第8章输入输出设备2PPT课件
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第八章-输入输出系统(共64张PPT)全文编辑修改
3、中断类型：
– 按中断产生的位置： • 外部中断：CPU以外的部件引起的中断。 外中断又可分为不可屏蔽中断和可屏蔽中断 两种。不可屏蔽中断优先级较高，常用于 应急处理，如掉电、内存读写校验错等。 可屏蔽中断级别较低，常用于一般I/O设 备的数据传送。
• 内部中断：由CPU内部硬件或软件引起的中 断，如单步中断、溢出中断。
路之前，还要受到屏蔽触发器的控制。
当MASK=1，表示对应中断源的请求被屏蔽。 当MASK=0，才允许对应中断源的请求参与排队判优
中断屏蔽寄存器的作用
INT
≥1
由程序 控制
中断屏蔽 0 1 0 1 0 1 0 1 寄存器 ＆
向 量 地 址
……
编 码 器
排 队 逻 辑
＆
＆
＆ 0 1 0 1 0 1 0 1 中断请求 寄存器
程序查询方式——程序流程图
设置计数值
修改计数器
设置内存缓冲区首址
比如指令系统中的软中断指令INT n。 中断处理次序和中断响应次序是两个不同的概念：
否
中断事件在提出中断请求的同时，通过硬件向主机提供中断服务程序的入口地址，即向量地址。 传送完？
CPU等候输入设备的数据成为有效
（2）数据通道中断源，也称直接启存动储外器设存放（DMA）操作。
3级
4级
则 只 需 使 中 断 屏 蔽 码 改 （1）一般的输入、输出外围设备。
一般是故障引起的中断最优先；
为： 第1级 1 1 1 1 （4）DMA传送速度快，CPU和外设并行工作，提高了系统的效率；
先由主机通过启动指令启动外设工作，启动后主机用测试指令不断查询外设工作状态，当输入设备处于准备好状态或输出设备处于空闲状态时，
IBM—PC(80x86)汇编语言与接口技术-第8章 输入输出程序设计
8259A
76 5 4
中断屏蔽寄存器21H
打 印 机
3210
IN AL, 21H AND AL,0FDH
键定 时
盘器
OUT 21H,AL
76 5 4
中断命令寄存器20H
EOI
3 2 1 0 MOV AL, 20H OUT 20H, AL
11
中断向量表
00000 类型0的(IP) 类型0的(CS)
00004 类型1的(IP) 类型1的(CS)
speaker_on endp
speaker_off proc push ax in al, 61h and al, 0fch out 61h, al pop ax ret
speaker_off endp
end
8
3. 中断传送方式
中断源：引起中断的事件
外中断（硬中断）：
外设的 I/O 请求 —— 可屏蔽中断 电源掉电 / 奇偶错 —— 非屏蔽中断
15
例：用 DOS 功能调用存取中断向量
MOV AL, N
MOV AH, 35H
INT 21H
PUSH BX
; 保存原中断向量
PUSH DS
MOV AX, SEG INTHAND
MOV DS, AX
MOV DX, OFFSET INTHAND
MOV AL, N
MOV AH, 25H
08 系统定时器 09 键盘 0A 彩色/图形接口 0B 保留 0C 串行通讯口 0D 保留 0E 软盘 0F 打印机
10
中断的条件：
设置CPU中断允许位：
FLAGS 中的 IF 位 = 1 允许中断 （ STI ） = 0 禁止中断 （ CLI ）
输入输出设备概述(PPT 111页)
24.03.2020
8
4．终端设备
• 终端设备：与计算机网络的用户一端相连接的 设备。
• 在大型计算机系统中，通过通信线路连接到主 机的输入输出装置也是一种终端设备。
• 终端在不同系统不同场合有不同的含义。
• 智能终端：具有一定的数据处理能力的终端。
• 哑终端：只负责输入输出的终端。
• 本地终端：与主机距离较近的终端。如在一个 计算中心的机房中的终端。
• 如果由于CPU延缓接收而发生多键重叠，中间 的按键编码就会丢失。所以在功能更强的键盘 中，采取存储多个键码的方法，来解决重键问 题。
