第七章 输入输出(IO)系统
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。
2
计算机组成原理
第七章 输入输出系统
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。
7
计算机组成原理
第七章 输入输出系统
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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计算机组成原理
第七章 输入输出系统
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
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
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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
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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)
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计算机组成原理(第七章 输入输出系统
第七章输入输出系统第一节基本的输入输出方式一、外围设备的寻址1．统一编址：将输入输出设备中控制寄存器、数据寄存器、状态寄存器等与内存单元一样看待，将它们和内存单元联合在一起编排地址，用访问内存的指令来访问输入输出设备接口的某个寄存器，从而实现数据的输入输出。
2．单独编址：将输入输出设备中控制寄存器、数据寄存器、状态寄存器单独编排地址，用专门的控制信号进行输入输出操作。
3．CPU与外围设备进行通信有三种类型：（1）CPU向外围设备发出操作控制命令。
（2）外围设备向CPU提供状态信息。
（3）数据在CPU与外围设备之间的传递。
历年真题1．对外设统一编址是指给每个外设设置一个地址码。
（2002年）【分析】CPU与外设之间的信息传送是通过硬件接口来实现的，各种外设的硬件接口上又都包含有多个寄存器，如控制寄存器、数据寄存器、状态寄存器等。
统一编址是将外设接口上的各种寄存器等同于内存储器的存储单元，通过使用访问内存单元的指令来访问外设接口上的各个寄存器，这样就可以使用访存指令来访问外设，输入输出操作简单，程序设计比较简便。
由于外设接口上的寄存器种类和数量通常不止一个，所以一个外设至少对应一个以上的内存地址。
【答案】对外设统一编址是将外设接口上的寄存器等同内存单元，给每个外设设置至少一个地址码。
二、外围设备的定时1．外围设备的定时方式有异步传输方式和同步定时方式两种。
2．实现输入输出数据传输的方式主要有：程序控制方式、直接存储访问（DMA）方式、通道方式。
程序控制方式又可分为程序查询方式和中断方式两种。
历年真题1．对I/O数据传送的控制方式，可分为程序中断控制方式和独立编址传送控制方式两种。
（2001年）【分析】对1/O数据传送的控制方式，可分为程序直接控制方式、程序中断控制方式、DMA控制方式、通道控制方式等。
程序中断控制方式只是其中的一种方法，独立编址是指对1/O设备的控制寄存器、数据寄存器、状态寄存器等单独进行地址编排，使用专门的指令对其进行操作，可用在各种数据传送的控制方式中。
计算机基础知识什么是输入输出(IO)操作
计算机基础知识什么是输入输出（IO）操作计算机基础知识：什么是输入输出（IO）操作计算机是一种用于处理数据的工具，而输入输出（IO）操作是计算机与外部世界进行数据交流的方式。
通过输入，我们可以将外部的数据传递给计算机进行处理，而输出则是将计算机处理后的数据传递给外部环境。
在本文中，我们将探讨输入输出操作的基础知识。
一、输入输出（IO）的概念输入输出是计算机与外部环境进行数据交流的方式。
输入是指将外部数据传递给计算机，供计算机进行处理和分析；输出则是将计算机处理后的数据传递给外部环境，供人们观察和使用。
在计算机系统中，输入输出设备起到了极为重要的作用。
例如，键盘、鼠标和触摸屏等输入设备用于接收用户的命令和数据，显示器、打印机等输出设备则用于向用户展示计算机处理的结果。
二、输入输出的分类1. 人机交互输入输出：这种输入输出方式主要是通过外部设备与人进行交互。
