第10章输入输出系统

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1、第10章输入输出系统计算机输入输出系统（I/O系统）的功能是完成计算机系统与外部世界的联系。它与计算机主机的速度、处理能力、实用性、兼容性等各项性能都有十分密切的关系。目前，输入输出设备种类日益增多，I/O系统就越来越显得重要。为了提高主机的工作效率，组织合理的I/O系统、配备先进的I/O技术及接口部件是充分发挥计算机系统性能必不可少的条件。本章着重介绍I/O系统的组成，主机和外围设备之间的五种数据传送方式——程序查询方式、中断方式、DMA方式、通道方式和I/O处理机方式。10.1I/O系统概述10.1.1I/O系统的功能与组成⒈I/O系统的基本功能①为信息的传输操作选择设

2、备；②在选定的输入输出设备和计算机主机（CPU或存）之间交换信息。⒉I/O系统的组成由I/O系统要实现的功能，I/O系统也包括了硬件及其相应的软件。各种外围设备不能与计算机主机直接联系，必须通过I/O系统联接。⒉I/O系统的组成I/O系统的硬件组成，由图可以看出，由4部分组成：外围设备、设备控制器、I/O接口和CPU。①外围设备：包括利用光、电、磁、机械等原理制成的各种设备，将信息转换为二进制数码的表示形式。②设备控制器：其功能是将外围设备生成的各种形式的二进制数码转换成电路的信号，并根据输入信号的要求，对设备的运行进行控制。设备控制器属于外围设备的一个组成部分，是该外围设

3、备与计算机连接的界面。③输入/输出接口：用来完成外围设备与CPU交换信息时在速度、代码形式上的相互匹配。在CPU中，数据的传送速度是纳秒级的，而外围设备的速度则是毫秒级的，最快是微秒级的，两者相差悬殊。CPU中的二进制数据是并行传输的，并且有标准的电位要求，而外围设备因其种类的不同，其数据的传输方式有串行的，有并行的，还有串并行的。接口部件的功能就是进行外设与CPU之间的信息转换，使其形式上能互相适应，速度上能互相匹配。同时能根据CPU的控制要求，对I/O系统的工作进行控制与检测。接口部件是计算机系统的重要组成部分，不同的输入输出方式，不同的系统结构形式，都影响接口部件的组

4、成。而接口部件的质量好坏，也将直接影响计算机系统的性能。④CPU：计算机系统的CPU除了正常的工作外，在I/O系统中执行输入输出指令，对整个I/O系统进行启动、检测和控制。10.1.2输入输出设备的寻址方式CPU对输入输出设备的访问，采用按地址访问的形式，即先送地址码，以确定访问的具体是什么设备，然后进行信息交换。因此，对各种外围设备需要进行编址，即给每一台设备规定一些地址码，这些地址码也称为设备号或设备代码。目前有两种编址方式：独立编址和存储器统一编址。⒈独立编址对外围设备统一编码，从0开始。由于与存储器分别编址，因此必须由单独的I/O指令来访问。CPU要设立I/O指令，

5、例如，指令IN完成输入，指令OUT完成输出操作。指令的地址码字段指出输入输出设备的设备代码。IBMPC系列微型计算机就设置了专门的I/O指令。⒉存储器统一编址在存储器总的地址空间中分出一个区域，作为I/O系统中的设备代码，当访问这些地址时，表示被访问的不是存储器，而是I/O设备的设备寄存器。例如，PDP-11系列机就是采用存储器统一编址方式对外围设备进行寻址的。如PDP-11/23计算机主存的地址空间为64KB，最高空间FE00H～FFFFH这1024个地址就是输入输出的端口地址。在这种情况下，CPU不设专门的I/O指令，一般访问内存的指令都可以访问外围设备。各种寻址方式及

6、数据处理指令也都可以被I/O端口使用。使得输入输出过程的处理更加灵活方便。研究主机与外围设备的数据传送方式主要围绕着两个问题，一是主机速度与外围设备速度的匹配问题，二是如何提高整机系统的性能问题。早期的输入输出系统是由程序控制的，即外围设备的启动、停止等工作全部由CPU执行程序来实现控制。通常而言，外围设备的工作速度比主机的工作速度要低得多，因此，在外围设备工作的时候，主机处于等待状态。在这种工作方式下，主机与外围设备不能同时工作，整个计算机系统的工作效率较低。显然，若主机和外围设备能同时工作，整个计算机系统的工作效率就会明显提高。这就引入了中断的概念，即当外围设备需要CP

7、U为其服务时，才向CPU请求服务，CPU暂停当前的工作，转而为外围设备服务。当CPU为外围设备的服务结束后，继续原来的工作。但是，中断的辅助操作很多，特别是外围设备较多时，中断过于频繁，将使CPU应接不暇，整机的性能会受到很大的影响。一般情况下，主机要处理外围设备的信息，首先要将外围设备中信息传送到主存中。若外围设备和主存之间的信息传送不必通过CPU而直接进行，就成了直接存储器传送（DMA）方式。在DMA方式中，CPU把部分输入输出的控制权交给了设备控制器，在外围设备与主存之间传送信息期间，CPU不必访问主存，因此