立于主机工作，它的结 构更接近一般处理机，甚至就是一般的微小型 计算机．在一些系统中，设置了多台PPU，分 别承担I／O控制、通信、维护诊断等任 务．从某种意义上说，这种系统已变成分布式 的多机系统
8.2 程序查询方式
2．程序中断方式
中断是外围设备用来“主动”通知 CPU ，准 备送出输入数据或接收输出数据的一种方 法．通常，当一个中断发生时， CPU 暂停它 的现行程序，而转向中断处理程序，从而可 以输入或输出一个数据．当中断处理完毕后， CPU 又返回到它原来的任务，并从它停止的 地方开始执行程序．这种方式和我们前述例 子的第二种方法相类似．可以看出，它节省 了 CPU宝贵的时间，是管理 I ／ O 操作的一个 比较有效的方法。中断方式一般适用于随机 出现的服务，并且一旦提出要求，应立即进 行．同程序查询方式相比，硬件结构相对复 杂一些，服务开销时间较大
8.3 程序中断方式
8.2.1 中断的基本概念 采用程序查询方式，当外设速度较低 时，CPU大量的时间用于无效的查 询．不能处理其他事务，也不能对其他 突发事件及时作出反应。如何使CPU既 能对突发事件作出及时响应，避免无效 的查询以提高效率呢?
《计算机组成原理》8-输入输出系统
允许中断３
INTA &
&
&
允许中断４ &
&
&
&
1
1
1
1
INTR1
INTR2
INTR3
（ b） 串 行 优 先 链 中 断 排 队 线 路
INTR4
&
至下一级
≥1
INT
程序中断方式
2、中断的处理过程
✓ 软件排队的基本做法是：当CPU访问到 INT0
中
有中断请求时，则保留好中断断点后立
断 服
即进入软件排队程序的入口。从最高优
✓ 中断排队的实现 可以用硬件排队或软件排队两种方法来实现
➢ 硬件排队方式 硬件排队的基本特点是，优先级别高的中断源提出中 断请求后，就自动封锁优先级别较低的中断源的中断请求
➢ 软件排队方式 软件排队是通过编写查询程序实现的。
程序中断方式
2、中断的处理过程
➢ 硬排队方式 I N T R0
INTR1 1
程序直接控制方式
2、条件传送方式
✓ 通过程序查询接口中的状态来控制数据传送的方式，也被称为程序查询 方式。
✓ 程序查询方式中，在执行一次有效的数据传送操作之前，必须对外部设 备的状态进行查询，如果外部设备准备就绪，才能执行数据传送操作。
程序直接控制方式
2、条件传送方式
检查状态标记
N 准备就绪？ Y 执行数据传送
I/O接口
1、接口的概念
✓ 介于主机与外部设备之间的一种缓冲电路称为I/O接口电路，简称I/O接口
（Interface）
✓ 对于主机，I/O接口提供了外部设备的工作状态及数据；对于外部设备，I/O
计算机组成原理 第08章 总线与输入输出系统
6
8.2.1 总线类型与结构—-分类
按照总线连接对象在计算机系统中所处的层次不同 （位臵）
片内总线 系统总线 通信总线/I/O总线 并行总线 串行总线 专用总线 公用（共享）总线 同步总线 异步总线
7
按照总线中数据线的多少不同（传送信息）
按照总线的使用方式不同
按照总线的传输方式不同（定时）
2
8.1 总线与输入输出系统概述
任何模块间的信息（地址、数据、控制）都是 通过总线来传递的，总线成为了系统的中枢、 信息的通路，自然而然地成为影响系统性能的 一个重要的组成部分。
控制
地址
数据
系 统 总 线
CPU
Cache /主存
I/O 设备1
I/O 设备2
图8.1 利用单总线进行连接通信的计算机系统
11
33
66
8.2.1 总线类型与结构—的20条地址线时，允许寻 址的内存空间有多大？使用PCI总线的32条地 址线时，允许寻址的内存空间又有多大？ 解：
ISA总线内存空间=220个内存单元=1M个内存单元 PCI总线内存空间=232个内存单元=4G个内存单元
总线的标准化
为了充分发挥总线性能、保障兼容性、便于系 统组建，总线需要标准化。 总线标准：正式公布的工业标准和实际存在的 工业标准。符合某种标准的总线称为标准总线。 总线的标准化包括：各种特性、数据传输率、 通信协议、政策协议等一系列规定和约定。 典型的标准总线：ISA、EISA、PCI、PCI-E、 RS232、USB、1394等。同一标准可有多种版 本。
在串行异步通信中，采用了一种更为简单的通 信方式，即在串行异步通信总线中，既不用握 手信号，也没有时钟线，它利用收、发双方事 先约定的数据传输格式和传输速率来协调数据 的传输。 例如，RS232串行异步通信总线。
