第四章 输入输出系统 《计算机系统结构》PPT课件
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计算机组成原理(本全)课件
计算机组成原理(本 全)课件
目录
CONTENTS
• 计算机系统概述 • 中央处理器(CPU) • 存储器系统 • 输入输出(I/O)系统 • 计算机的体系结构 • 计算机的软件系统
01 计算机系统概述
计算机的发展历程
第一代计算机
电子管计算机，20世纪40年代 中期至50年代末期，主要用于
军事和科学研究领域。
CPU每个时钟周期执行的指令数，是 衡量CPU性能的重要指标。
03 存储器系统
存储器的分类和作用
分类
根据存储器的功能和位置，可以分为内存和外存两大类。内存是计算机内部存储器，用 于存放运算数据和程序代码；外存则是计算机外部存储器，用于长期保存大量数据和程
序。
作用
存储器是计算机的重要组成部分，它负责存储程序运行过程中所需的数据、指令等信息 ，使得CPU能够快速、准确地读取和写入数据，从而完成程序的执行。
软件系统
包括系统软件和应用软件两大类。
操作系统
是计算机的软件系统中最基本、最重要的部分，负责 管理和调度计算机的软硬件资源。
计算机的工作原理
二进制数制
计算机内部采用二进制数制进行运算和存储。
指令和程序
计算机按照程序中预定的指令序列进行自动执 行。
存储程序原理
将程序和数据存储在计算机内部，根据指令从存储器中取出数据和指令进行运 算和传输。
内存的工作原理和组织结构
工作原理
内存由多个存储单元组成，每个单元可以存储一个二进制数 。当CPU需要读取或写入数据时，会通过地址总线发送地址 信号，内存控制器根据地址信号找到对应的存储单元，完成 数据的读取或写入操作。
组织结构
内存的组织结构通常采用线性编址方式，即将内存单元按照 一定顺序排列，每个单元都有一个唯一的地址。内存的容量 大小由地址总线的位数决定，地址总线位数越多，可访问的 内存单元数量就越多。
目录
CONTENTS
• 计算机系统概述 • 中央处理器(CPU) • 存储器系统 • 输入输出(I/O)系统 • 计算机的体系结构 • 计算机的软件系统
01 计算机系统概述
计算机的发展历程
第一代计算机
电子管计算机，20世纪40年代 中期至50年代末期，主要用于
军事和科学研究领域。
CPU每个时钟周期执行的指令数，是 衡量CPU性能的重要指标。
03 存储器系统
存储器的分类和作用
分类
根据存储器的功能和位置，可以分为内存和外存两大类。内存是计算机内部存储器，用 于存放运算数据和程序代码；外存则是计算机外部存储器，用于长期保存大量数据和程
序。
作用
存储器是计算机的重要组成部分，它负责存储程序运行过程中所需的数据、指令等信息 ，使得CPU能够快速、准确地读取和写入数据，从而完成程序的执行。
软件系统
包括系统软件和应用软件两大类。
操作系统
是计算机的软件系统中最基本、最重要的部分，负责 管理和调度计算机的软硬件资源。
计算机的工作原理
二进制数制
计算机内部采用二进制数制进行运算和存储。
指令和程序
计算机按照程序中预定的指令序列进行自动执 行。
存储程序原理
将程序和数据存储在计算机内部，根据指令从存储器中取出数据和指令进行运 算和传输。
内存的工作原理和组织结构
工作原理
内存由多个存储单元组成，每个单元可以存储一个二进制数 。当CPU需要读取或写入数据时，会通过地址总线发送地址 信号，内存控制器根据地址信号找到对应的存储单元，完成 数据的读取或写入操作。
组织结构
内存的组织结构通常采用线性编址方式，即将内存单元按照 一定顺序排列，每个单元都有一个唯一的地址。内存的容量 大小由地址总线的位数决定，地址总线位数越多，可访问的 内存单元数量就越多。
《计算机组成原理》输入输出系统PPT课件
中断向量表： 集中存放系统中所有中断向量的存储区。 8086 PC机中，将存储器物理地址为0~3FFH的1024个单 元作为中断向量表，每个向量占用4个字节，可容纳256个 中断向量。
2020/2/27
24
类型号 0
中 断 类型号 8 向 量 表
类型号 255
2020/2/27
偏移地址 0000 : 0000
2020/2/27
15
程序查询方式的接口
②
①
④ ⑤
⑥
③
① CPU向接口写入控制字； ② 接口启动外设； ③ 外设开始准备数据，并提
供到外部数据总线； ④ 外设工作完成后，发回响
应信号给接口； ⑤ 接口接收数据到内部，并
设置就绪状态； ⑥ CPU读到就绪状态，执行
输入指令，读入数据；
2020/2/27
0000 : 03FF
中断类型号 每个中断向量 在中断向量表 中的序号，值 为0－255。
25
中断类型号与中断向量
中断类型号（n）4 ＝ 中断向量在表中的偏移地址 如：n＝8，则应从向量表20H~23H中取出中断向量
CPU使用向量中断的过程：
中断源提供 中断类型号n
CPU转向中断 服务程序执行
4
19
8.3.1 中断的基本概念
中断服务程序与中断时CPU正在运行的程序是相互独立的，相 互不传递数据。
2020/2/27
20
有关中断
中断处理过程是由硬件和软件结合来完成的。
为什么要使用中断？
解决速度问题，使CPU和I/O并行工作；
对意外情况(如磁盘损坏、运算溢出等)能够及时处理。
