输入输出系统
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第 6 章 输入输出系统
2014-4-22 10
4. 对I/O系统的基本要求
• ⑴ I/O系统应面向操作系统，对用户透明。 • 例如：如何确定I/O系统的软、硬件功能分 配及操作系统的界面；如何连接外设；如何 建立外设与主存/CPU之间的数据通路；如 何支持I/O操作与其他操作的并行执行。 • ⑵ 尽量减少系统瓶颈，保证系统的信息流 量平衡。 • 信息流量：单位时间内所能传送的信息量。
2014-4-22 30
目标
(2)信息逐渐稳定。 (4)接收信息。 (5)发出信息，表示 已经接收应答信号。
(8)复位应答信号。
6.2.3 总线的定时与同步方式（略）
• 总线上信号的有效期间由总线的定时信号确定， 总线的定时信号有同步、半同步和异步三种方式。 • ⑴ 同步方式 • 总线的各信号必须在某个时刻发出。 • 在同步方式下，总线上的所有设备的数据传输在 一个共同的时钟信号控制下进行。总线的操作的 所有信号与时钟的关系是固定的，主模块和从模 块之间没有应答信号。 • 同步方式适用于系统中各模块各种总线操作的速 度固定而且一致的场合，如CPU和存储器之间的局 部总线。
第 6 章
输入/输出系统结构
2014-4-22
1
本章学习内容
• I/O系统的特点及信息控制方式 • 总线及其控制方式 • I/O通道及其控制方式 • I/O处理机
2014-4-22
2
6.1 I/O系统概述 • 1. I/O系统的主要作用 • ⑴ 选择I/O设备 • ⑵ 控制I/O设备与CPU和主存之间的数 据传送以及对外设进行操作。
2014-4-22
27
常用的总线释放方式
• ① 用完后立即释放：每次总线操作完成时释放， 下次使用时需重新申请。 • ② 有新请求时释放：有其它模块请求时才释放。 如单机系统中的CPU。 • ③ 强占时释放：当有优先权高的模块请求时释放。 用于强制中断总线上的数据块传输操作。
4. 对I/O系统的基本要求
• ⑴ I/O系统应面向操作系统，对用户透明。 • 例如：如何确定I/O系统的软、硬件功能分 配及操作系统的界面；如何连接外设；如何 建立外设与主存/CPU之间的数据通路；如 何支持I/O操作与其他操作的并行执行。 • ⑵ 尽量减少系统瓶颈，保证系统的信息流 量平衡。 • 信息流量：单位时间内所能传送的信息量。
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目标
(2)信息逐渐稳定。 (4)接收信息。 (5)发出信息，表示 已经接收应答信号。
(8)复位应答信号。
6.2.3 总线的定时与同步方式（略）
• 总线上信号的有效期间由总线的定时信号确定， 总线的定时信号有同步、半同步和异步三种方式。 • ⑴ 同步方式 • 总线的各信号必须在某个时刻发出。 • 在同步方式下，总线上的所有设备的数据传输在 一个共同的时钟信号控制下进行。总线的操作的 所有信号与时钟的关系是固定的，主模块和从模 块之间没有应答信号。 • 同步方式适用于系统中各模块各种总线操作的速 度固定而且一致的场合，如CPU和存储器之间的局 部总线。
第 6 章
输入/输出系统结构
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1
本章学习内容
• I/O系统的特点及信息控制方式 • 总线及其控制方式 • I/O通道及其控制方式 • I/O处理机
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6.1 I/O系统概述 • 1. I/O系统的主要作用 • ⑴ 选择I/O设备 • ⑵ 控制I/O设备与CPU和主存之间的数 据传送以及对外设进行操作。
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常用的总线释放方式
• ① 用完后立即释放：每次总线操作完成时释放， 下次使用时需重新申请。 • ② 有新请求时释放：有其它模块请求时才释放。 如单机系统中的CPU。 • ③ 强占时释放：当有优先权高的模块请求时释放。 用于强制中断总线上的数据块传输操作。
输入输出系统简称IO系统(与“系统”有关的文档共6张)
第六章 输入/输出系统
6.1 引 言
1. 输入/输出系统简称I/O系统
包括： I/O设备 I/O设备与处理机的连接
2. I/O系统的重要性
◆ 完成与外部系统的信息交换，是Von Neumann
结构计算机的重要组成部分之一。 ◆ 衡量指标
第一页，共6页。
1／6
6.1 引 言
响应时间（Response Time）
够减少系统响应时间。 仍然会导致CPU处于空闲状态。 CPU性能浪费在I/O上。
第三页，共6页。
3／6
6.1 引 言
例6.1 假设一台计算机的I/O处理占10％，当其CPU性 能改进，而I/O性能保持不变时，系统总体性能会出现什 么变化？
如果CPU的性能提高10倍 如果CPU的性能提高100倍
仍I/O然设会备导与致处C理P机U处的于连空接闲◆状态可。 切换的进程数量有限，当I/O处理较慢时，
◆ 完成与外部系统的信息交换，是Von Neumann
仍然会导致CPU处于空闲状态。 ◆ 完成与外部系统的信息交换，是Von Neumann
结构计算机的重要组成部分之一。 1 I/O系统性能与CPU性能 如果CPU性能提高100倍，程序的计算时间为： CPU性能浪费在I/O上。 ◆ 多进程技术只能够提高系统吞吐率，并不能
解：假设原来的程序执行时间为1个单位时间。如果 CPU的性能提高10倍，程序的计算（包含I/O处理）时 间为：
(1 - 10%)/10 + 10% = 0.19
第四页，共6页。
4／6
6.1 引 言
即整机性能只能提高约5倍，差不多有50％的
CPU性能浪费在I/O上。 如果CPU性能提高100倍，程序的计算时间为： (1 - 10%)/100 + 10% = 0.109
