计算机组成原理(罗克露)第5-6章IO系统-设备
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计算机组成原理(IO)
系 统 总 线
接口
外 设
计算机组成原理
College of Computer Science, SWPU
接口功能
使用接口的原因：
一台机器通常配有多台设备，它们各自有其 编号，通过接口可以实现对设备的选择 I/O设备种类繁多，速度不一，通过接口可实 现数据缓冲，达到速度匹配 I/O设备可能串行传送数据，而CPU都是并行 传送，通过接口可实现数据串并格式转换 I/O设备的电平与CPU的电平不同，通过接口 可实现电平转换
计算机组成原理
College of Computer Science, SWPU
总线分类
1、按功能划分 局部总线 系统总线
RAM CPU 总线控制逻辑 系统总线 总线扩 展板 存储模块 扩展板 打印机 接口板 显示器接 口板 外总线 （局部总线与系统总线结构图） ROM
在系统中 内总线 所处的地位 外总线
总线分类
2、 按数据传送格式分
并行总线 串行总线
发送 部件
高位 1
0 1 1 0 1 0 1
接收 部件
并行总线
3、按时序控制方式分
同步总线 异步总线
低位
4、总线标准
（IEEE美国电气电子工程师协会制订）
发送部件 传送数据 10110101
接收部件
PC总线 ISA总线 EISA总线 PCI总线等
计算机组成原理
按所连接总线分类
ISA总线接口 EISA总线接口 MCA总线接口 STD总线接口
计算机组成原理
College of Computer Science, SWPU
接口的编址
与存储器统一编址
将I/O接口中的寄存器与内存单元统一编址， 访问I/O接口如同访问内存 特点：操作灵活，不用专用I/O指令，但需 要占用部分内存地址空间
接口
外 设
计算机组成原理
College of Computer Science, SWPU
接口功能
使用接口的原因：
一台机器通常配有多台设备，它们各自有其 编号，通过接口可以实现对设备的选择 I/O设备种类繁多，速度不一，通过接口可实 现数据缓冲，达到速度匹配 I/O设备可能串行传送数据，而CPU都是并行 传送，通过接口可实现数据串并格式转换 I/O设备的电平与CPU的电平不同，通过接口 可实现电平转换
计算机组成原理
College of Computer Science, SWPU
总线分类
1、按功能划分 局部总线 系统总线
RAM CPU 总线控制逻辑 系统总线 总线扩 展板 存储模块 扩展板 打印机 接口板 显示器接 口板 外总线 （局部总线与系统总线结构图） ROM
在系统中 内总线 所处的地位 外总线
总线分类
2、 按数据传送格式分
并行总线 串行总线
发送 部件
高位 1
0 1 1 0 1 0 1
接收 部件
并行总线
3、按时序控制方式分
同步总线 异步总线
低位
4、总线标准
（IEEE美国电气电子工程师协会制订）
发送部件 传送数据 10110101
接收部件
PC总线 ISA总线 EISA总线 PCI总线等
计算机组成原理
按所连接总线分类
ISA总线接口 EISA总线接口 MCA总线接口 STD总线接口
计算机组成原理
College of Computer Science, SWPU
接口的编址
与存储器统一编址
将I/O接口中的寄存器与内存单元统一编址， 访问I/O接口如同访问内存 特点：操作灵活，不用专用I/O指令，但需 要占用部分内存地址空间
计算机组成原理
用算法语言编写的程序称为源程序，这种 源程序是不能由机器直接识别和执行的，必须 给计算机配备一个即懂算法语言又懂机器语言 的翻译，才能把源程序翻译为机器语言。
翻译通常采用下面两种方法：
1.计算机配置一套用机器语言写的编译程序, 它把源程序翻译成目的程序,然后机器执行目的 程序,得出计算结果。但由于目的程序一般不能 独立运行,还需要一种叫做运行系统的辅助软件 来帮助。通常,把编译程序和运行系统和称为编 译系统。
计算机字既可以代表指令，也可以代表数据。如 果某字代表要处理的数据则称为数据字；如果某字为 一条指令则称为指令字。
指令和数据统统放在内存中，从形式上看它们都 是二进制数码。一般来讲，在取指周期中从内存读出 的信息是指令流，它流向控制器；而执行周期中从内 存读出的信息流是数据流，它由内存流向运算器。
4.适配器与输入输出设备
2.使源程序通过所谓的解释系统进行解释执 行,即逐个解释并立即执行源程序的语句,它不是 编出目的程序后再执行,而是直接逐一解释语句 并得出计算结果。
目前常用的输入设备是键盘、鼠标器、数字扫描 仪等。它们的作用是把人们所熟悉的某种信息形式变 换为机器内部所能接收和识别的二进制信息形式。输 出设备的作用是把计算机处理的结果变换为人或其他 机器所能接收和识别的信息形式。如激光印字机、绘 图仪、CRT显示器等。计算机的输入/输出设备通常称 为外围设备。由于种类繁多且速度各异，因而它们不 是直接地同高速工作的主机相连接，而是通过适配器 部件与主机相连接。适配器的作用相当与一个转换器， 它可以保证外围设备用计算机所要求的形式发送或接 受信息。计算机系统中还必须有总线。系统总线是构 成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间进行数据 传送的公共通路。借助系统总线，计算机在各系统部 件之间实现传送地址、数据和控制信息的操作。
翻译通常采用下面两种方法：
1.计算机配置一套用机器语言写的编译程序, 它把源程序翻译成目的程序,然后机器执行目的 程序,得出计算结果。但由于目的程序一般不能 独立运行,还需要一种叫做运行系统的辅助软件 来帮助。通常,把编译程序和运行系统和称为编 译系统。
计算机字既可以代表指令，也可以代表数据。如 果某字代表要处理的数据则称为数据字；如果某字为 一条指令则称为指令字。
指令和数据统统放在内存中，从形式上看它们都 是二进制数码。一般来讲，在取指周期中从内存读出 的信息是指令流，它流向控制器；而执行周期中从内 存读出的信息流是数据流，它由内存流向运算器。
4.适配器与输入输出设备
2.使源程序通过所谓的解释系统进行解释执 行,即逐个解释并立即执行源程序的语句,它不是 编出目的程序后再执行,而是直接逐一解释语句 并得出计算结果。
目前常用的输入设备是键盘、鼠标器、数字扫描 仪等。它们的作用是把人们所熟悉的某种信息形式变 换为机器内部所能接收和识别的二进制信息形式。输 出设备的作用是把计算机处理的结果变换为人或其他 机器所能接收和识别的信息形式。如激光印字机、绘 图仪、CRT显示器等。计算机的输入/输出设备通常称 为外围设备。由于种类繁多且速度各异，因而它们不 是直接地同高速工作的主机相连接，而是通过适配器 部件与主机相连接。适配器的作用相当与一个转换器， 它可以保证外围设备用计算机所要求的形式发送或接 受信息。计算机系统中还必须有总线。系统总线是构 成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间进行数据 传送的公共通路。借助系统总线，计算机在各系统部 件之间实现传送地址、数据和控制信息的操作。
计算机组成原理[完整版](罗克露)(全)原版
(全)原版](https://img.taocdn.com/s3/m/3e9704064431b90d6c85c7a0.png)
格式 操作码θ 寄存器号R
S =（ R ）
R所占位数少； 访问R比访问M快
用于访问固定的存储单元或寄存器。
（3）间接寻址 指令给出操作数的间接地址。
存储单元号 (数在M中) 寄存器号 (数在M中)
间址单元 地址指针
M
● 存储器间址
格式 操作码θ 间接地址D
D=0030
0060
... 0060 S ...
