第10章 输入输出IO系统 计算机组成原理课程授课教案课件

计算机组成原理(本 全)课件
目录
CONTENTS
• 计算机系统概述 • 中央处理器(CPU) • 存储器系统 • 输入输出(I/O)系统 • 计算机的体系结构 • 计算机的软件系统
01 计算机系统概述
计算机的发展历程
第一代计算机
电子管计算机，20世纪40年代 中期至50年代末期，主要用于
军事和科学研究领域。
CPU每个时钟周期执行的指令数，是 衡量CPU性能的重要指标。
03 存储器系统
存储器的分类和作用
分类
根据存储器的功能和位置，可以分为内存和外存两大类。内存是计算机内部存储器，用 于存放运算数据和程序代码；外存则是计算机外部存储器，用于长期保存大量数据和程
序。
作用
存储器是计算机的重要组成部分，它负责存储程序运行过程中所需的数据、指令等信息 ，使得CPU能够快速、准确地读取和写入数据，从而完成程序的执行。
软件系统
包括系统软件和应用软件两大类。
操作系统
是计算机的软件系统中最基本、最重要的部分，负责 管理和调度计算机的软硬件资源。
计算机的工作原理
二进制数制
计算机内部采用二进制数制进行运算和存储。
指令和程序
计算机按照程序中预定的指令序列进行自动执 行。
存储程序原理
将程序和数据存储在计算机内部，根据指令从存储器中取出数据和指令进行运 算和传输。
内存的工作原理和组织结构
工作原理
内存由多个存储单元组成，每个单元可以存储一个二进制数 。当CPU需要读取或写入数据时，会通过地址总线发送地址 信号，内存控制器根据地址信号找到对应的存储单元，完成 数据的读取或写入操作。
组织结构
内存的组织结构通常采用线性编址方式，即将内存单元按照 一定顺序排列，每个单元都有一个唯一的地址。内存的容量 大小由地址总线的位数决定，地址总线位数越多，可访问的 内存单元数量就越多。

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。

内部中断：你正在吃饭，这时碗里的饭没有了，你要去盛饭，盛 了饭回来继续吃，在这里吃饭依然是你目前正在处理的一个程序， 碗里的饭没有了相当于是一个中断，这个中断是由你吃饭引起了， 相当于系统中的标志位溢出；
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4. 向量与非向量中断
中断向量是指向量中断在中断事件在提出 中断请求时，通过硬件向主机提供的中断向 量地址。中断向量由中断源的有关硬件电路 殊功能的处理器，
它能独立地执行通道程序，产生相应的 控制信号，实现对外设的统一管理和外 设与主存间的数据传送。
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但它不是一个独立的处理器，需要
在CPU的I/O指令的指挥下才能启动、停
止和改变工作状态，其运行的程序一般
也放在CPU程序存储空间中。
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4. I/O处理机方式 I/O处理也叫外围处理机，I/O处理机
划出地址给I/O端口，优点类型多，功能 全，缺点使存储器的可用地址空间变小。
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2. I/O独立编址
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输人输出设备的控制 1. 程序控制
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（1）无条件传送方式
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（2）条件控制方式
条件控制方式又称为程序查询方式。 在这种方式中，计算机的主机在与外设 传送信息时需先检查外设的或主机的工 作状态。
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3. 内部中断和外部中断:
外部中断是指外部有中断源时执行相应的中断程序，主要是指 INT0,INT1,通讯中断；内部中断主要是指定时器/计数器中断， 装栈溢出后置位相关特殊寄存器来执行中断；
举一个例子，外部中断：你在吃饭，这时候电话响了，你暂时放 下餐具去接听电话在这里吃饭是你目前正在执行的程序，电话响 了，是一个中断源，他是随机的，不定时发生，接完电话（处理 完中断事件）你回来继续吃，（继续执行中断点没有做处理完的 程序）

就绪 从I/O模块
读取字
I/O->CPU
行工作，系统效率 低。
CPU在一个时间内 只能和一个外设交 换信息。
向存储器 写入字
N
结束？
下一指Y 令
CPU->存储器
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程序中断传送方式
❖ 程序中断传送(program interrupt transfer)方式
通常在程序中安排一条指令,发出START信号启动外围设 备,然后主机继续执行程序。当外围设备完成数据传送的 准备后,便向CPU发“中断请求”(INT)信号。CPU接到 请求后若可以停止正在运行的程序,则在一条指令执行完 后转去执行“中断服务程序”,完成传送数据工作,通常传 送一个字或一个字节。 传送完毕仍然返回原来的程序。 因此,在一定程度上实现了CPU和外围设备的并行工作。
但对于一些工作频率较高的外设,例如,磁盘,磁带等,数据 交换是成批的,且单位数据之间的时间间隔较短,如果也采 用程序中断方式,将可能造成信息丢失。
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直接存储器存取(DMA)方式
❖ 直接存储器存取(direct memory access)方式
基本思想是在外围设备和主存之间开辟直接的数据传送 通路。在正常工作时,所有工作周期均用于执行CPU的程 序。当外围设备完成输入或输出数据的准备工作后,占用 总线一个工作周期,和主存直接交换数据。这个周期过 后,CPU又继续控制总线执行原程序。如此重复,直到整个 数据块的数据传送完毕。 这项工作是由I/O系统中增设的 DMA控制器完成的,由它给出每次传送数据的主存地址,并 统计已传送数据的个数以确定是否传送结束。除了在数 据块传送的起始和结束时需用中断分别进行前处理和后 处理外,无需CPU的频繁干预。主存储器被并行工作的 CPU和I/O子系统所共享。

