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第十章_输入输出(I／O)系统(第三讲)_(q-PC)讲解

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十章节输入输出系统-PPT精选文档

十章节输入输出系统-PPT精选文档
提高了CPU的工作效率,硬件复杂。
现代计算机组织向功能分布方向发展
图10.1 具有CH的系统结构
4. I/O通道控制方式
通道的缺点
要在cpu的I/O指令控制下工作。
某些操作仍然必须由cpu来完成
码制转换、数据检错纠错
5. 外围处理机方式
基本独立于主机工作,结构接近一般处理机
甚至是一般小型通用计算机或微机。
1. 程序直接控制方式

完全通过程序来控制主机和外围设备之间的信息传送。 通常在用户的程序中安排一段由输入输出指令和其他指 令所组成的程序段直接控制外围设备的工作。


程序查询方式--检测“完成”状态标志。
控制和硬件实现方式简单 外设和主机及各外设之间不能同时工作， 系统效率很低,多用于单片机.
若干个端口加上相应的控制逻辑电路才组成接口。
4. I/O设备数据传送控制方式




程序直接控制 (programed direct control) 程序中断传送 (program interrupt transfer) 直接存储器存取 (direct memory access, DMA) I/O通道控制 (I/O channel control) 外围处理机 (peripheral processor unit, PPU)
3. 有关中断的产生和响应的概念
(1) 中断源
引起中断的事件，即发出中断请求的来源，称为中断源。
⑶实现数据缓冲
解决主机同外围设备之间的速度匹配。 在传送过程中，先将数据送入数据缓冲寄存器， 然后再送到目的设备(输出)或主机(输入)。
⑷数据格式的变换
按照数据传送的宽度--并行和串行接口。 接口要完成数据格式的串—并变换 并行接口- 设备和接口将一个字节/字所有位同时传送。 串行接口- 设备和接口间的数据是按位串行传送的， 而接口和主机之间是按字节或字并行传送。

第10章输入输出系统

第10章输入输出系统

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。

10.1 I/O系统概述10.1.1 I/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。

⒉ I/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。

计算机输入输出系统(I、O系统)概述PPT(53张)

计算机输入输出系统(I、O系统)概述PPT(53张)
增加：
l=n*(n-1)/2 n=4时， l =6 ； n=5时 l =10 2）非专用总线——即公共总线 总线数少，造价低，总线接口标准化、模块性强，易 于简化和统一接口设计，会出现总线争用，降低效 率。
3 按传递的信息类型分 地址总线AB 数据总线DB 控制总线CB
二、总线控制方式
研究对非专用总线在多个部件同时申请总 线时的裁决控制机构。
目的：采用何种办法来获得对总线的使用。
类型：<集中控制>总线控制逻辑基本上集 中放在一起的裁决控制机构。
<分布控制>总线控制逻辑分散于连到总线 的各个部件中时，称分布控制。
以集中控制为主，要求对各种控制方式 （串行链接、定时查询、独立请求）,能画出 结构示意图，叙述获取总线过程，计算所需独 立线数及最长响应的时间。
3）特点： ①各部件使用总线的优先级可随计数器的工作方式的 改变而改变，灵活性强。
Ⅰ）计数器每次都从0开始计数，低编号部件级别高； Ⅱ）计数器采用循环计数时，各部件机会均等。
②可靠性高，但所需独立线数较多：2+log2n 最长响应延时计算
部件请求到发出代码的延时为一个时钟周期，收到代
码到建立忙电平的延时也为一个时钟周期。设初始计
第三章 输入输出系统（I/O系统）
§1 概述
一、I/O系统组成：包括I/O设备，设备控制器 及与I/O操作有关的软硬件。
二、I/O系统的主要功能：对指定外设进行I/O 操作，同时完成许多其他的控制。 包括：外设编址，数据通路的建立，向主 机提供外设的状态信息等。
三、I/O系统应面向OS设计
在高性能多用户计算机系统中，I/O系统的设 计应是面向OS，考虑怎样在OS与I/O系统之间进 行合理的软、硬件功能分配。