在实时控制领域中，及时响应外来信号的请求。
接口管理程序
2020/2/27
24
类型号 0
中 断 类型号 8 向 量 表
类型号 255
2020/2/27
偏移地址 0000 : 0000
2020/2/27
15
程序查询方式的接口
②
①
④ ⑤
⑥
③
① CPU向接口写入控制字； ② 接口启动外设； ③ 外设开始准备数据，并提
供到外部数据总线； ④ 外设工作完成后，发回响
应信号给接口； ⑤ 接口接收数据到内部，并
设置就绪状态； ⑥ CPU读到就绪状态，执行
输入指令，读入数据；
2020/2/27
0000 : 03FF
中断类型号 每个中断向量 在中断向量表 中的序号，值 为0－255。
25
中断类型号与中断向量
中断类型号（n）4 ＝ 中断向量在表中的偏移地址 如：n＝8，则应从向量表20H~23H中取出中断向量
CPU使用向量中断的过程：
中断源提供 中断类型号n
CPU转向中断 服务程序执行
4
19
8.3.1 中断的基本概念
中断服务程序与中断时CPU正在运行的程序是相互独立的，相 互不传递数据。
2020/2/27
20
有关中断
中断处理过程是由硬件和软件结合来完成的。
为什么要使用中断？
解决速度问题，使CPU和I/O并行工作；
对意外情况(如磁盘损坏、运算溢出等)能够及时处理。
在实时控制领域中，及时响应外来信号的请求。
接口管理程序
《计算机体系结构》课件
ABCD
理解指令集体系结构、处 理器设计、存储系统、输 入输出系统的基本原理和 设计方法。
培养学生对计算机体系结 构领域的兴趣和热情，为 未来的学习和工作打下坚 实的基础。
CHAPTER
02
计算机体系结构概述
计算机体系结构定义
计算机体系结构是指计算机系统的整 体设计和组织结构，包括其硬件和软 件的交互方式。
CHAPTER
06
并行处理与多核处理器
并行处理概述
并行处理
指在同一时刻或同一时间间隔内 完成两个或两个以上工作的能力
。
并行处理的分类
时间并行、空间并行、数据并行和 流水并行。
并行处理的优势
提高计算速度、增强计算能力、提 高资源利用率。
多核处理器
1 2
多核处理器
指在一个处理器上集成多个核心，每个核心可以 独立执行一条指令。
间接寻址
间接寻址是指操作数的有效地址通过寄存器间接给出，计算机先取出 寄存器中的地址，再通过该地址取出操作数进行操作。
CHAPTER
04
存储系统
存储系统概述
存储系统是计算机体系结构中 的重要组成部分，负责存储和 检索数据和指令。
存储系统通常由多个层次的存 储器组成，包括主存储器、外 存储器和高速缓存等。
《计算机体系结构》ppt 课件
CONTENTS
目录
• 引言 • 计算机体系结构概述 • 指令系统 • 存储系统 • 输入输出系统 • 并行处理与多核处理器 • 流水线技术 • 计算机体系结构优化技术
CHAPTER
01
引言
课程简介
计算机体系结构是计算机科学的一门核心课程，主要研究计算机系统的基本组成、组织结构、工作原 理及其设计方法。
计算机输入输出系统(I、O系统)概述PPT(53张)
增加：
l=n*(n-1)/2 n=4时， l =6 ； n=5时 l =10 2）非专用总线——即公共总线 总线数少，造价低，总线接口标准化、模块性强，易 于简化和统一接口设计，会出现总线争用，降低效 率。
3 按传递的信息类型分 地址总线AB 数据总线DB 控制总线CB
二、总线控制方式
研究对非专用总线在多个部件同时申请总 线时的裁决控制机构。
目的：采用何种办法来获得对总线的使用。
类型：<集中控制>总线控制逻辑基本上集 中放在一起的裁决控制机构。
<分布控制>总线控制逻辑分散于连到总线 的各个部件中时，称分布控制。
以集中控制为主，要求对各种控制方式 （串行链接、定时查询、独立请求）,能画出 结构示意图，叙述获取总线过程，计算所需独 立线数及最长响应的时间。
3）特点： ①各部件使用总线的优先级可随计数器的工作方式的 改变而改变，灵活性强。
Ⅰ）计数器每次都从0开始计数，低编号部件级别高； Ⅱ）计数器采用循环计数时，各部件机会均等。
②可靠性高，但所需独立线数较多：2+log2n 最长响应延时计算
部件请求到发出代码的延时为一个时钟周期，收到代
码到建立忙电平的延时也为一个时钟周期。设初始计
第三章 输入输出系统（I/O系统）
§1 概述
一、I/O系统组成：包括I/O设备，设备控制器 及与I/O操作有关的软硬件。
二、I/O系统的主要功能：对指定外设进行I/O 操作，同时完成许多其他的控制。 包括：外设编址，数据通路的建立，向主 机提供外设的状态信息等。
三、I/O系统应面向OS设计
在高性能多用户计算机系统中，I/O系统的设 计应是面向OS，考虑怎样在OS与I/O系统之间进 行合理的软、硬件功能分配。
l=n*(n-1)/2 n=4时， l =6 ； n=5时 l =10 2）非专用总线——即公共总线 总线数少，造价低，总线接口标准化、模块性强，易 于简化和统一接口设计，会出现总线争用，降低效 率。
3 按传递的信息类型分 地址总线AB 数据总线DB 控制总线CB
二、总线控制方式
研究对非专用总线在多个部件同时申请总 线时的裁决控制机构。
目的：采用何种办法来获得对总线的使用。
类型：<集中控制>总线控制逻辑基本上集 中放在一起的裁决控制机构。
