第8章输入、输出系统
计算机组成原理(第六版 立体化教材)
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《计算机组成原理（第六版·立体化教材）》的配套教材是《计算机组成原理试题解析（第六版）》。
《计算机组成原理（第六版·立体化教材）》配有动画演示、教学课件、习题答案、自测试题、课程设计等 资源。
教材特色
1、该教材配套开发了较多的在线动画演示视频。 2、该教材安排了在线延伸阅读材料。 3、该教材可扫描书中的二维码查阅相关内容。 4、该教材形成“理论、实验、设计”三个过程相统一的体系。
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计算机组成原理（第六版 立体化教 材）
2019年科学出版社出版的图书
01 成书过程
03 教材目录
目录
02 内容简介 04 教学资源
05 教材特色
07 图书目录
目录
06 作者简介
《计算机组成原理（第六版·立体化教材）》是由白中英、戴志涛主编，2019年8月科学出版社出版的新形 态教材、“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材。该教材可作为计算机及相关专业的教材，也可作为成人 自学考试、全国计算机等级考试NCRE（四级）用书。
作者简介
白中英，男，北京邮电大学计算机学院二级教授，博士生、硕士生导师。 戴志涛，男，北京邮电大学计算机学院教授。
图书目录
第1章计算机系统概论 第2章运算方法和运算器 第3章存储系统 第4章指令系统 第5章中央处理器 第6章总线系统 第7章外围设备 第8章输入／输出系统 第9章并行组织与结构 第10章课程教学实验设计 第11章课程综合设计
2019年8月，《计算机组成原理（第六版·立体化教材）》由科学出版社出版。
内容简介
该教材讲授计算机单处理器系统的组成和工作原理，在该基础上扩展讲授并行体系结构。该教材共11章，主 要内容包括计算机系统概论、运算方法和运算器、存储系统、指令系统、中央处理器、总线系统、外围设备、输 入/输出系统、并行组织与结构、课程教学实验设计和课程综合设计。
《信号与系统》第8章
) RC
(is
(t
)
iL
(t
))
经整理：
x1
(t
)
x2
(t
)
0
1 L
x1 (t )
1 C
RC L
x2 (t) RL x2 (t)
1 C
RC L
f1 (t )
f1(t)
1 L
f2 (t)
（3）建立输出方程
iuC((tt))uC
(t) iS
(t
RCiL (t) ) iL (t)
RC
iS
RC
iS
(t)
RC
iL (t)......... ...(3)
状态变量与系统输入变量的关系（状态方程）：
duC (t
dt diL (t)
)
1
dt L
uC
(t)
1 L
1 C (RL
RCiL (t) )iL 源自t)1C RC L
iS (t)(4) iS (t).........(5)
1H
x1
1F
+ -
x2
1F
i2
+
+-x3
2
u(t)
-
把该式代入上式，得：
x2
f
x1 x2 x3 (t) x2 x2
x3
x1
x3
x1
1 2
x3
x2
x3
x1 0 x2 x3 0
x2
1 3
x1
2 3
x2
1 6
x3
2 3
f (t)
x3
1 3
x1
1 3
x2
1 3
微机原理第八章 串行通信及串行接口
1. 可编程串行接口典型结构
✓状态寄存器
✓控制寄存器
✓数据输入寄存器--串行输入/并行 输出移位寄存器
✓数据输出寄存器--并行输入/串行 输出移位寄存器
2. 串行通信基本概念
在串行通信时，数据和联络信号使用同一条信号线 来传送，所以收发双方必须考虑解决如下问题： ❖ 波特率---双方约定以何种速率进行数据的发送和接收 ❖ 帧格式---双方约定采用何种数据格式 ❖ 帧同步---接收方如何得知一批数据的开始和结束 ❖ 位同步--- -接收方如何从位流中正确地采样到位数据 ❖ 数据校验--- -接收方如何判断收到数据的正确性 ❖差错处理---收发出错时如何处理 收发双方必须遵守一些共同的通信协议才能解决上述问题。