6.1 引 言
1. 输入/输出系统简称I/O系统
包括： I/O设备 I/O设备与处理机的连接
2. I/O系统的重要性
◆ 完成与外部系统的信息交换，是Von Neumann
结构计算机的重要组成部分之一。 ◆ 衡量指标
第一页，共6页。
1／6
6.1 引 言
响应时间（Response Time）
够减少系统响应时间。 仍然会导致CPU处于空闲状态。 CPU性能浪费在I/O上。
第三页，共6页。
3／6
6.1 引 言
例6.1 假设一台计算机的I/O处理占10％，当其CPU性 能改进，而I/O性能保持不变时，系统总体性能会出现什 么变化？
如果CPU的性能提高10倍 如果CPU的性能提高100倍
仍I/O然设会备导与致处C理P机U处的于连空接闲◆状态可。 切换的进程数量有限，当I/O处理较慢时，
◆ 完成与外部系统的信息交换，是Von Neumann
仍然会导致CPU处于空闲状态。 ◆ 完成与外部系统的信息交换，是Von Neumann
结构计算机的重要组成部分之一。 1 I/O系统性能与CPU性能 如果CPU性能提高100倍，程序的计算时间为： CPU性能浪费在I/O上。 ◆ 多进程技术只能够提高系统吞吐率，并不能
解：假设原来的程序执行时间为1个单位时间。如果 CPU的性能提高10倍，程序的计算（包含I/O处理）时 间为：
(1 - 10%)/10 + 10% = 0.19
第四页，共6页。
4／6
6.1 引 言
即整机性能只能提高约5倍，差不多有50％的
CPU性能浪费在I/O上。 如果CPU性能提高100倍，程序的计算时间为： (1 - 10%)/100 + 10% = 0.109
西安电子科技大学_计算机组成原理第7章输入输出IO系统_课件PPT
9
7.2 外部设备：习题
设一个磁盘盘面共有200个磁道，盘面总存储容量 60MB，磁盘旋转一周的时间为25ms，每磁道有8个扇 区，各扇区间有一间隙，磁头通过每个间隙需1.25ms。 则磁盘通道所需最大传输率是_____。
A. 10MB/s
B. 60MB/s
C. 83.3MB/s D. 20MB/s
14
7.3 I/O接口(I/O控制器)：习题
在统一编址的情况下，就I/O设备而言，其对应的I/O 地址说法错误的是_____。 A. 要求固定在地址高端 B. 要求固定在地址低端 C. 要求相对固定在地址的某部分 D. 可以随意在地址的任何地方
7 第 章 输入输出(I/O)系统
7.4 I/O方式
2021年9月3日 21:40:22
7.4 I/O方式
程序查询方式 实现简单；CPU与I/O设备只能串行工作。
程序中断方式 中断的基本类型 按中断源的位置： 内中断 外中断 如何得到中断服务程序的入口地址： 向量中断: 由中断事件自己提供(硬件向量法) 非向量中断：由CPU查询得到(软件查询法)
19
7.4 I/O方式
程序中断方式
中断的过程：
中断请求：由中断源发出
中断响应：每条指令执行阶段结束前，未屏蔽
断点保护（硬件完成） 中断判优
PUSH PSW 关中断: IF=0; TF=0
中断源识别
PUSH CS
获得中断服务程序首地址 PUSH IP
中断处理
PUSH regs STI （选） 中断处理
一台字符显示器的VRAM中存放的是_____。
A. 显示字符的ASCII码
B. BCD码
C. 字模
D. 汉字内码
7.2 外部设备：习题
设一个磁盘盘面共有200个磁道，盘面总存储容量 60MB，磁盘旋转一周的时间为25ms，每磁道有8个扇 区，各扇区间有一间隙，磁头通过每个间隙需1.25ms。 则磁盘通道所需最大传输率是_____。
A. 10MB/s
B. 60MB/s
C. 83.3MB/s D. 20MB/s
14
7.3 I/O接口(I/O控制器)：习题
在统一编址的情况下，就I/O设备而言，其对应的I/O 地址说法错误的是_____。 A. 要求固定在地址高端 B. 要求固定在地址低端 C. 要求相对固定在地址的某部分 D. 可以随意在地址的任何地方
7 第 章 输入输出(I/O)系统
7.4 I/O方式
2021年9月3日 21:40:22
7.4 I/O方式
程序查询方式 实现简单；CPU与I/O设备只能串行工作。
程序中断方式 中断的基本类型 按中断源的位置： 内中断 外中断 如何得到中断服务程序的入口地址： 向量中断: 由中断事件自己提供(硬件向量法) 非向量中断：由CPU查询得到(软件查询法)
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7.4 I/O方式
程序中断方式
中断的过程：
中断请求：由中断源发出
中断响应：每条指令执行阶段结束前，未屏蔽
断点保护（硬件完成） 中断判优
PUSH PSW 关中断: IF=0; TF=0
中断源识别
PUSH CS
获得中断服务程序首地址 PUSH IP
中断处理
PUSH regs STI （选） 中断处理
一台字符显示器的VRAM中存放的是_____。
A. 显示字符的ASCII码
B. BCD码
C. 字模
D. 汉字内码
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，
计算机原理 第六章输入输出系统
1
2
3
为保证总线所传输的信息的有效性，总线 信息应具有单一性：在同一时刻至多只能有一 个部件向总线发送信息，但可以有多个部件同 时接收总线信息。
1. 总线电路： 输出挂在总线上的部件需通过“总线电路” 向总线发送信息。
总线电路由三态输出器件（TSL器件）承担。 input TSL control output
1. ISA总线：用于IBM PC/XT 微机系统，(8086)，一共６２根信号线， 其中２０根地址线，８根数据线，４个读写信号，６个中断请求线，３ 路ＤＭＡ请求，还包括时钟、电源线和地等，总线带宽 8.33 MB/s。
