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。
《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
计算机组成原理黑皮书笔记
计算机组成原理黑皮书笔记计算机组成原理是计算机科学与技术专业的核心课程之一，是理解计算机硬件工作原理和体系结构的基础。
黑皮书系列是该领域最经典、权威的教材之一，对于学习和理解计算机组成原理具有重要的参考价值。
第一章：引言计算机组成原理是研究计算机硬件系统的基本原理和方法，是计算机科学与技术的核心领域。
它是从硬件角度探讨计算机的结构、功能、性能和工作方式等问题，为软件开发提供了重要的指导。
黑皮书笔记旨在帮助读者深入理解计算机组成原理的核心概念和原则，以及其中涉及的各种技术和工程实践。
第二章：数字逻辑电路数字逻辑电路是计算机硬件的基础组成部分，负责完成数据的存储、传输、处理和控制。
其中包括布尔逻辑、数字信号和逻辑门电路等内容。
通过学习这一章节，我们能够了解到计算机中各种数字组件的工作原理和相互连接方式。
第三章：指令系统与汇编语言指令系统与汇编语言是计算机中实现软件和硬件交互的桥梁。
指令系统规定了计算机能够执行的指令集合，而汇编语言是一种底层的程序设计语言，用于编写与硬件直接交互的程序。
本章节将介绍指令系统的设计原则和汇编语言的基本语法。
第四章：中央处理器中央处理器（CPU）是计算机的核心组件，负责执行指令、进行数据处理和控制系统的运行。
在这一章节中，我们将深入了解CPU的组成结构和工作原理，包括指令周期、流水线技术、缓存等重要概念。
第五章：存储器和存储系统存储器是计算机中用于存储数据和程序的设备，包括主存储器和辅助存储器。
本章将介绍存储器的层次结构、存储技术和存储系统的设计原则，帮助读者理解计算机内存的组织和管理方式。
第六章：输入输出系统输入输出系统是计算机与外部设备进行信息交互的通道，包括输入设备和输出设备。
本章将介绍输入输出系统的工作原理、接口标准和通信方式，帮助读者理解计算机与外设之间的数据传输和控制方式。
第七章：计算机总线计算机总线是各个硬件组件之间进行数据传输和控制的纽带。
本章将介绍总线的类型、结构和工作原理，以及总线的性能和扩展技术。
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(白中英)
D0
D1
D2
D3
A校验码 B校验码 C校验码 D校验码
系统结构
RAID4
I/O系统
❖ 专用奇偶校验独立存取盘阵列
❖ 数据以块（块大小可变）交叉的方式存于各盘， 奇偶校验信息存在一台专用盘上
数据块
校验码 产生器
A0
A1
A2
A3
B0
B1
B2
B3
C0
C1
C2
C3
D0
D1
D2
D3
A校验码 B校验码 C校验码 D校验码
❖ 只写一次光盘
只写一次光盘（Write Once Only）：可以由用户写入 信息，不过只能写一次，写入后不能修改，可以多次读 出，相当于PROM。在盘片上留有空白区，可以把要修 改和重写的的数据追记在空白区内。
❖ 可檫写式光盘
可檫写式光盘（Rewriteable）：利用磁光效应存取信 息，采纳特殊的磁性薄膜作记录介质，用激光束来记录、 再现和删除信息，又称为磁光盘，类似于磁盘，可以重 复读写。
RAID6
I/O系统
❖ 双维奇偶校验独立存取盘阵列
❖ 数据以块（块大小可变）交叉方式存于各盘， 检、纠错信息均匀分布在全部磁盘上
系统结构
A0 A1 A2
3校验码 D校验码
B0 B1
2校验码 C校验码
B2
C0
1校验码 B校验码
C1 C2
0校验码 A校验码
D1 D2 D3
校验码 产生器
7.7 光盘存储设备
– 正脉冲电流表示“1”，负脉冲电流表示“0”； – 不论记录“0”或“1”，在记录下一信息前，记录电流
恢复到零电流 – 简洁易行，记录密度低，改写磁层上的记录比较困难，
《微处理器系统结构与嵌入式系统设计》课程教案
