【思维导图】第六章 输入输出系统-
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计算机输入输出系统思维导图
提高 U和I/O设备之间的并行性
缓冲的引入（原因）
解决数据粒度不匹配的问题
即在 U计算的时候，将数据数据输入到缓冲 区(大小取决与T和C的大小)
多个缓冲区 多个指针
即允许 U连续工作（T不断） 组成
单缓冲区 双缓冲区
Ge u 过程 R ea u 过程
使用
同步问题
环形缓冲区（专为生产者和消费者打造）
由空缓冲区链接而成F( m )，L( m )分别指向 该队列首尾缓冲区
瓶颈问题
数组多路通道
含有多个非分配型子通道，前两种通道的组合， 通道利用率较好
原因;通道不足
解决办法：增加设备到主机间的通路，而不增加 通道（结果类似 S触发器）
中断机构和中断处理程序
中断
分类
中断（外部触发）
对外部I/O设备发出的中断信号的响应
陷入（内部原因：除0）
由 U内部事件引起的中断
中断向量表（类比51单片机）
中断程序的入口地址表
中断优先级
对紧急程度不同的中断处理方式
对多中断源的处理方式
屏蔽中断 嵌套中断
测定是否有未响应的中断信号
中断处理程序
保护被中断进程的 U环境 转入相应的设备处理程序
中断处理
恢复 U 的现场并退出中断
设备驱动程序
是I/O进程与设备控制器之间的通信程序，又由 于它常以进程的形式存在，故以后就简称为设备 驱动进程
对数据所进行的I/O操作，已从对低速设备演变 为对输入井或输出井中的数据存取。
po n 技术是对脱机输入/输出系统的模拟
输入/输出井
输入/输出缓冲区 输入/输出进程
主要组成
井管理程序
提高了I/O的速度
假脱机系统（ po n ）
缓冲的引入（原因）
解决数据粒度不匹配的问题
即在 U计算的时候，将数据数据输入到缓冲 区(大小取决与T和C的大小)
多个缓冲区 多个指针
即允许 U连续工作（T不断） 组成
单缓冲区 双缓冲区
Ge u 过程 R ea u 过程
使用
同步问题
环形缓冲区（专为生产者和消费者打造）
由空缓冲区链接而成F( m )，L( m )分别指向 该队列首尾缓冲区
瓶颈问题
数组多路通道
含有多个非分配型子通道，前两种通道的组合， 通道利用率较好
原因;通道不足
解决办法：增加设备到主机间的通路，而不增加 通道（结果类似 S触发器）
中断机构和中断处理程序
中断
分类
中断（外部触发）
对外部I/O设备发出的中断信号的响应
陷入（内部原因：除0）
由 U内部事件引起的中断
中断向量表（类比51单片机）
中断程序的入口地址表
中断优先级
对紧急程度不同的中断处理方式
对多中断源的处理方式
屏蔽中断 嵌套中断
测定是否有未响应的中断信号
中断处理程序
保护被中断进程的 U环境 转入相应的设备处理程序
中断处理
恢复 U 的现场并退出中断
设备驱动程序
是I/O进程与设备控制器之间的通信程序，又由 于它常以进程的形式存在，故以后就简称为设备 驱动进程
对数据所进行的I/O操作，已从对低速设备演变 为对输入井或输出井中的数据存取。
po n 技术是对脱机输入/输出系统的模拟
输入/输出井
输入/输出缓冲区 输入/输出进程
主要组成
井管理程序
提高了I/O的速度
假脱机系统（ po n ）
计算机原理 第六章输入输出系统
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为保证总线所传输的信息的有效性，总线 信息应具有单一性：在同一时刻至多只能有一 个部件向总线发送信息，但可以有多个部件同 时接收总线信息。
1. 总线电路： 输出挂在总线上的部件需通过“总线电路” 向总线发送信息。
总线电路由三态输出器件（TSL器件）承担。 input TSL control output
1. ISA总线：用于IBM PC/XT 微机系统，(8086)，一共６２根信号线， 其中２０根地址线，８根数据线，４个读写信号，６个中断请求线，３ 路ＤＭＡ请求，还包括时钟、电源线和地等，总线带宽 8.33 MB/s。
２．EISA总线 （80386）， 数据线扩展到了３２位，带宽达到了33.3MB/s。 3. PCI总线：（Peripheral component interconnection）（外围部 件互连） 总线频率为33 MHZ→66MHZ→133MHZ, 可以直接连接高速外部 设备。 同步时序总线，对地址信号和数据信号分时复用， 64根线，采用集中式的总线仲裁方式。 ４．AGP总线（加速图形接口总线） AGP总线把主存和显存连接起来，不再走PCI总线。 ５．USB总线（通用串行总线）主要用于连接低速输入输出设备。 带宽为1.5MB/s。
3. 控制总线CB（Control Bus） 控制总线用来传送各类控制/状态信号。
包括I/O读写命令，MEMR/W存储器读写命令，应答信号，总线请求与 总线使用信号，复位信号，时钟信号等。
4. 电源线
许多总线标准中都包含了电源线的定义，主要有+5V逻辑电源；GND逻 辑电源地；-5V辅助电源；±12V辅助电源。