尾数规格化：1/2≤ M
＜1 最高有效位绝对值为1
第二节
指令信息的表示
指令：指示计算机执行某类操作的信息的集合。 本节主要讨论：一般指令格式 常用寻址方式 面向用户指令类型 2.2.1 指令格式
指令基本格式 操作码θ
一个
地址码 D
一个或几个
1. 指令字长
定长指令格式 变长指令格式 2. 操作码结构 （1） 定长操作码 各指令θ 的位置、位数固定相同。 便于控制 合理利用存储空间
数据信息 控制信息 数值型数据 非数值型数据 指令信息等
第一节
数据信息的表示
2.1.1 表示数据的大小
二进制、八进制、十六进制、二-十进制
2.1.2 表示数据的符号
原码、补码、反码
2.1.3 表示小数点
定点、浮点
1. 定点表示法 类型
无符号数 00000000 （ 0） 11111111 （255）
例.ADD；
执行前： 执行后：
低 低
SP
10 20 46
SP
高
30 46
高
2.2.2 寻址方式 是指寻找操作数地址或操作数的方式。
1. 常见寻址方式
（1） 立即寻址 指令直接给出操作数。
定长格式：操作码θ 立即数S 变长格式：基本指令 立即数S
S =（ R ）
R所占位数少； 访问R比访问M快
用于访问固定的存储单元或寄存器。
（3）间接寻址 指令给出操作数的间接地址。
存储单元号 (数在M中) 寄存器号 (数在M中)
间址单元 地址指针
M
● 存储器间址
格式 操作码θ 间接地址D
D=0030
0060
... 0060 S ...
尾数规格化：1/2≤ M
＜1 最高有效位绝对值为1
第二节
指令信息的表示
指令：指示计算机执行某类操作的信息的集合。 本节主要讨论：一般指令格式 常用寻址方式 面向用户指令类型 2.2.1 指令格式
指令基本格式 操作码θ
一个
地址码 D
一个或几个
1. 指令字长
定长指令格式 变长指令格式 2. 操作码结构 （1） 定长操作码 各指令θ 的位置、位数固定相同。 便于控制 合理利用存储空间
数据信息 控制信息 数值型数据 非数值型数据 指令信息等
第一节
数据信息的表示
2.1.1 表示数据的大小
二进制、八进制、十六进制、二-十进制
2.1.2 表示数据的符号
原码、补码、反码
2.1.3 表示小数点
定点、浮点
1. 定点表示法 类型
无符号数 00000000 （ 0） 11111111 （255）
例.ADD；
执行前： 执行后：
低 低
SP
10 20 46
SP
高
30 46
高
2.2.2 寻址方式 是指寻找操作数地址或操作数的方式。
1. 常见寻址方式
（1） 立即寻址 指令直接给出操作数。
定长格式：操作码θ 立即数S 变长格式：基本指令 立即数S
计算机组成原理(本全PPT)白中英
6第二节 计算机的发展
1、计算机五代变化 2、半导体存储器芯片的发展 3、微处理器的发展 4、计算机体系结构的变化 计算机体系结构是在冯•诺依曼结构的基础上，围 绕提高速度、提高字长、扩大存储容量、降低成本、 提高系统可靠性和方便使用等诸方面，通过新器件和 新软件提高计算机性能。 体系结构上，从指令系统、微程序设计、流水线 结构、多级存储器体系结构、输入/输出体系结构、并 行体系结构、分布式体系结构等方面的形成和发展。 体系结构发展趋势：网络化、智能化、模块化、多媒体 应用。
31
阶码和尾数各占用的位数确定了浮点数的格式 对二进制数而言： 1110.011＝0.1110011×2100 0.001110011＝0.1110011×2－10 － 0.001110011＝－0.1110011×2－10 在将上面的数以浮点数格式存放时，只需将 红色部分按照浮点数格式要求的位数，化为相应 的补码或移码，按照浮点数格式存放。
16
(347) 8 =3×82+4×81+7×80=(103)10 (347.5) 8 =3×82+4×81+7×80+5×8-1 =(231.625)10 (34E.5) 16 =3×162+4×161+14×160+5×16-1 =(846.3125)10
17
2、不同数制间的转换 1＞十进制八，十六进制二进制 法则 整数部分：除8（16）取余数 小数部分：乘8（16）取整 重复循环
本课程是计算机及相关专业的核心专业基础课， 对后续课程（操作系统、接口与通信等）的学习十分 重要。考研必考课程。
通过课程的学习主要掌握以下内容
本课程主要讲授单处理机系统的组成及工作原 理。分析和说明计算机由哪些功能部件组成（结构）， 各功能部件在整机中的作用，以及它们如何完成各自 所分配的任务（工作原理）。
1、计算机五代变化 2、半导体存储器芯片的发展 3、微处理器的发展 4、计算机体系结构的变化 计算机体系结构是在冯•诺依曼结构的基础上，围 绕提高速度、提高字长、扩大存储容量、降低成本、 提高系统可靠性和方便使用等诸方面，通过新器件和 新软件提高计算机性能。 体系结构上，从指令系统、微程序设计、流水线 结构、多级存储器体系结构、输入/输出体系结构、并 行体系结构、分布式体系结构等方面的形成和发展。 体系结构发展趋势：网络化、智能化、模块化、多媒体 应用。
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阶码和尾数各占用的位数确定了浮点数的格式 对二进制数而言： 1110.011＝0.1110011×2100 0.001110011＝0.1110011×2－10 － 0.001110011＝－0.1110011×2－10 在将上面的数以浮点数格式存放时，只需将 红色部分按照浮点数格式要求的位数，化为相应 的补码或移码，按照浮点数格式存放。
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(347) 8 =3×82+4×81+7×80=(103)10 (347.5) 8 =3×82+4×81+7×80+5×8-1 =(231.625)10 (34E.5) 16 =3×162+4×161+14×160+5×16-1 =(846.3125)10
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2、不同数制间的转换 1＞十进制八，十六进制二进制 法则 整数部分：除8（16）取余数 小数部分：乘8（16）取整 重复循环
本课程是计算机及相关专业的核心专业基础课， 对后续课程（操作系统、接口与通信等）的学习十分 重要。考研必考课程。
通过课程的学习主要掌握以下内容
本课程主要讲授单处理机系统的组成及工作原 理。分析和说明计算机由哪些功能部件组成（结构）， 各功能部件在整机中的作用，以及它们如何完成各自 所分配的任务（工作原理）。