计算机组成与结构PPT课件全第10章输入输出系统

计算机组成与结构PPT课件全第10章输入输出系统

⑴设备选择器: 每一台外围设备接口都设 置一个设备选择器,连接在系统上的每一 台设备都有一个设备号。当CPU需使用 某外设时,通过I/O指令或其他访问I/O设 备地址的指令,将设备码通过地址线送往 所有外围设备接口,但仅仅具有该设备号 的设备选择器才产生选中信号(SEL)。于 是,该外围设备及其接口才能响应主机的 控制并进行数据传送。
3、中断的基本类型 (1) 自愿中断和强迫中断 (2) 程序中断和简单中断 (3) 内中断和外中断 (4) 向量中断和非向量中断 (5) 单重中断和多重中断
4、中断源
定义：引起中断的事件称为中 断源。
中断触发器：引起中断时，先 把中断保存在设备控制器的中断触发 器中，即置1，当中断触发器为1时某种条件的 限制，CPU不能中止现行程序的执行，称 为禁止中断。
实现：CPU中设置一个中断允许触发 器，当触发器为1时，允许CPU响应中断。
中断允许触发器通过开中断、关中断 指令来置位、复位，进入中断服务程序后 自动关中断。
②中断屏蔽
定义：产生中断请求后，用程序方 式有选择地封锁部分中断，允许其余中 断得到响应。
DMA仍有缺点：对外设的管理和某些 操作的控制仍需CPU来承担。外设数量增多， 多个DMA同时使用，会引起访问主机冲突。
4、I/O通道控制方式
在大型计算机系统中，所连接的I/O设备 数量多，输入/输出频繁，要求整体的速度 快，单纯依靠主CPU采取中断和DMA等控 制方式已不能满足要求，因此引入I/O通道。
(51):A.Modem专用接口 B.打印机接口 行数据接口 D.通用并行数据接口
C.通用串
(52):A.通用串行总线 B.通用并行总线
口
D.通用卡式接口
C.SCSI接

第十章_输入输出(I／O)系统(第三讲)_(q-PC)

第十章_输入输出(I／O)系统(第三讲)_(q-PC)

3、数组多路通道
数组多路通道把字节多路通道和选择通道的特点结 合起来。它有多个子通道，既可以执行多路通道程序， 像字节多路通道那样、所有子通道分时共享总通道；又 可以用选择通道那样的方式传送数据。 数组多路通道具有多路并行操作能力，又具有很高 的数据传送速率，赢得了吞吐率的较大提高。它的缺点 是增加了控制的复杂性。
磁 盘 控 制 器
磁盘 : 磁盘
设 备 控 制 器
外设 : 外设
设 备 控 制 器
外设 : 外设
Байду номын сангаас
:
磁 盘 控 制 器 磁盘 : 磁盘
:
设 备 控 制 器 外设 : 外设
:
设 备 控 制 器 外设 : 外设
1、字节多路通道(低速、分时)
字节多路通道（multiplexor channel）是一种简单的共享通 道，在时间分割的基础上，服务于多台低速和中速面向字符的外围 设备。 字节多路通道包括多个子通道，每个子通道服务于一个设备控 制器，可以独立地执行通直指令。每个子通道都需要有字符缓冲寄 存器、I/O请求标志/控制寄存器、主存地址寄存器和字节计数寄存器。 而所有子通道的控制部分是公共的，由所有子通道所共享。通常， 每个通道的有关指令和参量存放在主存固定单元中。当通道在逻辑 上与某一设备连通时，将这些指令和参量取出来，送入公共控制部 分的寄存器中使用。 字节多路通道要求每种设备分时占用一个很短的时间片，不同 的设备在各自分得的时间片内与通道建立传输连接，实现数据的传 送。
10.5.3 微机总线
常见的几种标准总线 1、ISA总线 ISA（Industry Standard Architecture）工业标准总线， 是IBM公司为PC系列微机制定的总线标准。 2、EISA总线 32位总线的扩充标准，保持了对ISA的完全兼容。 3、VESA总线 32位的局部总线，主要是针对80486设计的。