２．计数器查询方式
在计数器查询方式中，总线上的任一设备申请使用总线时，通过 BR线发出总线请求。
操作系统输入输出系统PPT课件
内部中断：你正在吃饭，这时碗里的饭没有了，你要去盛饭，盛 了饭回来继续吃，在这里吃饭依然是你目前正在处理的一个程序， 碗里的饭没有了相当于是一个中断，这个中断是由你吃饭引起了， 相当于系统中的标志位溢出；
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4. 向量与非向量中断
中断向量是指向量中断在中断事件在提出 中断请求时，通过硬件向主机提供的中断向 量地址。中断向量由中断源的有关硬件电路 殊功能的处理器，
它能独立地执行通道程序，产生相应的 控制信号，实现对外设的统一管理和外 设与主存间的数据传送。
32
但它不是一个独立的处理器，需要
在CPU的I/O指令的指挥下才能启动、停
止和改变工作状态，其运行的程序一般
也放在CPU程序存储空间中。
33
4. I/O处理机方式 I/O处理也叫外围处理机，I/O处理机
划出地址给I/O端口，优点类型多，功能 全，缺点使存储器的可用地址空间变小。
17
18
2. I/O独立编址
19
20
输人输出设备的控制 1. 程序控制
21
（1）无条件传送方式
22
（2）条件控制方式
条件控制方式又称为程序查询方式。 在这种方式中，计算机的主机在与外设 传送信息时需先检查外设的或主机的工 作状态。
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3. 内部中断和外部中断:
外部中断是指外部有中断源时执行相应的中断程序，主要是指 INT0,INT1,通讯中断；内部中断主要是指定时器/计数器中断， 装栈溢出后置位相关特殊寄存器来执行中断；
举一个例子，外部中断：你在吃饭，这时候电话响了，你暂时放 下餐具去接听电话在这里吃饭是你目前正在执行的程序，电话响 了，是一个中断源，他是随机的，不定时发生，接完电话（处理 完中断事件）你回来继续吃，（继续执行中断点没有做处理完的 程序）
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4. 向量与非向量中断
中断向量是指向量中断在中断事件在提出 中断请求时，通过硬件向主机提供的中断向 量地址。中断向量由中断源的有关硬件电路 殊功能的处理器，
它能独立地执行通道程序，产生相应的 控制信号，实现对外设的统一管理和外 设与主存间的数据传送。
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但它不是一个独立的处理器，需要
在CPU的I/O指令的指挥下才能启动、停
止和改变工作状态，其运行的程序一般
也放在CPU程序存储空间中。
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4. I/O处理机方式 I/O处理也叫外围处理机，I/O处理机
划出地址给I/O端口，优点类型多，功能 全，缺点使存储器的可用地址空间变小。
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2. I/O独立编址
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输人输出设备的控制 1. 程序控制
21
（1）无条件传送方式
22
（2）条件控制方式
条件控制方式又称为程序查询方式。 在这种方式中，计算机的主机在与外设 传送信息时需先检查外设的或主机的工 作状态。
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3. 内部中断和外部中断:
外部中断是指外部有中断源时执行相应的中断程序，主要是指 INT0,INT1,通讯中断；内部中断主要是指定时器/计数器中断， 装栈溢出后置位相关特殊寄存器来执行中断；
举一个例子，外部中断：你在吃饭，这时候电话响了，你暂时放 下餐具去接听电话在这里吃饭是你目前正在执行的程序，电话响 了，是一个中断源，他是随机的，不定时发生，接完电话（处理 完中断事件）你回来继续吃，（继续执行中断点没有做处理完的 程序）
第六章输入输出接口基础(CPU与外设之间的数据传输)
§6.1 接口的基本概念
3、什么是微机接口技术？
处理微机系统与外设间联系的技术 注意其软硬结合的特点 根据应用系统的需要，使用和构造相应的接 口电路，编制配套的接口程序，支持和连接 有关的设备
§6.1 接口的基本概念
4、接口的功能
⑴对I/O端口进行寻址，对送来的片选信号进行 识别；
(2)根据读/写信号决定当前进行的是输入操作还 是输出操作，对输入输出数据进行缓冲和锁存 输出接口有锁存环节；输入接口有缓冲环节 实际的电路常见： 输出锁存缓冲环节、输入锁存缓冲环节
对接口内部寄存器的寻址。
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§6.2 CPU与外设之间数据的传送方式