２．EISA总线 （80386）， 数据线扩展到了３２位，带宽达到了33.3MB/s。 3. PCI总线：（Peripheral component interconnection）（外围部 件互连） 总线频率为33 MHZ→66MHZ→133MHZ, 可以直接连接高速外部 设备。 同步时序总线，对地址信号和数据信号分时复用， 64根线，采用集中式的总线仲裁方式。 ４．AGP总线（加速图形接口总线） AGP总线把主存和显存连接起来，不再走PCI总线。 ５．USB总线（通用串行总线）主要用于连接低速输入输出设备。 带宽为1.5MB/s。
3. 控制总线CB（Control Bus） 控制总线用来传送各类控制/状态信号。
包括I/O读写命令，MEMR/W存储器读写命令，应答信号，总线请求与 总线使用信号，复位信号，时钟信号等。
4. 电源线
许多总线标准中都包含了电源线的定义，主要有+5V逻辑电源；GND逻 辑电源地；-5V辅助电源；±12V辅助电源。
２．计数器查询方式
在计数器查询方式中，总线上的任一设备申请使用总线时，通过 BR线发出总线请求。
第7章 输入输出系统与接口
计算机通过输入设备获取来自外部的信息。 计算机通过输出设备把处理结果显示出来。
第2页
2013年8月1日星期四
第7章
输入输出系统及接口
7.1 接口电路概述 7.1.1 接口基本概念
输入设备：输入信息 输出设备：送出结果 输入设备
各设备的组成 结构、电气性 能和工作原理 各不相同
键盘、鼠标、扫描仪、磁带机、磁盘机、光盘机、 解调器、A/D转换器 输出设备 显示器、打印机、绘图仪、磁带机、磁盘机、光盘 机、调制器、D/A转换器
第8页 2013年8月1日星期四
第7章
输入输出系统及接口
7.1.3 接口信号
与计算机交换的信息 数据信息、状态信息和控制信息 。 1．数据信息
数字量 、模拟量 、开关量 2．状态信息
外设发送给计算机，反映外设工作状态 有BUSY和READY
3．控制信息 计算机发送给外设，控制外设的工作
第24页 2013年8月1日星期四
2．输出指令
第7章
输入输出系统及接口
7.3 输入输出的数据传送方式
计算机与I/O接口间的数据传送即数据交换。 数据传送的控制方式 程序直接控制传送方式、中断方式、DMA方式和 I/O处理机方式
7.3.1 程序直接控制传送方式
定义：是指在程序控制下进行的数据传送，通常是 在用户程序中安排一段由I/O指令和其它指令组成的 程序段，直接控制I/O接口的输入/输出操作。
目标寄存器为AX时，读取16位数据 直接寻址 端口地址n只能为8位地址信号，最多可以访问 28=256个不同的端口。对应指令有： IN AL, n ;AL←(n) IN AX, n ;AX←(n)
第23页 2013年8月1日星期四
计算机组成原理——输入输出（IO）系统考研题
计算机组成原理——输⼊输出（IO）系统考研题（⼀） I/O系统基本概念（⼆）外部设备1. 输⼊设备：键盘、⿏标2. 输出设备：显⽰器、打印机3. 外存储器：硬盘存储器、磁盘阵列、光盘存储器（三） I/O接⼝（I/O控制器）1. I/O接⼝的功能和基本结构2. I/O端⼝及其编址3．I/O地址空间及其编码（四） I/O⽅式1. 程序查询⽅式2. 程序中断⽅式中断的基本概念；中断响应过程；中断处理过程；多重中断和中断屏蔽的概念。
3. DMA⽅式DMA控制器的组成；DMA传送过程。
4. 通道⽅式（2009）22. 下列选项中，能引起外部中断的事件是A. 键盘输⼊B. 除数为0C. 浮点运算下溢出D. 访存缺页答案：A考点：内部中断和外部中断的区别外中断:I/O设备等来⾃主机外部设备的中断。
内中断：CPU内部的异常、例外、陷⼊内中断（2010）21、单级中断系统中，中断服务程序执⾏顺序是（）I保护现场II开中断III关中断IV保存断点V中断事件处理VI恢复现场VII中断返回A、I->V->VI->II->VIIB、III->I->V->VIIC、III->IV->V->VI->VIID、IV->I->V->VI->VII答案：A考点：单级中断的概念该题的⼀个特点是单级中断，不会出现多重中断的中断嵌套问题，由于是单级中断，断点也不需要保存了，CPU直接返回中断前的位置就可以了！同时关中断是由硬件⾃动实现的，并不属于中断服务程序。
⽽恢复断点、恢复现场之后需要开中断才能返回断点这⾥给出⼀般的中断处理的过程：22、假定⼀台计算机的显⽰存储器⽤DRAM芯⽚实现，若要求显⽰分辨率为1600*1200，颜⾊深度为24位，帧频为85HZ，现实总带宽的50%⽤来刷新屏幕，则需要的显存总带宽⾄少约为（ )A、245MbpB、979MbpsC、1958MbpsD、7834Mbps答案：D考点：1600*1200*24*85/0.51M约为106(2010)21．某计算机有五级中断L4 ~ L0，中断屏蔽字为M4M3M2M1M0，Mi=1（0≤i≤4）表⽰对Li级中断进⾏屏蔽。
微机输入输出IO系统
8.2.2 I/O端口读/写控制
I/O端口的读写主要通过 I/O读/写信号 地址译码输出信号共同作用，
实现端口中信息的读出与写入。
8.2.2.1
端口寄存器的写操作
CPU向外部输出数据时要进行端口写操作（即执行输出指令） 通常选用D触发器之类的芯片作为寄存器。 在写入控制CP出现上升沿时，就将D端数据写入Q端 CP端用包含AEN信号的地址译码信号Y240H控制。
接口技术：对这硬、软件的设计，称为接口技术。 接口（Interface）和端口（Port）是不同的。 端口：接口电路中那些完成信息传送，可由程序寻址进行读写的 寄存器。
图8.1 I/O 接口与总线的连接示意
接口的分类
从应用角度分类： 1）用户交互接口：将来自用户的数据、信息传送给微计算机、或 将用户所需的数据、信息由处理系统传送给外部设备。通常有键 盘接口、打印机接口、终端显示接口等。 2）辅助操作接口：微型计算机发挥最基本的处理与控制功能所必 须的接口。包括各类总线驱动器、总线接收器、数据锁存器、三 态缓冲器、时钟电路、CPU与ROM及RAM接口等。 3）传感接口：输入被监视对象和控制对象变化信息的接口。例如 压力传感器、温度传感器、流速传感器、测速计等接口。 4）控制接口：微计算机对被检测对象或控制对象输出信息的接口。 例如步进马达、电磁阀门、继电器、LED显示灯等接口。
