第八章 输入输出系统
计算机组成原理 白中英 第三版(完整版)第八章输入输出系统
1．如果认为CPU等待设备的状态信号是处于非工作状态（即踏步等待），那么在下面几种主机与设备之间的数据传送中：（）主机与设备是串行工作的；（）主机与设备是并行工作的；（）主程序与设备是并行运行的。
A．程序查询方式 B. 程序中断方式 C. DMA方式解： A C B2．中断向量地址是_____。
A．子程序入口地址 B. 中断服务程序入口地址C．中断服务程序入口地址指示器 C. 例行程序入口地址解： C3．利用微型机制作了对输入数据进行采样处理的系统。
在该系统中，每抽取一个输入数据就要中断CPU一次，中断处理程序接受采样的数据，将其放到主存的缓冲区内。
该中断处理需时x 秒，另一方面缓冲区内每存储n个数据，主程序就将其取出进行处理，这种处理需时y秒。
因此该系统可以跟踪到每秒_____次的中断请求。
A．N/(n×x+y) B. N/(x+y)×n C. Min(1/x, n/y)解： A4．采用DMA方式传送数据时，每传送一个数据就要占用一个____的时间。
A．指令周期 B. 机器周期C. 存储周期D. 总线周期解： C5．通道的功能是：（1）________，（2）______。
按通道的工作方式分，通道有______通道、_______通道和______通道三种类型。
解：（1）执行通道指令，组织外围设备和内存进行数据传输；（2）执行CPU的I/O指令，以及向CPU报告中断。
选择通道、字节多路通道、数组多路通道6．在教科书图8.7中，当CPU对设备B的中断请求进行服务时，如设备A提出请求，CPU能够响应中断吗？为什么？如果设备B一提出请求总能立即得到服务，问怎样调整才能满足此要求？解：（1）CPU不能响应中断（2）因为同级中断不能嵌套，而A、B设备属于同级中断（3）如果想要设备B一提出请求即能得到服务，则应该使设备B为最高优先级，这里可将设备 B单独接至3级IR，处于最高优先级。
8．设某机有5级中断：L0，L1，L2，L3，L4，其中断响应优先次序为：L0最高，L1次之，L4最低。
计算机组成原理第八章输入输出系统
计算机组成原理第八章输入输出系统1. 概述输入输出系统是计算机的重要组成部分，它负责处理计算机与外部设备之间的数据交换。
本文将介绍计算机组成原理第八章输入输出系统的相关内容。
2. 输入输出系统的基本概念输入输出系统是计算机与外设之间数据传输和控制的桥梁。
它由输入和输出两部分组成。
输入系统负责将外设传输的数据转换为计算机可识别的形式，输出系统则将计算机处理的数据转换为外设可识别的形式。
输入输出系统通常由输入输出设备、输入输出接口和输入输出控制器组成。
输入输出设备包括键盘、鼠标、扫描仪等，输入输出接口实现设备与计算机之间的数据传输，输入输出控制器负责控制输入输出接口的工作。
3. 输入输出系统的工作原理输入输出系统的工作可以分为五个阶段：命令传递、数据传送、缓冲操作、中断处理和错误处理。
命令传递阶段是指计算机向输入输出设备发送控制信息，包括读写命令、纠错命令等。
数据传送阶段是指计算机将数据从存储器传送到输入输出设备或将输入输出设备的数据传送到存储器。
缓冲操作阶段是指输入输出设备与计算机之间的数据缓冲区进行数据交换，以提高数据传输效率。
中断处理阶段是指在输入输出过程中，若发生异常情况会触发中断并由中断处理程序进行处理。
错误处理阶段是指在输入输出过程中，若发生错误会进行相应的错误处理操作。
4. 输入输出系统的分类输入输出系统可以根据数据传输方式进行分类，常见的分类有程序控制输入输出和直接存储器访问输入输出。
程序控制输入输出是指计算机通过控制程序来实现输入输出设备的数据传输和控制。
它的优点是控制灵活、适用范围广，但缺点是效率低，对计算机性能有较大的影响。
直接存储器访问输入输出是指计算机通过专门的输入输出控制器直接与存储器进行数据交换。
它的优点是效率高，不会对计算机性能产生较大影响，但缺点是硬件复杂，需要专门的输入输出控制器支持。
5. 输入输出系统的性能指标输入输出系统的性能指标主要包括响应时间、吞吐量和可靠性。
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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______。
第八章输入输出处理输入输出处理是...