例如，使用键盘输入文字、鼠标点击图标进行操作、触摸屏选择菜单等。
同时，显示器将结果输出给人们观察。
2. 设备驱动程序输入输出：这种输入输出方式是通过设备驱动程序进行的。
计算机通过设备驱动程序与各类外部设备进行通信。
例如，打印机通过打印机驱动程序与计算机通信，将计算机处理的文档输出。
3. 文件输入输出：文件是计算机中存储数据的一种形式，也是计算机与外部世界交流的一种方式。
我们可以将数据存储在文件中，进行读取和写入操作。
三、输入输出的基本操作在计算机基础中，我们了解到输入输出操作的基本函数包括读取和写入。
读取是指从外部获取数据并传递给计算机进行处理；写入则是将计算机处理的结果传递给外部。
读取函数的基本形式如下：input(data)：从外部读取数据，存储在变量data中。
写入函数的基本形式如下：output(data)：将变量data中的数据写入外部设备，供外部环境使用。
四、输入输出的应用输入输出操作在计算机中得到了广泛的应用。
以下是一些常见的输入输出操作应用场景：1. 数据采集：许多科学实验、气象观测等需要收集大量外部数据，通过输入输出操作，这些数据可以传递给计算机进行进一步的分析和处理。
第七章 输入输出(IO)系统
一、选择1、计算机所配置的显示器中，若显示控制卡上双薪存储器的容量是1MB，则当采用800×600像素的分辨率时，每个像素最多可以有（C）种不同的颜色。
A.256B.65536C.16MD.40962、CRT的分辨率为1024×1024像素，像素的颜色数为256，则刷新存储器的容量约为（B）A.256MB.1MC.256KBD.32MB3、CRT的分辨率为1024×1024像素，像素的颜色总数为256色，则刷新存储器每单元字长是（A）A.1个字节B.2个字节C.256个字节D.1024个字节4、若计算机屏幕上每个像素的灰度级为256，则刷新存储每个单元的宽度是。
5、显示汉字采用点阵字库，若每个汉字用16×16的点阵表示，7500个汉字的字库容量是240KB 。
6、磁盘存储器的等待时间通常是磁盘旋转半周所用的时间。
7、某磁盘的转速为7200r/min，传输速度为4MN/s，控制器开销为1ms，要保证读或写一个512B的扇区的平均时间为11.3ms。
那么，该磁盘的平均寻道时间不超过（D）A.3.9msB.4.7msC.5.5msD.6.1ms8、一个磁盘的转速为7200转/分，每个磁道有160个扇区，每扇区有512字节，那么理想情况下，其数据传输率为（C）A.7200×160KB/s B.7200KB/sC.9600KB/sD.19200KB/s9、某计算机系统中，假定硬盘以中断方式与处理机进行数据输入输出，以16位为传输单位，传输率为50KB/s，每次传输的开销（包括中断）为100个CPU时钟，处理器的主频为50MHz，请问软盘数据传送时占处理器的时间比例是10、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，各扇区之间有一间隙，磁头通过每个间隙需 1.25ms。
则磁盘通道所需最大传输率是11、下列有关程序中断I/O方式的叙述中，错误的是（D）A. 程序中断I/O方式是CPU和外设能够并行工作B. 中断I/O方式下，外设和CPU直接交换数据C. 中断I/O方式下，CPU会有额外的开销用于断点、现场的保护和回复等D. 中断I/O方式适用于像磁盘一类的高速设备12、指令执行结果出现异常而引起的中断是（B）A.I/O中断B.程序性中断C.机器校验中断D.外中断13、主存故障引起的中断是（C）A.I/O中断B.程序性中断C.机器校验中断D.外中断14、为了实现多级中断，保存现场信息最有效的方法是（B）A.通用寄存器B.堆栈C.存储器D.外存15、在中断处理过程中，完全由硬件自动执行的步骤是（A）A.保存中断点B.识别中断点C.保存将被中断服务程序破坏的通用寄存器的内容D.返回中断点16、在蛋鸡中断系统中，CPU一旦响应，则立即关闭中断允许标志，以防止本次中断任务结束前同级的其他中断产生另一次中断进行干扰。
硬件7-输入输出接口
3、电气特性：每条线上的信号传送方向、有效电 平范围。 4、时间特性：每条线上的信号在什么时间上有效。
总线带宽：总线本身所能达到的最高传输速率。
总线带宽是衡量总线性能的重要指标，
单位：兆字节每秒(MB/s)。
【例】(1)某总线在一个总线周期中并行传送4个字 节的数据，假设一个总线周期等于一个总线时钟周 期，总线时钟频率为33MHz，则总线带宽是多少? (2)如果一个总线周期中并行传送64位数据，总线 时钟频率升为66MHz，则总线带宽是多少?