（3）开关量 两个状态的量 ，可以用“0”、“1”表示， 例如：电机的启与停，开关的合与开等。
（4）状态信息（STATUS） 反映外设当前工作状态的信息： CPU 外设
例如： 输入时，输入设备是否准备好？
—— 准备就绪信号READY 输出时，输出设备是否空闲？ —— 忙信号BUSY （5）控制信息（CONTROL） CPU控制外设工作方式所发送的一种信息： CPU 外设 例如： 控制I/O 设备启动或停止等。
[电脑基础知识]第四章 输入输出系统
![[电脑基础知识]第四章 输入输出系统](https://img.taocdn.com/s3/m/9605b9a71711cc7931b716f4.png)
1、异步性
外围设备相对于处理机通常是异步工作的。 输入输出设备的工作在很大程度上独立于处理机之外，通常不使用 统一的中央时钟，各个设备按照自己的时钟工作，但又要在某些时 刻接受处理机的控制。 外围设备的工作过程通常是这样的，当设备准备好与处理机交往时 （对于输入设备是指数据寄存器满，对于输出设备是指数据寄存器 空），要向处理机申请服务。对于处理机来说，这个时刻一般随机 的，两次申请之间可能要经过恒长时间，这就造成了输入输出相对 于处理机的异步性和时间的任意性。 当一个处理机管理多台外围设备时，必须做到在任意两次处理机与 设备交往的时刻之间，处理机仍然能够全速运行它本身的程序，或 者管理其它外围设备，从而保证处理机与外围设备之间，外围设备 与外围设备之间能够并行工作，无需互相等待。为了能够实现一个 处理机与多台外围设备并行工作，必须采用中断输入输出方式或直
方式2：中断输入输出方式
中断输入输出方式：当出现来自系统外部，机 器内部，甚至处理机本身的任何例外的，或者 虽然是事先安排的，但出现在现行程序的什么 地方是事先不知道的事件时，CPU暂停执行现 行程序，转去处理这些事件，等处理完成后再 返回来继续执行原先的工作。 2、能够处理例外事件。例如，电源掉电、非法指令、 地址越界、数据溢出、数据校验错、页面失效等。 另外两个特点与程序控制输入输出方式相同。 3、数据的输入和输出都要经过CPU，要在程序的控制 下完成从输入设备中读入数据到主存储器，或者把主存 储器中的数据输出到输出设备中去。因此，中断输入输 出方式与程序控制输入输出方式一样具有灵活性好的特 点。 4、一般用于连接低速外围设备。这是因为每输入或输 出一个数据都必须执行一段程序才能完成。
4.1.2 输入输出系统的组织方式
输入输出设备的异步性、实时性、与设备无关性 三个特点是现代计算机系统必须具备的共同特性。 异步性体现了输入输出系统相对于处理机的独立 自主关系。实时性反映了按照不同设备响应时间 的不同要求，划分和实现输入输出系统内部不同 功能之间的关系。设备无关性贯彻了输入输出系 统标准化接口与非标准外围设备之间的关系。根 据各种外围设备的不同特点处理好这三方面的关 系，就成为输入输出系统组织的基本内容。输入 输出系统组织的具体内容主要包括：针对异步性， 采用自治控制的方法，针对实时性，采用层次结 构的方法，针对与设备无关性，采用分类处理的 方法。
计算机组成原理9章：输入输出系统
三、直接存储器存取方式（DMA） 1、基本概念 DMA是一种完全由硬件实现的I/O信息交换方式。是在I/O设备与主存 之间建立一条直接传送数据的通路，并在有关硬件电路（ＤＭＡＣ）的 控制下进行数据交换，而不需CPU干预。 在正常工作时，所有工作周期都用于执行CPU的程序，当外设将要 传输的数据准备好后，占用总线一个工作周期和知己交换一个单位数据， 这个周期过后，CPU继续控制总线，执行原程序。如此重复，直至整个 数据块传送完毕。 ２、DMA的工作方式（访内冲突的处理） DMA技术的出现，使得外设可以通过DMA控制器直接访问内存，此 时，CPU可以继续执行原程序，CPU继续执行程序时要要访问内存， DMA传送时也要访问内存，这样就会出现访问内存冲突。如何处理？
3、DMA接口的组成及功能 （1）功能：指挥某台I/O设备完成操作；指出被传送信息在主存的首地址；指 出要传送的字节数。 （2）组成 ①IOCR：I/O控制寄存器，来自CPU的命令码，设备码，来自I/O设备的状态字。 ②IOAR：I/O地址寄存器，要交换信息在内存的首地址，自动加1 ③WC：字计数器，存放要成批交换的数据的个数，自动减1 ④IOIR：准备与内存交换的信息 ⑤BC：字节计数器，一次只能传送一个字节时用。 ⑥控制逻辑 以上各部分组成DMAC 4、DMA工作过程 （1）I/O指令→IOCR,命令码启动DMA，设备码选中所需设备 （2）DMA启动后，赋初值：内存首址→IOCR，交换字数→WC (字节→BC)， 有关状态及控制信息→DMA （3）被启动的设备准备就绪，向CPU发DMA请求，CPU响应，便交换数据。 （4）从I/O接口输入一数据（从内存输出一数据）到IOIR，IOARMAR， IOIR→MIR ,完成一个数据的传送，同时修改IOAR和WC（BC） （5）又一数据从I/O接口（从内存）→IOIR，重复（4），直到所有数据传送 完毕。
第6章 输入输出及终端系统
外设状态端口地址为03FBH，第5位(bit5)为状态 标志（=1忙，=0准备好） 外设数据端口地址为03F8H，写入数据会使状态 标志置1 ；外设把数据读走后又把它置0。 试画出其电路图，并将DATA下100B数据输出。
51
状态端口地址：0000 0011 1111 1011 数据端口地址：0000 0011 1111 1000
外设应提供设备状态信息 接口应具备状态端口
48
查询工作方式流程图
开始
读入并测试外设状态
N
READY?
