計(jì)算機(jī)組成原理：輸入輸出系統(tǒng)

8輸入輸出系統(tǒng)

2§輸入輸出系統(tǒng)概述

輸入輸出系統(tǒng)組成：1I/O設(shè)備、I/O接口2I/O軟件

輸入輸出系統(tǒng)功能：2數(shù)據(jù)緩沖器的功能3數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器1完成外設(shè)與主機(jī)的數(shù)據(jù)交換

4外部設(shè)備控制和管理的功能

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輸入輸出設(shè)備與主機(jī)連接：

由于輸入輸出設(shè)備和主機(jī)存在著很大的差異：它們的工作方式不同，傳輸速率不同，結(jié)構(gòu)方式不同，使用器件不同，因此各種輸入輸出設(shè)備必須要通過相應(yīng)的接口，通過輸入輸出總線方能與主機(jī)交換信息。

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I/O接口：又稱輸入輸出接口，是一種為在主機(jī)和外設(shè)之間傳送信息而設(shè)置的硬件線路。接口用于在系統(tǒng)總線和外設(shè)之間傳輸信號，并起緩沖作用，以滿足接口兩邊的時序要求。由于外設(shè)的多樣性和復(fù)雜性，不同的外設(shè)接口其功能不盡相同。但一般講，接口應(yīng)具備如下的基本功能：①識別設(shè)備。②輸入輸出功能：接口能按照讀寫信號從總線上接收CPU送來的數(shù)據(jù)和控制信息，或把數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息送到總線上。

5③數(shù)據(jù)緩沖功能：CPU與外設(shè)的速度往往不相匹配，為消除速度差異，接口必須提供數(shù)據(jù)緩沖功能。、④數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能：不同外設(shè)信息格式不同，與主機(jī)信息格式也不同，接口應(yīng)提供計(jì)算機(jī)與外設(shè)信息格式的轉(zhuǎn)換，比如正負(fù)邏輯的轉(zhuǎn)換、串一并轉(zhuǎn)換、數(shù)／?；蚰＃瘮?shù)轉(zhuǎn)換等。⑤傳送主機(jī)命令，反映設(shè)備的工作狀態(tài)。⑥除上述功能外，接口還應(yīng)具有檢錯糾錯功能、中斷功能、時序控制功能等。

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接口的組成：主要由以下幾個主要部件組成：①數(shù)據(jù)緩沖寄存器；②設(shè)備地址識別線路；③設(shè)備狀態(tài)字寄存器；④主機(jī)命令字寄存器；⑤數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換線路⑥數(shù)據(jù)地址寄存器；⑦控制邏輯。

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I/O接口的編址方式：1統(tǒng)一編址方式

統(tǒng)一編址方式的最大好處是主機(jī)可采用完全相同的方式訪問主存儲器和外部設(shè)備。

82獨(dú)立編址方式：

采用獨(dú)立編址的好處是主存儲器的利用率高，用戶可使用的主存儲器空間不受可連接的外部設(shè)備數(shù)量的影響。但是指令系統(tǒng)中必須設(shè)置輸入輸出指令（IN／OUT指令）來完成輸入輸出操作功能，而不能用訪存指令來代替。

9§8.1外圍設(shè)備的定時方式與信息交換方式

輸入/輸出設(shè)備同CPU交換數(shù)據(jù)的過程：

輸入數(shù)據(jù)：①CPU把地址值放在地址總線上，選擇輸入設(shè)備；②CPU等候輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)成為有效；③CPU從數(shù)據(jù)總線讀入數(shù)據(jù)，并放在一個相應(yīng)的寄存器中。輸出數(shù)據(jù)：①CPU把地址值放在地址總線上，選擇輸出設(shè)備；②CPU把數(shù)據(jù)放在數(shù)據(jù)總線上；③輸出設(shè)備認(rèn)為數(shù)據(jù)有效，從而把數(shù)據(jù)取走。

究竟什么時候數(shù)據(jù)才成為有效?如何保證高速工作的主機(jī)同不同速度工作的外圍設(shè)備在時間上同步?這就是我們要討論的外圍設(shè)備的定時問題。

10一、外圍設(shè)備的定時方式CPU與外圍設(shè)備之間的定時，有以下三種情況：速度極慢外圍設(shè)備：CPU及時相應(yīng)。慢速或中速的外圍設(shè)備：采用應(yīng)答式的異步定時方式。高速的外圍設(shè)備：采用同步定時方式（即采用統(tǒng)一的時鐘信號來進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送定時，CPU是以等間隔的速率執(zhí)行輸入/輸出指