(3)外部总线:主机与外部设备以及计算机与计算机之 间使用的总线。
7.4.2 总线标准
相同的指令系统，相同的功能，不同厂家生产的各功 能部件在实现方法上几乎没有相同的，但各厂家生产的相同 功能部件却可以互换使用，其原因在于它们都遵守了相同的 系统总线的要求，这就是系统总线的标准化问题。
1、物理特性：指总线的物理连接方式，包括总线 条数、连线的插头、和插座形状、引脚排列方式 和次序等。
7.2.3 直接存储器访问——DMA方式
前两种方式以CPU为中心，占用CPU时间，DMA
方式以内存为中心，由专门的 DMA控制器向CPU请
求并接管总线的控制权，但需要利用系统的地址、
数据和控制总线。
一、 DMA方式的定义
直接存储器存取方式——DMA（Direct Memory Access）方式，是一种没有CPU参与的、在高速外 设与存储器之间直接进行数据传输的控制方式。
路
CR
控制 寄存器
数据 状态 控制
I/O 设备
都由数据 总线传送
一、组成
寄存器组、控制逻辑电路、主机与接口和接口与I/O设备之 间的信号联接线、地址线、数据线等信号线。
第7章 输入输出接口技术
DMA控制器来管理，CPU可去干其他工作（但不能访
问系统总线）。
CPU
HOLD HLDA
DRQ DMA控制器 AEN IOW DACK
MEMR
AEN IOW
MEMR IOR
存储器
输出设备
图7-7 DMA传送原理示意图
通常，DMA控制器应该具备以下功能：
能向CPU发出要求控制总线的DMA请求信号DRQ；
7.1.3 I/O端口的编址方式
接口中的寄存器又叫做I/O端口，每一个端口有一个编 号，叫做端口号，又叫端口地址。数据寄存器就是数据端 口，用于对来自CPU和外设的数据起缓冲作用。状态寄存器 就是状态端口，用来存放外部设备或者接口部件本身的状 态。CPU通过对状态端口的访问和测试，可以知道外部设备 或接口本身的当前状态。控制寄存器就是控制端口，用来 存放CPU发出的控制信息，以控制接口和外部设备的动作。 也可以说，CPU与外部设备之间传送信息都是通过数据总线 写入端口或从端口中读出的，所以，CPU对外部设备的寻址， 实质上是对I/O端口的寻址。
（如标志位、其它寄存器等）和断点。在中断结束
返回时，再恢复现场和断点，继续执行原来的程序。
7.2.4 DMA控制方式 DMA（Direct Memory Access）传送方式又称为直 接存储器存取方式，实际上就是在存储器与外设间开辟 一条高速数据通道，使外设与内存之间直接交换数据。 这一数据通道是通过DMA控制器来实现的。在DMA传
第7章 基本输入/输出 接口技术
本章主要教学内容
输入输出接口技术的概念和功能
CPU与I/O接口之间传递的信息类型及I/O 端口的编址方式 CPU与外部设备之间数据传送方式的原理、 特点及应用
《计算机原理》“计算机组成与系统结构” 第7章 输入输出(IO)系统
• 输入输出系统的功能
• 各种外围设备通过输入输出接口与计算机主机相连，完成主 机分配的任务并进行信息交换
• 输入输出接口需要连接各种不同类型、不同工作速度和 数据传输速度的外围设备，因此产生了各种不同的输入 输出控制方式
通道方式
PPU方式
• 程序查询方式和程序中断方式适用于数据传输率比较 低的外围设备 • DMA方式、通道方式和外围处理机方式适用于数据传 输率比较高的外围设备
7.2 程序中断方式
7.2.1 中断的基本概念
7.2.2 单级中断与多级中断 7.2.3 中断控制器
7.2.1 中断的基本概念
• 程序查询方式要求CPU不断地用指令检测方法来获取外 设工作状态，造成CPU的运行效率极低
7.1 输入输出控制方式
1. 程序查询方式
2. 程序中断方式 3. DMA方式 4. 通道方式 5. 外围处理机方式
• CPU管理外围设备的输入输出控制方式
• 程序查询方式 • 程序中断方式 • DMA方式 • 通道方式
• 外围处理机方式
• 前两种方式由软件实现
• 后三种方式由硬件实现
1. 程序查询方式
• CPU暂停其现行程序，转而执行中断处理程序，完成数据I/O 工作 • 当中断处理完毕后，CPU又返回到原来的任务，并从暂停处继 续执行程序
• 程序中断这种方式节省了CPU时间，是管理I/O操作的一 个比较有效的方法 • 中断方式一般适用于随机出现的服务，并且一旦提出要 求，应立即执行 • 与程序查询方式相比，
• 与此同时，外设则进行数据传输的准备工作
• 相对于CPU来说，外设的速度是比较低的，因此外设准 备数据的时间往往是一个漫长的过程
天脉(ACoreOS)操作系统培训第七章：IO系统
xx_creat()
应用
creat() open() close() read() write() ioctl()
xx_open() xx_close() xx_read() xx_write()
设备
xx_ioctl()
4
设备和文件系统的使用
设备 1. 安装并注册设备驱动 2. 创建设备
刷新缓冲区；释放文件或设备相关资源； 解除文件描述符fd同设备的绑定关系，并释放fd； ACoreOS中任务删除时不会自动调用close服务关闭该任务
打开的文件或设备。如果任务不需要使用文件或设备，必 须显式调用close关闭文件或设备。
15
读/写文件或设备
ssize_t read (int fd, void *buffer, size_t count)
13
打开文件或设备
int open (const char *file, int flags, ...)