串行通信适于长距离、中低速通信
并行通信
将数据的各位同时在多根并行传输线上进行传输。
D0 0
D1 1
D2 0
源
D3 1
D4 D5
0 1
D6 1
D7 0
D0 D1 D2 D3 目 D4 的 D5 D6 D7
数据的各位同时由源到达目的地 → 快 多根数据线 → 短距离（远程费用高）
并行通信适于短距离、高速通信
工作方式下。
（8）错误检测 • 传输错误 • 覆盖错误
二、 接口与系统的连接
从结构上，可把接口分为两个部分，其中和 外设相连的接口结构与具体外设的传输要求及数 据格式相关，因此，各接口的该部分互不相同； 而与系统总线相连的部分，各接口结构类似，一 般都包括：
1． 总线收发器和相应的逻辑电路
2． 联络信号逻辑电路
接收端需要一个时钟来测定每一位的
时间长度。
波特率/位传输率---每秒传输的离散信号 的数目/每秒传输的位数。 波特率因子---
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 教学大纲
“计算机组成原理”教学大纲1.课程概要2.课程教学内容及建议学时第1章计算机系统概论本章的主要知识点包括冯诺伊曼计算机的组成与工作原理；计算机软/硬件互动关系;计算机不同层次的抽象与表示；CPU性能公式及性能评价方法。
本章课堂教学学时3学时，建议学生课后学习3学时。
第2章数据表示本章的主要知识点包括计算机内部数据的机器级表示及其不同数据表示的特点；浮点数据表示(包括表示形式、规格化、数据表示范围和IEEE754标准)及其应用；常见的数据校验方式(奇偶校验、海明校验和CRC校验)及其特点。
本章课堂教学学时5学时，建议学生课后学习5学时。
第3章运算器方法与运算器本章的主要知识点包括整数和浮点数的运算方法；算术/逻辑运算单元ALU的设计；溢出检测及其实现。
本章课堂教学学时8学时，建议学生课后学习5学时。
第4章存储器层次结构本章的主要知识点包括存储技术(SRAM、DRAM、ROM)及存储系统层次结构；存储期组织及其与CPU的链接；高速缓冲存储器及其在程序性能优化中的应用；虚拟存储器(重点掌握页式虚拟存储器和TLB的工作原理)；辅助存储器(RAID)。
本章课堂教学学时12学时，建议学生课后学习20学时。
第5章指令系统本章的主要知识点包括指令格式及其设计；寻址方式；指令系统实例(以MIPS机为例) 本章课堂教学学时4学时，建议学生课后学习8学时。
第6章中央处理器本章的主要知识点包括CPU的组成与功能；数据通路的概念；数据通路设计(单周期和多周期)；微程序控制器设计；硬布线控制器设计；流水线技术。
本章课堂教学学时10学时，建议学生课后学习20学时。
第7章系统总线本章的主要知识点包括总线特性；总线事务的概念；总线结构；总线仲裁；总线操作；总线举例(PCI,USB);总线标准等。
本章课堂教学学时4学时，建议学生课后学习4学时。
第8章输入/输出系统本章的主要知识点包括接口功能；常见I/O数据传送方式(程序查询、程序中断和DMA 方式)工作原理及其特点。
热电43i 8-9系统说明
第8章系统说明本章对系统部件的功能和位置进行了说明，并提供了软件结构的概要，还包括系统电子设备和I/O连接和功能的说明。
●第8-1页上的“硬件”部分对分析仪的部件进行了说明。
●第8-5页上的“软件”概述了软件系统以及软件任务的详细信息。
●第8-7页上的“电子元件”描述了系统控制板、组件和接头。
●第8-11页上的“I/O零部件”描述了输入输出通信的功能和零部件。
