清华计算机组成原理课件10 输入输出系统

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1、第10章输入、输出(I/O)系统2021/8/51计算机组成原理10.1输入输出（I／O）系统概述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。本章主要介绍设备控制器的工作原理及其与主机之间传送数据的协议，即系统总线。2021/8/52计算机组成原理10.1.1功能接口是计算机与I/O设备或其他系统之间所设置的逻辑控制部件，也称I/O控制器。接口的引入：外设类型不

2、同：机械、电子、机电、电磁传送信息类型：数字量、模拟量传送速度传送方式：串行、并行编码方式：能实现数据缓冲和数据锁存能完成信息格式和电平的转换能进行地址译码和设备选择能保证数据传送的定时与协调功能：2021/8/53计算机组成原理外围设备接口的结构接口地址地址译码器数据寄存器命令寄存器RDWE地址有效总线数据线地址线外设接口外设控制信号外设数据外设状态状态寄存器I/O接口功能演示2021/8/54计算机组成原理1.输入输出接口的基本结构CPU和外设之间通常传递的信息：数据、状态、控制组成:寄存器组、控制逻辑电路、主机与接口和接口与I/O设备

3、之间的信号联接线、数据地址线、控制状态信号线CPU控制电路DRSRCRI/O设备地址数据IO/MRDWR数据状态控制2021/8/55计算机组成原理2.I/O接口分类结构方式并行和串行收发配合方式同步和异步数据传送配合方式程序传送、中断传送、DMA、通道、IO处理器电路规模简单接口、可编程接口、外设接口适配器2021/8/56计算机组成原理3.输入输出接口的编址方式在接口电路中通常都具有多个可由CPU进行读写操作的寄存器，每个寄存器也叫做“端口”。为了CPU便于对I／O设备进行寻址和选择，必须给众多的I／O设备的端口进行编址，也就是给每一台

4、设备规定一些地址码称为设备号或设备代码。随着CPU对I／O设备下达命令方式的不同而有以下两种寻址方法。(1)存储器、I/O接口统一编址将接口电路中的端口地址与存储单元统一编址优：访存指令可访问端口，这样寻址类型多，编程较方便。缺：占用存储器空间；速度慢。(2)I/O端口独立编址给I/O接口中的各端口提供与存储器空间完全分开、完全独立的I/O地址空间。优：专门的I/O指令，与访存分开；指令执行快；不占内存地址空间。缺：需专用指令、寻址方式少。2021/8/57计算机组成原理IBMPC等系列机设置有专门的I／O指令（IN和OUT），设备的编址可

5、达512个，部分设备的地址码如表10.1所示。从表中可见，每一台设备占用了若干个地址码分别表示相应的设备控制器中的寄存器地址。I/O设备占用地址数地址码（16进制）硬盘控制器软盘控制器彩色图形显示器异步通信控制器168168320----32FH3F0----3F7H3D0----3DFH3F8----3FFH2021/8/58计算机组成原理10.1.2主机与外设间数据传送控制方式一、程序直接控制（programdirectcontrol）传递方式二、程序中断传送（programinterrupttransfer）方式三、直接存储器存取（

6、directmemoryaccess）方式——DMA四、I/O通道控制（I/Ochannelcontrol）方式五、外围处理机（peripheralprocessorunit）方式2021/8/59计算机组成原理信号传输过程状态寄存器数据寄存器2控制器ALU数据寄存器1地址寄存器设备驱动电路数据寄存器地址译码器设备接口CPU2021/8/510计算机组成原理1、程序直接控制传送方式该方法是主机与外设之间进行数据交换的最简单、最基本的控制方法。无条件传送只有在外设总处于准备好状态程序查询方式优点：较好协调主机与外设之间的时间差异所用硬件少。缺

7、点：主机与外设只能串行工作主机一个时间段只能与一个外设进行通讯CPU效率低。从I/O接口中读一个字到CPU从CPU向主存写入一个字CPU向I/O发读指令CPU读I/O状态检查状态完成否未准备就绪现行程序是出错已准备就绪否程序直接控制方式的输入接口工作过程演示2021/8/511计算机组成原理2、程序中断传送方式由于CPU与外设之间的速度至今仍是微秒和毫秒的数量级，速度差异悬殊，会使CPU的工作效率下降。优点：避免频繁查询，适合随机出现的服务和中低速外设使用。缺点：成批数据交换时，中断影响传送效率，一次传送一个字符，中断处理时间大于传送数据时

8、间。需要一定的硬件电路。中断方式的引入程序中断方式的输入接口工作过程演示2021/8/512计算机组成原理3、直接存储器访问方式1.DMA方式的引入前两种方式以CPU为中心，占用