<分布控制>总线控制逻辑分散于连到总线 的各个部件中时，称分布控制。
以集中控制为主，要求对各种控制方式 （串行链接、定时查询、独立请求）,能画出 结构示意图，叙述获取总线过程，计算所需独 立线数及最长响应的时间。
3）特点： ①各部件使用总线的优先级可随计数器的工作方式的 改变而改变，灵活性强。
Ⅰ）计数器每次都从0开始计数，低编号部件级别高； Ⅱ）计数器采用循环计数时，各部件机会均等。
②可靠性高，但所需独立线数较多：2+log2n 最长响应延时计算
部件请求到发出代码的延时为一个时钟周期，收到代
码到建立忙电平的延时也为一个时钟周期。设初始计
第三章 输入输出系统（I/O系统）
§1 概述
一、I/O系统组成：包括I/O设备，设备控制器 及与I/O操作有关的软硬件。
二、I/O系统的主要功能：对指定外设进行I/O 操作，同时完成许多其他的控制。 包括：外设编址，数据通路的建立，向主 机提供外设的状态信息等。
三、I/O系统应面向OS设计
在高性能多用户计算机系统中，I/O系统的设 计应是面向OS，考虑怎样在OS与I/O系统之间进 行合理的软、硬件功能分配。
《计算机组成原理》课件
指令结束
将结果存回内存或寄存器 。
CPU的性能指标
速度
执行指令的速度，通常以MIPS（百万条 指令每秒）表示。
功耗
CPU在工作时的能耗。
集成度
CPU中晶体管的数量和密度。
可靠性
CPU在正常工作条件下无故障运行的概率 。
03
存储器
内存的分类与结构
分类
根据存储介质，内存可以分为RAM（随机存取存储器）和ROM（只读存储器）。RAM又可以分为DRAM（动态 随机存取存储器）和SRAM（静态随机存取存储器）。
谢谢您的聆听
THANKS
《计算机组成原理》ppt课件
CONTENTS
• 计算机系统概述 • 中央处理器 • 存储器 • 输入输出系统 • 总线系统 • 计算机系统可靠性及安全性
01
计算机系统概述
计算机的发展历程
机械计算机时代
1946年第一台电子计算机ENIAC诞生，占地170平方米，重30吨，运算速度5000次/秒。
晶体管计算机时代
20世纪50年代中期至60年代，计算机体积缩小，运算速度提高，可靠性增强。
集成电路计算机时代
20世纪60年代末至70年代初，微处理器出现，个人电脑开始进入市场。
大规模集成电路计算机时代
20世纪70年代中期至今，计算机体积更小，性能更高，应用领域更广泛。
计算机系统的组成
硬件系统
包括中央处理器、存储器、输入输出设备 等物理部件。
结构
内存主要由存储单元阵列、地址译码器和数据输入/输出缓冲器组成。每个存储单元阵列负责存储数据，地址译 码器负责将地址码转换为相应的存储单元的地址，数据输入/输出缓冲器则负责数据的读写操作。
内存的工作原理
将结果存回内存或寄存器 。
CPU的性能指标
速度
执行指令的速度，通常以MIPS（百万条 指令每秒）表示。
功耗
CPU在工作时的能耗。
集成度
CPU中晶体管的数量和密度。
可靠性
CPU在正常工作条件下无故障运行的概率 。
03
存储器
内存的分类与结构
分类
根据存储介质，内存可以分为RAM（随机存取存储器）和ROM（只读存储器）。RAM又可以分为DRAM（动态 随机存取存储器）和SRAM（静态随机存取存储器）。
谢谢您的聆听
THANKS
《计算机组成原理》ppt课件
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• 计算机系统概述 • 中央处理器 • 存储器 • 输入输出系统 • 总线系统 • 计算机系统可靠性及安全性
01
计算机系统概述
计算机的发展历程
机械计算机时代
1946年第一台电子计算机ENIAC诞生，占地170平方米，重30吨，运算速度5000次/秒。
晶体管计算机时代
20世纪50年代中期至60年代，计算机体积缩小，运算速度提高，可靠性增强。
集成电路计算机时代
20世纪60年代末至70年代初，微处理器出现，个人电脑开始进入市场。
大规模集成电路计算机时代
20世纪70年代中期至今，计算机体积更小，性能更高，应用领域更广泛。
计算机系统的组成
硬件系统
包括中央处理器、存储器、输入输出设备 等物理部件。
结构
内存主要由存储单元阵列、地址译码器和数据输入/输出缓冲器组成。每个存储单元阵列负责存储数据，地址译 码器负责将地址码转换为相应的存储单元的地址，数据输入/输出缓冲器则负责数据的读写操作。
内存的工作原理
《输入输出系统》课件
4 HDMI接口
HDMI接口是高清多媒体接口，用于连接显示 器、电视和其他多媒体设备。
输入输出流
1
标准输入输出流
标准输入输出流是计算机与外部世界进行基本信息交流的通道。它包括键盘输入 和屏幕输出。
2
文件输入输出流
文件输入输出流用于将数据存储到文件中或从文件中读取数据，常用于数据持久 化和数据共享。
数码相机
数码相机用于拍摄照片和录制视频，将现实世 界的图像转化为数字数据，方便存储和处理。
输出设备
显示器
显示器是最常见的输 出设备，用于显示计 算机处理后的图像、 文字和视频。
打印机
打印机将计算机中的 文档转化为纸质输出， 方便用户在无互联网 环境下查阅和分享信 息。
投影仪
投影仪可将计算机中 的图像或视频投射到 大屏幕上，方便大型 演示、教学和娱乐活 动。