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23
• 硬件扫描键盘的优点： 不需要主机担负扫描任务。当键盘产生键码之 后，才向主机发出中断请求，CPU以响应中断 方式，接收随机按键产生的键码。
• 随着计算机技术的发展与进步，现代计算机的 外存储器，也同时具有I/O设备的功能。
• 主机：CPU与内存等在系统中主要进行数据运算 处理的部分。
• 外设（外部设备或外围设备）：主机以外的系 统中其余部分，如外存储器，I/O设备等。
• 传统意义上的I/O设备，只是外设的一个组成部 分。
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4
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5
1. 输入设备
• ① 字符输入设备：键盘、联机手写识别器等。 • ② 图形输入设备：数字化仪、鼠标器、跟踪球、
操纵杆等。 • ③ 图像输入设备：摄像机、扫描仪等。 • ④ 其它类型的设备：如数模转换、声音输入等。 • ⑤ 特殊的输入设备：磁盘，磁带及光盘等。
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• 现已很少用小规模集成电路来构成这种硬件扫 描键盘，而是尽可能利用全集成化的键盘接口 芯片，如Intel 8279。
汇编语言第8章输入输出接口
本章主要内容
(1) I/O接口的基本概念 (2) I/O控制方式 (3) DMA接口技术 (4) 可编程DMA控制器8237
8.1 I/O接口概述
8.1.1 I/O接口的基本功能
(1) 数据缓冲 (2) 提供联络信息 (3) 信号与信息格式的转换 (4) 设备选择 (5) 中断管理 (6) 可编程功能
IOW
图8.4 片选信号的产生
8.2 I/O控制方式
主机与外围设备之间的数据传送控制方式(即I/O控制 方式)主要有三种：
程序控制方式、中断控制方式和直接存储器存取 (DMA)方式。
8.2.1 程序控制方式
程序控制方式是指在程序控制下进行的数据传送方式。 它又分为无条件传送和程序查询传送两种。
地址空间 200～20FH 210～217H 218～2F7H 2F8～2FFH 300～31FH 320～32FH 330～377H 378～37FH
器件/接口适配器 地址空间
游戏卡
380～38FH
扩充部件
390～3AFH
未用
3B0～3BFH
异步通信卡(COM2) 3C0～3CFH
未用
3D0～3DFH
(5) DMA控制器发出存储器写信号MEMW，将数据传送 到由地址总线上的地址所指向的内存单元；
(6) DMA控制器放弃对总线的控制权；
(7) 地址寄存器加1；
(8) 字节计数寄存器减1；
(9) 如果字节计数寄存器的值不为零，则返回第一步，否 则结束。
第8章 作业
8.1 8.2 8.3 8.5 8.6 8.7 8.11
硬盘卡
3E0～3EFH
未用
3F0～3F7H
打印卡
3F8～3FFH
(1) I/O接口的基本概念 (2) I/O控制方式 (3) DMA接口技术 (4) 可编程DMA控制器8237
8.1 I/O接口概述
8.1.1 I/O接口的基本功能
(1) 数据缓冲 (2) 提供联络信息 (3) 信号与信息格式的转换 (4) 设备选择 (5) 中断管理 (6) 可编程功能
IOW
图8.4 片选信号的产生
8.2 I/O控制方式
主机与外围设备之间的数据传送控制方式(即I/O控制 方式)主要有三种：
程序控制方式、中断控制方式和直接存储器存取 (DMA)方式。
8.2.1 程序控制方式
程序控制方式是指在程序控制下进行的数据传送方式。 它又分为无条件传送和程序查询传送两种。
地址空间 200～20FH 210～217H 218～2F7H 2F8～2FFH 300～31FH 320～32FH 330～377H 378～37FH
器件/接口适配器 地址空间
游戏卡
380～38FH
扩充部件
390～3AFH
未用
3B0～3BFH
异步通信卡(COM2) 3C0～3CFH