第八章输入/输出处理输入/输出处理是程序设计中非常重要的一部分，比如从键盘读取数据、从文件中读取数据或向文件中写数据等等，而键盘、监视器、磁盘存储设备都称为输入、输出源。
Java把这些不同类型的输入、输出源抽象为流（stream）。
Java程序可以用输入流从一些输入源读数据，用输出流向一些输出源写数据。
Jdk 提供了包java.io，其中包括一系列的类来实现输入/输出处理。
从jdk1.1开始，java.io包中的流包括字节流和字符流。
§8.1输入/输出字节流概述§8.1.1 I/O字节流的层次结构在java中，所有的输入流都是从抽象类InputStream继承而来，所有的输出流都是从OutputStream 继承而来。
以下给出了java语言IO包中输入/输出处理类之间的继承关系。
输入、输出字节流的类层次一、简单的输入、输出流1．FileInputStream和FileOutputStream：用于本地文件系统的文件读写。
2．PipedInputStream和PipedOutputStream：用于完成管道的输入和输出。
管道用于将一个程序（或线程或代码块）的输出引导进另一个程序（或线程或代码块）的输入，所有PipedInputStream必须连接到一个PipedOutputStream所有PipedOutputStream必须连接到一个PipedInputStream。
3．ByteArrayInputStream和ByteArrayOutputStream：读写内存数据。
4．SequenceInputStream：用于将多个输入流连接到一个输出流。
5．StringBufferInputStream：用于读取StringBuffer类可变字符串中的数据。
二、过滤流1．DataInputStream和DataOutputStream：用一种与机器无关的格式读写java语言的基本数据类型。
《计算机组成原理》8-输入输出系统
允许中断３
INTA &
&
&
允许中断４ &
&
&
&
1
1
1
1
INTR1
INTR2
INTR3
（ b） 串 行 优 先 链 中 断 排 队 线 路
INTR4
&
至下一级
≥1
INT
程序中断方式
2、中断的处理过程
✓ 软件排队的基本做法是：当CPU访问到 INT0
中
有中断请求时，则保留好中断断点后立
断 服
即进入软件排队程序的入口。从最高优
✓ 中断排队的实现 可以用硬件排队或软件排队两种方法来实现
➢ 硬件排队方式 硬件排队的基本特点是，优先级别高的中断源提出中 断请求后，就自动封锁优先级别较低的中断源的中断请求
➢ 软件排队方式 软件排队是通过编写查询程序实现的。
程序中断方式
2、中断的处理过程
➢ 硬排队方式 I N T R0
INTR1 1
程序直接控制方式
2、条件传送方式
✓ 通过程序查询接口中的状态来控制数据传送的方式，也被称为程序查询 方式。
✓ 程序查询方式中，在执行一次有效的数据传送操作之前，必须对外部设 备的状态进行查询，如果外部设备准备就绪，才能执行数据传送操作。
程序直接控制方式
2、条件传送方式
检查状态标记
N 准备就绪？ Y 执行数据传送
I/O接口
1、接口的概念
✓ 介于主机与外部设备之间的一种缓冲电路称为I/O接口电路，简称I/O接口
（Interface）
✓ 对于主机，I/O接口提供了外部设备的工作状态及数据；对于外部设备，I/O
第8章输入输出设备
教学内容安排•第一章绪论•第二章数码系统•第三章运算方法和运算器•第四章存储系统•第五章指令系统•第六章中央处理器•第七章输入输出设备•第八章输入输出系统第八章输入输出系统•8.1输入输出设备的编址方式•8.2总线结构•8.3输入输出控制方式•教学重点和难点•输入输出控制方式第八章输入输出系统8.1 输入输出设备的编址方式•计算机主机要与输入输出设备交换信息，仿照存储器的编址方式，可给各台外部设备分配一个或多个端口地址•输入输出控制方式–统一编址方式–独立编址方式第八章输入输出系统8.1 输入输出设备的编址方式•I/O端口与存储器独立编址•是指系统中的输入输出设备与主存储器构成两个独立的空间–直接端口寻址：端口地址用8位地址码表示，并且是指令码的一部分。