计算机组成原理 罗克露
选择器 选择器
通用寄存器组
（2）控制器 ） 1）功能：产生控制命令(微命令 ， ）功能：产生控制命令 微命令)， 微命令 控制全机操作。 控制全机操作。 2）组成： ）组成： 微命令序列 微命令发生器
指 令 信 息 状 态 信 息 时 序 信 号
微命令产生方式（指令执行控制方式）： 微命令产生方式（指令执行控制方式）： 组合逻辑控制方式： 组合逻辑控制方式：由组合逻辑电 路产生微命令 微程序控制方式： 微程序控制方式： 由微指令产生 微命令
（2）单总线结构 ）
系 统 总 线
CPU M 接口 I/O 接口 I/O
（3）以M为中心的双总线结构 ） 为中心的双总线结构
系 统 总 线
CPU M 总线 M 接口 I/O 接口 I/O
（4）多级总线结构 ）
RAM CPU
总线控制逻辑
ROM
公共接口
局部总线
系统总线
M扩展板 I/O接口板 I/O接口板
第一章 概论
主要内容： 主要内容：
计算机的基本概念 系统硬件组成（主要部件、系统结构） 系统硬件组成（主要部件、系统结构） 计算机的性能指标
第一节 计算机的基本概念 1.1.1 冯 · 诺依曼思想
1. 用二进制代码表示程序和数据； 用二进制代码表示程序和数据； 2. 计算机采用存储程序的工作方式； 计算机采用存储程序的工作方式； 3. 计算机硬件由存储器、运算器、控制 计算机硬件由存储器、运算器、 器、输入设备和输出设备组成。 输入设备和输出设备组成。
4. 数据传输率 总线位数× 总线位数×总线时钟频率 总线带宽 = 8
（B/S） ）
5. 处理功能 （1）指令系统功能（寻址方式、指令 ）指令系统功能（寻址方式、 类型） 类型） （2）系统软件配置 ）
通用寄存器组
（2）控制器 ） 1）功能：产生控制命令(微命令 ， ）功能：产生控制命令 微命令)， 微命令 控制全机操作。 控制全机操作。 2）组成： ）组成： 微命令序列 微命令发生器
指 令 信 息 状 态 信 息 时 序 信 号
微命令产生方式（指令执行控制方式）： 微命令产生方式（指令执行控制方式）： 组合逻辑控制方式： 组合逻辑控制方式：由组合逻辑电 路产生微命令 微程序控制方式： 微程序控制方式： 由微指令产生 微命令
（2）单总线结构 ）
系 统 总 线
CPU M 接口 I/O 接口 I/O
（3）以M为中心的双总线结构 ） 为中心的双总线结构
系 统 总 线
CPU M 总线 M 接口 I/O 接口 I/O
（4）多级总线结构 ）
RAM CPU
总线控制逻辑
ROM
公共接口
局部总线
系统总线
M扩展板 I/O接口板 I/O接口板
第一章 概论
主要内容： 主要内容：
计算机的基本概念 系统硬件组成（主要部件、系统结构） 系统硬件组成（主要部件、系统结构） 计算机的性能指标
第一节 计算机的基本概念 1.1.1 冯 · 诺依曼思想
1. 用二进制代码表示程序和数据； 用二进制代码表示程序和数据； 2. 计算机采用存储程序的工作方式； 计算机采用存储程序的工作方式； 3. 计算机硬件由存储器、运算器、控制 计算机硬件由存储器、运算器、 器、输入设备和输出设备组成。 输入设备和输出设备组成。
4. 数据传输率 总线位数× 总线位数×总线时钟频率 总线带宽 = 8
（B/S） ）
5. 处理功能 （1）指令系统功能（寻址方式、指令 ）指令系统功能（寻址方式、 类型） 类型） （2）系统软件配置 ）
计算机组成原理 IO设备及其工作原理
30
光笔、画笔与图形板
• 光笔：头部装有一个透镜系统，能把进入的光汇聚成一个 光点，通过后端的导线连到主机，从而拾取某光点在显示 器屏幕上的X，Y坐标。
– 光笔将荧光屏当作图形平板，屏上的象素矩阵能够发光。当光笔 所指的象素被激活时，象素发出的光就被转换为脉冲信号。这个 脉冲信号与扫描时序进行比较后，便得出光笔所指位臵的方位信 号。 – 缺点1：显示器的不同分辨度，电子束的不同扫描速度，荧光粉的 不同特性，以及笔尖与荧光粉的不同距离与角度等诸多因素都会 影响光笔的分辨度与灵敏度。 – 缺点2：光笔对于荧光屏上不发光的区域无法检测。而且使用者长 期凝视荧屏，会感到眼睛疲劳。
• 操纵杆输入
– 使用时用手指轻压小圆杆，显示器上的光标将 按照圆杆受力的方向在屏幕上移动。一般在底 盘设臵应变硅片或压敏电阻来感受圆杆所受的 压力。
• 鼠标器和操纵杆
– 它们和显示器光标结合，可输入相对坐标。
27
触摸屏
• 触摸屏
– 触摸屏是透明的，可安装在任何一种显示 器的表面。
– 工作原理：一种定位设备，通过一定的物 理手段，使用户触摸触摸屏时，所摸的位 臵（以坐标形式）被控制器检测到，并通 过I/O接口送到CPU，从而确定用户所输入 的信息。
– 每个I/O设备都必须配有一套独立的逻辑电路与CPU相连， 线路复杂。 – 输入输出过程穿插在CPU执行程序之中进行，当I/O与主 机交换信息时，CPU不得不停止各种运算。 – 每个I/O设备的逻辑控制电路与CPU的控制器紧密构成一 个不可分割的整体，增减或更换I/O设备十分困难。
3
接口模块和DMA阶段
I/O设备及其工作原理
1
输入输出系统的发展
• 四种类型
– 以CPU为中心的阶段(早期阶段)
光笔、画笔与图形板
• 光笔：头部装有一个透镜系统，能把进入的光汇聚成一个 光点，通过后端的导线连到主机，从而拾取某光点在显示 器屏幕上的X，Y坐标。
– 光笔将荧光屏当作图形平板，屏上的象素矩阵能够发光。当光笔 所指的象素被激活时，象素发出的光就被转换为脉冲信号。这个 脉冲信号与扫描时序进行比较后，便得出光笔所指位臵的方位信 号。 – 缺点1：显示器的不同分辨度，电子束的不同扫描速度，荧光粉的 不同特性，以及笔尖与荧光粉的不同距离与角度等诸多因素都会 影响光笔的分辨度与灵敏度。 – 缺点2：光笔对于荧光屏上不发光的区域无法检测。而且使用者长 期凝视荧屏，会感到眼睛疲劳。
• 操纵杆输入
– 使用时用手指轻压小圆杆，显示器上的光标将 按照圆杆受力的方向在屏幕上移动。一般在底 盘设臵应变硅片或压敏电阻来感受圆杆所受的 压力。
• 鼠标器和操纵杆
– 它们和显示器光标结合，可输入相对坐标。
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触摸屏
• 触摸屏
– 触摸屏是透明的，可安装在任何一种显示 器的表面。
– 工作原理：一种定位设备，通过一定的物 理手段，使用户触摸触摸屏时，所摸的位 臵（以坐标形式）被控制器检测到，并通 过I/O接口送到CPU，从而确定用户所输入 的信息。