file
文件或设备路径
flags 指定的访问类型:
O_RDONLY 只读打开.
O_WRONLY 只写打开.
O_RDWR 可读可写打开
O_APPEND 追加
O_CREAT 如果不存在则创建.
O_TRUNC 截断为0.
O_EXCL 配合O_CREAT使用
O_NONBLOCK 以非阻塞方式读一个设备
如果打开成功返回文件描述符，失败返回ERROR(-1)；
14 creat() 类似于open()，用于在文件系统中创建新文件。
关闭文件或设备
int close (int fd)
fd 从open()或creat()返回的文件描述符
输入输出系统(IO系统)
22
1
集中式串行链接控制
1）结构示意图(设有n个部件，编号U0…Un-1)。 请求线：单向； 向 忙线：单向； 响应线：单
23
2）获取总线过程 ①当部件请求时，请求信号送集中控制器 C。
② C收到请求后，从响应线上发出响应 电平。（总线空闲时，即未建忙电平） ③若 Uo 已提出请求时，由 Uo 建立忙电平， 同时响应电平停止前进，Uo接管总线。 ④若Uo未提出请求时，响应电平穿过Uo 而送到U1，余类推。
③通道指令功能简单，使用面窄，与 CPU 共 用一个主存，还不是独立的I/O处理机。
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2）外围处理机方式（PPU）
用一个功能较弱的计算机管理 I/O ，彻 底解放CPU，硬件结构最复杂。 能称为I/O系统的必要条件：
①要有软件和硬件；
②软件要由硬件装置本身执行。因此只 有通道，外围处理机才能称I/O系统。
13
总线
CPU总线
CPU
存储器
高速I/O
一般I/O
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3）三总线：在双总线的基础上增 加一组存贮器到高速I/O的总线， 要求存贮器是多体结构。
15
总线
CPU总线
高速I/O总线
CPU
存储器
高速I/O
一般I/O
16
2 按是否专用来分 1）专用总线：随部件数（n）的增 加，专用总线急剧增加： l=n*(n-1)/2 n=4时， l =6 ； n=5时 l =10
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1 .单向源控式异步通信
1）通信示意图
源发数据 源发数据准备 （选通信号） 目接收数据
t1 t2 t3
通过n 条数据线 一条控制线 n条数据线
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2)特点 ①结构简单，控制方便。 ②源不知目此时是否需要数据 ③源更不知目是否可靠受到数据。
第7章输入输出(IO)系统
第7章输入输出（I/O）系统键盘、鼠标、打印机都是常见的计算机外围设备，这些设备就是通常意义上所说的输入输出设备。
从功能上可以将输入输出设备分为两类，一类是完成输入输出操作的设备，另一类是作为外部存储器的设备，外部存储器的访问需要通过输入输出接口进行，因此也可以看作是一种输入输出设备。
各种外围设备通过输入输出接口与计算机主机相连，完成主机分配的任务并进行信息交换，这就是输入输出系统的功能。
输入输出接口需要连接各种不同类型、不同工作速度和数据传输速度的外围设备，因此产生了各种不同的输入输出控制方式。
本章首先介绍5种输入输出控制方式，然后重点介绍程序中断、DMA、通道这三种常用方式，最后介绍几个通用输入输出接口的实例。
7.1输入输出控制方式一般而言，CPU管理外围设备的输入输出控制方式有5种：程序查询方式、程序中断方式、DMA方式、通道方式、外围处理机方式，前两种方式由软件实现，后三种方式由硬件实现。
1. 程序查询方式程序查询方式是早期计算机中使用的一种方式，CPU与外围设备的数据交换完全依赖于计算机的程序控制。
在进行信息交换之前，CPU要设置传输参数、传输长度等，然后启动外设工作，与此同时，外设则进行数据传输的准备工作；相对于CPU来说，外设的速度是比较低的，因此外设准备数据的时间往往是一个漫长的过程，而在这段时间里，CPU除了循环检测外设是否已准备好之外，不能处理其他业务，只能一直等待；直到外设完成数据准备工作，CPU才能开始进行信息交换。