8.2.1 总线类型与结构—-分类
按照总线连接对象在计算机系统中所处的层次不同 （位臵）
片内总线 系统总线 通信总线/I/O总线 并行总线 串行总线 专用总线 公用（共享）总线 同步总线 异步总线
7
按照总线中数据线的多少不同（传送信息）
按照总线的使用方式不同
按照总线的传输方式不同（定时）
2
8.1 总线与输入输出系统概述
任何模块间的信息（地址、数据、控制）都是 通过总线来传递的，总线成为了系统的中枢、 信息的通路，自然而然地成为影响系统性能的 一个重要的组成部分。
控制
地址
数据
系 统 总 线
CPU
Cache /主存
I/O 设备1
I/O 设备2
图8.1 利用单总线进行连接通信的计算机系统
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8.2.1 总线类型与结构—的20条地址线时，允许寻 址的内存空间有多大？使用PCI总线的32条地 址线时，允许寻址的内存空间又有多大？ 解：
ISA总线内存空间=220个内存单元=1M个内存单元 PCI总线内存空间=232个内存单元=4G个内存单元
总线的标准化
为了充分发挥总线性能、保障兼容性、便于系 统组建，总线需要标准化。 总线标准：正式公布的工业标准和实际存在的 工业标准。符合某种标准的总线称为标准总线。 总线的标准化包括：各种特性、数据传输率、 通信协议、政策协议等一系列规定和约定。 典型的标准总线：ISA、EISA、PCI、PCI-E、 RS232、USB、1394等。同一标准可有多种版 本。
在串行异步通信中，采用了一种更为简单的通 信方式，即在串行异步通信总线中，既不用握 手信号，也没有时钟线，它利用收、发双方事 先约定的数据传输格式和传输速率来协调数据 的传输。 例如，RS232串行异步通信总线。
计算机组成原理第八章输入输出系统8.1
第8章
第8章 输入输出系统 主要内容： I/O系统，I/O接口 主机与外设信息交换方式（重点 是中断、DMA方式） 标准接口（SCSI、IEEE1394、 USB）
8.1 外设的定时方式与信息交换方式
8.1.1 外设的定时方式
I/O过程
•CPU送出地址→ABUS 选 择I/O设备 •CPU←→DBUS ←→接口对 应寄存器
操作类型
初
始
提供主存地址
化
信
地址计数
息
控制传送次数
交换量计数
传递请求
DMA 请求 中断
暂存交换数据 数据缓冲
提供外设地址 外设寻址
DMA控制器
接口
（3）DMA流程 传送操作类型、主存首址、
交换量、外设寻址信息
响应 成组方式
启动外设 a
继续程序
单字方式
一次DMA传送
地址+1 交换量-1
c 中断处理
a
10
8.1.3 信息传送(交换)控制方式
（2）查询流程
启动外设
外设工作完成？
N
Y
入/出操作
（3）优缺点 硬件开销小；实时处理能力差,并行程度低。 （4）应用场合 对CPU效率要求不高的场合，或诊断、调试过程。
8.1.3 信息传送8(.交1.换3)信控制息方传式送(交换)控制方式
2.程序中断方式 （1）中断的引入
CAI
5.外围处理机方式(PPU方式) 是通道方式的进一步扩展，外围处理机基本独
立于主机工作。
8.1 外设的定时方式与信息交换方式
8.1.3 信息传送(交换)控制方式
信息交换控制方式
直接程序传送方式（程序查询） 程序中断方式 直接存储器存取方式(DMA) 通道控制方式 外围处理机方式(PPU方式)
计算机组成原理白中英第八章输入输出系统PPT课件
• 中断技术的出现，提供了一种以响应外部 异常事件而改变状态流程的有效手段，它 支持了多重程序的运行及多个用户同时共 享整个计算机资源，充分发挥了计算机的 高速处理和实时处理能力，以及自动处理 机内部故障的能力。
2020/8/18
15
程序中断方式——基本概念
• 中断的基本概念 – 中断问题的提出 – 中断类型 – 多重中断和单级中断 – 中断的功能
– 在选定的输入输出设备和CPU之间进行数据 交换。
2020/8/18
3
• 输入输出设备和CPU交换数据的过程：
– 输入过程：
• CPU把一个地址值放在地址总线上，这一步将选 择一个输入设备
• CPU等候输入设备的数据成为有效
• CPU从数据总线上读入数据，并放在一个相应的 寄存器中
– 输出过程：
7
启动
CPU接收外设 一批数据字的过程:
N
就绪?
