第八章输入输出系统(之一共五)

磁带机1
CRT显示器 CRT显示器 控制器
打印机 打印机 控制器 ……
磁带机2 磁盘驱动器1
磁带控制器
磁盘控制器
四级I/O子系统示意图
主机-通道-设备控制器-设备(外设)
史岚
8.1 输入输出系统的发展
8.1.3 I/O控制的基本功能 含I/O接口和 • 控制外设的动作 相关软件。 • 提供数据传送的路径 • 控制外设与CPU并行工作 • 平衡外设与主机之间的数据流量，提 供缓冲 • 向CPU反馈外设状态 • 检错纠错、中断 • 数据格式转换 • ……。
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8.1 输入输出系统的发展
8.1 输入输出系统的发展
8.1.5 I/O系统发展的五种类型 --主机与外设信息交换的五种方式 --数据传送和I/O控制的五种方式 程序直接控制方式 ☆ 程序中断方式 ☆ ☆ ☆ DMA方式 ☆ ☆ 通道方式 ☆ 外围处理机方式
史岚
8.1 输入输出系统的发展
一、程序直接控制方式 ( Program Direct Control ) • 直接用程序控制外设与CPU之间的数据 交换。 • 实际是把完成I/O操作所需的指令段安 排在主程序中。
• 通道方式进一步减轻了CPU的负担。 • 一个通道可以连接控制多台外设，系 统效率高。 五、外围处理机方式 ( PPU--Peripheral Processor Unit方式) • IOP与PPU。
史岚
练习二、选择一个正确答案： ( 1 )下面论述正确的是( )。 A.具有专门I/O指令的计算机，外设可以单 独编址 B.统一编址方式下，不可访问外设 C.访问存储器的指令，只能访问存储器，一 定不能访问外设 D.只有I/O指令才可以访问外设 ( 2 )在统一编址方式下，存储单元和I/O设备 是靠( )来区分的。 A.不同的地址代码 B.不同的地址总线 C.不同的指令或不同的控制信号
主程序
(需要I/O时) 启动外设 中断服务程序
CPU与外设并行
在其中完成I/O
程序中断方式示意图
史岚
8.1 输入输出系统的发展
2.程序中断方式传送数据的特点 ( 1 )CPU与外设在一定程度上并行工 作； ( 2 )依然局限于以CPU为中心的数据 传送方式； ( 3 )一般用于连接低速设备。
8.1 输入输出系统的发展
• 结论—— 终端查询基本不影响CPU性能。 ( 2 )CPU向打印机的数据传输按字节进 行，数据传输率为10KB/s。 解答( 2 )： • 每秒查询次数为10KB/1B=10K次； • 查询所需时钟数为10K × 50=500K • 占用CPU的时间比率为 500K/10M=500 × 1024/107=5.12% • 结论—— 打印机的查询开销大于终端，但尚 可承受。
史岚
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四、通道方式 ( I/O Channel Control ) • 通道： 大、中型系统中常设的专门进行I/O控制 及数据传送的硬件，是一种具有特定 功能的处理器( IOP )，有自己的指令 和程序，代替CPU管理、调度外设与 主机交换信息。
8.1 输入输出系统的发展
8.1 输入输出系统的发展
8.1.4 I/O接口及其编址方式 一、I/O接口( I/O Interface ) 1.接口的定义 为了在主机与外设之间传送信息而设置的 硬件线路。也叫设备控制器、适配器。 2.接口的主要功能 ( 1 )接受主机命令、向主机提供设备接口 的状态，完成命令规定的读写操作； ( 2 )控制主机和外设之间的数据传送(同步 控制、设备选择、中断控制…)； ( 3 )实现数据缓冲。
• 例题： 设某外设向CPU传送信息的最高频率为 40K次/秒，而相应中断处理程序的执 行时间为40µS。问该外设可否采用中 断方式工作？为什么？ 解： 该外设传送一个数据的时间为 1/40=25µS，即请求中断的周期为 25µS； 25µS<40µS，会丢失数据，所以该设备 不能采用中断方式工作。
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三、直接内存存取方式 ( DMA--Direct Memory Access ) • DMA方式： 在外设与主存之间开设直接的数据通 路，由硬件——DMA控制器执行I/O 交换，即DMAC从CPU接管对总线的 控制权，数据交换不再经过CPU。
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• DMA方式的特点： 1.速度快，适用于高速成组传送数据； 2.硬件线路比较复杂； 3.一台DMAC通常只接一台外设，设备 多时不经济，且多台DMAC也有访存 冲突； 4.实现了CPU与外设并行工作。
第八章 输入输出系统
I/O设备 • 输入输出系统 I/O控制 本章主要讨论的内容-I/O系统的发展(五种I/O方式) 程序中断方式(中断系统) DMA方式 通道方式
难重点
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第八章 输入输出系统