CPU与外设之间传输数据的控制方式通常有 三种： 程序方式:
• 无条件传送方式和有条件传送方式
中断方式 DMA方式
§6.2 CPU与外设之间数据的传送方式
一、程序方式 指用输入/输出指令，来控制信息传输
的方式，是一种软件控制方式，根据程序控 制的方法不同，又可以分为无条件传送方式 和条件传送方式。
输入数据寄存器：保存外设给CPU的数据 输出数据寄存器：保存CPU给外设的数据
⑵ 状态寄存器
保存外设或接口电路的状态
⑶ 控制寄存器
保存CPU给外设或接口电路的命令
§6.1 接口的基本概念
接口电路的外部特性 主要体现在引脚上，分成两侧信号 面向CPU一侧的信号：
用于与CPU连接 主要是数据、地址和控制信号
程序不易阅读（不易分 清访存和访问外设）
00000
I/O 部分
§6.1 接口的基本概念
独立编址方式
FFFFF
优点：
I/O端口的地址空间独立
内存 空间
控制和地址译码电路相对简单 FFFF I/O
《输入输出系统 》课件
应用拓展
语音识别和语音合成技术的发展，使得语音输入输出成为可能 人工智能技术的发展，使得智能输入输出成为可能 虚拟现实技术的发展，使得沉浸式输入输出成为可能 物联网技术的发展，使得远程输入输出成为可能
产业变革
智能化：人工智 能、大数据等技 术的应用，使输 入输出系统更加 智能化
网络化：互联网、 物联网等技术的 发展，使输入输 出系统更加网络 化
个性化：用户需 求的多样化，使 输入输出系统更 加个性化
绿色化：环保意 识的提高，使输 入输出系统更加 绿色化
未来展望
人工智能技术的应用：AI技术在 输入输出系统中的应用将越来越 广泛，如语音识别、图像识别等。
5G技术的普及：5G技术的普及将 极大地提高输入输出系统的传输 速度和稳定性。
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输入设备应用场景
键盘：用于文字输入、 编程、游戏等
鼠标：用于图形界面操 作、游戏等
触摸屏：用于智能手机、 平板电脑等设备
扫描仪：用于将纸质文 件转换为电子文件
语音识别：用于语音输 入、语音控制等
手势识别：用于虚拟现 实、增强现实等应用
输入设备发展趋势
智能化：输入 设备将更加智 能化，能够自 动识别和适应 用户的输入习
惯
无线化：无线 输入设备将逐 渐取代有线设 备，提高用户 的使用便捷性
多样化：输入 设备将更加多 样化，满足不 同用户的需求
和场景
集成化：输入 设备将与其他 设备进行集成， 提高设备的使 用效率和便捷
性
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输出系统
输出设备种类
显示器：用于显示图像和文字
音响：用于播放音频
添加标题
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打印机：用于打印文档和图像
第6章输入输出系统解析
2020/8/10
阜阳师范学院计算机与信息学院
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（2） I/O系统中各种模块之间的层次视图
2020/8/10
阜阳师范学院计算机与信息学院
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6.1.3 I/O系统接口
（1） 块设备接口
控制磁盘存储器和光盘存储器设备的输入或输出
（2）流设备接口
控制字符设备的输入或输出
（3）网络通信接口
提供相应的网络软件和网络通信接口
❖ 三种信号：
（1）数据信号：双向，有缓存
（2）控制信号：控制器发给设备；要求其完成相关操作
（3）状态信号：设备发给控制器；
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6.2.2 设备控制器
（一） 设备控制器的基本功能
1）接收和识别命令 2）数据交换 3）标识和报告设备的状态
4）地址识别 5）数据缓冲 6）差错控制
6.7 缓冲区管理
主要功能有缓冲区管理、设
6.8 磁盘存储器的性能和调度
备分配、设备处理、虚拟设 备及设备独立性等。
2020/8/10
阜阳师范学院计算机与信息学院
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6.1 I/O系统的功能、模型和接口
6.1.1 I/O系统的基本功能 6.1.2 I/O系统的层次结构和模型 6.1.3 I/O系统接口
数行据线控制在可设制12。..一以备器数个连。中设设据设接相便备备寄备一应有控控存控个地一制 制器制或，个器多在或器器上个控多与与设接，处设备口控理备制机的器的接与接口处理口控与机制设的器备
数据 状态
个3.设备I/接O口逻，辑一个接该接口用于实现CP接U与口1
控制
口连接控一制个/状设态备。在设备控制器之间的通信。
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