这种方式的优点是CPU的操作和外围设备的操作能够完全同步，硬件结构也比较简单。
但是，外围设备的动作通常很慢，程序进行循环查询白白浪费了宝贵的CPU时间，数据传输效率低下。
在当前的实际应用中，除了单片机之外，已经很少使用程序查询方式了。
2. 程序中断方式中断是外围设备用来“主动”通知CPU，准备发送或接收数据的一种方式。
通常，当一个中断发生时，CPU暂停其现行程序，转而执行中断处理程序，完成数据I/O工作；当中断处理完毕后，CPU又返回到原来的任务，并从暂停处继续执行程序。
输入输出系统
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中断向量表的初始化
• 将用户自定义的中断服务程序入口地 址放入向量表
• 两种方法：
– 直接写中断向量表 – 利用DOS中断功能调用：INT 25H
• 例：将中断向量码为48H的服务程序 入口地址放入向量表
2021/3/5
59
中断向量表的初始化
• 直接写中断向量表 MOV AX，0
P319
MOV DS，AX
2021/3/5
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§7.3 中断技术
掌握：
• 中断的基本概念 • 中断响应的一般过程 • 中断向量表及其初始化 • 8088/8086中断系统
2021/3/5
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一、中断的基本概念
中断：
• CPU执行程序时，由于发生了某种随机
的事件(外部或内部)，引起CPU暂时中
断正在运行的程序，转去执行一段特殊
求
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中断向量表
00000H
1KB ┇ 003FFH ┇
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中断向量表
• 存放各类中断的中断服务程序的入口 地址
• 每个入口占用4 Bytes，低字为段内偏 移，高字为段基址
• 表的地址位于内存的00000H～ 003FFH，大小为1KB，共256个入口
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三、I/O地址的译码
目的： • 确定端口的地址
参加译码的信号：
• IOR，IOW，A15 ～ A0 • OUT指令将使总线的IOW信号有效 • IN指令将使总线的IOR信号有效
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I/O地址的译码
• 当接口只有一个端口时，16位地址
信号一般应全部参与译码，译码输
7输入输出系统-2
7.3.4
I/O端口与编址方式
1. I/O端口 为使CPU能选择设备并进行数据传送，接口中通常 都具有多个可由CPU进行读或写操作的寄存器或电 路，即I/O端口（Port）。 CPU与I/O接口传递信息的类型主要有数据、状态和 控制信号，对应传送它们的端口分别为数据端口 （I/O）、状态端口（I）和控制端口（O）。 I和O 是相对CPU而言的。 2. I/O端口编址方式 为了CPU便于对I／O设备进行寻址和选择，对端口 进行编址，也就是给每台设备规定一些地址码， 称为设备号。
计算机组成原理
（8）如何获取中断服务程序的入口地址
① 非向量中断 将服务程序入口组织在查询程序中；CPU响应时执行查 询程序，查询中断源，转入相应服务程序。 ② 向量中断 将服务程序入口(中断向量)组织在中断向量表中； CPU响应时由硬件直接产生相应向量地址，按地址查 表，取得服务程序入口，转入相应服务程序。 中断向量： 服务程序入口地址、服务程序状态字 中断向量表：存放中断向量的表（一段存储区） 向量地址： 访问向量表的地址 （指向中断向量的首址）
计算机组成原理
2. 工作流程 （1）CPU执行初始化程序，预 置传送参数。 （2）从外设接口读取状态。 （3）CPU查询状态，直到准备 就绪。 （4）传送一次数据。 （5）修改地址和计数参数。 （6）判断结束。
否 未准备就绪