计算机组成与结构第10章：输入输出系统

计算机组成与结构第10章：输入输出系统

3. 直接存储器存取(direct memory access )方式
DMA方式是在外设和主存之间开辟直接的数据 传送通路.
占用总线一个周期---“周期窃取” 4. I/O通道控制(I/O channel control)方式
“通道”不是一般概念的I/O通路,它是一 个专用名称.具有自己的指令系统,实现指令 所控制的操作,已具备处理机的功能。
优先权是指多个中断同时发生时，对各个中 断响应的优先次序。
中断源很多时，一般把中断按不同的类别 分为若干级，称为中断级。 (3) 禁止中断和中断屏蔽 禁止中断是指有中断请求时，CPU不能中止 现行程序的执行，一般是通过使CPU内部的 “中断允许触发器”清“0”来完成的。置 “1”为允许中断。可用开、关中断指令来实
中断屏蔽：当产生中断请求后，用程序方式 有选择地封锁部分中断，而允许其他部分 中断得到响应。
实现方法是为每个中断源设置一个中断屏 蔽触发器，该触发器为“1”，则屏蔽。为 “0”则允许中断请求。
各设备的中断屏蔽触发器组成中断屏蔽寄存 器。 中断又分可屏蔽中断和非屏蔽中断。后者 优先权最高。
10.2.2 中断处理
D7
1
0
1
0
1
1
0
D0
(2) 串行排队链法 用硬件确定中断源。
中断响应
中断排队选中 中断允许输入 中断允许输出
3. 多重中断处理
多重中断是指在处理某一中断过程中又发生 了新的中断请求，从而中断该服务程序，又 转去执行新的中断处理。又称中断嵌套。 一般在处理某级中断时，与它同级或比它 低级的中断不能中断它的处理。而比它高 级的中断可以中断它。 图10.5 是一个4级中断嵌套的例子。
1. 中断处理过程 (1) 关中断 (2) 保存断点和现场 (3) 判别中断源，转向中断服务程序 (4) 开中断

输入输出系统PPT课件

输入输出系统PPT课件
能够应用于端口 的指令较少
00000H
FFFFFH 0000H
2021/3/7
FFFFH
CHENLI
内存 地址
I/O 地址
13
端口的独立编址
MEMR、MEMW
8 0
A19-A0
存储器
8
6 总
IOR、IOW 、BHE
线
输入/输出
A15-A0
2021/3/7
CHENLI
14Байду номын сангаас
8086的I/O端口编址
2021/3/7
CHENLI
15
三、I/O地址的译码
目的： 确定端口的地址
参加译码的信号：
IOR，IOW，A15 ～ A0
OUT指令将使总线的IOW信号有效 IN指令将使总线的IOR信号有效
2021/3/7
CHENLI
16
I/O地址的译码
当接口只有一个端口时，16位地址信号 一般应全部参与译码，译码输出直接选择 该端口；当接口具有多个端口时，则16 位地址线的高位参与译码（决定接口的基 地址），而低位则用于确定要访问哪一个 端口。
路的总称。 实现外设与主机之间的信息交换。
2021/3/7
CHENLI
6
I/O接口要解决的问题
速度匹配(Buffer) 信号的驱动能力(电平转换器、驱动器) 信号形式和电平的匹配(A/D、D/A) 信息格式(字节流、块、数据包、帧) 时序匹配(定时关系) 总线隔离(三态门)
2021/3/7
2021/3/7
CHENLI
3
一、输入输出系统
将CPU及主存以外的部分叫做输入输出系统
输入输出接口 输入输出设备 输入输出软件