硬件43i型分析仪的硬件零部件（图8-1）包括：●碳氢化合物清选器●光电设备●闪光灯●聚光透镜●镜组件●挡光板●跳线盒●反应室●带通滤波器●光电倍增管●光电检测器系统说明硬件● 流量传感器● 压力传感器● 样品毛细管●真空泵 闪光密度总成 PMT 总成 反应室进气总成 镜罩总成闪光灯罩 闪光跳线总成 催化剂总成 风扇 泵电磁阀（选装） I/O 扩展板（选装） 数字输出板 电源 输入板总成 测量接口板 反应室总成流量变换器渗透炉总成（OPT ）压力变换器 正面板正面板图 8-1. 硬件零部件碳氢化合物清选器 碳氢化合物清选器可去除气流中的碳氢化合物，而SO 2浓度不受影响。
它依据选择性渗透原理，采用差分压力，迫使碳氢化合物分子进入管壁。
差分压力在管内生成，试样气体通过毛细状管，可减少压力。
试样气体进入碳氢化合物清选器的壳侧。
光电设备 光电设备提供荧光反应的光源，利用系统透镜和镜像优化反应。
它包括闪光灯、聚光透镜、镜组件和挡光板。
系统说明硬件闪光灯闪光灯提供紫外光源，引起SO2分子内的荧光反应。
聚光透镜聚光透镜负责将闪光灯发出的光聚拢到镜组件。
镜组件共有4个镜子，选择反射那些波长可激活SO2分子的光波。
反射滤光过程中，到达检测室的辐射光线更为密集、稳定。
挡光板圆形板，使散射的光源纳入检测量。
闪光灯跳线组件闪光灯触发组件发出脉冲，使UV闪光灯以每秒10次的速度闪光，以改进信噪比和长期稳定性。
反应室反应室是将闪光灯光源转换成脉冲信号，激活SO2分子处。
计算机组成原理习题 第八章输入输出系统
第八章输入输出系统一、填空题；1.直接内存访问（DMA）方式中，DMA控制器从CPU完全接管对的控制，数据交换不经过CPU,而直接在内存和之间进行。
2.通道是一个特殊功能的，它有自己的专门负责数据输入输出的传输控制。
3.并行I/O接口和串行I/O接口是目前两个最具有权威性的标准接口技术。
4.在计算机系统中，CPU对外围设备的管理，除了程序查询方式、程序中断方式外，还有方式、方式和方式。
5.程序中断方式控制输入输出的主要特点是，可以使A 和B 并行工作。
6.DMA控制器按其A 结构，分为B 型和C 型两种。
7.通道是一个特殊功能的A ，它有自己的B 专门负责数据输入输出的传输控制，CPU只负责C 功能。
8.通道有三种类型：A 通道、B 通道、C 通道。
9.二、选择题：1.下面有关“中断”的叙述，______是不正确的。
A.一旦有中断请求出现，CPU立即停止当前指令的执行，转而去受理中断请求B.CPU响应中断时暂停运行当前程序，自动转移到中断服务程序C.中断方式一般适用于随机出现的服务D.为了保证中断服务程序执行完毕以后，能正确返回到被中断的断点继续执行程序，必须进行现场保存操作2.中断向量地址是______。
A. 子程序入口地址B. 中断服务例行程序入口地址C. 中断服务例行程序入口地址的地址D. 主程序返回地址3.在数据传送过程中，数据由串行变并行或由并行变串行，其转换是通过______。
A. 移位寄存器B. 数据寄存器C. 锁存器D. 指令寄存器4.下述I/O控制方式中，主要由程序实现的是______。
A. PPU(外围处理机)方式B. 中断方式C. DMA方式D. 通道方式5.采用DMA方式传送数据时，每传送一个数据要占用______的时间。
A. 一个指令周期B. 一个机器周期C. 一个时钟周期D. 一个存储周期6.发生中断请求的条件是______。
A. 一条指令执行结束B. 一次I/O操作开始C. 机器内部发生故障D. 一次DMA操作开始7.中断向量地址是______。
微机接口作业及答案
《微型计算机原理与接口技术》部分作业及补充题参考答案第7章存储器系统P2176.某SRAM存储芯片，其字位结构为512K×8bit，试问其地址、数据引脚各是多少个？答：∵219＝512K，所以地址引脚需19根；数据引脚需8根（8bit）。
8.现有1024×1bit的存储芯片，若用它组成容量为16K×8bit的存储器。
试求：（1）实现该存储器所需的芯片数量答：(16K×8bit)/(1K×1bit)=128片（2）该存储器所需地址的地址码总位数是多少？其中几位选片？几位用作片内地址？答：∵214 ＝16K，所以地址码总位数为14位。