Y
进行一次 数据交换
N
每满足一次 条件只能进 行一次数据 传送
传送完？
Y
结束
防止死循环 超时?
N Y
读入并测试外设状态
N
超时错
READY?
Y
复位计时器
N
与外设进 行数据交换 传送完？
Y
结束
查询工作方式例
N 进行一次传送
修改地址指针
N
传送完否?
Y
结 束
查询工作方式
优点：
软硬件比较简单 CPU效率低，数据 传送的实时性差， 速度较慢
1号外设 准备就绪？ N 2号外设 准备就绪？ N 3号外设 准备就绪？ N
Y
对1号外设服务
缺点：
Y
对2号外设服务
Y
对3号外设服务
┇
n号外设 准备就绪？ N
Y
对n号外设服务
按传输信息的类型分类：
模拟接口
并行接口 串行接口
33
按传输信息的方式分类：
接口特点
输入接口：
51
状态端口地址：0000 0011 1111 1011 数据端口地址：0000 0011 1111 1000
外设应提供设备状态信息 接口应具备状态端口
48
查询工作方式流程图
开始
读入并测试外设状态
N
READY?
Y
进行一次 数据交换
N
每满足一次 条件只能进 行一次数据 传送
传送完？
Y
结束
防止死循环 超时?
N Y
读入并测试外设状态
N
超时错
READY?
Y
复位计时器
N
与外设进 行数据交换 传送完？
Y
结束
查询工作方式例
N 进行一次传送
修改地址指针
N
传送完否?
Y
结 束
查询工作方式
优点：
软硬件比较简单 CPU效率低，数据 传送的实时性差， 速度较慢
1号外设 准备就绪？ N 2号外设 准备就绪？ N 3号外设 准备就绪？ N
Y
对1号外设服务
缺点：
Y
对2号外设服务
Y
对3号外设服务
┇
n号外设 准备就绪？ N
Y
对n号外设服务
按传输信息的类型分类：
模拟接口
并行接口 串行接口
33
按传输信息的方式分类：
接口特点
输入接口：
BIOS基本输入输出系统
BOOT UP NUMLOCK STATUS（开机时小键盘区情况设定）；
TYPEMATIC RATE SETTING（键盘重复速率设定）；
TYPEMATIC RATE(CHARS/SEC，字节/秒)；
TYPEMATIC DELAY（设定首次延迟时间）
SECURITY OPTION（检测密码方式）如设定为SETUP,则每次打开机器时屏幕均会提示输入口令(普通用户口令或超级用户口令,普通用户无权修改BIOS设置),不知道口令则无法使用机器;如设定为SYSTEM则只有在用户想进入BIOS设置时才提示用户输入超级用户口令。
SIZE 表示硬盘的容量；CYLS 硬盘的柱面数；HEAD硬盘的磁头数；PRECOMP写预补偿值；LANDZ着陆区，即磁头起停扇区。最后的MODE是硬件的工作模式，我们可以选择的工作模式有：NORMAL普通模式、LBA逻辑块地址模式、LARGE大硬盘模式、AUTO自动选择模式。NORMAL模式是原有的IDE方式，在此方式下访问硬盘BIOS和IDE控制器对参数部作任何转换，支持的最大容量为528MB。LBA模式所管理的最大硬盘容量为8.4GB，LARGE模式支持的最大容量为1GB。AUTO模式是由系统自动选择硬盘的工作模式。
后面是IDE设备的类型和硬件参数，TYPE用来说明硬盘设备的类型，我们可以选择AUTO、USER、NONE的工作模式，AUTO是由系统自己检测硬盘类型，在系统中存储了1－45类硬盘参数，在使用该设置值时不必再设置其它参数；如果我们使用的硬盘是预定义以外的，那么就应该设置硬盘类型为USER，然后输入硬盘的实际参数（这些参数一般在硬盘的表面标签上）；如果没有安装IDE设备，我们可以选择NONE参数，这样可以加快系统的启动速度，在一些特殊操作中，我们也可以通过这样来屏蔽系统对某些硬盘的自动检查。
第5章基本输入输出系统
第5章基本输入输出系统【教学目的】掌握接口的基本概念、IO端口的编址方法和基本的数据传送方式【教学重点】IO端口的编址方法和基本的数据传送方式【教学难点】中断方式和DMA方式【教学方法和手段】课堂教学【课外作业】P193习题3，4，7，10【学时分配】6学时【自学内容】8237的使用【讲授内容】5.1 概述输入输出系统包括：①外部设备（输入输出设备和辅助存储器）②设备控制器----主机（CPU和存储器）之间的控制部件，诸如磁盘控制器、打印机控制器等，有时也称为设备适配器或接口，其作用是控制并实现主机与外部设备之间的数据传送。
5.1.1接口的基本概念1、什么是接口计算机在工作过程中，CPU要不断地与其它部件交换信息。
CPU不是直接与外部设备交换信息的，而是经过一个中间电路，这个电路就称为“接口电路”，简称“接口”。
所谓接口就是主机与外部设备连接的桥梁，由它来完成CPU与外部设备之间信息的传递。
一般将外部设备与接口合称为“I/O系统”。
接口又称为“设备控制器”或“适配器”。
2、为什么要有接口电路外部设备为什么要通过接口电路与CPU连接？为什么不直接与CPU的总线相连接呢？从CPU的角度来看，对外部设备的访问（读/写）与对存储器的访问是类似的，为什么存储器可以直接通过总线与CPU连接，而外部设备却要通过接口电路来与CPU连接呢？这是因为：存储器的基本结构简单（只有很少几种），只要求几个简单的控制信号，而且存储器的访问速度一般都比较快，CPU与存储器之间的定时与协调比较容易，因此存储器可以直接通过总线与CPU连接。