– 每个I/O设备都必须配有一套独立的逻辑电路与CPU相连， 线路复杂。 – 输入输出过程穿插在CPU执行程序之中进行，当I/O与主 机交换信息时，CPU不得不停止各种运算。 – 每个I/O设备的逻辑控制电路与CPU的控制器紧密构成一 个不可分割的整体，增减或更换I/O设备十分困难。
3
接口模块和DMA阶段
I/O设备及其工作原理
1
输入输出系统的发展
• 四种类型
– 以CPU为中心的阶段(早期阶段)
计算机组成原理输入输出系统
期功能的处理器。
•多C个PUDM不A直设接备同参时与I/O设备与主机的信息交换。 •访通问道RA有M专，依用然的需通道指令，但不是一个完全独立的
要CPU 来控制
处理器，它必须依靠CPU的I/O指令进行启动、停
止和改变工作状态。
I/O系统的演进：I/O处理机（第4阶段）
• I/O 处理机又称为外围处理机(PPU) • 独立于主机工作（这一点上有别于通道） • 可以实现 I/O 通道的功能 • 可以完成格式处理、数据块检错等操作
计算机组成原理
第5章 输入输出（I/O）系统
2018.06
• 什么是输入输出系统？ • 输入输出系统的组成是什么？ • 输入输出系统的核心是什么？ • 接口的概念、分类 • 哪些控制方式？
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 5.4 程序查询方式 5.5 程序中断方式 5.6 DMA方式
– 不占用主存空间
– CPU 需要使用专用的 I/O 指令（增加了复杂性）
在主机眼里，I/O 设备就是一个地址，对I/O设备的 访问就是对其地址的访问
设备选址
通过接口电路中的设备选择电路，便可 选中要交换信息的设备。
传送方式
并行传送 串行传送
主机与 I/O 设备的联络方式: 了解彼此的状态
• 立即响应 – 当与CPU联系时，已处于等待状态 –CPU 指令一到，立即响应，而无需特 定的联络信号 –适用于慢速 I/O 设备
集 • 存放在主存中，由通道从主存中取出并执行 • 一旦 CPU 启动了 I/O 设备，由通道实现对 I/O 设备
的管理
I/O 硬件
设备 + I/O 接口模块 设备 + 设备控制器 + 通道
•多C个PUDM不A直设接备同参时与I/O设备与主机的信息交换。 •访通问道RA有M专，依用然的需通道指令，但不是一个完全独立的
要CPU 来控制
处理器，它必须依靠CPU的I/O指令进行启动、停
止和改变工作状态。
I/O系统的演进：I/O处理机（第4阶段）
• I/O 处理机又称为外围处理机(PPU) • 独立于主机工作（这一点上有别于通道） • 可以实现 I/O 通道的功能 • 可以完成格式处理、数据块检错等操作
计算机组成原理
第5章 输入输出（I/O）系统
2018.06
• 什么是输入输出系统？ • 输入输出系统的组成是什么？ • 输入输出系统的核心是什么？ • 接口的概念、分类 • 哪些控制方式？
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 5.4 程序查询方式 5.5 程序中断方式 5.6 DMA方式
– 不占用主存空间
– CPU 需要使用专用的 I/O 指令（增加了复杂性）
在主机眼里，I/O 设备就是一个地址，对I/O设备的 访问就是对其地址的访问
设备选址
通过接口电路中的设备选择电路，便可 选中要交换信息的设备。
传送方式
并行传送 串行传送
主机与 I/O 设备的联络方式: 了解彼此的状态
• 立即响应 – 当与CPU联系时，已处于等待状态 –CPU 指令一到，立即响应，而无需特 定的联络信号 –适用于慢速 I/O 设备
集 • 存放在主存中，由通道从主存中取出并执行 • 一旦 CPU 启动了 I/O 设备，由通道实现对 I/O 设备
的管理
I/O 硬件
设备 + I/O 接口模块 设备 + 设备控制器 + 通道
《计算机组成原理》第五章知识点
知识点1、输入输出系统的组成：I/O软件（I/O指令、通道指令）、I/O硬件2、I/O设备与主机的联系方式：I/O设备编址方式、设备寻址、传送方式、联络方式、I/O 设备与主机的连接方式(1)I/O设备编址方式：①统一编址：将I/O地址看做是存储器地址的一部分，用取数、存数指令②不统一编址：I/O地址和存储器地址是分开的，所有I/O设备的访问必须有专门的I/O指令(2)设备寻址可由I/O指令的设备码字段直接指出该设备的设备号。
通过接口电路中的设备选择电路，便可选中要交换信息的设备。
(3)传送方式：并行、串行(4)联络方式：①立即响应方式：用于一些工作速度十分缓慢的I/O设备②异步工作采用应答信号联络：用于I/O设备与主机工作速度不匹配时。
③同步工作采用同步时标联络：要求I/O设备与CPU工作的速度完全同步。
3、I/O设备与主机的连接方式(1)辐射式连接方式：要求每台I/O设备都有一套控制线路和一组信号线，因此所用器件和连线较多，对I/O设备的增删比较困难(2)总线连接方式：便于增删设备，被大多数现代计算机所采用4、I/O设备与主机信息传送的控制方式(1)程序查询方式：是由CPU通过程序不断查询I/O设为被是否已经做好准备，从而控制I/O设备与主机交换信息。
要求I/O接口内设置一个能反映I/O设备是否准备就绪的状态标记，CPU通过对此标记的检测，可得知I/O设备的准备情况，从而终止了原程序的执行。
CPU反复查询的过程犹如就地“踏步”。
（串行）CPU工作效率不高。
(2)程序中断方式：CPU在启动I/O设备后，不查询设备是否已经准备就绪，继续执行自身程序，只是当I/O设备准备就绪并向CPU提出中断请求后才予以响应，大大提高了淳朴的工作效率。
CPU执行程序与I/O设备做好准备是同时进行的，CPU资源得到了充分的利用。
(3)DMA方式（直接存储器存取方式：主存与I/O设备之间有一条数据通路，交换信息是，无须调用中断服务程序。
计算机组成原理外存与IO设备要点课件
投影仪
投影仪可以将计算机输出的视频信号 投影到大屏幕上，方便多人观看。
音响
音响用于播放声音，可以输出计算机 输出的音频信号。
通信设备
01
02
03
网络适配器
网络适配器用于将计算机 连接到网络，实现数据传 输和通信。
调制解调器
调制解调器用于将计算机 通过电话线连接到互联网 。
交换机和路由器
交换机和路由器用于连接 多个计算机或网络设备， 实现数据传输和通信。
储和读取。
工作原理
光盘内部由透明材料制成，表面有记录数 据的凹坑和凸起，通过激光器照射在光盘
表面并检测反射光的变化来读取数据。
特点
容量大、价格低、数据可靠性高，但读写 速度较慢。
分类