而1024×1bit存储芯片需要地址10位，因此选片地址为4位，片内地址为10位。
第8章输入/输出系统P2442．接口电路的作用是什么？I/O接口应具备哪些功能？参见教材P2193．什么是端口？端口有几类？参见教材P220 8.1.2 输入输出端口4．I/O端口有哪两种编址方式？PC系列机采用哪种编址方式？答：I/O端口和存储单元统一编址及I/O端口独立编址两种。
PC机采用I/O端口独立编址。
7. 定时/计数器的3个通道在PC系列机中是如何应用的？答：0＃计数器用于系统时钟中断；1＃计数器用于动态存储器刷新定时；2＃计数器用于发声系统音调控制。
10．系统机定时/计数器的通道0定时周期最长是多少？要实现长时间定时,应采取什么措施？如果采用外扩8254定时/计数器实现长时间定时，应采取哪些措施？答：系统机定时/计数器通道0定时周期最长是55ms。
要实现长时间定时，只能使用 INT 1CH 中断的方法，通过对预先设定的中断次数进行计数，达到n倍55ms的定时目的。
采用外扩8254，可以使用三个通道硬件级联的方法实现长时间定时。
补充题：设PC 系统机外扩了一片8254 及相应的实验电路。
(1) 根据由门电路构成的译码电路，分析出该片8254 的四个端口地址。
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3．具有通道结构的阶段
在小型和微型计算机中，采用DMA方式可实 现高速外设与主机成组数据的交换，但在大、中型 计算机中，外设配置繁多，数据传送频繁，若仍采 用DMA方式会出现一系列问题。如果每台外设都配 置专用的DMA接口，不仅增加了硬件成本，而且为 了解决众多DMA同时访问主存的冲突问题，使控制 变得十分复杂。CPU需要对众多的DMA进行管理， 同样会占用CPU的工作时间，而且因频繁地进入周 期挪用阶段，也会直接影响CPU的整体工作效率。
因此在大、中型计算机系统中，采用了I/O通道 的方式来进行数据交换。
图8-3表示了具有通道结构的计算机系统。
CPU
内存
通 I/O 道
图8-3 I/O通过通道与主机交换信息
通道是用来负责管理I/O设备以及实现主存与 I/O设备之间交换信息的部件，可视为一种具有特殊 功能的处理器。通道有专用的通道指令，它能独立
8.1.2 I/O系统组成
CPU 主存
I/O 接 口
设备控制器
I/O设备
图8-4 I/O系统的组成
外部设备能够利用光、电、磁及机械传动等 手段，把信息转换为二进制代码的形式。几种常用 的基本外部设备将在8.3节中介绍，如显示器，键盘 等。
设备控制器能将设备生成的各种形式的二进 制代码转换成电信号，并根据输入信号的要求对设 备进行控制。设备控制器是设备与计算机连接的部 件，是外部设备的一个组成部分。
8.1.1 I/O系统概述
输入输出系统的发展大致可分为四个阶段。 1．早期阶段 早期的I/O设备种类较少，I/O设备与主机交换 信息都必须通过CPU。工作模式如图8- 1所示。
内存
CPU
I/O
图8-1 I/O通过CPU与主机交换信息
这种交换方式延续了相当长的时间。当时的 I/O系统具有以下几个特点：每个I/O设备都必须配 有一套独立的逻辑电路与CPU相连，用来实现I/O设 备与主机交换信息，因此线路十分零散、庞杂；输 入输出过程是穿插在CPU执行程序期间进行的，当 I/O设备与主机交换信息时，CPU不得不停止各种运 算，因此，I/O设备与CPU是按串行方式工作的，极 大的浪费了CPU的时间；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， 它们彼此依赖，相互牵连，因此，想要增加、删除 或者更换I/O设备就非常困难。