未用
3D0～3DFH
(5) DMA控制器发出存储器写信号MEMW，将数据传送 到由地址总线上的地址所指向的内存单元；
(6) DMA控制器放弃对总线的控制权；
(7) 地址寄存器加1；
(8) 字节计数寄存器减1；
(9) 如果字节计数寄存器的值不为零，则返回第一步，否 则结束。
第8章 作业
8.1 8.2 8.3 8.5 8.6 8.7 8.11
硬盘卡
3E0～3EFH
未用
3F0～3F7H
打印卡
3F8～3FFH
《计算机组成原理》8-输入输出系统
允许中断３
INTA &
&
&
允许中断４ &
&
&
&
1
1
1
1
INTR1
INTR2
INTR3
（ b） 串 行 优 先 链 中 断 排 队 线 路
INTR4
&
至下一级
≥1
INT
程序中断方式
2、中断的处理过程
✓ 软件排队的基本做法是：当CPU访问到 INT0
中
有中断请求时，则保留好中断断点后立
断 服
即进入软件排队程序的入口。从最高优
✓ 中断排队的实现 可以用硬件排队或软件排队两种方法来实现
➢ 硬件排队方式 硬件排队的基本特点是，优先级别高的中断源提出中 断请求后，就自动封锁优先级别较低的中断源的中断请求
➢ 软件排队方式 软件排队是通过编写查询程序实现的。
程序中断方式
2、中断的处理过程
➢ 硬排队方式 I N T R0
INTR1 1
程序直接控制方式
2、条件传送方式
✓ 通过程序查询接口中的状态来控制数据传送的方式，也被称为程序查询 方式。
✓ 程序查询方式中，在执行一次有效的数据传送操作之前，必须对外部设 备的状态进行查询，如果外部设备准备就绪，才能执行数据传送操作。
程序直接控制方式
2、条件传送方式
检查状态标记
N 准备就绪？ Y 执行数据传送
I/O接口
1、接口的概念
✓ 介于主机与外部设备之间的一种缓冲电路称为I/O接口电路，简称I/O接口
（Interface）
✓ 对于主机，I/O接口提供了外部设备的工作状态及数据；对于外部设备，I/O
第8章输入输出设备
教学内容安排•第一章绪论•第二章数码系统•第三章运算方法和运算器•第四章存储系统•第五章指令系统•第六章中央处理器•第七章输入输出设备•第八章输入输出系统第八章输入输出系统•8.1输入输出设备的编址方式•8.2总线结构•8.3输入输出控制方式•教学重点和难点•输入输出控制方式第八章输入输出系统8.1 输入输出设备的编址方式•计算机主机要与输入输出设备交换信息，仿照存储器的编址方式，可给各台外部设备分配一个或多个端口地址•输入输出控制方式–统一编址方式–独立编址方式第八章输入输出系统8.1 输入输出设备的编址方式•I/O端口与存储器独立编址•是指系统中的输入输出设备与主存储器构成两个独立的空间–直接端口寻址：端口地址用8位地址码表示，并且是指令码的一部分。
•IN AL,21H–间接寻址方式：端口地址由16位地址码表示，并存放在DX中，即DX寄存器的内容作为端口地址。
•OUT DX,AL第八章输入输出系统8.1 输入输出设备的编址方式•与内存统一编址–优点：不需专门的输入输出指令，缩小了指令规模–缺点：挤占了可供用户使用的内存空间第八章输入输出系统•8.1输入输出设备的编址方式•8.2总线结构•8.3输入输出控制方式•教学重点和难点•总线分类第八章输入输出系统8.2 总结结构•总线控制方式–串行链式查询方式–计数定时查询方式–独立请求方式第八章输入输出系统8.2 总结结构•总线通信方式–同步方式–异步方式第八章输入输出系统8.2 总结结构•总线上信息的传送方式–串行传送方式–并行传送方式第八章输入输出系统•8.1输入输出设备的编址方式•8.2总线结构•8.3输入输出控制方式•教学重点和难点•程序中断方式第八章输入输出系统8.2 输入输出控制方式•输入输出数据传送控制方式•主机速度与外围设备速度匹配问题•如何提高整机系统性能的问题第八章输入输出系统8.2 输入输出控制方式•程序查询方式•信息在主机和外设之间的传输完全靠计算机程序控制，是在CPU控制下进行的。
《操作系统原理》 第8章 设备管理
1、缓冲技术的实现原理