8.1 输入输出系统的发展 8.1.1 I/O设备及其操作的特点 • 异步性 • 无关性 • 实时性 8.1.2 如何组织I/O控制 一、I/O自治控制 二、分门别类组织I/O控制 实际应用中一般采用“分层组织I/O子系 统”的方法：
8.1 输入输出系统的发展
• 分层的原则： 标准操作与控制处于与CPU及主存 相连的层次，非标准操作与控制处于 与外设相连的层次。 • 分层I/O子系统-- (四级I/O子系统)的示 意图如图---
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8.1 输入输出系统的发展
哪四级？
通道1 主存 通道2 CPU 通道3
数字化仪 数字化仪 控制器
查询I/O设备状态的指令 具体的IN/OUT(或相当于此的)指令 循环指令
•该方式的过程原理示意图--
主程序
需要I/O时 启动设备 查询就绪否 是 输入/输出 继续运行
8.1 输入输出系统的发展
“程序直接控制方式”又叫 “程序查询方式” 。 体会两个名称含义。
否
•特点： 1.简单； I/O时间的预知性。
8.1 输入输出系统的发展
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• 关于I/O接口编址方式的练习： 练习一、填空： ( 1 )输入输出设备的编址方式有( A )和 ( B )两种。 ( 2 )统一编址方式是将( A )和( B )统一 进行编址。 ( 3 )在统一编址方式下，访问I/O设备 使用的是( A )指令，访问内存和I/O设 备将使用( B )的控制总线。 ( 3 )在单独编址方式下，I/O操作使用 ( A )指令实现，I/O设备和内存的访 问将使用( B )的控制总线。
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3.接口的主要组成部件 ( 1 )数据缓冲寄存器 ( 2 )设备地址识别线路 ( 3 )设备状态字寄存器 ( 4 )主机命令字寄存器 ( 5 )数据格式转换线路 ( 6 )数据地址寄存器 ( 7 )控制逻辑 • I/O接口组成示意图如下：
8.1 输入输出系统的发展
数据线 数据缓冲 寄存器 控 地址线 DBR 制 逻 CPU 命令线 主机命令 辑 状态线 寄存器 I/O接口
8.1 输入输出系统的发展
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( 3 )硬盘传输数据以字节为单位，传输 率为200KB/s。 本例题提示的问题-解答( 3 )： • 每秒查询次数为200K； • 查询所用时钟周期数为 200K × 50=10000K次 • 占用CPU的时间比率为 10000 × 1024/107=102.4% • 结论—— 即使CPU将全部时间用于对硬盘查询 也不能满足硬盘传输的要求。
2.数据输入输出要经过CPU，CPU与设 备、设备与设备均不能实现并行工作； 用于连接低速外设。
史岚
8.1 输入输出系统的发展
• 例题：在程序查询的I/O系统中，有三个不 同的外设。假定一个查询操作需要50个时 钟周期，CPU的时钟频率为10MHz。求 CPU在以下三种情况下为I/O查询所花费的 时间比率(百分比)，假定必须进行足够的查 询以免丢失数据并假定不考虑各设备的相互 等待(即：分别计算)。 ( 1 )对终端每秒进行30次查询。 解答( 1 )： •每秒花在终端查询上的时钟周期数为 30 ×50=1500； •占用CPU时间比率为 1500/10M=0.015%
数据线 设备状态 寄存器 命令
外设
设备地址 状态 识别电路
I/O接口的基本组成示意图
史岚
8.1 输入输出系统的发展
二、I/O编址方式 • 端口( Port )的概念-接口中的寄存器。 • I/O编址、外设编址实际是针对接口 中的端口—— 按照端口与内存单元的编址关系，有 两种I/O编址方式：
1. 统一编址方式 •I/O端口与内存单元统一编排地址 •相当于缩小了属于内存的空间 •访问I/O和内存使用同样的指令 2.单独(分开、独立)编址方式 •I/O端口与内存单元各自编排地址 •不占用内存的空间 •需要专门的访问I/O的指令 •例：8086中M/IO信号与RD、WR 配合形成MEMR、MEMW、IOR及 IOW控制信号( 低电平有效)。
8.1 输入输出系统的发展
• 比之于程序查询方式，程序中断方式 中CPU变主动查询为被动响应—— 在外设准备的时间里，CPU执行现行程 序；直到外设准备好，发出中断请 求； CPU响应后中断现行程序转而执行与外 设交换数据的中断服务程序； 之后再回到原来程序运行。 • 中断方式原理示意如下：
8.1 输入输出系统的发展
8.1 输入输出系统的发展
二、程序中断方式 ( Program Interrupt Transfer ) 1.程序中断方式的基本思路 • 该方式需要依赖于中断系统—— 计算机系统中引入中断功能之后，I/O 设备才可借中断方式与主机交换信 息，此称“I/O”中断； 但是，计算机中的中断系统作用不是仅 仅用作I/O。