现行程序 CPU向I/O发 读指令 CPU读I/O状态 出错 检查状态
已准备就绪 从I/O接口中读 一个字到CPU 从CPU向主存 写入一个字 完成否 是
计算机组成原理
7.4.2
程序中断方式
中断的基本概念
1.中断 CPU暂时中止当前程序运行，转去处理 随机出现的情况或有意安排的任务，在 处理结束后能自动恢复原程序的执行。 2.中断源 引起中断产生的事件或发生中断请求的来源。 3.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。
16 输入输出系统
5
⑸传递控制命令和状态信息
CPU通过接口中命令寄存器向外设发出启 动命令； busy和ready信号
(6)电平匹配
6
3.2 控制器/接口的基本组成
接口中要分别传送数据信息、控制信息和 状态信息，这些信息都通过数据总线分时传送 至专用寄存器中。
• 接口: 数据端口、命令端口和状态端口（广义 称呼 ）。
8
I/O 接口的基本结构图
接口 地址信息 外设识别 数据 (并/串) 外 设
主 机
数据 (并)
数据 /命令/状态
控制联络信息
控制电路
控制联络
9
2）中断输入输出方式的接口
CPU 中断 请求 寄存 器 中断 屏蔽 寄存 器 中断判 优电路 接口 控制 IR IG RD WE 接口 接口控制 电路 完成 启动 数据 外设
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5） 外围处理机方式
基本独立于主机工作,结构接近一般处理机 甚至是一般小型通用计算机或微机。
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。 使计算机系统结构质变 功能集中式发展为功能分散的分布式U直接访问的寄存 器，若干个端口加上相应的控制逻辑电路统称 成接口。 7
1） I/O接口分类
• 结构方式
– 并行和串行
• 收发配合方式
– 同步和异步
• 数据传送配合方式
– 程序传送、中断传送、DMA、通道、IO处理器
• 电路规模
– 简单接口、可编程接口、外设接口适配器
第7章 输入/输出系统
主要内容：
（一） （二） （三） 输入/输出系统概述 输入/输出接口 输入/输出信息传送控制方式
7.1 I/O系统概述
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一、选择1、计算机所配置的显示器中，若显示控制卡上双薪存储器的容量是1MB，则当采用800×600像素的分辨率时，每个像素最多可以有（C）种不同的颜色。
A.256B.65536C.16MD.40962、CRT的分辨率为1024×1024像素，像素的颜色数为256，则刷新存储器的容量约为（B）A.256MB.1MC.256KBD.32MB3、CRT的分辨率为1024×1024像素，像素的颜色总数为256色，则刷新存储器每单元字长是（A）A.1个字节B.2个字节C.256个字节D.1024个字节4、若计算机屏幕上每个像素的灰度级为256，则刷新存储每个单元的宽度是。
5、显示汉字采用点阵字库，若每个汉字用16×16的点阵表示，7500个汉字的字库容量是240KB 。
6、磁盘存储器的等待时间通常是磁盘旋转半周所用的时间。
7、某磁盘的转速为7200r/min，传输速度为4MN/s，控制器开销为1ms，要保证读或写一个512B的扇区的平均时间为11.3ms。
那么，该磁盘的平均寻道时间不超过（D）A.3.9msB.4.7msC.5.5msD.6.1ms8、一个磁盘的转速为7200转/分，每个磁道有160个扇区，每扇区有512字节，那么理想情况下，其数据传输率为（C）A.7200×160KB/s B.7200KB/sC.9600KB/sD.19200KB/s9、某计算机系统中，假定硬盘以中断方式与处理机进行数据输入输出，以16位为传输单位，传输率为50KB/s，每次传输的开销（包括中断）为100个CPU时钟，处理器的主频为50MHz，请问软盘数据传送时占处理器的时间比例是10、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，各扇区之间有一间隙，磁头通过每个间隙需 1.25ms。