•IN AL,21H–间接寻址方式：端口地址由16位地址码表示，并存放在DX中，即DX寄存器的内容作为端口地址。
•OUT DX,AL第八章输入输出系统8.1 输入输出设备的编址方式•与内存统一编址–优点：不需专门的输入输出指令，缩小了指令规模–缺点：挤占了可供用户使用的内存空间第八章输入输出系统•8.1输入输出设备的编址方式•8.2总线结构•8.3输入输出控制方式•教学重点和难点•总线分类第八章输入输出系统8.2 总结结构•总线控制方式–串行链式查询方式–计数定时查询方式–独立请求方式第八章输入输出系统8.2 总结结构•总线通信方式–同步方式–异步方式第八章输入输出系统8.2 总结结构•总线上信息的传送方式–串行传送方式–并行传送方式第八章输入输出系统•8.1输入输出设备的编址方式•8.2总线结构•8.3输入输出控制方式•教学重点和难点•程序中断方式第八章输入输出系统8.2 输入输出控制方式•输入输出数据传送控制方式•主机速度与外围设备速度匹配问题•如何提高整机系统性能的问题第八章输入输出系统8.2 输入输出控制方式•程序查询方式•信息在主机和外设之间的传输完全靠计算机程序控制，是在CPU控制下进行的。
8第八章输入输出系统讲解
《第八章输入输出系统》8.1外围设备的定时方式和信息交换方式8.2程序查询方式8.3程序中断方式8.4DMA方式8.5通道方式8.6通用I/O标准接口8.1外围设备的定时方式和信息交换方式一、外围设备的速度分级外设种类繁多，存在以下几种情况：不同种类的外设数据传输速率差别很大同一种设备在不同时刻传输速率也可能不同高速的CPU与速度参差不齐的外设怎样在时间上同步呢？——解决办法是在CPU和外设之间发生数据传送时加以定时。
速度极慢或简单的外设----CPU只需要接受或者发送数据即可慢速或者中速的设备——可以采用异步定时的方式高速外设----- 采用同步定时方式二、信息交换方式程序查询方式程序中断方式DMA方式通道方式8.2程序查询方式1、 设备编址 统一编址 独立编址2、 必须插入 输入输出指令3、 程序查询接口 设备选择电路 数据缓冲寄存器 设备状态寄存器(1) 先向I/O 说(2) 从I/O 接口读入状态字；(3) 检查状态字中的标志，看看数据交换是否可以进行；(4) 假如这个设备没有准备就绪，则第(2)、第(3)步重复进行，一直到这个设备准备好交换数据，发出准备就绪信号“Ready"(5) CPU 从I/O 接口的数据缓冲寄存器输入数据，或者将数据从寄存器。
与此同时， CPU 将接口中的状态标志复位。
(6 )数据传送 8.3程序中断方式8.3.1中断的概念、功能 8.3.2程序中断方式的基本接口 8.3.3单级中断 8.3.4多级中断 8.3.5Pentium 中断机制 8.3.1中断的概念、功能中断(Interrupt )是指CPU 暂时中止现行程序，转去处理随机发生的紧急事件，处理完 后自动返回原程序的功能和技术。
中断系统是计算机实现中断功能的软硬件总称。
一般在CPU 中设置中断机构，在外设接口中设置中断控制器，在软件上设置相应的中 断服务程序。
中断源：能够向CPU 发出中断请求的事件。
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设备 B1
设备 B2
…
设备 Bn
优 先 级
中断屏蔽
中断屏蔽技术可动态改变各设备的优先级。
响应优先级
CPU对各设备中断请求进行响应，并准备好处理的先后次 序，这种次序往往在硬件线路上已固定，不便于变动。
处理优先级
CPU实际对各中断请求处理的先后次序。如果不使用屏蔽 技术，响应的优先次序就是处理的优先次序。
计算机组成原理 Slide 11
通道方式
分担CPU的I/O 处理的功能；
通道是一个具有特殊功能的处理器IOP;
可以实现外围设备的统一管理和DMA操作
大大提高了CPU工作效率； 花费更多的硬件代价；
计算机组成原理 Slide 12