第10章 输入输出系统

第10章 输入输出系统

Cache CPU
CPU －主存总线
总线适配器
总线适配器
主存
AGP总线 I/O 控制器
PCI总线
总线适配器
I/O 控制器
图形输出
网络
I/O 总线
I/O 控制器
I/O 控制器
磁盘 磁盘
CD
I/O系统概述
2. 通道连接方式
➢ 从IBM360系列机开始，普遍采用了通道处理机技术 ，由一种称为通道的专用硬件来专门负责整个计算 机系统的输入/输出工作。
➢ 提供外设和接口的状态
➢ 实现主机对外设的通信和控制功能
3. I/O接口的组成 I/O接口的基本组成如图所示 。
数据线：传送数据的一组连线，一般是双向的； 地址线：传送设备地址，它通常是一组单向线； 命令线：传送CPU向设备发出的命令，也是一组单向
线； 状态线：将外设和接口的状态向CPU报告，也是一组
➢ 在一定程度上实现CPU与外设之间的并行工作， 而且能实现多台外设之间的并行工作。
▲
16/104
I/O系统概述
3. DMA方式 ➢ 直接存储器访问DMA（Direct Memory Access） ➢ 在外设和主存之间开辟一条直接的数据通路，在 DMA控制器的控制下，外设能直接与主存进行 数据交换，而不必经过CPU。 ➢ DMA方式下，数据的传送速度很高。但需要更 多的硬件。
线都直接送给CPU。
优点：响应速度快。 缺点：这种模式只适合于CPU具有足够多中断请求
线的情况。而且中断源难以扩充。
➢ 各中断源的请求信号通过三态门电路汇集到一根 公共的中断请求线
▲
33/104
中断系统
➢ 在CPU外部设置一个中断控制电路，由它负责把 所有中断源发出的中断请求汇集起来，通过或门 向CPU请求中断。
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3、数组多路通道
数组多路通道把字节多路通道和选择通道的特点结 合起来。它有多个子通道，既可以执行多路通道程序， 像字节多路通道那样、所有子通道分时共享总通道；又 可以用选择通道那样的方式传送数据。
数组多路通道具有多路并行操作能力，又具有很高 的数据传送速率，赢得了吞吐率的较大提高。它的缺点 是增加了控制的复杂性。
采用通道方式组织输入输出系统，多使用主机—通道—设备控 制器— I/0设备四级连接方式。通道通过执行通道程序实施对I/O系统 的统一管理和控制，因此，它是完成输入输出操作的主要部件。在 CPU启动通道后，通道自动地去内存取出通道指令并执行指令。直到 数据交换过程结束向CPU发出中断请求，进行通道结束处理工作。
10.5 总线结构
计算机系统大多采用模块结构，一个模块就是具有专门功能 的插件板，或叫做部件、插件、插卡。例如，主机板、存储器卡、 I/O接口板等。随着集成电路集成度的提高，一块板上可安装多个模 块。各模块之间传送信息的通路称为总线。
为便于不同厂家生产的模块能灵活构成系统，形成了总线标准。一 般情况下有两类标准，即正式公布的标准和实际存在的工业标准。
正式公布的标准由IEEE （电气电子工程师学会）或CCITT（国际 电报电话咨询委员会）等国际组织正式确定和承认，并有严格的定 义。
实际的工业标准首先由某一厂家提出，而又得到其他厂家广泛使用， 这种标准可能还没有经过正式、严格的定义，也有可能经过一段时 间后提交给有关组织讨论而被确定为正式标准。在标准中对插件引 线的几何尺寸、引线数、各引线的定义、时序及电气参数等都作出 明确规定，这对于系统的设计和功能的扩充都带来了方便。
字节多路通道要求每种设备分时占用一个很短的时间片，不同 的设备在各自分得的时间片内与通道建立传输连接，实现数据的传 送。
2、选择通道（高速、独占）
选择通道每次只能从所连接的设备中选择一台I/O 设备的通道程序，此刻该通道程序独占了整个通道。当 它与主存交换完数据后，才能转去执行另一个设备的通 道程序，为另一台设备服务。因此，连接在选择通道上 的若干设备，只能依次使用通道与主存传送数据。数据 传送是以成组（数据块）方式进行，每次传送一个数据 块，因此，传送速率很高。选择通道多适合于快速设备 （磁盘），这些设备相邻字之间的传送空闲时间极短。
