计算机组成原理课件第08章.ppt

《计算机组成原理课件第08章.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、计算机组成原理主讲教师：何霖第八章输入输出系统除了CPU和存储器两大模块外，计算机硬件系统的第三个关键部分既是输入输出模块，又称输入输出系统，简称为I/O系统。它包括I/O接口、I/O管理部件及有关软件，一个计算机系统的综合处理能力，系统的可扩展性、兼容性和性能价格比，都和I/O系统有密切关系。本章重点分析I/O与主机交换信息的三种控制方式（程序查询、中断和DMA）及其相应的接口功能和组成。第一节外围设备的定时方式与信息交换方式一、外围设备的定时方式外围设备的种类相当繁多，各种设备的数据传输速率相差悬殊。如果把高速工作的主机同不同速度工作的外围设备

2、相连接，首要问题就是如何保证主机与外围设备在时间上同步——定时方式。首先，我们了解一下I/O设备同CPU交换数据的过程。输入过程如下：●CPU把地址放在地址总线上，选择输入设备；●CPU等候输入设备的数据有效；●CPU从数据总线读入数据，并放入相应的寄存器。输出过程如下：●CPU把地址放在地址总线上，选择输出设备；●CPU把数据放在数据总线上；●输出设备认为数据有效，把数据取走。上述过程中，关键在于究竟什么时候数据才有效？因此，对于不同速度的I/O设备需要不同的定时方式。总的说来，CPU与I/O设备之间的定时，有以下三种情况：1、速度极慢或简单的I

3、/O设备——立即响应对这类设备，如机械开关、显示二级管等等，CPU总是能足够快地作出响应，无需特殊联络信号。2、慢速或中速的I/O设备——异步定时当I/O设备与主机速度不匹配时，通常采用异步方式交换数据：设置一些应答信号进行定时——应答式数据交换。以下是异步并行“应答”示意图：3、高速的I/O设备——同步定时方式同步工作要求I/O设备与CPU的速度完全同步，一旦CPU和外设发生同步，它们之间的数据交换便靠时钟脉冲控制来进行。如外设是一条传送2400位/秒的传输线，那么CPU每隔1/2400秒执行一次串行的输入操作。二、信息交换方式I/O设备与主机交

4、换信息时，共有五种控制方式：1、程序查询方式程序查询方式是早期计算机中使用的一种方式：由CPU通过程序不断查询I/O设备的状态——是否已做好准备，从而控制I/O设备与主机交换信息。此方式只要CPU一启动I/O设备，CPU便进入踏步等待，直到信息交换完毕，效率很低。2、程序中断方式中断是I/O设备用来“主动”通知CPU，准备交换信息的一种方法。通常，当一个中断发生时，CPU暂停其现行程序，转向中断处理程序进行信息交换；当中断处理完毕后，CPU又返回到原来的任务，并从它停止的地方开始执行程序。此方式使CPU的资源得到了充分利用，提高了CPU的效率。它一

5、般适用于应立即执行的随机事件。硬件结构相对复杂。下图示意了采用程序中断方式从外设读数据块到主存的程序流程。3、直接内存访问DMA方式DMA方式是一种完全由硬件执行I/O交换的方式（无需处理中断服务程序）：DMA控制器从CPU完全接管对总线的控制，数据交换不经过CPU，而直接在内存和I/O设备之间进行，以高速传送数据。若出现DMA和CPU同时访问主存，CPU总是将总线占有权让给DMA——“窃取”或“挪用”——“窃取周期”或“挪用周期”：一般为一个存储周期。此方式传送速度高，传送速率仅受内存存取周期的限制。硬件代价高。适用于内存和高速外设之间大批数据交

6、换的场合。以上三种方式的CPU工作效率比较如下：4、通道方式通道的出现进一步提高了CPU的效率。这是因为，CPU将部分权利下放给通道，通道是一个具有特殊功能的处理器，某些应用中称为输入输出处理器（IOP），它可以实现对I/O设备的统一管理和I/O设备与内存之间的数据传送。但硬件代价更高。5、外围处理机方式外围处理机（PPU）是通道方式的进一步发展。PPU基本上独立于主机工作，其结构更接近一般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，这种系统已变成分布式的多机系统。综上所述，

7、I/O设备的I/O方式可用下图表示：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I/O设备，而DMA方式、通道方式和PPU方式适用于数据传输率比较高的设备。目前，单片机和微型机中多采用程序查询方式、程序中断方式和DMA方式。通道方式和PPU方式大都用在中、大型计算机中。第二节I/O接口I/O接口通常是指主机与外部设备之间设置的一个硬件电路及其相应的软件控制。所有I/O设备都是通过I/O接口与主机取得联系的。一、接口的功能和组成1、总线连接方式的I/O接口电路在总线结构的计算机系统中，每一台I/O设备都是通过I/O接口挂到系统总线上的。如图示：

8、数据线：传送数据信息，其根数一般等于存储字长的位数或字符的位数。双向。设备选择线：传送设备码，其根数取决于I/O指令中设备