计算机组成原理 [袁春风]chap9

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1、第9章输入/出组织南京大学计算机系多媒体技术研究所袁春风第9章输入/输出系统本章主要介绍：©概述©I/O接口©I/O设备的寻址©输入输出方式–程序直接控制方式–中断控制方式–DMA（直接存储器访问方式）–通道和IOP方式©外部接口2南京大学计算机系多媒体技术研究所袁春风9.1概述©什么是输入输出系统？–用来控制外设与主机（内存或CPU内的寄存器）之间进行数据交换的机构。–通常把输入输出设备及其接口线路、控制部件、通道或I/O处理器以及I/O软件统称为输入输出系统。也即输入输出子系统应该由I/O硬件和I/O软件两部分组成，它最典型地反映了硬件与软件的结合。3南京大学计算机系多媒

2、体技术研究所袁春风9.1概述©输入/出系统解决哪些问题：–解决各种形式信息的输入和输出。即：用户如何将所需的信息（文字、图表、声音、视频等）通过不同的外设输入到计算机中，以及计算机内部处理的结果信息如何通过相应的外设输出给用户等问题。–要实现上述功能需解决以下一系列的问题：•怎样在CPU、主存和外设间建立一个高效的信息传输“通路”；•怎样将用户的I/O请求转换成设备的命令；•如何对外设进行编址；•怎样使CPU方便地寻找到要访问的外设；•I/O硬件和I/O软件如何协调完成主机和外设之间的数据传送；等等4南京大学计算机系多媒体技术研究所袁春风9.1概述©输入输出系统的发展概况–大

3、致分为四个阶段①早期阶段：I/O通过CPU和主机交换信息，I/O对CPU的依赖极大（包括软件和硬件）。②接口模块和DMA阶段：通过接口模块和主机连接，计算机系统采用总线结构。高速外设和主存可直接交换信息。③具有通道结构的阶段：在大中型系统中由通道来负责管理外设，并实现与主机的信息交换。④具有I/O处理机的阶段：既可完成I/O通道的功能，还可完成码制变换、格式处理、数据块检错和纠错等操作。具有更大的独立性和并行性。5南京大学计算机系多媒体技术研究所袁春风9.2I/O接口©I/O接口也是一种I/O模块。系统总线©什么是I/O接口？–I/O接口是连接外设和主机的一个“桥梁”。–与外

4、设侧、主机侧各有一个接口。内部接口•内部接口通过系统总线和内存、CPUI/O模块相连。•外部接口则通过各种接口电缆（如，外部接口串行电缆、并行电缆、网线或SCSI电缆等）将其连到外设上。通过I/O接口，在CPU、主存和外设之间外设建立了一个高效的数据传输的“通路”。–每个I/O模块控制一个或多个外围设备。6南京大学计算机系多媒体技术研究所袁春风9.2I/O接口本节主要介绍：©I/O接口的功能©I/O接口的结构©I/O接口的分类7南京大学计算机系多媒体技术研究所袁春风9.2.1I/O接口的功能©为什么要引入I/O接口？–主机和外设的工作方式不同，而且各种外设使用的工作方式（机械

5、、电子、光学、磁学等）也不同。在CPU中并入所有的控制逻辑不切实际；–外设的数据传送比CPU和主存慢的多，直接使用高速的系统总线连接外设不切实际；–外设使用的数据格式和主机不同。所以要用一种专门机构来协调外设和主机间的信息交换过程。起这种功能的一类机构就是I/O接口。8南京大学计算机系多媒体技术研究所袁春风9.2.1I/O接口的功能©I/O接口的职能–数据缓冲提供数据缓冲寄存器，以达到主机和外设工作速度的匹配。–错误或状态检测提供状态寄存器，以保存各种错误或状态信息供CPU查用。–控制和定时提供控制和定时逻辑，以接受从系统总线来的控制和定时信号。–数据格式转换提供数据格式转换

6、部件使通过外部接口得到的数据转换为内部接口需要的格式，或在相反的方向进行数据格式转换。–与主机和设备通信上述功能通过I/O接口与主机之间、I/O接口与设备之间的通信来完成。9南京大学计算机系多媒体技术研究所袁春风9.2.1I/O接口的功能©数据在外设和CPU之间的传送过程CPU：I/O模块：查设备状态回送设备状态对命令译码，并送命令送设备进行控制取数据或从外设取数据或送数据送数据给外设10南京大学计算机系多媒体技术研究所袁春风9.2.1I/O接口的功能©I/O接口与CPU间的通信（通过系统总线-快）–从控制总线接收命令–对地址总线上的地址进行译码、寻址–通过数据总线回送设备状

7、态–从数据总线取数据或发送数据到数据总线©I/O接口与外设间的通信（通过外部接口-慢）–从外设取状态–将命令送外设–从外设取数据或发送数据到外设11南京大学计算机系多媒体技术研究所袁春风9.2.2I/O接口的结构©I/O接口的结构（考察其一般结构）（各种不同的I/O模块在复杂性和控制外设的数量上相差很大。）12南京大学计算机系多媒体技术研究所袁春风9.2.2I/O接口的类型©I/O接口有以下几种分类方式：(1)按数据传送方式分，有并行接口和串行接口两类。并行接口(如：Intel8255)用于连接快速设备