喇叭
喇叭用于播放计算机 中的音频内容，为用 户提供更好的听觉体 验。
输入输出接口
1 并口接口
并口接口是传输并行数据的接口，常用于连 接打印机、扫描仪等设备。
2 串口接口
串口接口是传输串行数据的接口，常用于连 接鼠标、键盘等设备，也可连接外部设备。
3 USB接口
USB接口是通用串行总线接口，可连接各种 设备，如存储设备、音频设备和外围设备。
发展趋势
随着科技的不断进步，输入输出 系统将更加智能、便捷和高效， 给人们的生活带来更多的便利和 乐趣。
总结
通过本《输入输出系统》PPT课件，您了解了计算机的输入输出系统的定义、组成部分、各个设备和接口的分 类和作用，以及输入输出流和应用。 期望这些知识能帮助您更好地理解计算机系统，并在实际应用中发挥更大的作用。
输入输出系统由输入设备和输出设备构成，它们共同协作，使计算机能够与 人类进行信息交流，完成各种任务。
计算机系统组成的ppt课件
PCI和AGP：都属于VGA卡，有3D加速功能，显存2M以上，分辨 率1280×1024以上，显示速度快。目前AGP最常用。
7、辅助存储器
（1）磁盘类存储器 软盘：3.5英寸高密度容量=2面×80磁道×18扇区×512B=1.44MB 硬盘：由若干个磁性圆盘组成。 存储容量=磁头数×柱面数×扇区数×每扇区字节数（512B）
外置式：连接串行口。
内置式：插在扩展槽上。 PC卡式：笔记本专用。
ISDN：综合业务数字网，利用一个通信网实现各种通信业务。
窄带-ISDN：2B+1D，144kbps（128+16=144）。
远程通信 PC 通信线 传真机 ISDN 通信线 通过ISDN的连接 公司的LAN 模拟电话 传真机 在线服务 电话 网络
数据库应用程序 用户
数据库 应用程序
DBMS
DB
（5）数据仓库 数据仓库是面向主题的、集成化的、稳定的、随时间变化的数据集合， 用以支持决策管理的一个过程。
2、应用软件 （1）文字处理软件 WPS、Word 等。 （2）表格处理软件 Excel、Lotus l-2-3 等。 （3）管理系统软件 财务管理软件、人事管理软件等。 （4）辅助设计软件 Auto CAD 等。 （5）实时控制软件 监察控制和数据采集SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)。 目前在PC上流行的有：FIX、InTouch、 Lookout。
它的作用是控制整 个计算机的各个部 件有条不紊的工作
地址：为了区分存储体内不同的存储单元，每 个存储单元都有一个编号，称为存储单元的地址。 存储容量：一个存储器中存储单元的总数称为 该存储器的存储容量。 表示存储容量的单位有字节（B）、KB、MB、 GB、TB，它们之间的关系是 1 KB = 1024 B， 1 MB = 1024 KB， 1 GB = 1024 MB， 1 TB = 1024 GB 。
计算机系统结构(ComputerArchitecture)
的重要指标。
02 中央处理器(CPU)
CPU的基本组成
运算器
执行算术和逻辑运算操作，处理数据。
寄存器
存储数据和指令，提供快速访问。
控制器
控制计算机各部件协调工作，发出控制信号。
指令集
一组指令集合，用于实现计算机的基本操作。
CPU的主要功能
数据处理
执行算术和逻辑运算，处理数据。
指令执行
解释和执行程序中的指令。
通道方式：通过独立的通道处 理输入输出操作，提高系统的 效率。
I/O设备的发展趋势
高速化
提高设备的传输速度，满足大数据处理的需 求。
智能化
设备具有更高的自主性和智能性，能够自动 完成更多的任务。
网络化
设备通过多个设备共享物理设备 的资源，提高设备的利用率。
CPU的发展趋势
多核化
通过增加核心数量提高处理能力。
并行化
采用多线程、多进程等技术提高并行 处理能力。
微处理器定制化
根据特定应用需求定制处理器。
节能环保
降低功耗，提高能效比，实现绿色计 算。
03 存储器系统
存储器的基本组成
数据存储单元
用于存储二进制数据，通常由晶体管组成。
地址存储单元
用于存储存储单元的地址，通过地址码来识别存 储单元。
计算机系统结构 (computerarchitecture)
contents
目录
• 计算机系统概述 • 中央处理器(CPU) • 存储器系统 • 输入输出系统(I/O) • 计算机系统结构的发展趋势
01 计算机系统概述
计算机系统的基本组成
01
02
03
硬件
包括中央处理器、存储器、 输入输出设备等，是计算 机系统的物理基础。
02 中央处理器(CPU)
CPU的基本组成
运算器
执行算术和逻辑运算操作，处理数据。
寄存器
存储数据和指令，提供快速访问。
控制器
控制计算机各部件协调工作，发出控制信号。
指令集
一组指令集合，用于实现计算机的基本操作。
CPU的主要功能
数据处理
执行算术和逻辑运算，处理数据。
指令执行
解释和执行程序中的指令。
通道方式：通过独立的通道处 理输入输出操作，提高系统的 效率。
I/O设备的发展趋势
高速化
提高设备的传输速度，满足大数据处理的需 求。
智能化
设备具有更高的自主性和智能性，能够自动 完成更多的任务。
网络化
设备通过多个设备共享物理设备 的资源，提高设备的利用率。
CPU的发展趋势
多核化
