计算机组成原理与系统结构 第7章 输入输出系统

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1、第七章输入输出系统输入输出系统是微机系统的重要组成部分，微机是通过输入输出设备与外界进行数据交互。输入输出系统包括外部设备(输入输出设备和辅助存储器)及其与主机(CPU和主存储器)之间的控制部件。后者称之为设备控制器，诸如磁盘控制器、打印机控制器等，有时也称为设备适配器或接口，其作用是控制并实现主机与外部设备之间的数据传送。随着计算机系统的不断发展和应用范围的不断扩大，输入输出系统设备的种类也越来越多，提供的操作功能越来越强，而且继续朝智能化、高可靠性、小型廉价的方向发展。他们与主机的联络方式和信息的交换方式也各不相同。本章介绍两大内容I/O设备与I/O系统，重点介

2、绍I/O接口的功能和结构、I/O设备的编址和寻址、以及在主机和外设间进行数据传送的各种输入输出控制方式等内容。然后介绍的是一些常用的I/O设备的基本组成和运行原理，如显示器、打印机、键盘和鼠标等。7.1输入输出系统概述7.1.1I/O接口电路为了实现友好的人机交互界面和各种形式的输入/输出，人们使用了多种I/O设备，例如键盘、鼠标、显示器、打印机、绘图仪等。在某些场合为了让计算机应用于数据采集、参数监测和实时控制等领域，还会用到模/数转换器、数/模转换器、发光二极管、按钮开关等。这些外部设备在工作原理、驱动方式、信息格式以及工作速度方面彼此都有很大的差别，比如信息量

3、可能是开关量、数字量，更有可能是各种不同性质的模拟量，如温度、压力、流量、长度和浓度等；在数据处理上，其速度也比CPU慢的多，信号时序差别很大，必须进行缓冲和协调。所以，他们不能直接和CPU相连，必须经过中间电路再与系统相连，这部分电路叫做I/O接口电路。如图7.1所示。图7.1微机系统中各类接口框图7.1.2I/O接口的结构与功能1.I/O接口的内部结构图7.2为I/O接口面向用户的典型结构，内部一般包括3类可寻址的寄存器：（1）数据寄存器——在输入时，它保存从外设发往CPU的数据，输出时，它保存从CPU发往外设的数据；（2）状态寄存器——保存外设或接口电路的状态

4、，CPU可从状态寄存器读取当前状态；（3）控制寄存器——用来保存CPU写入的控制字。CPU可以向其中写入命令，选择接口电路的工作方式，并控制外设进行相关的操作在I/O接口中，这3类可操作的寄存器分别称为数据端口、状态端口和控制端口，或简称为数据口、状态口和控制口。请注意：每类端口的数量可能不止一个。2.接口的功能I/O接口用于实现主机与外设之间的数据交换并控制外设，其主要功能如下：(1)接受和执行CPU命令的功能：CPU对被控对象外部设备的控制命令是以命令代码的形式先发送到接口中称之为“命令口”的命令寄存器。再有接口电路对命令代码进行识别和分析，分解成若干个控制信号

5、，传送到I/O设备，使其产生相应的具体操作。图7.2I/O接口面向用户的典型结构(2)返回外设状态的功能：通过状态口查询现在外设的状态：“忙”、“闲”、“准备就绪”、“未准备就绪”、“满”、“空”、以及“溢出错”、“格式错”、“校验错”等状态，供CPU做出判断和处理。(3)数据缓冲功能：解决CPU与外设的速度不匹配，避免因速度不一致而丢失数据。接口中一般设置数据缓冲寄存器，简称数据缓存器，常称之为“数据口”。(4)信号转换功能：由于外设所需要的控制信号和所提供的状态信号往往同微机的总线信号不兼容。不兼容表现在两者的信号功能定义、逻辑关系、电平高低以及工作时序的不一致

6、。故需对信号进行转换，以达到信号的逻辑关系、时序配合以及电平匹配。(5)设备选择功能：因微机系统中一般有多种外设，在同一种外设中也可能有多台，而一个CPU在同一时间只能与一台外设交换信息，这就要在接口中设置I/O端口地址译码电路对外设进行寻址。(6)数据宽度与数据格式转换的功能：数据宽度：CPU所处理的是并行数据(8位、16位或32位、64位)，而有的外设(如串行通信设备，磁盘驱动器等)只能处理串行数据，因此，接口就应有数据“并→串”和“串→并”的转换能力。为此，在接口中设置移位寄存器。数据格式：CPU与有些外设交换数据时，要求按一定的格式传送，如串行通信中的起止式

7、异步通信数据格式及面向字符的同步通信数据格式。此时，需在CPU与通信设备之间进行数据格式转换。7.1.3I/O端口的寻址I/O设备编址原因：为了方便CPU对I/O设备进行寻址和选择，必须给每一台设备规定一些地址码（设备号或设备代码）。外设识别是通过地址总线和接口电路中的地址译码器来实现的。一台外设可以对应一个或几个识别码，从硬件结构来讲，每个特定的地址码指向外设接口中的一个寄存器。目前，常采用两种不同的外设编址方式：统一编址方式和独立编址方式。（1）端口独立编址方式是把所有I/O接口看作一个独立于存储器的I/O空间。在这个I/O空间内，每个端口都被分配一个地址与