令）

11二、信息交換的控制方式主機(jī)與外設(shè)信息交換的控制方式有5種：程序查詢方式：是由CPU通過程序不斷查詢I/O設(shè)備是否是否已做好準(zhǔn)，從而控制I/O與主機(jī)交換信息。左圖是CPU欲從某外設(shè)讀數(shù)據(jù)塊至主存的程序查詢方式流程圖：這種方式效率低，通常用于連接低速的外圍設(shè)備，如終端和打印機(jī)。

12程序中斷方式：就是CPU向I/O發(fā)出輸入或輸出命令后，繼續(xù)執(zhí)行原來自身程序，只有當(dāng)I/O準(zhǔn)備好并向CPU發(fā)出中斷請求后，才中斷現(xiàn)行的程序，轉(zhuǎn)至中斷服務(wù)程序，來控制I/O與主機(jī)交換信息。左圖是CPU欲從某外設(shè)讀數(shù)據(jù)塊至主存的程序中斷方式流程圖：

13直接存儲器訪問(DMA)方式：是在輸入輸出的過程中，不需要CPU的控制，而在主存儲器與輸入輸出設(shè)備之間建立一條直接傳送數(shù)據(jù)的道路，這就是直接存儲器訪問方式，主要用來實(shí)現(xiàn)內(nèi)存與高速外設(shè)之間大批數(shù)據(jù)交換，交換過程中無須CPU參與。I/0通道方式：通道是一個特殊功能的處理機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)對外圍設(shè)備的統(tǒng)一管理和外圍設(shè)備與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳送.CPU將傳輸控制功能交給通道后只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理功能。這樣CPU和通道同時使用內(nèi)存，實(shí)現(xiàn)了CPU運(yùn)算與1/0設(shè)備的并行工作。

14外圍處理機(jī)方式(PPU)：是通道方式的進(jìn)一步發(fā)展,基本獨(dú)立于主機(jī)工作，它的結(jié)構(gòu)更接近一般處理機(jī)，甚至就是微小型計(jì)算機(jī)。在一些系統(tǒng)中，設(shè)置了多臺PPU，分別承擔(dān)I/O控制、通信、維護(hù)診斷等任務(wù)。從某種意義上說，這種系統(tǒng)已變成分布式的多機(jī)系統(tǒng)。綜上所述，外圍設(shè)備的輸入/輸出的控制方式有:

15§8.2程序中斷方式

程序中斷控制方式中斷處理過程如圖：中斷處理過程流程圖：程序中斷方式的基本接口：

16§8.3DMA方式

直接存儲器訪問(DMA)方式⒈引入：輸入輸出操作給CPU增加了很大的額外開銷，而輸入輸出操作并不是必須得由CPU才能完成，為了提高CPU的效率我們可以在輸入輸出操作過程中，不要CPU控制，而在主存儲器與輸入輸出設(shè)備之間建立一條直接傳送數(shù)據(jù)的道路，這就是直接存儲器訪問方式的。通常稱其為DirectMemoryAccess簡稱DMA方式。采用DMA方式必須解決好一個問題。這就是主存與外設(shè)同是兩個被控制的對象，它們間沒有相互控制能力。因此，必須設(shè)置一個可代替CPU完成控制功能的部件，這就是“DMA控制器（負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳送工作）”

17⒉DMA控制器：是獨(dú)立于CPU的集成電路芯片，DMA控制器的主要功能如下：①接收外設(shè)的DMA請求并向CPU發(fā)出總線請求，取得總線使用權(quán)后為主存和外設(shè)建立直接傳送數(shù)據(jù)的道路。②由DMA控制器對內(nèi)存尋址，即決定數(shù)據(jù)傳送的內(nèi)存單元地址及數(shù)據(jù)傳送個數(shù)的計(jì)數(shù)，并執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送的操作；③向CPU報告DMA操作的結(jié)束。