按照存储容量可分为CD、DVD、BD等， 按照读写类型可分为只读、可写一次、可 擦写等。
02
IO设备介绍
输入设备
键盘
工作原理
硬盘内部由多个磁盘片组成， 数据存储在磁道上，通过读写 磁头在磁盘表面移动来读取或 写入数据。
分类
按照接口类型可分为IDE、 SATA、SCSI等，按照转速可分 为5400转/分、7200转/分等。
固态硬盘
定义
特点
固态硬盘是一种基于闪存的存储设备，没 有机械运动部件，数据存储在闪存芯片中 。
04
外存与IO设备的性能指标
存储容量
存储容量
指外存或IO设备能够存储的数据量， 通常以字节（Byte）、千字节（KB） 、兆字节（MB）、吉字节（GB）、 太字节（TB）等单位来表示。
存储密度
指单位物理空间内能够存储的数据量 ，是衡量存储器性能的重要指标之一 。
传输速率
01
计算机组成原理第五章(白中英版)PPT课件
指令周期 : CPU从内存取出一条指令并执行完这 条指令的时间总和 取指时间＋执行指令时间
CPU周期 : 又称机器周期（总线周期），CPU访问 内存所花的时间较长，因此用CPU从内存读取一条指 令字的所需的最短时间来定义
时钟周期 : 通常称为节拍脉冲或T周期。一个CPU 周期包含若干个时钟周期T
相互关系： 1个指令周期 = 若干个CPU周期 1个CPU周期 = 若20干21 T周期
2021
时序产生器 (3/4)
三、3级时序信号的关系 1、一台计算机机内的控制信号一般均由若干个周期
状态，若干个节拍电位及若干个时标脉冲这样3级 控制时序信号定时完成。 2、3级控制时序信号的宽度均成正整数倍同步关系。 周期状态之间，节拍电位之间，时标脉冲之间既 不容许有重叠交叉，又不容许有空白间隙，应该 是能一个接一个地准确连接，一个降落另一个升 起而准确切换的同步信号。
(2) 对指令进行译码，并产生相应的操作控制信号， 送往相应的部件，启动规定的动作；
(3) 指挥并控制CPU、内存与输入/输出（I/O）设 备之间数据流动的方向
• 运算器是数据加工处理部件，所进行的全部操作由 控制器发出的控制信号指挥
(1) (2)执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试
2021
CPU的基本模型
2021
5.1.1 CPU的功能
★ 指令控制
★ 操作控制 CPU产生每条指令所对应的操作信号，并把各种
操作信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令 的要求进行动作
★ 时间控制 对各种操作的实施时间进行定时
★ 数据加工 对数据进行算术运算和逻辑运算处理
2021
5.1.2 CPU的基本组成
• 控制器完成对整个计算机系统操作的协调与指挥。 (1) 控制机器从内存中取出一条指令，并指出下一条 指令在内存中的位置；
CPU周期 : 又称机器周期（总线周期），CPU访问 内存所花的时间较长，因此用CPU从内存读取一条指 令字的所需的最短时间来定义
时钟周期 : 通常称为节拍脉冲或T周期。一个CPU 周期包含若干个时钟周期T
相互关系： 1个指令周期 = 若干个CPU周期 1个CPU周期 = 若20干21 T周期
2021
时序产生器 (3/4)
三、3级时序信号的关系 1、一台计算机机内的控制信号一般均由若干个周期
状态，若干个节拍电位及若干个时标脉冲这样3级 控制时序信号定时完成。 2、3级控制时序信号的宽度均成正整数倍同步关系。 周期状态之间，节拍电位之间，时标脉冲之间既 不容许有重叠交叉，又不容许有空白间隙，应该 是能一个接一个地准确连接，一个降落另一个升 起而准确切换的同步信号。
(2) 对指令进行译码，并产生相应的操作控制信号， 送往相应的部件，启动规定的动作；
(3) 指挥并控制CPU、内存与输入/输出（I/O）设 备之间数据流动的方向
• 运算器是数据加工处理部件，所进行的全部操作由 控制器发出的控制信号指挥
(1) (2)执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试
2021
CPU的基本模型
2021
5.1.1 CPU的功能
★ 指令控制
★ 操作控制 CPU产生每条指令所对应的操作信号，并把各种
操作信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令 的要求进行动作
★ 时间控制 对各种操作的实施时间进行定时
★ 数据加工 对数据进行算术运算和逻辑运算处理
2021
5.1.2 CPU的基本组成
• 控制器完成对整个计算机系统操作的协调与指挥。 (1) 控制机器从内存中取出一条指令，并指出下一条 指令在内存中的位置；
计算机组成原理外存与IO设备要点课件
02
这些设备在特定应用场景下发挥 重要作用，如摄像头用于视频通 话和会议，游戏手柄用于游戏控 制等。
06
CATALOGUE
IO设备的工作原理
显示器的工作原理
显示器的工作原理
显示器是计算机的重要输出设备，用于将计算机内部的数据以可视化的方式呈现给用户。显示器通过将计算机传输的 信号转换成图像，使用户能够直观地查看和交互。
固态硬盘
总结词
固态硬盘（SSD）是一种基于闪存的存储器，具有高速读写、低功耗、抗震等特点。
详细描述
固态硬盘内部由多个闪存芯片组成，数据存储在闪存芯片的存储单元中。由于没有机械运动，固态硬盘的读写速 度非常快，通常在数百兆字节每秒以上。此外，固态硬盘还具有低功耗和抗震等特点，使其成为高性能计算机和 移动设备的理想选择。
电子式
智能式
现代的IO设备已经逐渐向智能式发展 ，如触摸屏、扫描仪等，它们不仅具 有输入输出功能，还能进行数据处理 和通信。
随着电子技术的发展，IO设备逐渐向 电子式转变，如磁盘驱动器、打印机 等，它们具有更高的速度和精度。
IO设备的技术指标
数据传输速度
IO设备的数据传输速度是衡量其性能的 重要指标，包括传输速率、带宽等参数
数据。
光盘的工作原理
01
光盘利用激光束在光盘表面形成凹坑和凸起，以二进制形式存 储数据。
02
光盘表面由透明基质、反射层和存储层组成，激光束通过基质
照射到存储层，反射回来的光线经过聚焦后形成光点。
光点的形状和大小通过调制激光束的强度和聚焦点位置来控制
03
，从而实现数据的写入和读取。
U盘与闪存盘的工作原理
兼容性
指外存储器与计算机和其他设备的互 操作能力，通常以接口类型、操作系 统支持等为指标。
这些设备在特定应用场景下发挥 重要作用，如摄像头用于视频通 话和会议，游戏手柄用于游戏控 制等。
06
CATALOGUE
IO设备的工作原理
显示器的工作原理
