第8章输入输出设备2PPT课件

设的核心
8.3 主机与外设交换信息的方式 ➢ 计算机的基本功能之一是能够与外部设备交换信息 ➢ 主机与外设交换数据有5种方式 • 程序查询方式 • 程序中断方式 • 直接存储器访问（DMA）方式 • 通道方式 • 输入输出处理机（IOP）方式
程序查询方式
开始
Байду номын сангаас
• 工作原理：CPU查询外设是否 准备好。准备好交换数据，否则
➢ 外设的编址方式 • 独立编址（I/O映射方式） - 存储单元和I/O端口统一分开编址，各自有独立的地址空间 - 指令系统中设置了专用I/O指令来用访问I/O端口，通过指令
来区分寻址对象（I/O 还是Memory） - 优点：I/O端口不占用存储器空间；I/O端口数目不多，占用
地址线少，译码电路简单；I/O指令长度短，速度快 - 缺点： 专用I/O指令增加指令系统复杂性，且指令较少，程
备本身
WR
RD
M/IO
内部控制 逻辑
状态寄存器
读控制信号 INTR
CPU
存储器、I/O
地址总线
端口地址
选择信号 中断请求信号 译 码
中断逻辑
✓基本电路：寄存器和控数制据逻辑
控制
状态
寄存器（端口）：命令寄存器（控制寄存器及其译控码制器口）、数状据态寄口存器
（ 控缓制冲逻器辑）：和执状行态C寄P存U器命，令分、别返保回存外C设P状U态命I/O、令设传、备送数数据据信，息为和接外口设中的控状制态外
8.2 输入输出接口 I/O接口的功能 1、实现数据缓冲 实现输入缓冲、输出锁存，协调CPU与外设在速度上的差异 2、执行CPU的命令 CPU对外设的各种命令以控制代码的形式发送到接口电路 3、向CPU返回外设的状态 为了控制CPU与外设之间的数据传送，接口电路还要向CPU提
供诸如数据寄存器“空”、“满”、“准备就绪”、“忙” 、“闲”等状态信号，并在CPU查询时反馈这些状态信息
I/O接口的功能 4、设备选择 外设接口应具有识别自我的能力，只有当CPU给出的端口地址
处于自己的地址范围内（即被选中），接口才与CPU交换信 息，否则不允许有任何操作 5、实现数据格式的转换 CPU与接口的数据传送是并行数据传送，而有的外设是串行数 据传送，因此接口应具有数据并行→串行或串行→并行的功 能
计算机组成原理与系统结构
第8章 输入输出系统
输入输出系统简称为I/O系统，包括计算机外围 设备及其与主机的接口、I/O控制软件
输入输出系统的主要功能是完成计算机与外界的 联系，是CPU与外设之间的桥梁
输入输出系统与整机的速度、处理能力、兼容性 等各种性能有着非常密切的关系
8.1 概述
输入输出系统的构成
I/O指令格式 • I/O设备统一编址时，指令系统中不设置专用的I/O指令，用
访存指令来访问I/O端口 • I/O设备独立编址时， I/O指令经指令译码器译码后，由控制
器发出I/O的读/写信号到外设 • I/O指令格式
操作码 命令码 端口地址
-如操：作I码nte用l8来0×区8分6系是列I/COP指U令指还令是其他指令 - 命令码区IN分AIX/O，操po作rt种类（输入还是输出） -输地入址指码令指；明将要端访口问p的or外t的设数端据口读地到址C以PU及中C的PU寄寄存存器器A号X
CPU
CPU与外设之 间必须通过一个 接口，以协调 CPU与外设交换 信息的工作 接口是CPU与 外设之间交换数 据的桥梁 接口是一组硬 件电路
接口
……
接口
外设
外设
CPU访问外设， 实质上是访问外 设接口寄存器 （端口）
DB AB CB
主存
与访问存储器相比， CPU访问外设的过程 是完全等同的，不同 的是CPU发出的读/写 控制信号不同
序设计灵活性差；处理器要提供MEMR/MEMW和IOR/IOW 两组控制信号，增加了控制逻辑的复杂性
外设与CPU的连接
外设接口通过 总线与CPU连接。
CPU首先将要访问的外设端口地址 送上地址线
通过控制总线发出I/O读/写信号 通过译码选中要交换信息的端口， 启动外设进行读/写操作（输入/输出操 作）
➢ 外设的编址方式 • 统一编址（存储器映射方式） - 存储单元和I/O端口统一进行编址，共用一个线性地址空间 - 指令系统中不设置专用I/O指令，用访问存储器的指令来访
问I/O端口，通过地址来区分寻址对象（I/O 还是 Memory） - 优点：指令功能丰富；外设数目或I/O寄存器数目几乎不受 限制；读/写控制逻辑简单 - 缺点： I/O端口占用了有限的存储器空间
✓由II//供OO于接选接接口电口口由路的的3结部组构分成和组功成能：有基很本大电的路区、别端，口因地此址各译接码口电电路路和中供可选能电选路择
✓端口数使地据用址口中译断码数控电据制路总、线定时器、计数器等
对地址总线上的外设 端写口控地制址信进号行译码，
数据缓冲器
接口
命令寄存器
用以决定是否选中设
输入输出系统主要包括硬件和软件两部分 •硬件由外部设备（简称外设）及其与主机的接口构成 •软件用于协调、控制主机与接口之间进行数据交换
输
入
微处理器
输
系统总线
出
系
统
的
I/O接口
存微 储型 器计
算 机微
型
位
计
置 及
外围设备
输入输出系统
算 机
其 组
系 外设与接口一同构成输入输出系统的硬件部分 统
成
➢ 外设的地位和作用 • 人机对话的桥梁 • 完成数据的形式及格式变换 • 计算机系统软件与各种各种信息驻留地 • 计算机应用的重要工具
6、实现信号的转换 外设的工作信号往往与计算机的总线信号不兼容，所以需要进
行信号的转换 7、中断管理功能 • 当外设迫切需要CPU的服务时，特别是系统出现故障时，需
要CPU暂停目前的工作，立即处理这些事件，这个过程称为 “中断” • 这就要求在接口中设置中断控制器，实现CPU与外设的中断 传送 • 这样既加快了计算机系统对外界的响应速度，又使CPU与外 设并行工作，大大提高了CPU的工作效率
读取状态
循环查询 •特点：CPU被外设独占，工作效 率低下 •实现：由程序实现，不需要增加 额外硬件电路 •适用：CPU不忙且数据交换速度 不高，如单片机控制场合
数据是否 否 准备好？
是 交换并处理
一个数据
操作是否 否 完成？ 是 结束