当某个进程进行数据输出操作时，先将数据 送入缓冲区，当缓冲区满时再将缓冲区的内容送 到输出设备上；反之，当一个进程完成输入操作 时，先将输入设备上的数据送入缓冲区，当缓冲 区满时，再由CPU将数据取走。在缓冲管理中必 须建立缓冲区，缓冲区的设定有两种方式：可以 采用专门的硬件方法来实现缓冲，但会增加硬件 成本，除了在关键的地方采用少量必要的硬件缓 冲器外，在许多操作系统中都采用另一种称为软 件缓冲的方式，即从主存空间中划定出一个特殊 的内存区域作为缓冲区。
8.1.2
设备管理子系统的主要功能
设备管理属于操作系统中最烦琐、 最具复杂性的部分。为了有效的提高系统 中设备的效率，在设备管理中不仅涉及了 I/O中断、缓冲及通道技术,而且还包括了 各种类型设备的分配、启动以及虚拟设备 等多方面的管理。为了对物理特性各异的 设备,在调用时具有统一的格式和界面，以 方便用户,在设备管理中应追求如下的目标：
3.从资源分配角度进行划分 1)独占设备（Independence Device）：一 次只允许分给一个用户作业使用的设备。 设备一旦被分出去后，在作业的整个执行 期间都被单独占用，别的作业不能与之共 用，必须等占用释放后才可再用。而且， 这类设备如果分配不当，可能会造成死锁。 多数是一些慢速设备，如磁卡机、打印机、 A/D、D/A转换器等。
3．多缓冲及缓冲池管理
双缓冲技术提高了I/O设备的并行度，但由于 在计算机系统中，CPU的速度总是比外设快得多， 真正要实现CPU与外设的并行操作，双缓冲技术还 不能达到要求，为此，在计算机中都采用多缓冲或 缓冲池结构。多缓冲是把主存中的多个缓冲区组织 成两部分，一部分用于做输入缓冲区，另一部分作 为输出缓冲区。缓冲池则是将多个缓冲区连接成一 个完整的区域，其中每个区既可以作为输入又可以 作为输出用。多缓冲及缓冲池是系统中的共享资源， 可供各进程使用，由系统统一分配和管理。它的使 用必须互斥地进行。
第8章 输入输出方法及常用的接口电路
表8.2 8255A端口选择及操作功能表（P354）
A1 A0 00~10 00~10 11
RD
0 1 1
WR
1 0 0
CS
0 0 0
操 作 A口、B口、C口→数据总线（读操作） 数据总线→A口、B口、C口（写操作） 数据总线→控制寄存器（写操作）
表8.2 8255A端口选择及操作功能表
A1 0 0 1 0 0 1 1 × 1 × A0 0 1 0 0 1 0 1 × 1 ×
0 0 0 0 0 0 0 1 0 0
输入操作(读)
输出操作(写)
断开功能
3．A组和B组控制电路 作用：接收来自CPU的读/写控制部分的信号和CPU送 入的控制字，然后分别决定各端口的功能。 ①A组控制电路控制端口A和C的高4位(PC7～PC4)； ②B组控制电路控制端口B和C的低4位(PC3～PC0)。 ③根据控制字对端口C的某位实现“置0”或“置1”的操作。 4．数据总线缓冲器
2．状态端口 状态端口用于暂存反映外部设备工作状态的信息。 输入时，CPU应检测外设欲输入的信息是否准备就 绪，如果已准备好，则CPU可以读入信息，否则CPU等 待“就绪”信号的出现后再读入； 输出时，CPU应检测外设是否已处于准备接收状态， 即外设为“空”状态，若是“空”状态，则CPU输出数 据至外设。若外设处于“忙”状态，则CPU不能向外设 输出信息。这种“空”、“忙”、“就绪”均为状态信 息。 3．控制端口
图8.1 主机通过接口与外设相连
8.1.2 基本I/O接口 输入接口电路最基本的功能是三态缓冲，即通过一 组三态缓冲器保证任意时刻仅允许被CPU选中的设备经 由接口与CPU通信； 输出电路最基本的功能是锁存数据，保证外设能够 正确接收到信息。 1．基本输入接口 三态门电路是起缓冲和隔离作用的。只有当CPU选 中此接口即三态门选通时，才允许选定的输入设备将数 据送至系统数据总线，而其他没有选中的输入设备，此 时相应的接口三态门“关闭”，从而达到与数据总线隔 离的目的。
A1 A0 00~10 00~10 11
RD
0 1 1
WR
1 0 0
CS
0 0 0
操 作 A口、B口、C口→数据总线（读操作） 数据总线→A口、B口、C口（写操作） 数据总线→控制寄存器（写操作）