外围处理机方式(PPU)
PPU方式是通道方式的进一步延伸；
启动设备 查询设备状态 N 准备好 Y 传送数据 内存地址递增 传送量计数
传送完 Y 关闭设备
计算机组成原理 Slide 9
N
程序中断方式
外围设备主动通知CPU，准备数据传输
当中断发生时，CPU中断当前的工作，转向 中断处理子程序，该程序用于数据传输。 提高了CPU的使用效率。 适合随机出现的服务
通道方式 外围处理机方式
计算机组成原理 Slide 7
程序查询方式
数据传输完全依赖于程序控制
CPU与外设之间的操作能够同步
硬件结构简单
频繁的查询动作浪费了大量宝贵的CPU时间 最古老的一种方式，目前很少使用，单片系 统仍有使用。
计算机组成原理 Slide 8
查询方式CPU处理过程
CPU在程序开始执行时，就设置设备接口中的中断屏
蔽触发器(INM)状态。如CPU当前优先级是3级(0为 最高级)，则将3级以上的低优先级设备接口中的INM 置“1”即屏蔽，其他置“0”。
计算机组成原理 Slide 29
划分优先级的一般规律
硬件故障中断属于最高级，其次是程序错误中断。
非屏蔽中断优于可屏蔽中断。 DMA请求优先于I/O设备传送的中断请求。 高速设备优于低速设备，输入设备的中断优于输出设 备，实时设备优先于普通设备。 同一优先等级中可以包括多台设备，这些设备中离计 算机近的优先，形成了二维优先等级。
恢复现场 开中断 中断返回
计算机组成原理 Slide 37
中断处理中的问题
中断时机
保存现场
中断屏蔽
中断过程由软硬件结合完成
计算机组成原理 Slide 38
中断识别
非向量中断
将服务程序入口组织在查询程序中； 响应时执行查询程序查询中断源，转入相应服务程序。
向量中断
将服务程序入口(中断向量)组织在中断向量表中；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。
中断技术赋于计算机应变能力，将有序的运行和无 序的事件统一起来，大大增强了系统的处理能力
计算机组成原理 Slide 17
程序中断处理示意图
A请求中断 主程序
B请求中断
C请求中断
A中断服务子程序 B中断服务子程序
C中断服务子程序
计算机组成原理 Slide 18
中断程序与子程序
中断程序转移类似于子程序调用
硬件结构相对复杂，服务开销时间大
计算机组成原理 Slide 10
直接内存访问DMA方式
用于成组交换数据的场合
中断方式不适合于成组数据交换 由硬件执行I/O交换的工作方式 DMA控制器从CPU接管总线控制，数据交换无须 CPU干预，直接在内存以及外围设备之间进行，节 约了中断开销 需要更多硬件。
CPU暂时中止现行程序的执行，转去执行为 某个随机事件服务的中断处理子程序，处理 完毕后自动恢复原程序的执行
保存断点，保护现场； 恢复现场，返回断点。
一条指令结束时切换。
保证程序的完整性。
计算机组成原理 Slide 16
中断基本概念…
计算机在运行过程中，可能会发生运算溢出、除数 为零、无休止循环或电压下降等事先无法预料的故 障，这些都是运行中非正常的现象。 外部设备要求传送信息，尽管是系统运行的正常现 象，但是对CPU来说是随机的，不可能预先规定传 送的时刻。
计算机组成原理 Slide 24
单级中断与多级中断
当几个设备同时产生中断请求时，CPU响应即优先 级高的中断请求。
但当CPU正在处理低优先级设备时，出现了高优先 级设备的中断请求，那是不是一定要中断运行中的 程序呢？ 出于对系统硬件、软件开销的权衡，有两种解决方 式，即单级中断处理和多重中断处理。
第八章 输入输出系统
胡成玉
本章主要内容
外围设备定时方式与信息交换方式
程序中断方式
DMA方式
通道方式 通用I/O标准接口
计算机组成原理 Slide 2
外设定时方式与信息交换方式
外围设备的定时方式
信息交换方式
计算机组成原理 Slide 3
外围设备的定时方式
外围设备种类繁多，不同设备在速度上差异 甚远，信号格式也不尽相同，如何将不同速 度的设备与高速运转的主机相连？如何同步?
