计算机组成原理输入输出系统要点

第七章 输入 输出系统
7.1 输入输出系统概述 7.2 程序查询方式 7.3 程序中断方式 7.4 DMA方式
7.1 I/O系统概述
7.1.1 I/O系统组成 输入输出(I/O)系统是计算机系统中控制与实现主机与外 界交换数据的软、硬件系统. 它包括输入输出设备、输入 输出接口(接口控制器)及相关控制软件,其中I/O接口是用 来连接主机与I/O设备的,三者的关系如下: I/O接口 数据线 数据线 控 数据端口 制 状态线 状态信息 I/O CPU 逻 状态端口 辑 设备 命令线 命令 电 控制端口 路 地址线 设备识别
CPU
命令线 地址线
控 制 逻 辑 电 路
I/O接口 数据端口 状态端口 控制端口 设备识别
数据线 状态信息
I/O
命令
设备
图7.1 接口与主机、外设间连接示意图
2.寻址
CPU欲访问的设备号通过地址线送至所有设备的接口, 每个接口均具有选址功能,只有当地址线上的设备号 与本接口的设备号一致时,相应的设备才能通过命令 线、状态线和 数据线与主机交换信息. 数据线 状态线
图7.1 接口与主机、外设间连接示意图
③端口主要分为三类:
状态端口:存放状态信息的寄存器,CPU对其内容只能读,如 80X86中用输入指令(IN AL,状态口地址)将外设状态标志送到CPU； 控制端口:存放控制命令的寄存器,CPU只能对其写,如80X86中 用输出指令(OUT 状态口地址,AL)将CPU的各种控制命令发送外设； 数据端口:存放数据信息的寄存器.
数据线 状态信息 命令
I/O 设备
命令线
地址线
图7.1 接口与主机、外设间连接示意图
4.传送数据及缓冲 (1) 接口中必须有数据通路,完成数据传送; (2) 接口应具有对数据信息传送速度的缓冲作 用,即能将数据暂存在“数据端口”中,以实现 速度上的匹配.
数据线 状态线
CPU
I/O接口 数据端口 控 制 逻 辑 电 路 状态端口 控制端口 设备识别
数据线 状态信息 命令
I/O 设备
命令线
地址线
图7.1 接口与主机、外设间连接示意图
5. 反映设备工作状态 接口设置一些反映设备工作状态的触发器,以 便能随时采集并保存设备的工作状态(如 “忙”、“就绪”、”、“错误”、“中断 请求”等),以备主机查询.
数据线 状态线
CPU
I/O接口 数据端口 控 制 逻 辑 电 路 状态端口 控制端口 设备识别
优点:访存指令都能访问I/O端口，故不设置专门的 输入输出指令；由于访问存储单元的指令有较多的寻址 方式，所以I/O程序编制灵活。 缺点:需占用小部分存储器空间；机器语言或汇编 源程序中的I/O部分难以阅读及修改。 存储器统一编址方式示意图见下图：
I/O端口
存储器
图7.2 存储器映射的I/O设备编址方式 2、I/O端口单独编址方式(Isolated I/O Address Coding) 存储单元与I/O接口寄存器的地址分别编址，各自有自 己的译码部件，设计专门的I/O指令去访问端口。 优点：不占用存储空间；I/O指令与存储器指令有明显 区别，程序结构清晰，便于理解。 缺点：需专门的I/O指令，其寻址方式较简单，指令功 能较弱，编程灵活性稍差；CPU需要提供存储器读/写、 I/O设备读/写两套控制信号，增加了控制的复杂性。
例：I/O的编址方式采用统一编址时,存储单元 和I/O设备是靠( )加以区分. A. 不同的地址线 B.不同的地址码 C. 不同的控制线 例： I/O采用统一编址时,进行输入输出操作的 指令是( ). A. 控制指令 B.访存指令 C. 输入输出指令 例： I/O采用不统一编址时, 进行输入输出操作 的指令是( ). A. 控制指令 B.访存指令 C. 输入输出指令
CPU
I/O接口 数据端口 控 制 逻 辑 电 路 状态端口 控制端口 设备识别
数据线 状态信息 命令
I/O 设备
命令线
地址线
图7.1 接口与主机、外设间连接示意图
3.传送主机指令 只有被选中设备接口中的“控制端口”才能接 受和识别主机传送来的命令,并将命令传送到 设备.
数据线 状态线
CPU
I/O接口 数据端口 控 制 逻 辑 电 路 状态端口 控制端口 设备识别
图7.1 接口与主机、外设间连接示意图
• I/O接口与端口的定义
① 接口(Interface):主机和外设之间实现信息交换的控 制电路.
②端口(Port):接口电路中可以被CPU直接访问的寄存器; 若干个端口加上相应的控制逻辑电路才组成接口. I/O接口 数据线 数据线 数据端口 控 制 状态线 状态信息 I/O CPU 逻 状态端口 辑 设备 命令线 命令 电 控制端口 路 地址线 设备识别
数据线 状态线
I/O接口 数据端口 状态端口 控制端口 设备识别
数据线 状态信息
I/O
命令
设备
图7.1 接口与主机、外设间连接示意图
• 数据线:I/O设备与主机之间数据的传输线;
• 地址线:用来传送设备号,多台I/O设备各自有其设 备号(地址);
I/O接口 数据端口 状态端口 控制端口 设备识别 数据线 状态信息
I/O
数据线 状态线
CPU
命令线 地址线
控 制 逻 辑 电 路
命令
设备
图7.1 接口与主机、外设间连接示意图
• 命令线: 传输CPU向设备发出的各种命令信号(如
启动、清除、读、写等)；
• 状态线:将I/O设备的状态向主机报告的信号线(如
设备是否准备就绪,是否向CPU发出中断请求等) .
数据线 状态线
CPU
命令线 地址线
控 制 逻 辑 电 路
I/O接口 数据端口 状态端口 控制端口 设备识别
数据线 状态信息
I/O
命令
设备
图7.1 接口与主机、外设间连接示意图
7.1.2 I/O接口的基本功能 I/O接口处于系统总线与外设之间,主要功能包括： 1、数据的格式转换
接口电路中必须具有实现各类数据相互转换的功能.例如, 并-串转换、串-并转换、模-数转换 、数-模转换及二进 制数和ASCII码的相互转换等. 数据线 状态线
数据线 状态信息 命令
I/O 设备
命令线
地址线
图7.1 接口与主机、外设间连接示意图
7.1.3 I/O端口的编址方式
1、存储器统一编址方式(存储器映射方式Memorymapping Address Coding)
将I/O端口看成是存储空间的一个组成部分,按照存
储单元的编址方法统一编排地址号,每个I/O端口占用一 个地址。划给外设的这部分区域不能配置存储器芯片。