表8.2 8255A端口选择及操作功能表
A1 0 0 1 0 0 1 1 × 1 × A0 0 1 0 0 1 0 1 × 1 ×
0 0 0 0 0 0 0 1 0 0
输入操作(读)
输出操作(写)
断开功能
3．A组和B组控制电路 作用：接收来自CPU的读/写控制部分的信号和CPU送 入的控制字，然后分别决定各端口的功能。 ①A组控制电路控制端口A和C的高4位(PC7～PC4)； ②B组控制电路控制端口B和C的低4位(PC3～PC0)。 ③根据控制字对端口C的某位实现“置0”或“置1”的操作。 4．数据总线缓冲器
2．状态端口 状态端口用于暂存反映外部设备工作状态的信息。 输入时，CPU应检测外设欲输入的信息是否准备就 绪，如果已准备好，则CPU可以读入信息，否则CPU等 待“就绪”信号的出现后再读入； 输出时，CPU应检测外设是否已处于准备接收状态， 即外设为“空”状态，若是“空”状态，则CPU输出数 据至外设。若外设处于“忙”状态，则CPU不能向外设 输出信息。这种“空”、“忙”、“就绪”均为状态信 息。 3．控制端口
图8.1 主机通过接口与外设相连
8.1.2 基本I/O接口 输入接口电路最基本的功能是三态缓冲，即通过一 组三态缓冲器保证任意时刻仅允许被CPU选中的设备经 由接口与CPU通信； 输出电路最基本的功能是锁存数据，保证外设能够 正确接收到信息。 1．基本输入接口 三态门电路是起缓冲和隔离作用的。只有当CPU选 中此接口即三态门选通时，才允许选定的输入设备将数 据送至系统数据总线，而其他没有选中的输入设备，此 时相应的接口三态门“关闭”，从而达到与数据总线隔 离的目的。
第八章输入输出设备
狭义:仅指输入输出设备和外存储器，它们是只用于输入 输出数字信息的、构成计算机系统必不可少的设备。
外围设备又称外部设备，
计算机组成原理 Slide 5
外围设备特点
由信息载体,设备和设备控制器组成; 工作速度比主机慢很多; 不同设备的信息类型和格式不同; 以上这些特点给主机与输入输出设备的连接带来复杂性。因此，
命令 I/O 设 备
状态
计算机组成原理 Slide 11
I/O接口分类
串行接口 并行接口
计算机组成原理 Slide 12
输入设备
输入设备定义及分类 键盘 鼠标 数码相机
计算机组成原理 Slide 13
输入设备定义及分类
输入设备是指向主机输入程序、原始数据和 操作命令等信息的设备。 输入设备将各类信号变换成主机能识别的二 进制代码，并负责送到主机。
激光扫描系统、 电子照像部分、 字符发生器 控制电路
计算机组成原理 Slide 42
激光印字机
反射镜
激光器 声光偏转调制器
充电器
功率放大器 频率合成器
多面转镜
聚焦镜
消电灯
清洁锟
硒鼓
预热板 转印电极 定影辊
字符发生器
接口控制器
计算机
输纸
计算机组成原理 Slide 43
激光印字机工作过程
充电→曝光→显影→转印→定影→消电→清洁 核心部件 硒鼓（具有光敏特性的滚筒装置）
计算机组成原理 Slide 18
键盘开关矩阵
+5V
并 行 端 口 并行端口
计算机组成原理 Slide 19
键盘分类
按键盘编码的功能和实现方法进行分类
全编码键盘 非编码键盘
计算机组成原理 Slide 20
外围设备又称外部设备，
计算机组成原理 Slide 5
外围设备特点
由信息载体,设备和设备控制器组成; 工作速度比主机慢很多; 不同设备的信息类型和格式不同; 以上这些特点给主机与输入输出设备的连接带来复杂性。因此，
命令 I/O 设 备
状态
计算机组成原理 Slide 11
I/O接口分类
串行接口 并行接口
计算机组成原理 Slide 12
输入设备
输入设备定义及分类 键盘 鼠标 数码相机
计算机组成原理 Slide 13
输入设备定义及分类
输入设备是指向主机输入程序、原始数据和 操作命令等信息的设备。 输入设备将各类信号变换成主机能识别的二 进制代码，并负责送到主机。
激光扫描系统、 电子照像部分、 字符发生器 控制电路
计算机组成原理 Slide 42
激光印字机
反射镜
激光器 声光偏转调制器
充电器
功率放大器 频率合成器