则磁盘通道所需最大传输率是11、下列有关程序中断I/O方式的叙述中，错误的是（D）A. 程序中断I/O方式是CPU和外设能够并行工作B. 中断I/O方式下，外设和CPU直接交换数据C. 中断I/O方式下，CPU会有额外的开销用于断点、现场的保护和回复等D. 中断I/O方式适用于像磁盘一类的高速设备12、指令执行结果出现异常而引起的中断是（B）A.I/O中断B.程序性中断C.机器校验中断D.外中断13、主存故障引起的中断是（C）A.I/O中断B.程序性中断C.机器校验中断D.外中断14、为了实现多级中断，保存现场信息最有效的方法是（B）A.通用寄存器B.堆栈C.存储器D.外存15、在中断处理过程中，完全由硬件自动执行的步骤是（A）A.保存中断点B.识别中断点C.保存将被中断服务程序破坏的通用寄存器的内容D.返回中断点16、在蛋鸡中断系统中，CPU一旦响应，则立即关闭中断允许标志，以防止本次中断任务结束前同级的其他中断产生另一次中断进行干扰。
17、设置中断屏蔽标志可以改变（D）A.多个中断源的中断请求优先级B.CPU对多个中断请求响应的优先次序C.多个中断服务程序被开始执行的次序D.多个中断服务程序执行完的次序18、设置中断排队判优逻辑的目的是使同时提出的请求中的优先级别最高者得到及时响应。
19、当有中断源发出请求时，CPU可以执行响应的中断服务程序，提出中断请求的可以是专用寄存器。
20、在以下情况下，可能不发生中断请求的是（B）A.DMA操作结束B.一条指令执行完毕C.机器出现故障D.执行“软中断”指令21、I/O设备提出中断请求的条件是I/O设备工作完成和系统允许。
22、CPU相应DMA请求的条件是当前（A）执行完。
A.机器周期B.总线周期C.硬件和软件D.固件23、在DMA方式传送数据的过程中，由于没有破坏（B）的内容，所有CPU可以正常工作（访存除外）。
A.程序计数器B.程序计数器和寄存器C.指令寄存器D.都不对24、以下关于DMA方式进行IO的描述中，正确的是（A）A.一个完整的DMA过程，部分由DMA控制器控制，部分由CPU控制B. 一个完整的DMA过程，完全由CPU控制C. 一个完整的DMA过程，完全由DMA控制器控制，CPU不介入任何控制D. 一个完整的DMA过程，完全由CPU采用周期挪用法控制25、在DMA方式中，由（A）发出DMA发出请求。
A.IO设备B.DMA控制器C.CPUD.内存26、采用DMA方式的数据传送，每传送一个数据要占用（A）A.一个存取周期B.一个指令周期C.一个机器周期D.一个中断周期27、DMA方式的并行性主要是指CPU和DMA控制器并行工作。
28、以下有关DMA方式的叙述中，错误的是（B）A. DMA方式下，DMA控制器向CPU请求的是总线使用权B. DMA方式可以用于键盘和鼠标器的数据输入C. 在数据传送阶段，不需要CPU介入，完全由DMA控制器控制D. DMA方式下要用到中断处理29、以下关于DMA控制器和CPU关系的叙述中，错误的是（B）A. DMA控制器和CPU都可以作为总线的主控设备B.当DNA控制器和CPU都需要使用总线访问内存时，CPU优先级别高C. CPU可以通过执行I/O指令来访问DMA控制器D. CPU可以通过执行指令来启动DMA控制器30、在配有通道的计算机系统中，用户程序需要输入输出时，引起的中断是（A）A.方管中断B.IO中断C.程序性中断D.外中断31、通过对CPU的请求方式是（B）A.总线请求B.中断C.通道命令D.通道状态字32、CPU对通道的启动时通过IO指令实现的。
33、通道程序结束时引起的中断是IO中断。
34、通道工作的四个步骤是：编制通道程序→启动IO通道→组织IO操作→向CPU发中断请求。
35、通道程序结束是引起的冲突是（B）A.访管中断B.IO中断C.程序性中断D.外中断36、由多个通道组成的IO系统中，IO系统的最大流量是各通道最大流量之和。
37、下列说法正确的是（）A.计算机中一个汉字内码在主存中占4个字节B.输出额字型码16×16点阵在缓冲区存储区中占用32个字节C. 输出额字型码16×16点阵在缓冲区存储区中占用16个字节D.以上说法都不对38、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39、当有中断源发出请求时，CPU可执行相应的中断服务程序，可以提出中断的有（A D）A.外部事件B. CacheC.浮点数运算下溢D.浮点数运算上溢40、下列不属于程序控制指令的是（C）A.无条件转移指令B.有条件转移指令C.中断隐指令D循环指令.二、综合应用题1、某CRT显示器可显示64种ASCII字，每帧可显示72字×24排，每个字符为7×8点阵，即横向7点，字间隔1点，纵向8点，排间间隔6点。