Y
传送一个字
CPU发响应信号
2020/8/18
复位就绪
传送完? N Y
结束
8
基本概念——CPU和外围设备的定时
• 高速外围设备：CPU和这类设备之间通 常采用同步定时方式，一旦CPU和外设 发生同步，他们之间的数据交换用时钟 控制来进行。
1)同步定时方式 CPU以等间隔的速率执行I/O指令。 靠时钟脉冲控制进行。
主要由程序实现
主要由附加硬件实现
2020/8/18
11
程序查询方式——基本概念
• 程序查询方式：通过由I/O指令所编的程序，
来控制主机与外设之间的信息传送。
• 工作过程：先由主机通过启动指令启动外设
工作，启动后主机用测试指令不断查询外设工 作是否完成，一旦外设工作完成，就可进行数 据传送了。
2020/8/18
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程序中断方式——基本概念
• 中断的基本概念 – 中断问题的提出 – 中断类型 – 多重中断和单级中断 – 中断的功能
– 在选定的输入输出设备和CPU之间进行数据 交换。
2020/8/18
3
• 输入输出设备和CPU交换数据的过程：
– 输入过程：
• CPU把一个地址值放在地址总线上，这一步将选 择一个输入设备
• CPU等候输入设备的数据成为有效
• CPU从数据总线上读入数据，并放在一个相应的 寄存器中
– 输出过程：
7
启动
CPU接收外设 一批数据字的过程:
N
就绪?
Y
传送一个字
CPU发响应信号
2020/8/18
复位就绪
传送完? N Y
结束
8
基本概念——CPU和外围设备的定时
• 高速外围设备：CPU和这类设备之间通 常采用同步定时方式，一旦CPU和外设 发生同步，他们之间的数据交换用时钟 控制来进行。
1)同步定时方式 CPU以等间隔的速率执行I/O指令。 靠时钟脉冲控制进行。
主要由程序实现
主要由附加硬件实现
2020/8/18
11
程序查询方式——基本概念
• 程序查询方式：通过由I/O指令所编的程序，
来控制主机与外设之间的信息传送。
• 工作过程：先由主机通过启动指令启动外设
工作，启动后主机用测试指令不断查询外设工 作是否完成，一旦外设工作完成，就可进行数 据传送了。
《计算机组成原理》输入输出系统PPT课件
接口管理程序
将用户编制的程序（或数据）输入主机内 将运算结果返回给用户 实现I/O系统与主机之间协调地工作
输入/输出设备
2020/2/27
3
CPU 和 主存
2020/2/27
外存设备接口 显示/声音设备接口
工业控制接口 通信设备接口 输入设备控制器 输出设备控制器
硬盘、磁盘、磁带、光盘 显示器、音箱 数/模、模/数转换器 调制解调器、网卡 键盘、鼠标、光笔 激光打印机、针式打印机
CPU直接接收或发送数据。
② 慢速或中速的外围设备 如：键盘、显示器
采用异步定时方式，或称为应答式数据交换；
询问信号 应答信号
CPU与外设之间通过两个相互的联络信号来决定开始数据传 送的时间。
③ 高速的外围设备 如：主存、辅存
采用同步定时方式；
由时钟脉冲控制
CPU以等间隔的速率执行输入／输出指令。
硬件要求 需要附加的中断控制电路。
特点 外界中断请求是随机的。 一定程度上实现了CPU和外设的并行工作；而程序查询方式是串行工作。 中断操作过程增加了软硬件的开销，且每次数据传送只能传送一个字或 一个字节的数据，数据传送效率低。
适用场合 CPU与慢速外设之间的数据传送。
2020/2/27
16
多设备的程序查询流程
CPU需要传送数据时 ①逐次查询各设备的状态字； ②若就绪，则执行相应的传送程序； ③若未就绪，则查询下一设备；
不循环等待某一设备；
④重复检查完所有设备，返回。 特点
优先权控制灵活；
改变查询顺序修改设备的优先权；
CPU工作效率低；
2020/2/27
17
8.3 程序中断方式
2020/2/27
将用户编制的程序（或数据）输入主机内 将运算结果返回给用户 实现I/O系统与主机之间协调地工作