而外部设备一般具有以下特点：⑴外部设备的品种繁多从类型上看：有输入设备、输出设备、输入/输出设备、测量设备、通信设备、控制设备等。
从结构上看：有机械式的、电子式的、机电混合式的。
从原理上看：各类设备的工作原理又是各不相同的。
⑵外部设备的工作速度分布范围宽如：电传打字机每秒能传输100个信息单位，温度传感器有可能长达几分钟才改变一个数据，软盘的传输速率为每秒2.5兆位，硬盘的传输速率为每秒5兆位以上。
系统输入输出设计分析
系统输入输出设计分析系统输入输出设计是软件开发过程中非常重要的一环，它决定了系统与用户之间的交互方式。
好的系统输入输出设计可以提高用户体验和系统效率，而糟糕的设计则可能导致用户的困惑和系统性能问题。
本文将详细介绍系统输入输出设计的概念、原则和方法，并分析其在软件开发中的重要性和应用。
什么是系统输入输出设计？系统输入输出设计是指在软件系统中定义和规划用户与系统之间的数据传输和交互方式。
它涉及到用户输入数据的方式和格式、系统对输入数据的处理和验证、以及系统输出数据的格式和展示方式。
好的输入输出设计可以让用户更方便地操作系统，更好地理解系统的反馈信息，提高系统的可用性和易用性。
系统输入输出设计的原则在进行系统输入输出设计时，我们可以遵循以下几个原则：1. 用户中心原则系统输入输出设计应以用户为中心，考虑用户的需求和使用习惯。
设计师应该站在用户的角度思考问题，为用户提供便捷和直观的交互方式，避免让用户产生困惑和疑虑。
2. 简洁明了原则系统的输入输出界面应该简洁明了，避免冗长和复杂的操作流程。
用户在操作系统时，应该能够清晰地知道应该输入什么，以及系统将会输出什么。
过于复杂的输入输出界面可能会让用户感到困惑，降低用户的工作效率。
3. 一致性原则在整个系统中，输入输出界面应该保持一致，确保用户在不同场景下都能够用相似的方式进行交互。
一致的输入输出界面可以减少用户的学习成本，提高用户对系统的熟悉程度。
4. 可扩展性原则在进行系统输入输出设计时，应该考虑到后续系统扩展的可能性。
系统的输入输出界面应该具备一定的灵活性和可扩展性，以适应未来可能出现的需求变化。
系统输入设计方法进行系统输入输出设计时，我们可以借鉴以下几种方法：1. 用户调研法在进行系统输入输出设计之前，我们可以进行用户调研，了解用户对系统的期望和需求。
通过与用户的交流和观察，我们可以更好地理解用户的工作流程和操作习惯，从而为用户提供更贴近实际需求的输入输出界面。
输入与输出系统的功能与协调
输出系统可以读取存储在文 件中的数据，如文本文件、 CSV文件、Excel文件等。
API调用
输出系统可以通过调用其他 系统的API接口获取数据。
数据处理
数据清洗
输出系统可以对检索到的数据进行清洗，包括去除重复数据、处 理缺失值、异常值等。
数据转换
输出系统可以将数据转换为所需的格式或数据结构，如将数据从一 种数据库格式转换为另一种数据库格式。
输入输出系统协调
分析输入输出系统之间的信息传递和协调机制， 研究如何实现高效、准确的人机交互，提高用户 的使用体验和工作效率。
02
输入系统的功能
数据采集
数据来源识别
确定数据采集的对象和范围，包括内部数据和外 部数据的识别。
数据采集方法
根据数据来源和采集需求，选择合适的数据采集 方法，如问卷调查、网络爬虫、传感器等。
多通道数据采集
支持多通道同时采集，提高数据采集的并行度和效率。
优化数据预处理算法
噪声滤除算法
采用滤波、平滑等算法，有效去除数据中的噪声干扰 。
数据归一化算法
将数据映射到特定范围内，消除数据间的量纲差异， 提高数据处理效率。
特征提取算法
通过特征提取算法，提取数据中的关键信息，降低数 据维度，提高处理速度。
不同数据格式之间的转换。
数据同步与异步处理
01
数据同步处理
指数据的输入和输出操作在同一时间内进行，即输入操作完成后立即进
行输出操作。这种方式适用于实时性要求高的场景，但可能导致等待时
间较长。
02
数据异步处理
指数据的输入和输出操作不在同一时间内进行，即输入操作完成后并不
立即进行输出操作，而是等待一段时间后再进行输出。这种方式可减少
API调用
输出系统可以通过调用其他 系统的API接口获取数据。
数据处理
数据清洗
输出系统可以对检索到的数据进行清洗，包括去除重复数据、处 理缺失值、异常值等。
数据转换
输出系统可以将数据转换为所需的格式或数据结构，如将数据从一 种数据库格式转换为另一种数据库格式。
输入输出系统协调
分析输入输出系统之间的信息传递和协调机制， 研究如何实现高效、准确的人机交互，提高用户 的使用体验和工作效率。
02
输入系统的功能
数据采集
数据来源识别
确定数据采集的对象和范围，包括内部数据和外 部数据的识别。
数据采集方法
根据数据来源和采集需求，选择合适的数据采集 方法，如问卷调查、网络爬虫、传感器等。
多通道数据采集
支持多通道同时采集，提高数据采集的并行度和效率。
优化数据预处理算法
噪声滤除算法
采用滤波、平滑等算法，有效去除数据中的噪声干扰 。
数据归一化算法
将数据映射到特定范围内，消除数据间的量纲差异， 提高数据处理效率。
特征提取算法
通过特征提取算法，提取数据中的关键信息，降低数 据维度，提高处理速度。