显示器的工作原理
显示器是计算机的重要输出设备，用于将计算机内部的数据以可视化的方式呈现给用户。显示器通过将计算机传输的 信号转换成图像，使用户能够直观地查看和交互。
固态硬盘
总结词
固态硬盘（SSD）是一种基于闪存的存储器，具有高速读写、低功耗、抗震等特点。
详细描述
固态硬盘内部由多个闪存芯片组成，数据存储在闪存芯片的存储单元中。由于没有机械运动，固态硬盘的读写速 度非常快，通常在数百兆字节每秒以上。此外，固态硬盘还具有低功耗和抗震等特点，使其成为高性能计算机和 移动设备的理想选择。
电子式
智能式
现代的IO设备已经逐渐向智能式发展 ，如触摸屏、扫描仪等，它们不仅具 有输入输出功能，还能进行数据处理 和通信。
随着电子技术的发展，IO设备逐渐向 电子式转变，如磁盘驱动器、打印机 等，它们具有更高的速度和精度。
IO设备的技术指标
数据传输速度
IO设备的数据传输速度是衡量其性能的 重要指标，包括传输速率、带宽等参数
数据。
光盘的工作原理
01
光盘利用激光束在光盘表面形成凹坑和凸起，以二进制形式存 储数据。
02
光盘表面由透明基质、反射层和存储层组成，激光束通过基质
照射到存储层，反射回来的光线经过聚焦后形成光点。
光点的形状和大小通过调制激光束的强度和聚焦点位置来控制
03
，从而实现数据的写入和读取。
U盘与闪存盘的工作原理
兼容性
指外存储器与计算机和其他设备的互 操作能力，通常以接口类型、操作系 统支持等为指标。
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
1计算机组成原理(第一到八总章)课件PPT
27
计算机的层次结构
计算机通常被认为由6个不同的级组成：
第六级
为满足某种用途而专门设计，其语言是各种面向问题的应
应用语言级 用语言。用户看到的是能解决某些专门问题的智能机器。
虚
第五级
高级语言级是为方便用户编写应用程序而设置的，由各种
拟
高级语言级 高级语言编译程序支持，面向程序员。
机
第四级
提供一种符号语言即汇编语言，以减少程序编写复杂性，
n 在研制ENIAC的同时，以美籍匈牙利数学家冯 · 诺依曼为首的研 制小组提出了“存储程序、程序控制”的设计思想，体现该设计 思想的计算机EDVAC在1951年问世。
n 冯·诺依曼的存储程序控制概念概括起来为： n 计算机硬件应由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出 设备五大基本部件组成。 n 计算机内部采用二进制来表示指令和数据（表示与实现）。 n 将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后启动计算 机工作。这一点最为重要，即存储程序、程序控制的思想。
教材与参考书、考核方式
教材与参考书
n 蒋本珊，计算机组成原理，清华大学出版社，2004.3 n 王闵，计算机组成原理，电子工业出版社，2001.1
考核方式
n 考试方式：闭卷考试 n 成绩计算：总成绩 = 作业20% + 期终考试80%
5
第一章 计算机系统概论
主要内容
n 计算机的设计思想（存储程序与程序控制） n 计算机的硬件组成（五大部件） n 计算机的软件配置（系统软件和应用软件） n 计算机的基本工作过程
n 输出设备的种类也非常多，例 如显示器、打印机等是常见的 输出设备。同样新的输出设备 在不断问世，例如能用颜色表 示水温的水龙头。
20
计算机的层次结构
计算机通常被认为由6个不同的级组成：
第六级
为满足某种用途而专门设计，其语言是各种面向问题的应
应用语言级 用语言。用户看到的是能解决某些专门问题的智能机器。
虚
第五级
高级语言级是为方便用户编写应用程序而设置的，由各种
拟
高级语言级 高级语言编译程序支持，面向程序员。
机
第四级
提供一种符号语言即汇编语言，以减少程序编写复杂性，
n 在研制ENIAC的同时，以美籍匈牙利数学家冯 · 诺依曼为首的研 制小组提出了“存储程序、程序控制”的设计思想，体现该设计 思想的计算机EDVAC在1951年问世。
n 冯·诺依曼的存储程序控制概念概括起来为： n 计算机硬件应由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出 设备五大基本部件组成。 n 计算机内部采用二进制来表示指令和数据（表示与实现）。 n 将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后启动计算 机工作。这一点最为重要，即存储程序、程序控制的思想。
教材与参考书、考核方式
教材与参考书
n 蒋本珊，计算机组成原理，清华大学出版社，2004.3 n 王闵，计算机组成原理，电子工业出版社，2001.1
考核方式
n 考试方式：闭卷考试 n 成绩计算：总成绩 = 作业20% + 期终考试80%
5
第一章 计算机系统概论
主要内容
n 计算机的设计思想（存储程序与程序控制） n 计算机的硬件组成（五大部件） n 计算机的软件配置（系统软件和应用软件） n 计算机的基本工作过程
n 输出设备的种类也非常多，例 如显示器、打印机等是常见的 输出设备。同样新的输出设备 在不断问世，例如能用颜色表 示水温的水龙头。
20
计算机组成原理 外存与IO设备
7.2.4 磁盘上信息的分布
记录面——磁盘片表面 磁道——记录面上一系列同心圆；每个磁道又分若干个扇区 磁道的编址是从外向内依次编号，最外一个同心圆叫0磁道， 最里面的一个同心圆叫n磁道，n磁道里面的圆面积并不用来记 录信息；扇区可以连续编号，也可间隔编号 磁盘地址——记录面的面号、n磁道、m扇区 例如对活动头磁盘组来说，磁盘地址是由记录面号(也称磁头号)、 磁道号和扇区号三部分组成 读/写操作以扇区为单位一位一位串行进行；每一个扇 区记录一个定长的记录块 数据在磁盘上的记录格式
目录
7.1.2 外围设备的分类
可分为五大类: 输入设备 输出设备 外存设备 数据通信设备
I/O接口
过程控制设备
7.2 磁盘存储设备
7.2.1 磁记录原理
磁表面存储设备——用某些磁性材料薄薄地涂在金属铝或 塑料表面作载磁体来存储信息，如磁盘存储器、磁带存储器 磁表面存储器的优点：(1)存储容量大，位价格低 (2)记录 介质可以重复使用 (3)记录信息可以长期保存而不丢失，甚至 可以脱机存档 (4)非破坏性读出，读出时不需要再生信息 磁表面存储器的缺点：存取速度较慢，机械结构复杂，对 工作ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ境要求较高 磁表面存储器常作为辅助大容量存储器使用