18⒊DMA控制器的基本組成：(1)內(nèi)存地址計(jì)數(shù)器：用于存放內(nèi)存中要交換的數(shù)據(jù)的地址。(2)字計(jì)數(shù)器：用于記錄傳送數(shù)據(jù)塊的長度(多少字?jǐn)?shù))。(3)數(shù)據(jù)緩沖寄存器：用于暫存每次傳送的數(shù)據(jù)(一個字)。⑷DMA請求標(biāo)志：當(dāng)設(shè)備準(zhǔn)備好字后給出一個控制信號，使DMA請求標(biāo)志置1。

19(5)“控制/狀態(tài)”邏輯：由控制電路和時序電路，以及標(biāo)志狀態(tài)組成，用來修改內(nèi)

存地址計(jì)數(shù)器和字計(jì)數(shù)器，指定傳送類型（輸人或輸出），并對DMA請求信號和CPU響應(yīng)信號進(jìn)行協(xié)調(diào)和同步。(6)中斷機(jī)構(gòu)：當(dāng)一組數(shù)據(jù)交換完畢時，由溢出信號觸發(fā)中斷機(jī)構(gòu)，向CPU提出中斷請求。

20⒋DMA數(shù)據(jù)傳送過程：DMA的數(shù)據(jù)塊傳送過程可分為三個階段：①傳送前預(yù)處理：由CPU向DMA控制器的設(shè)備地址寄存器中送入設(shè)備號并啟動設(shè)備；向內(nèi)存地址計(jì)數(shù)器中送入起始地址；向字計(jì)數(shù)器中送入交換的數(shù)據(jù)字個數(shù)。在這些工作完成后，CPU繼續(xù)執(zhí)行原來的主程序。

21②正式傳送：外設(shè)準(zhǔn)備好時，發(fā)出DMA請求，由DMA控制器向CPU發(fā)出總線請求（HOLD）；CPU在本機(jī)器周期執(zhí)行完畢后響應(yīng)該請求，使DMA控制器接管數(shù)據(jù)總線和地址總線的控制，并向內(nèi)存提供地址；在內(nèi)存與外圍設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，每交換一個字則地址計(jì)數(shù)器和字計(jì)數(shù)器加1，當(dāng)字計(jì)數(shù)值益處時，DMA操作結(jié)束并向CPU提出中斷報告。③后處理工作：DMA的中斷響應(yīng)后，CPU停止主程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)程序來校驗(yàn)送入內(nèi)存的數(shù)據(jù)是否正確；決定是否繼續(xù)傳數(shù)；測試在傳送過程中是否發(fā)生了錯誤等等。

22⒌DMA傳送方式：指DMA控制器與CPU怎樣分時使用內(nèi)存。通常有以下3種方式：停止CPU訪問：當(dāng)外設(shè)需要傳送一批數(shù)據(jù)時，由DMA控制器發(fā)一個停止信號給CPU，要求CPU放棄對總線的控制權(quán)。DMA控制器獲得總線控制權(quán)以后，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，在一批數(shù)據(jù)傳送完畢后，DMA控制器通知

CPU可以使用內(nèi)存，并把總線控制權(quán)交還給CPU.

23周期娜用：在這種DMA傳送方法中，當(dāng)I/O設(shè)備沒有DMA請求時,CPU

按程序要求訪問內(nèi)存；一旦I/O設(shè)備有DMA請求，則由I/O設(shè)備挪用一個或幾個內(nèi)存周期。

周期挪用的方法適用于I/O設(shè)備讀寫周期大于內(nèi)存存儲周期的情況。

24DMA與CPU交替訪內(nèi)：一個CPU周期可分為兩個周期，一個專供

DMA控制器訪問，另一個專供CPU訪問，不需要總線使用權(quán)的申請、建立和歸還過程。這種方式CPU既不停止主程序的運(yùn)行，也不進(jìn)入等待狀態(tài)，是一種高效率的工作方式。但硬件電路復(fù)雜。

25DMA控制器的分類：●選擇型DMA控制器：選擇型DMA控制器在物理上可以連接多個設(shè)備，而在邏輯上只允許連接一個設(shè)備，即在某一個時間內(nèi)只能為一個設(shè)備服務(wù)。它適合數(shù)據(jù)傳輸率接近主存存取速度的高速設(shè)備。●多路型DMA控制器：多路型DMA控制器不僅在物理上可以連接多個外圍設(shè)備，而且在邏輯上也允許這些外設(shè)同時工作，各設(shè)備以字節(jié)交叉方式通過DMA控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。它適合連接低速外設(shè)。

26DMA控制方式時其操作過程如下：