地执行用通道指令所编写的输入输出程序，但它不 是一个完全独立的处理器，它受CPU的I/O指令启动、 停止或改变其工作状态，是从属于CPU的一个专用 处理器。依赖通道管理的I/O设备在与主机交换信息 时，CPU不直接参与管理，故CPU的资源利用率更 高。
4．具有I/O处理机的阶段
输入输出系统发展到第四阶段是具有I/O处理 机的阶段。I/O处理机又叫做外围处理机 (Peripheral Processor Unit,PPU)，它基本独立于 主机工作，不仅可完成I/O通道要完成的I/O控制， 还可完成码制变换、格式处理、数据块检错、纠错 等操作。具有I/O处理机的输入输出系统与CPU工作 的并行性更高。这说明I/O系统对主机来说，具有更 大的独立性。
虽然这个阶段实现了CPU和I/O设备并行工作， 但是在主机与I/O设备交换信息时，CPU要中断现行 程序，即CPU与I/O设备还不能做到绝对的并行工作。
为了进一步提高CPU的工作效率,又出现了 DMA(Direct Memory Access)技术，其特点是I/O 设备与主存之间有一条直接数据通路，I/O设备可以 与主存直接交换信息，而不需要打断CPU的工作， 故其资源利用率得到了进一步的提高。
本章要点：
I/O系统的任务和功能 计算机的I/O方式 计算机的I/O设备及其工作原理
8.1 I/O系统
计算机的输入输出系统（I/O系统）由I/O接口、 I/O管理部件以及有关的I/O软件组成，其主要作用 是实现计算机系统的输入输出功能。I/O系统具体要 解决的问题是：怎样在主机和外部设备之间建立一 个高效、可靠的信息传输“通路”；如何对外设进 行编址，使CPU方便地寻找到要访问的外设；I/O接 口、管理部件如何协调完成主机和外部设备之间的 数据交换等等。
在这个阶段中，计算机系统硬件价格十分昂 贵，机器速度不高，配置的I/O设备不多，主机与 I/O设备交换的信息量也不大，计算机应用的普及程 度还比较低。
2．接口模块和DMA阶段
在这个阶段，I/O设备通过接口模块与主机连 接，计算机系统采用了总线结构，工作模式如图8-2 所示。
主
I/O总线
机
I/O接口
第8章 输入/输出系统
计算机的基本功能之一是能够与其他的外部设 备交换信息。但是由于这些设备具有各自不同的组 成结构和工作原理，因此，与中央处理机的连接方 式也各不相同。输入输出系统又简称为I/O系统，其 功能是完成计算机与外部设备的联系。它和整机的 速度、处理能力、实用性、兼容性等各种系统性能 都有非常密切的关系。随着计算机应用范围的不断 扩大，I/O系统的地位显得越来越重要。用户主要是 通过外部设备和主机交互信息的，因此，了解常用 的外部设备的工作原理十分必要。
I/O接口负责交换主机和I/O设备的状态信息， 使主机与I/O设备的速度相匹配，实现主机与I/O设 备之间的数据交换，并且实现数据格式的变换。
I/O接口可以分为两类：串行接口和并行接口。 串行接口与I/O设备之间，按顺序逐位传送信息;接 口与主机之间，按字或字节并行传送数据，数据格 式的变换在接口内部完成。并行接口与I/O设备之间， 或者与主机之间都是按字或字节并行传送数据。显 然，并行接口传输效率高。目前计算机的I/O接口正 向标准化、通用化和系列化方向发展。
I/O接口 … I/O接口
外部设备 1
外部设备 … 外部设备
2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
n
图8-2 外部设备通过I/O接口和主机交换信息
通常在接口中都设有数据通路和控制通路。
数据经过接口既起到缓冲作用，又可完成串 — 并变换或并 — 串变换。控制通路用以传送CPU 向I/O设备发出的各种控制命令，或者使CPU接受 来自I/O设备的反馈信号。许多接口还能满足中断 请求处理的要求，使得I/O设备与CPU可按并行方 式工作，大大地提高了CPU的工作效率。采用接 口技术还可以使多台I/O设备分时占用总线，使得 多台I/O设备互相之间也可实现并行工作方式，有 利于整机工作效率的提高。