通过增加核心数量提高处理能力。
并行化
采用多线程、多进程等技术提高并行 处理能力。
微处理器定制化
根据特定应用需求定制处理器。
节能环保
降低功耗，提高能效比，实现绿色计 算。
03 存储器系统
存储器的基本组成
数据存储单元
用于存储二进制数据，通常由晶体管组成。
地址存储单元
用于存储存储单元的地址，通过地址码来识别存 储单元。
计算机系统结构 (computerarchitecture)
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• 计算机系统概述 • 中央处理器(CPU) • 存储器系统 • 输入输出系统(I/O) • 计算机系统结构的发展趋势
01 计算机系统概述
计算机系统的基本组成
01
02
03
硬件
包括中央处理器、存储器、 输入输出设备等，是计算 机系统的物理基础。
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级最低，为0级。
在中断源D1、D2、D3、 D4的处理机状态字中， 程序员为它们设置的优 先级分别为4级、3级、2
级、1级。
2003.3.1
计算机系统结构
20
两种方法的比较
都比较灵活，但是： 1. 两者使用的概念不同；
2. 前者为每个中断源设置一个屏蔽位， 而后者设 置优先级，使用的位数少，前者可屏蔽掉任意 一个或几个中断源，而后者只能屏蔽比自身低 的所有中断源。
解：处理机的实际利用率只有： 100/(109×4）= 0.25×10-7，即4千万分之一。
• 一个处理机管理多台外围设备。处理机采用轮流循环测试方法，分 时为各台外围设备服务。
• 程序控制输入输出方式的优点： 灵活性好。可以很容易地改变各 台外围设备优先级。
• 程序控制输入输出方式的缺点： 实现处理机与外围设备并行工作 困难。
1. 灵活性：一般情况下，用硬件实现速度快，但灵活性差；但 软件正好相反。这两个要求实际是矛盾的，如果用软件实现 的功能多了，灵活性好了，但中断响应时间就必然要增加。
2003.3.1
计算机系统结构
13
中断请求
中断的处理过程
主程序
中断服务处理程序
硬件排队
关中断
保护原屏蔽字
恢复现场和屏蔽字
中断响 应周期
例如：某个硬件响应优先级高的中断源，其中断服务程 序执行中屏蔽了自身，而开放了某个硬件响应优先级比它低的 中断源，后者就可以在前者刚开放中断时就打断它，从而在实 际上先得到服务。
中断服务过程示意图如P231图4.14所示。 由于常规用户主程序对处理机的需求紧迫性最低，所以它 的中断屏蔽字是“全部开放”。 (3)实例分析：屏蔽字表、中断服务过程图。（P230倒数第8行 开始）
3. 与设备无关性：各种外部设备必须根据其特点和要求选择一种标 准接口和处理机进行连接，他们之间的差别必须由设备 本身的控制器通过硬件和软件来填补。这样，处理机本 身无须了解外设的具体细节，可以采用统一的硬件和软 件对其管理。
2003.3.1
计算机系统结构
3
程序控制I/O方式特点
1. 何时对何设备进行输入输出操作完全受CPU控制。 2. 外围设备与CPU处于异步工作关系。 3. 数据的输入输出都要经过CPU。 421
4.4 通道处理机(P233)
1. 原因：
在大型计算机系统中，外围设备的台数一般比较多，设备的种类、 工作方式和工作速度的差别较大，为了把对外围设备的管理工作从 CPU中分离出来，采用通道处理技术。
2. 不采用通道处理机技术，将会引起的问题：
a) 所有外围设备的输入输出工作全部都要由CPU来负担， CPU的负担很重；
输出工作； (3) 通道程序结束后向CPU发出中断请求，第二次调用管理程序对输
入输出请求进行处理。
每完成一次输入输出工作， CPU只需要两次调用管理程序，大 大减少了对用户程序的打扰程序。
2003.3.1
计算机系统结构
25
2003.3.1
计算机系统结构
26
用户程序
管理程序
通道程序
访管
入口
OC 设备号
2003.3.1
计算机系统结构
2
I/O系统的特点
1. 异步性：外围设备相对于处理机通常是异步工作的。 原因：当设备准备好与处理机交往时，要向处理机申请服务。 但申请服务对于处理机来说，这个时间一般是随意的， 两次申请时间之间可能经过很长时间，这就造成输入 输出相对于处理机的异步性和时间上的任意性。
2003.3.1
计算机系统结构
8
中断I/O方式
定义：当出现来自系统内部、机器内部、甚至处理机本身的任何例
外的，或者虽是事先安排的，但出现在程序的什么地方是事先 不知道的事件时，CPU暂停现行程序，转去处理，处理完后再 继续执行原先的程序。
特点:
a) CPU与外围设备能够并行工作。 b) 能够处理例外事件。 c) 数据的输入和输出都要经过CPU，灵活性好。 d) 一般用于连接低速外围设备。
保护现场 设置新的屏蔽字
返回 其它中断请求
开中断
2003.3.1
计算机系统结构
14
中断响应时间(P223)
影响中断响应时间的因素主要有4个： 最长指令执行时间。在一条指令执行期间，一般不允许被中断。
但在CISC中，有些指令的执行时间很长，甚至无法预测。为了 实现这一点，在处理机中也必须采取相应的措施。
输入设备ID 输出设备OD
处理机 CPU
程序控制方式的数据传送过程