假设优先级从高到低：A>B>C
(a) CPU B 处理 A 处理 C 处理
单级中断
B 请求 A、C 请求
(b)
C 处理 A 处理 B 处理 CPU
多级中断
计算机组成原理 Slide 28
中断优先级…
CPU优先级随不同中断服务程序而改变，如执行某设
备服务程序，CPU优先级就与该设备的优先级一样。 低于或者等于当前优先级的设备请求均要屏蔽。
计算机组成原理 Slide 32
中断屏蔽位
CPU响应中断后，正在执行中断服务子程序时，可 能有另外一个设备也发出中断请求，为了不发生混 乱，中断管理部件中必须有一个中断屏蔽寄存器。 设置1为设置屏蔽，否则取消屏蔽。
计算机组成原理 Slide 33
中断屏蔽寄存器的作用
计算机组成原理 Slide 34
独立于主机工作
计算机组成原理 Slide 13
信息交换方式
程序查询方式
程序中断方式
直接内存访问方式
通道方式 外围处理机方式
计算机组成原理 Slide 14
程序中断方式
中断基本概念
程序中断基本接口
中断仲裁方式
中断控制器
计算机组成原理 Slide 15
中断基本概念
计算机组成原理 Slide 30
二维优先级示意图
INTR A 设备 A1 设备 A2 … 设备 An 高
…
…
INTR X 设备 X1 INTA X 高 优先级 低 设备 X2 … 设备 Xn 低
计算机组成原理 Slide 31
…
与 中 断 控 制 逻 辑
中 INTA A 断 优 先 INTR B 级 排 队 INTA B 电 路
计算机组成原理 Slide 5
不同设备的定时
如何判断数据有效是外设定时的关键；
速度不同的外围设备共有三种定时；
速度极慢或简单的外围设备
慢速或中速的外围设备(异步定时) 高速的外围设备（同步定时）
计算机组成原理 Slide 6
信息交换方式
程序查询方式
程序中断方式
直接内存访问方式
输入输出设备与CPU交换数据的基本过程
输入过程
输出过程
计算机组成原理 Slide 4
输入输出过程
输入过程
CPU将一个地址放在地址总线上，选择设备 CPU等候输入设备的数据成为有效
CPU从数据总线读入数据
输出过程
CPU将一个地址放在地址总线上，选择设备 CPU把数据放在数据总线上； 输出设备认为数据有效，取走数据
中断返回
单线查询法
中断请求 POL SYN
CPU
接口 1
接口 2
…
接口 n
P279 图8.6 串行排队链判优识别逻辑
计算机组成原理 Slide 42
中断向量法
A 向量 B 向量 C 向量 A 入口 AA B 入口 BA C 入口 CA IRET IRET IRET
AA:
PUSH…
BA:
PUSH…
故障处理
系统能在故障出现时发出中断信号，调用相应的处理程序， 将故障的危害降到最低程度，并请求系统管理员排除故障。
实时处理
计算机在现场测试和控制、网络通讯、人机对话时都具有 强烈的实时性，中断技术能确保实时信号的处理。
计算机组成原理 Slide 22
中断的类型
自愿中断—— 指令中断 内中断 强迫中断 中断 外中断( 强迫中断)
子程序调用是由主程序安排在特定位置上的， 通常是完成主程序的特定功能，与主程序存 在必然联系。 而中断是随机发生的，可以在程序任何一个 位置切换，而这没有直接联系。
计算机组成原理 Slide 19
中断作用
实现主机和外部设备准备阶段的并行工作
使用中断技术后，CPU原来用于查询外设状态的时 间被充分地利用起来了，其工作效率得到了显著的 提高。
CA:
PUSH…
…
…
…
向量表
A 设备中断 处理程序
B 设备中断 处理程序
C 设备中断 处理程序
计算机组成原理 Slide 43
…
中断方式接口
数据 命令 地址 地址识别 DBR 启动 控制逻辑 中断接口 IRQ I/O 总线 & 设 数据
命令 INR INM 备 准备好 设备 地址 RED 选中 设备地址 INTA 中断排队
屏蔽码