10.5 总线结构
总线有两类： 一类是连接计算机内部各模块的总线，如连接CPU、
存储器和I/O接口的总线。常用的有ISA总线、EISA总线、 VME总线、STD总线和PCI总线等。
另一类为系统之间或系统与外部设备之间连接的总线， 常用的有EIA—RS232C串行总线和IEEE–488并行总线等。
10.5.1 总线类型
10.4.1 I/0通道的种类
一般来说，通道应有以下具体功能： （1）根据CPU要求选择某一指定外设与系统相连，向该外设发出 操作命令，并进行初始化。 （2）指出外设读/写信息的位置以及与外设交换信息的主存缓冲 区地址。
（3）控制外设与主存之间的数据交换，并完成数据字的分拆与 装配。
（4）指定数据传送结束时的操作内容，并检查外设的状态（良 好或有故障）。
I/O通道的种类： 根据多台设备共享通道的不同情况，可将通道分为 三类：字节多路通道、选择通道和数组多路通道。
CPU
存控
主存
选择通道
磁
磁盘
盘
控
:
制
器
磁盘
:
磁
磁盘
盘
控
:
制
器
磁盘
数组多路通道
设
外设
备
控
:
制
器
外设
:
设
外设
备
控
:
制
器
外设
字节多路通道
设外设Leabharlann 备控:制
器
外设
:
设
外设
备
控
:
制
器
外设
1、字节多路通道(低速、分时)
第十章 输入输出（I／O）系统
第三讲
10.4 通道控制方式和外围处理机方式
对于高速外设的成组数据交换，采用DMA方式不仅节省了CPU开销， 而且提高了系统的吞吐能力。在小型、微型计算机中，采用程序中 断和DMA方式进行系统的I/O处理是有效的。但在大、中型计算机中， 外设配置多，数据传送频繁，如仍采用DMA方式存在下述问题：
（1）如果为数众多的外设都配置专用的DMA控制器，将大幅度增 加硬件，因而提高成本。而且要为解决众多DMA同时访问主存的冲突， 使控制复杂化.
（2）采用DMA传送方式的众多外设均直接由CPU管理控制，由CPU 进行初始化，势必会占用更多的CPU时间，而且频繁的周期挪用会降 低CPU执行程序的效率。
为避免上述弊病，在大、中型计算机系统中采用I/O通道方式进行 数据交换。
通道除了承担DMA的全部功能外，还承担了设备控制器的初始化 工作，并包括了低速外设单个字符传送的程序中断功能，因此它分 担了计算机系统中全部或大部分I/0功能，提高了计算机系统功能分 散化程度。
10.4.1 I/0通道的种类
DMA与通道的重要区别是：DMA完全借助于硬件完成 数据传送，而通道则是通过一组通道命令与硬件一起完 成数据传送。
字节多路通道（multiplexor channel）是一种简单的共享通 道，在时间分割的基础上，服务于多台低速和中速面向字符的外围 设备。
字节多路通道包括多个子通道，每个子通道服务于一个设备控 制器，可以独立地执行通直指令。每个子通道都需要有字符缓冲寄 存器、I/O请求标志/控制寄存器、主存地址寄存器和字节计数寄存器。 而所有子通道的控制部分是公共的，由所有子通道所共享。通常， 每个通道的有关指令和参量存放在主存固定单元中。当通道在逻辑 上与某一设备连通时，将这些指令和参量取出来，送入公共控制部 分的寄存器中使用。
总线的组织方法很多，基本上可分成单总线和多总线。
1、单总线 所有模块都连接到单一总线上。总线类型有地址线、
10.4.1 I/0通道的种类
I/O通道是计算机系统中代替CPU管理控制外设的独立部件，是 一种能执行有限I/O指令集合——通道命令的I/O处理机。
在通道控制方式下，一个主机可以连接几个通道。每个通道又 可连接多台I/O设备，这些设备可具有不同速度，可以是不同种类。 这种输入输出系统增强了主机与通道操作的并行能力以及各通道之 间、同一通道的各设备之间的并行操作能力。同时也为用户提供了 增减外围设备的灵活性。