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1、计算机组成与系统结构上海交通大学网络教育学院陈泽宇博士副教授第1章计算机系统概论第2章运算方法和运算器第3章存储系统第4章指令系统第5章中央处理器（CPU）第6章总线系统第7章输入输出（I/O）系统第8章并行计算机系统2021/7/162第7章输入输出（I/O）系统7.1输入输出控制方式7.2程序中断方式7.3DMA方式7.4通道方式7.5通用I/O接口2021/7/163输入输出设备从功能上可以分为两类完成输入输出操作的设备作为外部存储器的设备外部存储器的访问需要通过输入输出接口进行，因此也可以看作是

2、一种输入输出设备输入输出系统的功能各种外围设备通过输入输出接口与计算机主机相连，完成主机分配的任务并进行信息交换输入输出接口需要连接各种不同类型、不同工作速度和数据传输速度的外围设备，因此产生了各种不同的输入输出控制方式2021/7/1647.1输入输出控制方式1.程序查询方式2.程序中断方式3.DMA方式4.通道方式5.外围处理机方式2021/7/165CPU管理外围设备的输入输出控制方式程序查询方式程序中断方式DMA方式通道方式外围处理机方式前两种方式由软件实现后三种方式由硬件实现2021/7/16

3、61.程序查询方式早期计算机中使用的一种方式CPU与外围设备的数据交换完全依赖于计算机的程序控制在进行信息交换之前，CPU要设置传输参数、传输长度等，然后启动外设工作与此同时，外设则进行数据传输的准备工作相对于CPU来说，外设的速度是比较低的，因此外设准备数据的时间往往是一个漫长的过程而在这段时间里，CPU除了循环检测外设是否已准备好之外，不能处理其他业务，只能一直等待直到外设完成数据准备工作，CPU才能开始进行信息交换2021/7/167优点CPU的操作和外围设备的操作能够完全同步硬件结构也比较简单缺

4、点外围设备的动作通常很慢，程序进行循环查询白白浪费了宝贵的CPU时间数据传输效率低下在当前的实际应用中，除了单片机之外，已经很少使用程序查询方式了2021/7/1682.程序中断方式中断是外围设备用来“主动”通知CPU，准备发送或接收数据的一种方式通常，当一个中断发生时，CPU暂停其现行程序，转而执行中断处理程序，完成数据I/O工作当中断处理完毕后，CPU又返回到原来的任务，并从暂停处继续执行程序程序中断这种方式节省了CPU时间，是管理I/O操作的一个比较有效的方法中断方式一般适用于随机出现的服务，并且

5、一旦提出要求，应立即执行与程序查询方式相比，硬件结构相对复杂一些，服务成本较大2021/7/1693.DMA方式DMA方式就是直接存储器存取（DirectMemoryAccess）方式是一种完全由硬件执行I/O交换的工作方式在该方式中，DMA控制器从CPU完全接管对总线的控制权数据交换不经过CPU而直接在主存和外围设备之间进行，以便高速传送数据主要优点数据传送速度很高传送速率仅受限于主存的访问时间与程序中断方式相比，需要更多的硬件适用于主存和高速外围设备之间大批量数据交换的场合2021/7/16104.

6、通道方式DMA方式的出现减轻了CPU对I/O操作的控制，使得CPU的效率显著提高，而通道的出现则进一步提高了CPU的效率通道是一个具有特殊功能的处理器，又称为输入输出处理器（IOP）分担了CPU的一部分功能可以实现对外围设备的统一管理完成外围设备与主存之间的数据传送通道方式大大提高了CPU的工作效率然而这种效率的提高是以增加更多的硬件为代价的2021/7/16115.外围处理机方式外围处理机（PeripheralProcessorUnit，PPU）方式是通道方式的进一步发展PPU基本上独立于主机工作结构

7、更接近于一般的处理机，甚至就是微小型计算机在一些系统中，设置了多台PPU，分别承担I/O控制、通信、维护诊断等任务从某种意义上说，这种系统已经变成了分布式多机系统2021/7/1612计算机外围设备的输入/输出方式CAI演示程序查询方式和程序中断方式适用于数据传输率比较低的外围设备DMA方式、通道方式和外围处理机方式适用于数据传输率比较高的外围设备2021/7/16137.2程序中断方式7.2.1中断的基本概念7.2.2单级中断与多级中断7.2.3中断控制器2021/7/16147.2.1中断的基本概念

8、程序查询方式要求CPU不断地用指令检测方法来获取外设工作状态，造成CPU的运行效率极低20世纪50年代中后期中断概念的出现，是计算机系统结构设计中的一项重大变革在程序中断方式中，某一外设的数据准备就绪后，它“主动”向CPU发出中断请求信号，请求CPU暂时中断目前正在执行的程序转而进行数据交换；当CPU响应这个中断时，便暂停运行主程序，自动转去执行该设备的中断服务程序；当中断服务程序执行完毕（数据交换结束）后，CPU又回到原来的主程序继续执行