第8章输入、输出系统

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1、第8章输入/输出系统计算机的基本功能之一是能够与其他的外部设备交换信息。但是由于这些设备具有各自不同的组成结构和工作原理，因此，与中央处理机的连接方式也各不相同。输入输出系统又简称为I/O系统，其功能是完成计算机与外部设备的联系。它和整机的速度、处理能力、实用性、兼容性等各种系统性能都有非常密切的关系。随着计算机应用范围的不断扩大，I/O系统的地位显得越来越重要。用户主要是通过外部设备和主机交互信息的，因此，了解常用的外部设备的工作原理十分必要。2007.7.21计算机组成原理I/O系统的任务和功能计算机的I/O方式计算机的

2、I/O设备及其工作原理本章要点：2007.7.22计算机组成原理计算机的输入输出系统（I/O系统）由I/O接口、I/O管理部件以及有关的I/O软件组成，其主要作用是实现计算机系统的输入输出功能。I/O系统具体要解决的问题是：怎样在主机和外部设备之间建立一个高效、可靠的信息传输“通路”；如何对外设进行编址，使CPU方便地寻找到要访问的外设；I/O接口、管理部件如何协调完成主机和外部设备之间的数据交换等等。8.1I/O系统2007.7.23计算机组成原理输入输出系统的发展大致可分为四个阶段。1．早期阶段早期的I/O设备种类较少，

3、I/O设备与主机交换信息都必须通过CPU。工作模式如图8-1所示。8.1.1I/O系统概述内存CPUI/O图8-1I/O通过CPU与主机交换信息2007.7.24计算机组成原理这种交换方式延续了相当长的时间。当时的I/O系统具有以下几个特点：每个I/O设备都必须配有一套独立的逻辑电路与CPU相连，用来实现I/O设备与主机交换信息，因此线路十分零散、庞杂；输入输出过程是穿插在CPU执行程序期间进行的，当I/O设备与主机交换信息时，CPU不得不停止各种运算，因此，I/O设备与CPU是按串行方式工作的，极大的浪费了CPU的时间；每

4、个I/O设备的逻辑控制电路与CPU的控制器紧密构成一个不可分割的整体，它们彼此依赖，相互牵连，因此，想要增加、删除或者更换I/O设备就非常困难。2007.7.25计算机组成原理在这个阶段中，计算机系统硬件价格十分昂贵，机器速度不高，配置的I/O设备不多，主机与I/O设备交换的信息量也不大，计算机应用的普及程度还比较低。2．接口模块和DMA阶段在这个阶段，I/O设备通过接口模块与主机连接，计算机系统采用了总线结构，工作模式如图8-2所示。2007.7.26计算机组成原理主机I/O接口外部设备1外部设备2外部设备nI/O接口I/

5、O接口I/O总线……图8-2外部设备通过I/O接口和主机交换信息2007.7.27计算机组成原理通常在接口中都设有数据通路和控制通路。数据经过接口既起到缓冲作用，又可完成串—并变换或并—串变换。控制通路用以传送CPU向I/O设备发出的各种控制命令，或者使CPU接受来自I/O设备的反馈信号。许多接口还能满足中断请求处理的要求，使得I/O设备与CPU可按并行方式工作，大大地提高了CPU的工作效率。采用接口技术还可以使多台I/O设备分时占用总线，使得多台I/O设备互相之间也可实现并行工作方式，有利于整机工作效率的提高。2007.7

6、.28计算机组成原理虽然这个阶段实现了CPU和I/O设备并行工作，但是在主机与I/O设备交换信息时，CPU要中断现行程序，即CPU与I/O设备还不能做到绝对的并行工作。为了进一步提高CPU的工作效率,又出现了DMA(DirectMemoryAccess)技术，其特点是I/O设备与主存之间有一条直接数据通路，I/O设备可以与主存直接交换信息，而不需要打断CPU的工作，故其资源利用率得到了进一步的提高。2007.7.29计算机组成原理在小型和微型计算机中，采用DMA方式可实现高速外设与主机成组数据的交换，但在大、中型计算机中，外

7、设配置繁多，数据传送频繁，若仍采用DMA方式会出现一系列问题。如果每台外设都配置专用的DMA接口，不仅增加了硬件成本，而且为了解决众多DMA同时访问主存的冲突问题，使控制变得十分复杂。CPU需要对众多的DMA进行管理，同样会占用CPU的工作时间，而且因频繁地进入周期挪用阶段，也会直接影响CPU的整体工作效率。3．具有通道结构的阶段2007.7.210计算机组成原理因此在大、中型计算机系统中，采用了I/O通道的方式来进行数据交换。图8-3表示了具有通道结构的计算机系统。CPU内存I/O通道图8-3I/O通过通道与主机交换信息2

8、007.7.211计算机组成原理通道是用来负责管理I/O设备以及实现主存与I/O设备之间交换信息的部件，可视为一种具有特殊功能的处理器。通道有专用的通道指令，它能独立地执行用通道指令所编写的输入输出程序，但它不是一个完全独立的处理器，它受CPU的I/O指令启动、停止或改变其工作状态，是从属