计算机组成原理(华科版)第七章 输入输出系统

第七章 输入输出系统
5. 外围处理机方式(Peripheral Processor Unit—PPU) 外围处理机的结构更接近于一般的处理机，甚至 就是一般小型通用计算机。它可完成I/O通道所要完 成的I/O控制，还可完成码制变换、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 移等操作。它可简化设备控制器，而且可用它作为 维护、诊断、通信控制、系统工作情况显示和人机 联系的工具。 外围处理机基本上独立于主机工作。在多数系 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，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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7.1 信息交换的控制方式
信息交换的控制方式一般分为5种类型。
1. 程序查询方式(Programmed Direct Control) 这种方式又称为程序直接控制方式，是指信息交 换的控制完全由主机执行程序来实现。当主机执行到 某条指令时，发出询问信号，读取设备的状态，并根 据设备状态，决定下一步操作，这样要花费很多时间 用于查询和等待，效率大大降低。这种控制方式用于 早期的计算机。现在，除了在微处理器或微型机的特 殊应用场合，为了求得简单而采用外，一般不采用了。
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I/O 控制方式
主要由程序实现
主要由附加硬件实现
程序 查询方式
程序 中断方式
DMA方式
通道方式
PPU 方式
图 7.1
外围设备的 I/O 方式
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7.2 程序查询方式
程序查询方式又叫程序控制I/O方式。在这种方式中， 数据在CPU和外围设备之间的传送完全靠计算机程序控 制，是在CPU主动控制下进行的。当执行I/O时，CPU暂
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3. 直接内存访问方式(Direct Memory Access—DMA) DMA方式是一种完全由硬件进行成组信息传送的控 制方式。它具有程序中断控制方式的优点，即在设备准 备数据阶段，CPU与外设能并行工作。它降低了CPU在 数据传送时的开销，这是因为DMA接替了CPU对I/O中 间过程的具体干预，信息传送不再经过CPU，而在内存 和外设之间直接进行，因此，称为直接内存访问方式。 由于在数据传送过程中不使用CPU，也就不存在保护 CPU现场，恢复CPU现场等繁琐操作，因此数据传送速 度很高。这种方式适用于磁盘机、磁带机等高速设备大 批量数据的传送。它的硬件开销比较大。DMA接口中， 中断处理逻辑还要保留。不同的是，DMA接口中的中断 处理逻辑，仅用于故障中断和正常传送结束中断时的处 理。
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图7.2(a)所示的是统一编址的单总线结构，所有的I/O 设备、内存和CPU共用一条总线。其中地址总线传送CPU 要访问内存的地址或I/O设备的地址；数据总线传送数据、 指令和状态信息；控制总线传送定时信号和各种控制信号。
数据线 地址线 控制线 内存 内存 接口 1 I/O 设备 A 接口 2 I/O 设备 B 接口 3 I/O 设备 C
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第七章 输出/输入系统现代电子计算机系统可以分为3个部分：运算处理子 系统，I/O子系统和通信网络子系统。计算机的I/O系统包 括I/O接口、I/O管理部件及有关软件。一个计算机系统的 综合处理能力，系统的可扩展性、兼容性和性能价格比， 都和I/O系统有密切关系。
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4. 通道方式(Channel Control) 通道方式利用了DMA技术，再加上软件，形成一 种新的控制方式。通道是一种简单的处理机，它有指 令系统，能执行程序。它的独立工作的能力比DMA强， 能对多台不同类型的设备统一管理，对多个设备同时 传送信息。
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2. 程序中断控制方式(Program Interrupt Transfer)
在程序中断控制方式中，外部设备在完成了数据 传送的准备工作后，主动向CPU提出传送请求，CPU 暂停原执行的程序，转向信息交换服务。在这种方式 下，CPU的效率得到提高，这是因为设备在数据传送 准备阶段时，CPU仍在执行原程序；此外，CPU不再 像程序直接控制方式下那样被一台外设独占，它可以 同时与多台设备进行数据传送。这种方式的缺点是， 在信息传送阶段，CPU仍要执行一段程序控制，还没 有完全摆脱对I/O操作的具体管理。
停执行主程序，转去执行I/O的服务程序，根据服务程序
中的I/O指令进行数据传送。
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1. 设备编址 用程序实现I/O传送的机器，根据其结构特点，外围 设备有两种不同的编址方法：统一编址法和单独编址法。 所谓统一编址法，是将I/O设备中的控制寄存器、数据寄 存器、状态寄存器等也和内存单元一样看待，将它们和 内存单元一起编排地址。这样就可用访问内存的指令(读 /写指令)去访问I/O设备的某个寄存器，因而不需要专门 的I/O指令组。比如，用访问存储器的读/写指令就能实 现I/O设备与CPU之间的数据传送。又如，比较指令可以 用来比较I/O设备中某个寄存器的值，以此判断I/O操作 的执行情况。
(b)
接口 2 I/O 设备 B
接口 3 I/O 设备 C
图7.2
I/O设备的统一编址和单独编址
(b) 单独编址的单总线结构
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(a) 可统一编址的单总线结构
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在图7.2(b)所示的机器结构中，内存地址和 I/O设备 的地址是分开的。当访问内存时，由内存读、内存写两 条控制线控制；当访问I/O设备时，由I/O读、I/O写两条 控制线控制，这种方法将为单独编址法。
数据线 地址线 存储读 存储写 内存 CPU I/O 读 I/O 写 接口 1 I/O 设备 A