输入/输出设备
2020/2/27
3
CPU 和 主存
2020/2/27
外存设备接口 显示/声音设备接口
工业控制接口 通信设备接口 输入设备控制器 输出设备控制器
硬盘、磁盘、磁带、光盘 显示器、音箱 数/模、模/数转换器 调制解调器、网卡 键盘、鼠标、光笔 激光打印机、针式打印机
CPU直接接收或发送数据。
② 慢速或中速的外围设备 如：键盘、显示器
采用异步定时方式，或称为应答式数据交换；
询问信号 应答信号
CPU与外设之间通过两个相互的联络信号来决定开始数据传 送的时间。
③ 高速的外围设备 如：主存、辅存
采用同步定时方式；
由时钟脉冲控制
CPU以等间隔的速率执行输入／输出指令。
硬件要求 需要附加的中断控制电路。
特点 外界中断请求是随机的。 一定程度上实现了CPU和外设的并行工作；而程序查询方式是串行工作。 中断操作过程增加了软硬件的开销，且每次数据传送只能传送一个字或 一个字节的数据，数据传送效率低。
适用场合 CPU与慢速外设之间的数据传送。
2020/2/27
16
多设备的程序查询流程
CPU需要传送数据时 ①逐次查询各设备的状态字； ②若就绪，则执行相应的传送程序； ③若未就绪，则查询下一设备；
不循环等待某一设备；
④重复检查完所有设备，返回。 特点
优先权控制灵活；
改变查询顺序修改设备的优先权；
CPU工作效率低；
2020/2/27
17
8.3 程序中断方式
2020/2/27
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N 主程序
外设n ready=1？
N
Y
外设n 服务子程序
计算机学院体系结构中心
15
8.3 程序中断方式
16
中断的概念
中断（Interrupt）是指CPU暂时中止现行 程序，转去处理随机发生的紧急事件，处 理完后自动返回原程序的功能和技术
中断系统是计算机实现中断功能的软硬件 总称，一般包括：
在CPU中设置的中断机构 在系统中设置的中断控制器 在软件上设置相应的中断服务程序
中
中
外设工作 中 断 请
断
服 务
外设工作 中 断 请
断
服 务
求
求
CPU工作
CPU工作
CPU主程序 中
中断请求
应 响
断 服
务
程
返
序
回
t
计算机学院体系结构中心
10
3. DMA方式
直接存储器访问DMA （Direct Memory Access）方式是为在
主存储器与I／O设备间高速交换批量数据而设置的。
计算机学院体系结构中心
4
输入/输出操作的两个传输阶段
数据口
数据
状态信号 外
CPU
状态口
设
控制信号 控制口
可编程芯片
1. CPU与I/O接口之间的数据传送 2. I/O接口与外设间的数据传送
计算机学院体系结构中心
CPU与外设之间的定时
外设种类繁多，存在以下几种情况：
不同种类的外设数据传输速率差别很大 同一种设备在不同时刻传输速率也可能不同
数据通道中断。如磁盘、磁带等要同主机进行数据交 换等
实时时钟中断
故障中断。例如电源掉电、设备故障等要求CPU进行 紧急处理等
系统中断。如运算过程出现溢出、数据格式非法，数 据传送过程出现校验错，控制器遇到非法指令等等
为了调试程序而设置的中断
计算机学院体系结构中心
19中Leabharlann 处理过程中断请求 中断排队与判优 中断响应
时，响应中断请
⑨
③
求 ⑧
⑧ ⑦
计算机学院体系结构中心
21
中断源的识别
如何确定哪一个中断源发出的中断请求，并转 入被响应的中断服务程序入口地址，是中断处 理必须要解决的问题
识别中断源：
1. 在单级中断中，采用串行排队链法来实现具有公 共请求线的中断源判优识别
2. 采用中断控制器，识别哪个设备发出的中断
转中断服务程序：
1. 预先规定中断服务程序的入口地址 2. 采用中断向量，通过查表方式找到入口地址
计算机学院体系结构中心
22
基于中断向量的中断源识别
外设1的 中断服 务程序
基本思想是：通过硬件控制实现主存与I／O设备间的直接数