主存储器 MM
2003.3.1
计算机系统结构
6
一台处理机管理两个速度差别很大的一个例子
启动设备
否 Done=1
是
从输入设备寄存器 中读出一个字符到
主存储器中
否 Ready=1
是 从主存储器送一个 字符到输出设备寄
存器中
结束
键盘输入再显示的框图
2003.3.1
计算机系统结构
1
4.1 I/O原理
• I/O系统能够提供处理机与外部世界进行交往或通信的各种手段。 • 外部世界指处理机以外的需要与处理机交换信息的人和物。
输入
CPU
输出
存储器
• 定义：在计算机系统中，通常把处理机和主存之外的部分称为I/O系统，
它包括I/O设备、I/O接口、I/O软件等。
定的中断申请，通知CPU查询该事件。
6. 地位：
从属于主处理机
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7. 通道的工作过程：
通道完成一次数据输入输出的过程需三步： (1) 在用户程序中使用访管指令进入管理程序，由CPU通过管理程序
组织一个通道程序，并启动通道； (2) 通道处理机执行CPU为它组织的通道程序，完成指定的数据输入
第四章 输入输出系统（P208）
输入输出系统是计算机系统中实现各种输入输出任务的资源总称。 它包括各种输入输出设备、相关的管理软件等等。由于输入输出设备的 特殊工作性质使其数据吞吐率通常远低于主机，设计输入输出系统就是 要建立数据交换的最佳方案，使双方都能高效率地工作。
本章重点是中断优先级管理、通道流量设计。
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5. 通道的特点：
• 有一套输入输出功能很强的专用指令系统； • 与主处理机共享主存，存放相应的程序和数据； • 一个通道可以连接多台外部设备； • 主处理机可用"启动I/O"指令来启动一个通道； • 当通道访存与主处理机冲突时，存控部件赋予通道较高的优先权； • 通道程序执行完毕自动转入休眠状态，同时向主处理机发出一个特
OC 交换长度
OC 主存地址
入口
通道程序
置通道地址字 启动I/O
返回
I/O中断响应
通道程序
断开通道指令
I/O中断请求
I/O中断返回
通道完成一次数据传输的主要过程
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8. 通道的分类 (P238)：
a) 字节多路通道：是一种简单的共享通道，主要为多台低速或中速的 外围设备服务。字节多路通道采用分时方式工作，依靠它与CPU之 间的高速数据通路以字节为单位交叉分时为多台设备服务。 子通道 的概念。
数据寄存器和指令计数器，因此，不需要保护现场和恢复现场， 从而使工作速度加快。 3. 外围设备和主存间的数据交换过程是要在全硬件控制下完成的， 由于它们的传送单位不同，因此，DMA控制器中还要有从字节 装配成字和从字拆卸成字节的硬件。 4. 在DMA方式开始前要对DMA控制器进行初始化，并启动设备开 始工作。结束后要向CPU申请中断，在中断服务程序中对主存中 数据缓冲区进行后处理。
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实例分析：屏蔽字表、中断服务过程图。
例1.中断屏蔽位
某处理机共有4个中断源 D1、D2、D3、D4，硬 件中断优先级从高到 低分别为1级、2级、3 级、4级。
“1”为屏蔽
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例2.改变处理机优先级
某处理机共有4个中断源 D1、D2、D3、D4，它们 在串行排队链中的硬件 中断优先级从低到高分 别为1级、2级、3级、4 级。处理机本身的优先
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4.3 中断优先级管理(P219)
• 中断是为实时任务优先获得处理机资源而采用的一种调
度技术，当系统中存在多个中断源时必须根据实时性强弱
设定优先顺序，这也被称为中断的分级。
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中断系统的软硬件功能分配
• 主要考虑两个因素：
1. 中断响应时间：从某一中断源发出中断请求到处理机响应这 个中断源的中断请求服务，并开始执行这个中断源的中断请 求服务程序所用的这一段时间。在实时计算机系统中 ，它是 整个计算机系统的一个关键性指标。
优点：完全克服了程序控制方式中处理机和外围设备之间不能并行
的缺点。
现代计算机系统中，中断输入输出方式的作用已经远远超出了 为外围设备服务的范畴，成为现代计算机系统中非常重要的一 个组成部分。
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DMA的特点
1. 主存既可被CPU访问，也可被外围设备访问。 2. 在外围设备与主存间传送数据不需要执行程序，也不用CPU中的
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DMA的特点