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

I/O设备的分类
按数据传输方式可分为字符设备和块设备；按设备 共享属性可分为独占设备和共享设备。
I/O接口与I/O设备的连 接方式
包括并行接口和串行接口，其中并行接口传 输速度快，但传输距离短，而串行接口传输 速度慢，但传输距离长。
I/O控制方式与中断技术
I/O控制方式
包括程序查询方式、中断方式和DMA方式。程序查询方 式需要CPU不断查询I/O设备的状态，效率低下；中断方 式可以在I/O设备准备好数据后主动通知CPU，提高了 CPU的利用率；DMA方式则允许I/O设备与内存直接交 换数据，进一步提高了数据传输效率。
计算机的发展
计算机经历了从电子管、晶体管、集成电路到超大规模集成 电路等多个发展阶段，性能和体积不断得到优化和改进。目 前，计算机已广泛应用于各个领域，成为现代社会不可或缺 的工具。
计算机系统的组成
要点一
硬件系统
计算机硬件是计算机系统的物质基础，包括中央处理器、 内存储器、外存储器、输入设备和输出设备等部分。其中 ，中央处理器是计算机的核心部件，负责解释和执行指令 ；内存储器用于暂时存储数据和程序；外存储器用于长期 保存数据和程序；输入设备用于将数据和信息输入到计算 机中；输出设备则将计算机处理结果以人们能够识别的形 式输出。
人们日常生活中最为熟悉的数制，每一位上的数码都是 0~9之间的数字。
十六进制表示法
在二进制基础上发展起来的一种数制，每一位上的数码由 0-9和A-F（对应十进制中的10-15）组成，常用于表示内 存地址和机器码等信息。
数的定点表示与浮点表示
定点表示法
小数点固定在某一位置的数制表示方 法，包括定点整数和定点小数，适用 于表示范围较小的数值。
总线技术

2013-8-6 计算机组成原理 17
I/O 中断的产生
执行主程序
以打印机为例
CPU 与打印机并行工作
继续执行主程序 中 断 返 回 传送 数据 发 中 断 请 求 接收 数据
计算机组成原理
继续执行主程序 响 应 中 断 启动 打印机 准备
CPU
响 应 中 断 传送 数据
中 断 返 回
打印
打印机
空闲
2013-8-6 计算机组成原理 13
三种方式的 CPU 工作效率比较
程序 查询 方式 CPU 执行 现行程序 CPU查询等待并传输I/O数据 I/O 准备及传送 间 断 CPU 执行现行程序 CPU 执行 现行程序
启动I/O
程序 中断 方式
CPU 执行现行程序 指令执行周期结束 启动I/O 中断请求 I/O准备 一个存取周期 CPU 执行现行程序 存取周期结束 启动I/O DMA请求 I/O准备
第10章 输入、输出(I/O)系统
2013-8-6
计算机组成原理
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10.1 输入输出（I／O）系统概述
• 输入输出系统包括外部设备（输入输出 设备和辅助存储器）及其与主机（CPU和 存储器）之间的控制部件。后者称之为设 备控制器，诸如磁盘控制器、打印机控制 器等，有时也称为设备适配器或接口，其 作用是控制并实现主机与外部设备之间的 数据传送。本章主要介绍设备控制器的工 作原理及其与主机之间传送数据的协议， 即系统总线。
2013-8-6
发 中 断 请 求 接收 数据
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10.2.1 中断的概念
1.
• •
中断源
•
• •
在机器中引起中断产生的事件或发生中断请求的来 源统称为中断源。 硬件中断 是指由某个硬件中断请求信号引起的中 断 ，硬件中断通过是中断请求信号形成向量地址。向 量地址是中断服务程序入口地址的地址。 软中断 是指由软中断指令所引起的中断，软中断 由指令提供中断号n，再转换为向量地址。 强迫中断 是指由于故障、外部请求等所引起的强 迫性中断，非程序本身安排的，这种请求的提出和相应 的服务处理都是随机的。 自愿中断即软中断 这是程序有意安排的，即以事先 在程序某处设置断点，以中断方式引出服务程序，实现 某种功能。如单步调试程序。 2013-8-6 19 计算机组成原理

需要更多硬件
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通道方式
DMA方式的进一步发展，数据的传送方向、内存起始地址及传送的数据块长度等都由 独立于CPU的通道来进行控制，可进一步减少CPU的干预。 通道是一个具有特殊功能的处理器IOP 分担CPU的I/O 处理的功能 可实现外设的统一管理和DMA操作 大大提高CPU效率，更多的硬件
适合随机出现的服务 需要专门的硬件
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直接内存访问DMA方式
中断方式用中断服务子程序完成数据交换
效率较低
一次中断仅传输少量数据，CPU开销大
不适合于成组数据交换
DMA用于成组交换数据的场合 硬件执行I/O交换
准备阶段和结束阶段需要占用CPU 传输阶段DMAC从CPU接管总线，直接在内存及外设之间进行，节约了中断开销
设备就绪 定时到 唤醒P1
用户进程P2
中断服务 P2 查询状态
进程调度 用户进程P1 实际传输
设备
设备准备数据
定时查询
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中断控制方式
用户程序 CPU
启动设备 发送命令参数
设备就绪 轮询等待(busy-waiting) 实际传输
设备
设备准备数据
用户程序 独占查询
read wait(设备就绪) 系统调用 P1进等待队列
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外围设备的定时方式
外围设备种类繁多，不同设备在速度上差异甚远，信号格式也不尽相同， 如何将不同速度的设备与高速运转的主机相连？如何同步?
输入输出设备与CPU交换数据的基本过程
输入过程 输出过程
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输入输出过程
输入过程
CPU将一个地址放在地址总线上，选择设备 CPU等候输入设备的数据成为有效 CPU从数据总线读入数据
存操作数
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