据传送，在传送过程中无需CPU的干预。数据传送是在DMA控
制器控制下进行的
优点：速度快
DMA通道
D0-D7
Data Bus
CPU
INTR
A0-A9
IOR IOW
存储 器
DMA控 制器
外设
计算机学院体系结构中心
11
4. 通道方式
存储与控制
C
选择
计算机学院体系结构中心
17
中断方式的典型应用
以中断方式实现CPU与外界进行信息交换 的握手联络，实现CPU与外设的并行工作
故障处理 实时处理 程序调度 软中断（程序自愿中断 ）
计算机学院体系结构中心
18
中断源
中断源：能够向CPU发出中断请求的事件（部件）
常见中断源有：
输入、输出设备中断。如键盘、打印机等工作过程中 已做好接收或发送准备
第8章 输入输出系统
1
8.1 外围设备的定时方式和
信息交换方式
2
Control Datapath Computer
计算机组成
Input Memory
Output
Datapath: 完成算术和逻 辑运算，通常包括其中的 寄存器。
Control: CPU的组成部分， 它根据程序指令来指挥 datapath， memory以及 I/O运行，共同完成程序 功能。
计算机学院体系结构中心
7
CPU与外设之间的数据传送式
程序查询（Polling）方式
程序中断方式 直接存储器存取（DMA：Direct Memory
Access ）方式 通道方式
计算机学院体系结构中心
8
1. 程序查询方式
最简单的输入输出方式 程序根据查询到的外设状态控制数据何时进行
输入输出操作 特点是：
RD
地址 状态寄存器 数据寄存器 命令寄存器 译码
WE 器
N
外设状态 外设数据 外设控制信号
N
启动外设
读外设状态
Ready? Y
传送数据
完成?
Y
计算机学院体系结构中心
14
多台外设的程序查询过程
主程序
调用查询程序
外设1 ready=1？
Y
外设1 服务子程序
N
外设2 ready=1？
Y
外设2 服务子程序
Memory: 存放运行时程序 及其所需要的数据的场所。
Input: 信息进入计算机的 设备，如键盘、鼠标等。
Output: 将计算结果展示 给用户的设备，如显示器、 磁盘、打印机、喇叭等。
计算机学院体系结构中心
3
输入输出系统的组成
I/O设备(外围设备) I/O接口 I/O设备控制器 I/O管理软件（驱动程序）
CPU需要不断地查询并等待相对慢速的外设 效率低，CPU与外设不能并行工作 接口电路简单，硬件开销小
计算机学院体系结构中心
9
2. 程序中断方式
当外设需要CPU服务时，通过接口向CPU发出中断请 求。CPU在当前机器指令执行完毕后暂停正在执行的
主程序，转去执行中断服务程序，待中断服务程序执 行完毕，再返回到原程序继续执行。
高速的CPU与速度参差不齐的外设怎样在 时间上同步呢？
解决办法时在CPU和外设之间数据传送时选 择适当的定时方式
计算机学院体系结构中心
6
CPU与外设之间的定时种类
速度极慢或简单的外设
CPU只需要接收或者发送数据即可，即无条 件传送方式
慢速或者中速的设备
可以采用异步传送（即：应答）方式
高速外设
采用同步传送方式
暂时中断现行程序的执行，发 出中断响应信号
保存断点 关中断 查找中断源，获取中断服务程
序入口地址
中断处理
保护现场 中断服务
恢复现场与中断返回
计算机学院体系结构中心
20
程序中断方式基本接口
RD：准备就绪
EI：允许中断
①
②
BS：忙
⑩
IM：中断屏蔽
④
IR：中断请求 Q
⑤
当EI=1，IM=0 ⑥
P
通道
U
系
主
统 总 线
数组多路 通道
存
储
字节多路
器
通道
I/O总线
硬盘驱动 控制器
磁带机 控制器
硬盘驱动 控制器
I/O总线
磁带机 控制器
I/O总线
键盘 接口
打印机 接口
硬盘驱动 控制器
磁带机 控制器
打印机 接口
计算机学院体系结构中心
12
8.2 程序查询方式
13
1. 查询传送方式
总线
地址线 数据线
外设接口