5. 在DMA方式中CPU不仅能够与外围设备并行工作，而且整个数 据的传送过程不需要CPU干预。如果主存的频宽足够，外围设备 的工作可以不影响CPU运行它自身的程序。
输入设备ID 输出设备OD
主存储器 MM
DMA方式的数据传送过程
在中断源D1、D2、D3、 D4的处理机状态字中， 程序员为它们设置的优 先级分别为4级、3级、2
级、1级。
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两种方法的比较
都比较灵活，但是： 1. 两者使用的概念不同；
2. 前者为每个中断源设置一个屏蔽位， 而后者设 置优先级，使用的位数少，前者可屏蔽掉任意 一个或几个中断源，而后者只能屏蔽比自身低 的所有中断源。
解：处理机的实际利用率只有： 100/(109×4）= 0.25×10-7，即4千万分之一。
• 一个处理机管理多台外围设备。处理机采用轮流循环测试方法，分 时为各台外围设备服务。
• 程序控制输入输出方式的优点： 灵活性好。可以很容易地改变各 台外围设备优先级。
• 程序控制输入输出方式的缺点： 实现处理机与外围设备并行工作 困难。
1. 灵活性：一般情况下，用硬件实现速度快，但灵活性差；但 软件正好相反。这两个要求实际是矛盾的，如果用软件实现 的功能多了，灵活性好了，但中断响应时间就必然要增加。
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中断请求
中断的处理过程
主程序
中断服务处理程序
硬件排队
关中断
保护原屏蔽字
恢复现场和屏蔽字
中断响 应周期
例如：某个硬件响应优先级高的中断源，其中断服务程 序执行中屏蔽了自身，而开放了某个硬件响应优先级比它低的 中断源，后者就可以在前者刚开放中断时就打断它，从而在实 际上先得到服务。
中断服务过程示意图如P231图4.14所示。 由于常规用户主程序对处理机的需求紧迫性最低，所以它 的中断屏蔽字是“全部开放”。 (3)实例分析：屏蔽字表、中断服务过程图。（P230倒数第8行 开始）
3. 与设备无关性：各种外部设备必须根据其特点和要求选择一种标 准接口和处理机进行连接，他们之间的差别必须由设备 本身的控制器通过硬件和软件来填补。这样，处理机本 身无须了解外设的具体细节，可以采用统一的硬件和软 件对其管理。
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程序控制I/O方式特点
1. 何时对何设备进行输入输出操作完全受CPU控制。 2. 外围设备与CPU处于异步工作关系。 3. 数据的输入输出都要经过CPU。 421
4.4 通道处理机(P233)
1. 原因：
在大型计算机系统中，外围设备的台数一般比较多，设备的种类、 工作方式和工作速度的差别较大，为了把对外围设备的管理工作从 CPU中分离出来，采用通道处理技术。
2. 不采用通道处理机技术，将会引起的问题：
a) 所有外围设备的输入输出工作全部都要由CPU来负担， CPU的负担很重；
输出工作； (3) 通道程序结束后向CPU发出中断请求，第二次调用管理程序对输
入输出请求进行处理。
每完成一次输入输出工作， CPU只需要两次调用管理程序，大 大减少了对用户程序的打扰程序。
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用户程序
管理程序
通道程序
访管
入口
OC 设备号
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I/O系统的特点
1. 异步性：外围设备相对于处理机通常是异步工作的。 原因：当设备准备好与处理机交往时，要向处理机申请服务。 但申请服务对于处理机来说，这个时间一般是随意的， 两次申请时间之间可能经过很长时间，这就造成输入 输出相对于处理机的异步性和时间上的任意性。
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中断I/O方式
定义：当出现来自系统内部、机器内部、甚至处理机本身的任何例
外的，或者虽是事先安排的，但出现在程序的什么地方是事先 不知道的事件时，CPU暂停现行程序，转去处理，处理完后再 继续执行原先的程序。
特点:
a) CPU与外围设备能够并行工作。 b) 能够处理例外事件。 c) 数据的输入和输出都要经过CPU，灵活性好。 d) 一般用于连接低速外围设备。
保护现场 设置新的屏蔽字
返回 其它中断请求
开中断
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中断响应时间(P223)
影响中断响应时间的因素主要有4个： 最长指令执行时间。在一条指令执行期间，一般不允许被中断。
但在CISC中，有些指令的执行时间很长，甚至无法预测。为了 实现这一点，在处理机中也必须采取相应的措施。
输入设备ID 输出设备OD
处理机 CPU
程序控制方式的数据传送过程
主存储器 MM
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一台处理机管理两个速度差别很大的一个例子
启动设备
否 Done=1
是
从输入设备寄存器 中读出一个字符到
主存储器中
否 Ready=1
是 从主存储器送一个 字符到输出设备寄
存器中