不同数据格式之间的转换。
数据同步与异步处理
01
数据同步处理
指数据的输入和输出操作在同一时间内进行，即输入操作完成后立即进
行输出操作。这种方式适用于实时性要求高的场景，但可能导致等待时
间较长。
02
数据异步处理
指数据的输入和输出操作不在同一时间内进行，即输入操作完成后并不
立即进行输出操作，而是等待一段时间后再进行输出。这种方式可减少
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计算机系统原理
15
7.1 输入输出设备
2.2 I/O操作的特点
(3) I/O操作的实现与设备的无关性
I/O设备虽多种多样，但I/O操作应尽量标准化， 使I/O 操作的实现与设备无关
通过简单的命令即可使用I/O设备并完成I/O操作
尽可能少地考虑I/O设备的内部细节，让外设的特殊 性隐藏在各自的设备控制器和接口的某些可变部分中
4. 有 I/O 处理机阶段 CPU
MM
I/O
计算机系统原理
以主存为8 中心
7.1 输入输出设备
1. I/O设备的基本介绍
1.1 概述
计算机系统中，
总 线
待运行的指令、 硬盘接口
待处理的数据
以及处理结果 CPU
的显示/保存/
传递，都需要
通过I/O设备
完成
硬盘接口 软驱接口 通信接口 专用 接口
总线插槽
不同领域广泛应用
计算机系统原理
11
7.1 输入输出设备
2. I/O设备的工作特点
2.1 I/O设备的特点
(1) 慢速性
I/O是机电、机械设备装置，其速度为ms/μs，甚至
为s(秒)级。而主机， 如CPU却是ns级 两者速度差异很大，所以I/O是影响计算机系统工作 效率的两大瓶颈之一
计算机系统原理
②程序流程
设置计数值和主存始地
I/O设备经常使用与处理器不同的数据格式和 字长度
计算机系统原理
19
7.2 输入输出接口
1. I/O接口的基本作用
“I/O接口”是“主机”与“I/O设备”之间 数据交换的界面
I/O接口负责完成对数据交换的一致性封装
主机
处理器 存储器
I/O接口 外设状态
看不到 I/O设备 的不同
屏蔽差异
提供 一致的访问
计算机系统原理
7
7.1 输入输出设备
I/O系统的发展概况
以CPU为中心
1. 早期
分散连接
MM
CPU
I/O
CPU 和 I/O 串行 工作
程序查询方式
主
总线
2. 接口模块和 DMA 阶段 机
MM
总线连接 CPU 和 I/O 并行 工作
3. 有通道结构阶段
接口
接口
中断方式
……
DMA方式 设备1 设备n 通道
Step 4. I/O设备将自身的状态报告给I/O接口
Step 5. I/O设备就绪状态信号传递到处理器 相关的引脚
Step 6. 结束(或开始下一次传输)
计算机系统原理
24
7.2 输入输出接口
在微机系统中，I/O系统表现为南桥芯片
计算机系统原理
25
7.2 输入输出接口
4. I/O接口的输入输出控制方法
③ 输出时，CPU发出写命令，将数据总线上待 输出的数据送往I/O设备的DBR；输入时， CPU发出读命令，从数据总线上将输入的数 据送往CPU的寄存器中
计算机系统原理
28
7.2 输入输出接口
4.2 程序查询方式
描述：在执行I/O操作之前事先对设备的状态
进行检测，并在状态为就绪或准备好的情况
才开始执行I/O操作
也属于程序直接控制传送方式
特点
CPU的操作可以和I/O设备操作同步，但 CPU 和 I/O 串行工作
接口电路很简单，但实时性较差 处理器不断轮询各I/O设备状态，此时 CPU长时间
的踏步等待，不能处理其他任务，系统效率很低 仅用于CPU速度不高、 I/O设备配备不多的情况
计算机系统原理
CPU性能：每年增长 > 60% I/O系统的性能受到机械延迟的限制(磁盘I/O)，
每年的性能增长 < 10% I/O瓶颈
削减了高速CPU的性能 缩短了CPU执行程序的有效时间
计算机系统原理
5
7.1 输入输出设备
I/O系统是连接CPU和I/O设备的子系统
是计算机系统中最 具多样性和复杂性的 组成部分
计算机系统原理
17
7.1 输入输出设备
2.3 I/O设备的特点要求专门的连接机制
主机与I/O设备之间必须有一层“界面”
满足I/O工作上的异步、实时、设备无关等特性 屏蔽数据交换的复杂性与多样性所带来巨大差异
这个“界面”实际上是一个非常重要的中间 处理环节 ― I/O接口
计算机系统原理
否则易出错。例如定时采样或对控制点的定时控制， 也称为程序定时传送方式 对CPU的打扰大，系统效率低，很少使用 适应于个别慢速设备
计算机系统原理
27
7.2 输入输出接口
无条件传送方式操作步骤
① CPU把一个设备地址送到地址总线上，经译 码选定一台I/O设备
② 若为输出操作，则CPU向数据总线发送数据； 若为输入操作，则CPU等待I/O设备的DBR 中的数据出现在数据总线上
I/O设备通常不使用统一的中央时钟，各个设备按 照自己的时钟工作，但又要在某些时刻接受处理机 的控制 处理机与I/O设备之间、 I/O设备与I/O设备之间能 够并行工作
计算机系统原理
14
7.1 输入输出设备
2.2 I/O操作的特点 (2) 实时性
I/O设备速度慢，但一经启动，则以固定速率工作，要 求主机在规定的时间内完成信息交换
.........