《微处理器系统结构与嵌入式系统设计》课程教案第一章：微处理器概述1.1 微处理器的定义与发展历程1.2 微处理器的组成与工作原理1.3 微处理器的性能指标1.4 嵌入式系统与微处理器的关系第二章：微处理器指令系统2.1 指令系统的基本概念2.2 常见的指令类型及其功能2.3 指令的寻址方式2.4 指令执行过程第三章：微处理器存储系统3.1 存储器的分类与特点3.2 内存管理单元（MMU）3.3 存储器层次结构与缓存技术3.4 存储系统的性能优化第四章：微处理器输入/输出系统4.1 I/O 接口的基本概念与分类4.2 常见的I/O 接口技术4.3 直接内存访问（DMA）4.4 interrupt 与事件处理第五章：嵌入式系统设计概述5.1 嵌入式系统的设计流程5.2 嵌入式处理器选型与评估5.3 嵌入式系统硬件设计5.4 嵌入式系统软件设计第六章：嵌入式处理器架构与特性6.1 嵌入式处理器的基本架构6.2 嵌入式处理器的分类与特性6.3 嵌入式处理器的发展趋势6.4 嵌入式处理器选型considerations 第七章：数字逻辑设计基础7.1 数字逻辑电路的基本概念7.2 逻辑门与逻辑函数7.3 组合逻辑电路与触发器7.4 微处理器内部的数字逻辑设计第八章：微处理器系统设计与验证8.1 微处理器系统设计流程8.2 硬件描述语言（HDL）与数字逻辑设计8.3 微处理器系统仿真与验证8.4 设计实例与分析第九章：嵌入式系统软件开发9.1 嵌入式软件的基本概念9.2 嵌入式操作系统与中间件9.3 嵌入式软件开发工具与环境9.4 嵌入式软件编程实践第十章：嵌入式系统应用案例分析10.1 嵌入式系统在工业控制中的应用10.2 嵌入式系统在消费电子中的应用10.3 嵌入式系统在医疗设备中的应用10.4 嵌入式系统在其他领域的应用案例分析第十一章：嵌入式系统与物联网11.1 物联网基本概念与架构11.2 嵌入式系统在物联网中的应用11.3 物联网设备的硬件与软件设计11.4 物联网安全与隐私保护第十二章：实时操作系统（RTOS）12.1 实时操作系统的基本概念12.2 RTOS的核心组件与特性12.3 常见的实时操作系统及其比较12.4 实时操作系统在嵌入式系统中的应用第十三章：嵌入式系统功耗管理13.1 嵌入式系统功耗概述13.2 低功耗设计技术13.3 动态电压与频率调整（DVFS）13.4 嵌入式系统的电源管理方案第十四章：嵌入式系统可靠性设计14.1 嵌入式系统可靠性概述14.2 故障模型与故障分析14.3 冗余设计技术与容错策略14.4 嵌入式系统可靠性评估与测试第十五章：现代嵌入式系统设计实践15.1 现代嵌入式系统设计挑战15.2 多核处理器与并行处理15.3 系统级芯片（SoC）设计与集成15.4 嵌入式系统设计的未来趋势重点和难点解析第一章：微处理器概述重点：微处理器的定义、发展历程、组成、工作原理、性能指标。
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______。
微机原理与接口技术课件全 (9)
（2）键的识别 通常有两种方法可识别被按之键：一种是“行扫描”法； 一种是“反转”法。 1）行扫描法 依次对每一行进行扫描，选使被扫描的行为低电平，其它 所有的行均为高电平，接着检测各列线的状态（称为“列”）。 若各列码均为高电平（即列码为全1），则被按之键不在这行。 继续扫描下一行；若列线不全为高电平（即列码为非全1），则 被按之在此行。根据行扫描码及列码就可知被按之键的坐标值 （即位置码）。再根据位置码通过查表可得到它的键值。查表 法的扫描子程序流程图如图7-6所示。
四、输入/输出寻址方式
当主机执行I/O操作时，应先对I/O接口中的端口进行寻址， 其寻址方式有如下两种： 此时，I/O端口单独编址。CPU指令系统中有专门用于I/O操 作的指令——I/O指令，CPU访问I/O端口时发出I/O读命令或写 命令，访问内存时发存储器读或写命令。因此，端口地址与存 储单元地址可重叠。此时，I/O端口不占用存储空间且与访问 I/O设备指令有别。 这种寻址方式中，将I/O端口与存储单元统一编址，即CPU 把I/O端口作为存储单元对待，I/O端口占用一定的存储空间。 采用这种寻址方式的CPU指令系统中没有专门的I/O指令，