1. 什么是外围设备——除CPU和内存外的部件 2. 外设的发展方向
低成本(价格)；小体积；高速度；大容量；低功耗
3. 外围设备的功能 在计算机和其他机器之间，以及计算机与用户之间提供联系 4. 外围设备的基本组成——存储介质、驱动装置、控制电路 5. 外围设备的共同特点
工作速度、信息类型和格式、电气特性等
1 b 平均存取时间 Ta Ts 2n nN
其中，n是磁盘旋转速率；b是传送的字节数；N是每磁道字节数 4. 数据传输率 ——单位时间内向主机传送数据的字节数；传输率 与存储设备和主机接口逻辑有关 从存储设备考虑，假设磁盘旋转速度为每秒n转，每条磁道容量 为N个字节，则数据传输率Dr=nN(字节/秒)，也可以写成 Dr=D· v(字节/秒)，其中D为位密度，v为磁盘旋转的线速度
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通常作法：发送部件通过OC组件或三态门分时发送信 息，由打入脉冲将信息送入指定接收部件。 3.实体：一组传送线与相应控制逻辑
CPU内设置控制逻辑 设置总线控制器
5.2.2 总线分类
1.按功能划分 （1）CPU内总线 CPU芯片内寄存器与算逻部件之间互连的总线。（ALU总线） 单组数据线(单向、双向)或多组数据线，或多种总线。
有效请求
请求触发器
请求
屏蔽
请求触发器
完成 屏蔽 CP
完成
CP
（2）如何传送中断请求？
1）使用单独请求线
2）使用公共请求线
请求 CPU 请求 I/O
公共请求 CPU
I/O
I/O
I/O
2.中断判优 （1）优先顺序 故障、DMA、外中断（输入、输出）
（2）CPU现行程序与外设请求的判优
1）CPU设置允许中断标志 ==10，，开关中中断断（模型机采用） 2）CPU设置程序状态字的优先级字段
5.2.3 总线标准
1.什么是总线标准 对总线信号组成、信号引脚含义、信号电平等作统一规定。
2.为何制定总线标准 便于灵活组成系统。
3.系统总线信号组成 电源、地址、数据、控制
时序：时钟、定时、应答 数传控制：M读/写、IO读/写 中断请求、响应 总线请求、响应 复位……
第三节 中断方式及接口
5.3.1 中断基本概念 1.定义
（2）异步接口
系
接口与系统总线的信息传送 采用异步应答方式。
统 总 线
接口
外 设
3.按I/O传送控制方式划分
（1）直接程序传送接口
（2）中断接口 （可采用查询方式） （3）DMA接口 （可插入中断作DMA善后处理） 5.1.2 接口主要功能
1.寻址
接收CPU送来的地址码，选择接口中的寄存器供CPU访问。
为现行程序赋予优先级 ＜外设请求优先级，响应 ≥外设请求优先级，不响应
（3）各外设请求的判优
1）软件判优 由程序查询顺序确定优先级。可灵活修改优先级。
2.按时序控制方式划分 （1）同步总线
时钟周期、同步脉冲
由统一时序控制总线传送操作。
在固定时钟周期内完成数据传送，由同步脉冲定时打入。
例.
T1 T2 T3 T4
时钟
地址
读出数据
打入地址
打入数据
（2）异步总线 无固定时钟周期划分，总线周期时间由传送实际需要决定；
以异步应答方式控制总线传送操作。
例. 总线请求
响应该类请求。
关中断无关。
（4）向量中断与非向量中断 由软件提供服务程序
由硬件提供服务程序入口地址 入口地址
4.中断典型应用
（1）管理中、低速I/O操作
（2）处理故障
（3）实时处理
某事件出现的实际时间内及时处理，不是批量处理。
利用时钟中断定时采集参数，检测，调节。
（4）人机对话
（5）多机通信
5.中断系统的组成
随机插入的事态（软中断指令插入程序任何位置）
注意中断与转子的区别。
3.中断分类
（1）硬件中断与软中断 由软中断指令引发中断
由硬件请求信号引发中断
（2）内中断与外中断
中断源来自主机内部 中断源来自主机外部
（3）可屏蔽中断与非屏蔽中断
可通过屏蔽字屏蔽该
该类请求与屏蔽字无
类请求；关中断时不
关；请求的响应与开/
第五章 输入/输出系统
本章讨论： 接口的基本概念 总线的基本概念 中断方式及其接口组成 DMA方式及其接口组成
第一节 接口类型与功能
I/O接口指主机和外 设的交接部分，
位于系统总线和外 设之间。
系
统 总
接口
外 设
线
5.1.1 接口分类 1.按数据传送格式划分 （1）并行接口
系
统并 总
接口
线
并串 外 设
(设备 CPU)
总线权切换
总线批准 (CPU 设备)
主同步 (主 从)
从同步 (从 主)（时间可变）
总线传送 总线周期
（时间可变）
（3）扩展同步总线 以时钟周期为时序基础，允许总线周期中的时钟数可变。 例. 见3.3.3 “时序控制方式”。
注意几个“周期”概念：
时钟周期：CPU一步操作(一次内部数据通路传送)时间。 总线周期：经过总线的一次数据传送(访存)时间。
2.数据缓冲
实现主机与外设的速度匹配。 缓冲深度与传送的数据量有关。
3.预处理
系
串-并格式转换（ 线
接口
外 设
电平转换
4.控制功能
传送控制命令与状态信息，实现I/O传送控制方式。
第二节 总线
5.2.1 总线定义、特点和实体
1.定义：一组能为多个部件分时共享的信息传送线路。 2.特点：分时、共享。
中断系统的硬、软界面
（1）软件：服务程序、中断向量表
（2）硬件 接口方面：请求、传递、判优逻辑
CPU方面：响应逻辑
5.3.2 中断全过程（外中断）
1.中断请求的提出与传递
（1）如何产生中断请求？
外设工作完成：“完成”标志为1 CPU允许请求： “屏蔽”标志为0
先“屏蔽”，后请
求
有效请求
先请求，后“屏蔽”
CPU暂时中止现行程序的执行，转去执行为某 个随机事态服务的中断处理程序。处理完毕后自 动恢复原程序的执行。
2.实质与特点
（1）实质 程序切换
方法：保存断点，保护现场； 恢复现场，返回断点。
时间：一条指令结束时切换。 保证程序的完整性。
（2）特点
随机发生的事态（按键、故障）
随机性 有意调用,随机请求与处理的事态（调用打印机）
接口与系统总线、接口与外设均按并行方式传送数据。
数据各位同时传送。
适用于设备本身并行工作，距主机较近的场合。
（2）串行接口
接口与系统总线并行传送，接口与外设串行传送。
数据逐位分时传送。
适用于设备本身串行工作，或距主机较远，或需减少传送 线的情况。
2.按时序控制方式划分
（1）同步接口
接口与系统总线的信息传送由统一时序信号控制。
（2）部件内总线
插件板内各芯片之间互连的总线。（局部总线、片级总线）
分为地址、数据、控制线。
（3）系统总线
计算机系统内各功能部件之间，或各插件板之间互连的总
线。 （板级总线）