结束
键盘输入再显示的框图
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4.1 I/O原理
• I/O系统能够提供处理机与外部世界进行交往或通信的各种手段。 • 外部世界指处理机以外的需要与处理机交换信息的人和物。
输入
CPU
输出
存储器
• 定义：在计算机系统中，通常把处理机和主存之外的部分称为I/O系统，
它包括I/O设备、I/O接口、I/O软件等。
定的中断申请，通知CPU查询该事件。
6. 地位：
从属于主处理机
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通道完成一次数据输入输出的过程需三步： (1) 在用户程序中使用访管指令进入管理程序，由CPU通过管理程序
组织一个通道程序，并启动通道； (2) 通道处理机执行CPU为它组织的通道程序，完成指定的数据输入
第四章 输入输出系统（P208）
输入输出系统是计算机系统中实现各种输入输出任务的资源总称。 它包括各种输入输出设备、相关的管理软件等等。由于输入输出设备的 特殊工作性质使其数据吞吐率通常远低于主机，设计输入输出系统就是 要建立数据交换的最佳方案，使双方都能高效率地工作。
本章重点是中断优先级管理、通道流量设计。
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5. 通道的特点：
• 有一套输入输出功能很强的专用指令系统； • 与主处理机共享主存，存放相应的程序和数据； • 一个通道可以连接多台外部设备； • 主处理机可用"启动I/O"指令来启动一个通道； • 当通道访存与主处理机冲突时，存控部件赋予通道较高的优先权； • 通道程序执行完毕自动转入休眠状态，同时向主处理机发出一个特
OC 交换长度
OC 主存地址
入口
通道程序
置通道地址字 启动I/O
返回
I/O中断响应
通道程序
断开通道指令
I/O中断请求
I/O中断返回
通道完成一次数据传输的主要过程
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8. 通道的分类 (P238)：
a) 字节多路通道：是一种简单的共享通道，主要为多台低速或中速的 外围设备服务。字节多路通道采用分时方式工作，依靠它与CPU之 间的高速数据通路以字节为单位交叉分时为多台设备服务。 子通道 的概念。
数据寄存器和指令计数器，因此，不需要保护现场和恢复现场， 从而使工作速度加快。 3. 外围设备和主存间的数据交换过程是要在全硬件控制下完成的， 由于它们的传送单位不同，因此，DMA控制器中还要有从字节 装配成字和从字拆卸成字节的硬件。 4. 在DMA方式开始前要对DMA控制器进行初始化，并启动设备开 始工作。结束后要向CPU申请中断，在中断服务程序中对主存中 数据缓冲区进行后处理。
2003.3.1
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实例分析：屏蔽字表、中断服务过程图。
例1.中断屏蔽位
某处理机共有4个中断源 D1、D2、D3、D4，硬 件中断优先级从高到 低分别为1级、2级、3 级、4级。
“1”为屏蔽
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例2.改变处理机优先级
某处理机共有4个中断源 D1、D2、D3、D4，它们 在串行排队链中的硬件 中断优先级从低到高分 别为1级、2级、3级、4 级。处理机本身的优先
计算机系统结构
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4.3 中断优先级管理(P219)
• 中断是为实时任务优先获得处理机资源而采用的一种调
度技术，当系统中存在多个中断源时必须根据实时性强弱
设定优先顺序，这也被称为中断的分级。
2003.3.1
计算机系统结构
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中断系统的软硬件功能分配
• 主要考虑两个因素：
1. 中断响应时间：从某一中断源发出中断请求到处理机响应这 个中断源的中断请求服务，并开始执行这个中断源的中断请 求服务程序所用的这一段时间。在实时计算机系统中 ，它是 整个计算机系统的一个关键性指标。
优点：完全克服了程序控制方式中处理机和外围设备之间不能并行
的缺点。
现代计算机系统中，中断输入输出方式的作用已经远远超出了 为外围设备服务的范畴，成为现代计算机系统中非常重要的一 个组成部分。
2003.3.1
计算机系统结构
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DMA的特点
1. 主存既可被CPU访问，也可被外围设备访问。 2. 在外围设备与主存间传送数据不需要执行程序，也不用CPU中的
2003.3.1
计算机系统结构
10
DMA的特点
5. 在DMA方式中CPU不仅能够与外围设备并行工作，而且整个数 据的传送过程不需要CPU干预。如果主存的频宽足够，外围设备 的工作可以不影响CPU运行它自身的程序。
输入设备ID 输出设备OD
主存储器 MM
DMA方式的数据传送过程