微型机中常外设有LED显示器、CRT显示器、键盘、打印机、软 磁盘存储器等。单片机应用系统中常设置LED显示器、拔盘、键 盘、点阵式打印机等外设。
§8-2 键盘及其接口
返回
在微型机系统中，键盘是最常用的输入设备，键盘通常由 数字键和功能键组成，其规模取决于系统的要求。
键盘可分为编码键盘和非编码键盘两种，前者有检测键闭 合，去抖动及产生相应键编码的硬件电路，而后者则没有这些 硬件，上述功能在有少量的硬件支持下由软件来完成。由此可 见编码键盘产生键编码的速度快且基本上不占用CPU时间，但硬 件开销大，电路复杂，成本高；非编码键盘则硬件开销省，电 路简单，成本低，但占用CPU时间较长。
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适用场合
CPU与慢速外设之间的数据传送。
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8
直接内存访问（DMA）方式
存储器与外设之间 数据交换时使用
工作过程
CPU分配总线使用权之后，在硬件DMA控制器（DMAC）的 控制下完成存储器与高速外设之间的大量数据的传送。
硬件要求
需要相应的DMA控制器及数据通路，电路结构复杂，硬件开 销大。
第8章 输入输出系统
目录
8.1 外围设备的速度分级与信息交换方式 ——了解
8.2 程序查询方式
——了解
8.3 程序中断方式
——掌握
8.4 DMA方式
——掌握
8.5 通道方式
——了解
8.6 通用I/O标准接口
——了解
2020年4月13日星期一
2
考研大纲要求
(一) I/O系统基本概念
(二) 外部设备 (三) I/O接口(I/O控制器)
特点
数据传送不需要经过CPU，直接由硬件控制；
外设与存储器之间的数据传送量大。
适用场合
包含有高速外设的系统中。
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9
通道方式
工作过程
CPU将IO控制的权利下放给通道，由通道统一管理所有的 输入输出操作。
硬件要求
需要IO通道（也称IO处理器，IOP）；
通道是一个具有特殊功能的处理器。
动画演示：8-1.swf
早期计算机中使用的一种方式，效率低。
程序中断方式
适用于随机出现的服务。
直接内存访问（DMA）方式
适用于内存和高速外围设备之间大批数据交换的场合。
通道方式
增加一个具有特殊功能的处理器——通道，将CPU的输
入输出权力下放。
外围处理机方式(PPU)
是通道方式的进一步发展。
2020年4月13日星期一
第7章
1. I/O接口的功能和基本结构
2. I/O端口及其编址
(四) I/O方式
中断的基本概念
1. 程序查询方式 中断响应过程
2. 程序中断方式 中断处理过程
3. DMA方式
多重中断和中断屏蔽的概念
DMA控制器的组成；DMA传送过程。
4. 通道方式
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3
8.1 外围设备的速度分级与信息交换方式
适用场合
CPU不太忙且对传送速度要求不高的系统。
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程序中断方式
工作过程
CPU有传送要求时，启动外设后可处理其他事件，当外设 准就绪后，通过中断的方式和CPU完成数据传送工作。
硬件要求
需要附加的中断控制电路。
特点
一定程度上实现了CPU和外设的并行工作；
中断操作过程增加了软硬件的开销，且每次数据传送只能 传送一个字或一个字节的数据，数据传送效率低。
6
程序查询方式
工作过程
CPU传送数据之前先检查外设的状态，若没有准备好，则 继续查询等待，直至外设就绪即进行数据传送。
硬件要求
只需接口电路的状态、数据口，不需增加其他控制电路。
特点
CPU主动查询，程序控制数据传送过程，简单易行；
每次查询之后只能传送一个字或一个字节的数据，数据传输 率不高，CPU时间浪费较多。
2020年4月13日星期一
FFFFFH
主
存
储
器
0000H
I/O
设
FFFFH 备