分为地址、数据、控制线。
（4）外总线
计算机系统之间，或计算机系统与其他系统之间互连的总
线。 （通信总线）
分为数据线(与地址复用)、控制线。
通常包含若干时钟周期。 （模型机的一个总线周期只包含一个时钟周期。） 工作周期：指令周期中的一个操作阶段。
可包含多个总线周期。 3.按数据传送格式划分 （1）并行总线：同时传送各位信息。 （2）串行总线：分时逐位传送各位信息。 CPU内总线：同步、并行 外总线：异步、并行、串行 系统总线：同步、异步、扩展同步、并行
CPU内设置控制逻辑 设置总线控制器
5.2.2 总线分类
1.按功能划分 （1）CPU内总线 CPU芯片内寄存器与算逻部件之间互连的总线。（ALU总线） 单组数据线(单向、双向)或多组数据线，或多种总线。
有效请求
请求触发器
请求
屏蔽
请求触发器
完成 屏蔽 CP
完成
CP
（2）如何传送中断请求？
1）使用单独请求线
2）使用公共请求线
请求 CPU 请求 I/O
公共请求 CPU
I/O
I/O
I/O
2.中断判优 （1）优先顺序 故障、DMA、外中断（输入、输出）
（2）CPU现行程序与外设请求的判优
1）CPU设置允许中断标志 ==10，，开关中中断断（模型机采用） 2）CPU设置程序状态字的优先级字段
5.2.3 总线标准
1.什么是总线标准 对总线信号组成、信号引脚含义、信号电平等作统一规定。
2.为何制定总线标准 便于灵活组成系统。
3.系统总线信号组成 电源、地址、数据、控制
时序：时钟、定时、应答 数传控制：M读/写、IO读/写 中断请求、响应 总线请求、响应 复位……
第三节 中断方式及接口
5.3.1 中断基本概念 1.定义
（2）异步接口
系
接口与系统总线的信息传送 采用异步应答方式。
统 总 线
接口
外 设
3.按I/O传送控制方式划分
（1）直接程序传送接口
（2）中断接口 （可采用查询方式） （3）DMA接口 （可插入中断作DMA善后处理） 5.1.2 接口主要功能
1.寻址
接收CPU送来的地址码，选择接口中的寄存器供CPU访问。
为现行程序赋予优先级 ＜外设请求优先级，响应 ≥外设请求优先级，不响应
（3）各外设请求的判优
1）软件判优 由程序查询顺序确定优先级。可灵活修改优先级。
2.按时序控制方式划分 （1）同步总线
时钟周期、同步脉冲
由统一时序控制总线传送操作。
在固定时钟周期内完成数据传送，由同步脉冲定时打入。
例.
T1 T2 T3 T4
时钟
地址
读出数据
打入地址
打入数据
（2）异步总线 无固定时钟周期划分，总线周期时间由传送实际需要决定；
以异步应答方式控制总线传送操作。
例. 总线请求
响应该类请求。
关中断无关。
（4）向量中断与非向量中断 由软件提供服务程序
由硬件提供服务程序入口地址 入口地址
4.中断典型应用
（1）管理中、低速I/O操作
（2）处理故障
（3）实时处理
某事件出现的实际时间内及时处理，不是批量处理。
利用时钟中断定时采集参数，检测，调节。
（4）人机对话
（5）多机通信
5.中断系统的组成
随机插入的事态（软中断指令插入程序任何位置）
注意中断与转子的区别。
3.中断分类
（1）硬件中断与软中断 由软中断指令引发中断
由硬件请求信号引发中断
（2）内中断与外中断
中断源来自主机内部 中断源来自主机外部
（3）可屏蔽中断与非屏蔽中断
可通过屏蔽字屏蔽该
该类请求与屏蔽字无
类请求；关中断时不
关；请求的响应与开/
第五章 输入/输出系统
本章讨论： 接口的基本概念 总线的基本概念 中断方式及其接口组成 DMA方式及其接口组成
第一节 接口类型与功能
I/O接口指主机和外 设的交接部分，
位于系统总线和外 设之间。
系
统 总
接口
外 设
线
5.1.1 接口分类 1.按数据传送格式划分 （1）并行接口
系
统并 总
接口
线
并串 外 设
(设备 CPU)
总线权切换
总线批准 (CPU 设备)
主同步 (主 从)
从同步 (从 主)（时间可变）
总线传送 总线周期
（时间可变）
（3）扩展同步总线 以时钟周期为时序基础，允许总线周期中的时钟数可变。 例. 见3.3.3 “时序控制方式”。
注意几个“周期”概念：
时钟周期：CPU一步操作(一次内部数据通路传送)时间。 总线周期：经过总线的一次数据传送(访存)时间。
2.数据缓冲
实现主机与外设的速度匹配。 缓冲深度与传送的数据量有关。
3.预处理
系
串-并格式转换（ 线
接口
外 设
电平转换
4.控制功能
传送控制命令与状态信息，实现I/O传送控制方式。
第二节 总线
5.2.1 总线定义、特点和实体
1.定义：一组能为多个部件分时共享的信息传送线路。 2.特点：分时、共享。
中断系统的硬、软界面
（1）软件：服务程序、中断向量表
（2）硬件 接口方面：请求、传递、判优逻辑
CPU方面：响应逻辑
5.3.2 中断全过程（外中断）
1.中断请求的提出与传递
（1）如何产生中断请求？
外设工作完成：“完成”标志为1 CPU允许请求： “屏蔽”标志为0
先“屏蔽”，后请
求
有效请求
先请求，后“屏蔽”
CPU暂时中止现行程序的执行，转去执行为某 个随机事态服务的中断处理程序。处理完毕后自 动恢复原程序的执行。
2.实质与特点
（1）实质 程序切换
方法：保存断点，保护现场； 恢复现场，返回断点。
时间：一条指令结束时切换。 保证程序的完整性。
（2）特点
随机发生的事态（按键、故障）
随机性 有意调用,随机请求与处理的事态（调用打印机）
接口与系统总线、接口与外设均按并行方式传送数据。
数据各位同时传送。
适用于设备本身并行工作，距主机较近的场合。
（2）串行接口
接口与系统总线并行传送，接口与外设串行传送。
数据逐位分时传送。
适用于设备本身串行工作，或距主机较远，或需减少传送 线的情况。
2.按时序控制方式划分
（1）同步接口
接口与系统总线的信息传送由统一时序信号控制。
（2）部件内总线
插件板内各芯片之间互连的总线。（局部总线、片级总线）
分为地址、数据、控制线。
（3）系统总线
计算机系统内各功能部件之间，或各插件板之间互连的总
线。 （板级总线）
分为地址、数据、控制线。
（4）外总线
计算机系统之间，或计算机系统与其他系统之间互连的总
线。 （通信总线）
分为数据线(与地址复用)、控制线。
通常包含若干时钟周期。 （模型机的一个总线周期只包含一个时钟周期。） 工作周期：指令周期中的一个操作阶段。
可包含多个总线周期。 3.按数据传送格式划分 （1）并行总线：同时传送各位信息。 （2）串行总线：分时逐位传送各位信息。 CPU内总线：同步、并行 外总线：异步、并行、串行 系统总线：同步、异步、扩展同步、并行