计算机系统原理
21
7.2 输入输出接口
2.2 实例分析——向打印机写数据
Step 1. 主机完成待打印数据的输出
将打印机对应的编码发送到“地址线”
将待打印的数据通过“数据线”写入I/O接口的“数 据缓冲器”，并通过“控制线”发出启动写入数据 的命令
Step 2. 接口完成数据到打印机的传递，并反 馈打印的状态
目的：协调经由I/O接口的数据传输
采用的方法
无条件方式 程序查询方式 程序中断方式 DMA方式 IO处理机
程序直接控制传送是I/O操作完全 处于CPU的指令控制之下，I/O操 作仅在CPU的寄存器与I/O设备及 其接口的数据缓冲寄存器之间进行， I/O设备不直接访问内存
计算机系统原理
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7.2 输入输出接口
4.1 无条件传送方式
描述：不预先进行任何的协调或检查性工作， 在需要进行I/O操作时直接执行对外设的读写。 即是一种无需判断I/O设备良/故、忙/闲与否 的操作方式
属于程序直接控制传送方式 特点
软件只需一条I/O指令 硬件很简单，仅需一个数据缓冲寄存器(DBR) 在I/O设备各种动作时间固定、已知的条件下才使用，
硬盘 光盘驱动器
调制解调 器
软盘驱动器 串行接口 并行接口 USB
扬声器
键盘
扫描仪 鼠标器 打印机
显示卡 声卡 网卡
显示器 音箱
局域网
计算机系统原理
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7.1 输入输出设备
1.2 I/O设备的分类
(1) 输入设备
键盘、扫描仪、字符识别设备
(2) 输出设备
打印机、显示器、绘图仪
(3) 外存储设备
CPU
最典型地反映了软 件与硬件的相互结合
其复杂性都隐藏在 操作系统中
主存
IOC IO设备
计算机系统原理
6
7.1 输入输出设备
I/O控制：CPU对I/O设备的软、硬件管理
本章主要从硬件角度讨论I/O控制 从软件角度讨论I/O控制是操作系统的主要内 容之一
作业管理 进程管理 存储管理 设备管理 文件管理
对于一般I/O设备：可能丢失数据，或造成外围设备 工作的错误 对于实时控制计算机系统，例如，工业过程控制， 导弹、卫星的控制等，如果处理机提供的服务不及时， 可能造成巨大的损失，甚至造成人身伤害 对于处理机本身的硬件或软件的错误：如，电源故 障、数据校验错、非法指令、地址越界等，处理机也 必须及时地给予处理
(2) 人机通信和对话的工超具过50％，而现在达80％以上
了解机器运行状态，进行故障诊断、控制、命
令计算机，都通过I/O设备。如：键盘、显示器
(3) 不同媒体间信息变换的装计置算机普及应用促进I/O设
(4) 系统软件及信息资源的驻备留的地发展，而新型I/O设备
(5) 推广应用的桥梁
的出现又推动了计算机在
计算机系统的使用者，在需要更换I/O设备时，各种不同型 号、不同生产厂家的设备都可以直接通过标准接口与计算机 系统连接 I/O设备已经越来越多地采用了即插即用技术
计算机系统原理
16
7.1 输入输出设备
数据交换的复杂与多样性
数据交换的对象种类繁杂 所传输的数据类型不一 数据传输的速率相差巨大 所传输的数据格式千差万别 信号性质不一致 ……
I/O接口将数据通过“数据线#”传送至打印机，并通 过“控制线#”触发打印机开始工作
通过“状态线#”将打印机状态通知I/O接口(主机)
计算机系统原理
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7.2 输入输出接口
3. I/O接口组成电路及工作过程的简单示例
以输入为例
CPU端
I/O设备端
数据线 ⑥ 准备就绪⑤
启动命令①
&
地址线
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7.1 输入输出设备
2.1 I/O设备的特点
(2) 多样性 品种多、功能强、涉及学科领域多，如机械、 光电、磁、声、自动控制、通信等
(3)复杂性
传输速率差异大 传输方式不同 工作原理相差极大 简单到鼠标，复杂到磁盘、光盘、激光打印机
计算机系统原理
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7.1 输入输出设备
2.2 I/O操作的特点 (1) 异步性 原因1： I/O设备速度远远低于主机 原因2： I/O设备与主机间信息交换是随机的