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2、输入/输出指令
IO指令
输入指令：IN AL/AX , DX/PORT
从指定端口读入一个字节/字数据到累加器；
输出指令：OUT DX/PORT , AL/AX
将累加器中的一个字节/字数据送到指定端口输出；
IO指令一般的功能：
EFFFFH
F0000H
I/O 设
FFFFFH 备
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12
1、设备编址——独立编址方式
独立编址方式
以20位主存地址、
将I/O系统与主存系统分别编址；
16位I/O地址为例
特点：
00000H
I/O端口地址不占用主存空间；
使用专用的I/O指令，指令字长短， 执行速度快；
与主存空间区分容易。
特点
硬件代价较高；
IO传送的效率高，并且减轻了CPU的工作负担。
适用场合
高性能要求的系统中。
2020年4月13日星期一
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8.2 程序查询方式
IN AL , DX
数据AALL总线
CPU
OUT DX , AL
地址总信线息
0 /RD 0 /WR 0 /MIO
数据的输入 输出完全由
IO 程序控制！
2020年4月13日星期一
① 对I/O接口的控制触发器置1或0，控制其进行某些操作；
CPU向IO接口发命令字； 以数据形式传送
② 测试设备的某些状态；
控制、状态信息
CPU读取IO接口的状态字；
③ 输入或输出数据；
CPU与IO接口之间的数据传送；
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3、程序查询方式的接口
CPU通过地址信号选 中某设备接口；
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1、设备编址——统一编址方式
统一编址方式
以20位主存地址、 16位I/O地址为例
将I/O系统与主存系统作为一个整体进行编址；
优点：
00000H
访问I/O端口可使用访存指令，操作类型多样，
主
使用灵活；
存
储
I/O端口有较大的编址空间；
器
缺点： 占用主存空间，使实际主存容量减小； I/O访问的指令字长较长，执行速度慢。
④未就绪，则重复②、③步，
直到设备就绪为止。
⑤CPU输入或输出数据，同时 复位接口中的状态标志。
特点
可通过改变查询顺序修改设
备的优先权； CPU工作效率低；
动画演示： 8-3.swf
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采用异步定时方式，或称为应答式数据交换；
询问信号 应答信号
CPU与外设之间通过两个相互的联络信号来决定开始数据传 送的时间。
பைடு நூலகம்
③ 高速的外围设备 如：主存、辅存
采用同步定时方式；
由时钟脉冲控制
CPU以等间隔的速率执行输入／输出指令。
2020年4月13日星期一
5
8.1.2 外设信息交换方式
程序查询方式
8.1.1 外围设备的速度分级 8.1.2 信息交换方式
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4
8.1.1 外围设备的速度分级 如何使CPU与
外设同步工作
根据外设的工作速度，CPU与外设的定时方式有以下3种：
① 速度极慢或简单的外围设备 如：机械开关、发光二极管
CPU直接接收或发送数据。
② 慢速或中速的外围设备 如：键盘、显示器
CPU通过向该接口发 送命令字的方式，启动 外设；
外设开始工作后，设 置当前“忙”状态；
CPU与外设通过接口 内部的数据缓冲器传送 数据；
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动画演示： 8-2.swf
15
4、程序查询输入/输出方式
程序执行动作如下：
①CPU请求数据传送；
②CPU从I/O接口读入状态字；
③检查状态字中的标志；