帧频50Hz，采用逐行扫描方式。
假设不考虑屏幕四边的失真问题，且行回扫和帧回扫均占扫描时间的20%。
回答以下问题：1）显存容量至少有多大？2）字符发生器（ROM）容量至少有多大？3）显存中存放的是哪种信息？4）显存地址和屏幕显示位置如何对应？5）为控制显存访问与屏幕扫描之间的同步应设置哪些计数器？它们的分频各是多少？6）点时钟频率为多少？2、某磁盘存储器的转速为3000转/分，共有4个记录面，每毫米5道，每道记录信息为12288B，最小磁道直径为230mm，共有275道。
问：1）磁盘存储器的存储容量是多少？2）最大位密度，最小位密度是多少？3）磁盘数据传输率是多少？4）平均等待时间是多少？5）给出一个磁盘地址格式方案。
3、简述CPU访问IO端口的过程。
在IO指令中给出要访问的端口号，当CPU执行IO指令时，根据指令的操作码得知要访问的IO设备。
因而在总线的地址线上送出端口号，在总线的控制线上送出IO读或写命令，被访问端口所在的接口对地址译码后选中相应的端口，并从控制线上取得读/写命令，由接口中的读写控制电路对被访问端口进行读或写操作。
4、简述I/O端口的编址方式。
在设计计算机时，要规定机器内所有I/O接口中的各个寄存器如何进行编号，接口中寄存器的编号称为端口号。
一般有两种编址方式：独立编址和统一编址。
这里的“统一”和“独立”不是指各个不同接口之间的“统一”和“独立”关系，而是所有I/O端口号组成的地址空间（称为I/O地址空间）和所有主存单元号组成的地址空间（称为主存地址空间）之间的关系。
独立编址方式：指对I/O地址空间独立编址，不占用主存单元的地址空间，也就是两者分别编号，因而可能有相同的编号，单地址位数大多不同，主存单元个数多。
地址空间大，地址位数多；I/O端口少，地址空间小，地址位数少。
因为可能有相同的编号，所以指令中无法靠地址来区分要访问的是主存单元还是I/O端口，所以，需要有和访存指令不同的操作码。
因而需要设计专门的I/O指令。
统一编址方式：指I/O端口和主存单元统一编址，一个地址空间分成了两部分，各在不同的地址段中，但地址的位数是相同的，可根据地址范围的不同来区分访问的是主存单元还是I/O端口，所以无需专门的输入输出指令。
5、一个I/O接口只能有一个地址码？为什么？一个I/O接口可能有多个地址。
因为一个I/O接口中可能有多个用户可访问的寄存器，也就是有多个I/O端口，每个I/O端口有一个地址，所以一个I/O接口可能有多个地址。
6、假定某IO设备向CPU传送信息最高频率为40K次/秒，而相应中断处理程序的执行时间为40μs，问该IO设备是否可采用中断方式工作？为什么？7、若IO系统采用字节多路通道控制方式，共有8个子通道，各子通道每次传送一个字节，已知整个通道最大传输率为1200B/s，问每个子通道的最大传输速率是多少？若是数组多路通道，则每个子通道的最大传输速率又是多少？8、假设磁盘存储器转速为3000转/分，分8个扇区，每扇区存储1KB，主存与磁盘存储器数据传送的宽度为16位（即每次传送16位）。
假设一条指令最长执行时间为25s。
问是否可采用一条指令执行结束时响应DMA请求的方案，为什么？若不行，应采用什么方案。
9、假设磁盘传输数据以32位的字为单位，传输速率为1MB/s。
CPU的时钟频率为50MHz。
回答以下问题：1）采用程序查询的输入输出方式，假设查询操作需要100个时钟周期，求CPU为IO查询所花费的时间比率；假定进行足够的查询以避免数据丢失。
2）采用中断方法进行控制，每次传输的开销（包括中断处理）为80个时钟周期。
求CPU为传输硬盘数据花费的时间比率。
3）采用DMA的输入输出方式，假定DMA的启动操作需要100个时钟周期，DMA完成时处理中断需要500个时钟周期。
如果平均传输的数据长度为4KB，问硬盘工作时处理器将用多少时间比率进行输入输出操作？忽略DMA申请使用总线的影响。