多面转镜
聚焦镜
消电灯
清洁锟
硒鼓
预热板 转印电极 定影辊
字符发生器
接口控制器
计算机
输纸
计算机组成原理 Slide 43
激光印字机工作过程
充电→曝光→显影→转印→定影→消电→清洁 核心部件 硒鼓（具有光敏特性的滚筒装置）
计算机组成原理 Slide 18
键盘开关矩阵
+5V
并 行 端 口 并行端口
计算机组成原理 Slide 19
键盘分类
按键盘编码的功能和实现方法进行分类
全编码键盘 非编码键盘
计算机组成原理 Slide 20
第8章可编程序控制器系统设计与应用ppt课件
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
8.2.1 PLC的选型
当确定由PLC来完成控制后，设计者接下来要解 决两个主要问题：
➢ PLC容量的选择：首先要对控制任务进行详细的 分析，把所有的I/O点找出来，包括开关量I/O和 模拟量I/O以及这些I/O点的性质。
8.2.2 I/O地址分配
输入／输出信号在PLC接线端子上的地址分配是 进行PLC控制系统设计的基础。对软件设计来说， I/O地址分配以后才可进行编程；对控制柜及 PLC的外围接线来说，只有I/O地址确定以后， 才可以绘制电气接线图、装配图，让装配人员 根据线路图和安装图安装控制柜。
在进行I/O地址分配时最好把I/O点的名称、代码 和地址以表格的形式列写出来。
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
8.3 PLC控制系统软件设计
8.3.1 经验设计法
在一些典型的控制环节和电路的基础上，根据被 控制对象对控制系统的具体要求，凭经验进行选 择、组合。有时为了得到一个满意的设计结果， 需要进行多次反复地调试和修改，增加一些辅助 触点和中间编程元件。
2．具有点动功能电动机启动、停止控制程序
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
(2)触点合并式输入方法
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
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8.2 输入输出接口 I/O接口的功能 1、实现数据缓冲 实现输入缓冲、输出锁存，协调CPU与外设在速度上的差异 2、执行CPU的命令 CPU对外设的各种命令以控制代码的形式发送到接口电路 3、向CPU返回外设的状态 为了控制CPU与外设之间的数据传送，接口电路还要向CPU提
供诸如数据寄存器“空”、“满”、“准备就绪”、“忙” 、“闲”等状态信号，并在CPU查询时反馈这些状态信息
➢ 外设的编址方式 • 独立编址（I/O映射方式） - 存储单元和I/O端口统一分开编址，各自有独立的地址空间 - 指令系统中设置了专用I/O指令来用访问I/O端口，通过指令
来区分寻址对象（I/O 还是Memory） - 优点：I/O端口不占用存储器空间；I/O端口数目不多，占用
地址线少，译码电路简单；I/O指令长度短，速度快 - 缺点： 专用I/O指令增加指令系统复杂性，且指令较少，程
I/O接口的功能 4、设备选择 外设接口应具有识别自我的能力，只有当CPU给出的端口地址
处于自己的地址范围内（即被选中），接口才与CPU交换信 息，否则不允许有任何操作 5、实现数据格式的转换 CPU与接口的数据传送是并行数据传送，而有的外设是串行数 据传送，因此接口应具有数据并行→串行或串行→并行的功 能
设的核心
8.3 主机与外设交换信息的方式 ➢ 计算机的基本功能之一是能够与外部设备交换信息 ➢ 主机与外设交换数据有5种方式 • 程序查询方式 • 程序中断方式 • 直接存储器访问（DMA）方式 • 通道方式 • 输入输出处理机（IOP）方式
程序查询方式
开始
• 工作原理：CPU查询外设是否 准备好。准备好交换数据，否则
I/O指令格式 • I/O设备统一编址时，指令系统中不设置专用的I/O指令，用
访存指令来访问I/O端口 • I/O设备独立编址时， I/O指令经指令译码器译码后，由控制
器发出I/O的读/写信号到外设 • I/O指令格式
操作码 命令码 端口地址
-如操：作I码nte用l8来0×区8分6系是列I/COP指U令指还令是其他指令 - 命令码区IN分AIX/O，操po作rt种类（输入还是输出） -输地入址指码令指；明将要端访口问p的or外t的设数端据口读地到址C以PU及中C的PU寄寄存存器器A号X
计算机组成原理与系统结构
第8章 输入输出系统
输入输出系统简称为I/O系统，包括计算机外围 设备及其与主机的接口、I/O控制软件
输入输出系统的主要功能是完成计算机与外界的 联系，是CPU与外设之间的桥梁
输入输出系统与整机的速度、处理能力、兼容性 等各种性能有着非常密切的关系
8.1 概述
输入输出系统的构成
输入输出系统主要包括硬件和软件两部分 •硬件由外部设备（简称外设）及其与主机的接口构成 •软件用于协调、控制主机与接口之间进行数据交换
输
入
微处理器
输
系统总线
出
系
统
的
I/O接口
存微 储型 器计
算 机微
型
位
计
置 及
外围设备
输入输出系统
算 机
其 组
系 外设与接口一同构成输入输出系统的硬件部分 统
成
➢ 外设的地位和作用 • 人机对话的桥梁 • 完成数据的形式及格式变换 • 计算机系统软件与各种各种信息驻留地 •接口，以协调 CPU与外设交换 信息的工作 接口是CPU与 外设之间交换数 据的桥梁 接口是一组硬 件电路
接口
……
接口
外设
外设
CPU访问外设， 实质上是访问外 设接口寄存器 （端口）
DB AB CB
主存
与访问存储器相比， CPU访问外设的过程 是完全等同的，不同 的是CPU发出的读/写 控制信号不同
➢ 外设的编址方式 • 统一编址（存储器映射方式） - 存储单元和I/O端口统一进行编址，共用一个线性地址空间 - 指令系统中不设置专用I/O指令，用访问存储器的指令来访
问I/O端口，通过地址来区分寻址对象（I/O 还是 Memory） - 优点：指令功能丰富；外设数目或I/O寄存器数目几乎不受 限制；读/写控制逻辑简单 - 缺点： I/O端口占用了有限的存储器空间
序设计灵活性差；处理器要提供MEMR/MEMW和IOR/IOW 两组控制信号，增加了控制逻辑的复杂性
外设与CPU的连接
外设接口通过 总线与CPU连接。
CPU首先将要访问的外设端口地址 送上地址线
通过控制总线发出I/O读/写信号 通过译码选中要交换信息的端口， 启动外设进行读/写操作（输入/输出操 作）
备本身
WR
RD
M/IO
内部控制 逻辑
状态寄存器
读控制信号 INTR
CPU
存储器、I/O
地址总线
端口地址
选择信号 中断请求信号 译 码
中断逻辑
✓基本电路：寄存器和控数制据逻辑
控制
状态
寄存器（端口）：命令寄存器（控制寄存器及其译控码制器口）、数状据态寄口存器
（ 控缓制冲逻器辑）：和执状行态C寄P存U器命，令分、别返保回存外C设P状U态命I/O、令设传、备送数数据据信，息为和接外口设中的控状制态外
6、实现信号的转换 外设的工作信号往往与计算机的总线信号不兼容，所以需要进
行信号的转换 7、中断管理功能 • 当外设迫切需要CPU的服务时，特别是系统出现故障时，需
要CPU暂停目前的工作，立即处理这些事件，这个过程称为 “中断” • 这就要求在接口中设置中断控制器，实现CPU与外设的中断 传送 • 这样既加快了计算机系统对外界的响应速度，又使CPU与外 设并行工作，大大提高了CPU的工作效率
✓由II//供OO于接选接接口电口口由路的的3结部组构分成和组功成能：有基很本大电的路区、别端，口因地此址各译接码口电电路路和中供可选能电选路择
✓端口数使地据用址口中译断码数控电据制路总、线定时器、计数器等
对地址总线上的外设 端写口控地制址信进号行译码，
数据缓冲器
接口
命令寄存器
用以决定是否选中设
读取状态
循环查询 •特点：CPU被外设独占，工作效 率低下 •实现：由程序实现，不需要增加 额外硬件电路 •适用：CPU不忙且数据交换速度 不高，如单片机控制场合
数据是否 否 准备好？
是 交换并处理
一个数据
操作是否 否 完成？ 是 结束