第七章、输入输出系统总结

第7章输入输出系统7.1 I/O 设备一、外设的地位和作用外设是计算机系统的重要组成部分。

外设是人机对话的工具。

外设是完成数据媒体变换的装置。

外设是系统软件及信息的驻在地。

外设是计算机推广应用的桥梁。

二、外设的特点速度慢：机电混合装置，ms 级。

多样性及复杂性：涉及机电光磁声等学科，传输速率差异大，方式各不相同。

S三、外设的分类1. 人机交互设备键盘鼠标打印机显示器2. 信息驻留设备磁盘光盘磁带3. 机—机通信设备调制解调器网卡路由器四、输入设备1. 键盘2. 鼠标3. 触摸屏五、输出设备1. 显示器2. 打印机六、其他1. A/D、D/A 模拟/数字（数字/模拟）转换器2. 终端由键盘和显示器组成完成显示控制与存储键盘管理及通信控制3. 汉字处理汉字输入、汉字存储、汉字输出七、多谋体技术八、I/O 操作的特点1. 异步性2. 实时性3.IO 操作的实现与设备的无关性7.2 I/O 系统的发展1. 早期阶段：以运算器为中心，分散连接2. 接口模块和DMA 阶段：总线连接3. 具有通道结构的阶段通道是用来负责管理IO 设备以及实现主存与IO 设备之间交换信息的部件，可看作是一种具有特殊功能的处理器。

具有专用的通道指令，可以独立运行程序，但受制于CPU，是从属于CPU的一个专用处理器4. 具有I/O 处理机的阶段7.3 I/O 接口IO 接口通常是指主机与外设之间的一个硬件电路及其相应的软件控制。

而端口是指这些接口电路中的一些寄存器，包含有数据端口、控制端口和状态端口，若干个端口加上控制逻辑才能组成接口。

一、概述1. 实现设备的选择2. 实现数据缓冲达到速度匹配3. 实现数据串—并格式转换4. 实现电平转换5. 传送控制命令6. 反映设备的状态( “忙”、“就绪”、“中断请求”)二、接口的功能和组成1、总线连接方式的I/O 接口电路(1) 设备选择线(2) 数据线(3) 命令线2. 接口的功能和组成1) 、功能选址功能传送命令的功能数据转换和传送的功能注：格式转换（串并转换）和信号电平转换反映设备状态的功能2）、组成设备选择电路命令寄存器命令译码器数据缓冲寄存器设备状态标记3. I/O 接口的基本组成三、接口类型1. 按数据传送方式分类并行接口串行接口2. 按功能选择的灵活性分类可编程接口不可编程接口3. 按通用性分类通用接口专用接口4. 按数据传送控制方式分类中断接口DMA 接口7.4 I/O 系统概述I/O 控制：即对输入输出操作实行硬件和软件的控制。

I/O 系统包括：I/O 设备I/O 控制部件主存及其控制的有关部分与I/O 操作有关的软件等一、I/O 设备的特点1. 速度慢2. 多样性与复杂性二、I/O 系统的组织原则1. I/O 系统的自治控制自治控制即将功能分散化，也就是说要使输入输出功能尽可能地从CPU中分散出来，由专门的部件去完成。

2. I/O系统的分类原则①对于慢速外设，一般采用处理机定时查询方式或程序中断方式来控制数据的传送。

②对于高速外设，传送的信息量大，且单个字符之间间隔时间极短，为减少对主机的打扰，可采用DMA（直接存储器存取）方式来控制数据的传送。

③对于配备外设多、信息传输量很大的中、大、巨型机系统，则采用I/O 通道或外围处理机方式来控制数据传送。

3. I/O 系统的层次结构一般将标准的操作及控制功能放在与主存及CPU 相连的层次，而将非标准的操作及控制功能放在与设备相连的层次。

①在大、中型计算机系统中，一般采用四级层次结构的I/O 子系统，它由外设、设备控制器、I/O 通道和CPU的一部分组成。

②在小型、微型机中，一般采用CPU、接口、外设三级层次结构的I/O 子系统。

I/O 通道的基本功能：1. 从CPU接受I/O 指令，选择某一指定外设与主机相连；2.从主存选取通道命令，形成通道程序，并据此向设备控制器发送操作命令；3.对设备控制器进行初始化，指出外设读写信息的位置、与外设交换信息的主存缓冲区地址、交换的数据量；4 接收外设的状态信息，形成并保存通道的状态信息，根据需要将状态信息送往内存指定单元；5. 将外设与通道本身的中断请求按预先规定的优先顺序进行排队，并通知CPU 处理。

6.控制外设与主存之间交换数据，并完成数据字的分拆与装配，提供数据缓冲；接口的基本功能：1. 实现主机与外设之间的通信与联络控制，其中包括同步控制、设备选择、中断控制等；2. 实现数据缓冲，以达到主机与外设之间的速度匹配；3.接受主机的命令，提供设备接口的状态，并按主机的命令控制外设工作。

接口与通道的比较接口在组成上不如通道的独立性强，其管理和控制外设的功能也比通道弱。

三级子系统无论在并行性还是系统效率方面均低于四级子系统。

I/O 接口的类型：①按数据传送的宽度分：并行接口：设备与接口之间以字节或字为单位进行传送。

串行接口：设备与接口之间以位为单位进行传送，但接口与主机之间仍以字节或字并行传送。

②按数据传送的控制方式分：程序控制I/O 接口程序中断I/O 接口DMA 接口三、输入输出设备的编址设备码：即设备地址。

CPU对I/O 设备的寻址有两种方法：1. 设置专门的I/O 指令I/O 指令至少由OP 和设备码两部分组成。

OP：指明I/O 操作类型设备码：指出进行I/O 操作设备的设备号特点：I/O 设备独立编址，设备码短，硬件结构简单，但每条指令功能弱，且指令种类较多2. 利用访存指令完成I/O 功能特点：外设与内存统一编址，指令功能强，配置合理，使用灵活，但设备码长，且减少了内存使用空间，硬件结构较复杂。

四、I/O 设备数据控制方式1. I/O 控制方式的发展2. 五种I/O 控制方式(1) 程序直接控制方式完全通过程序来控制主机与外设之间的信息传送。

一般采用条件传送或称状态驱动方式。

特点：①每运行一次该程序，只能控制主机与外设交换一个单位数据，交换一批数据则要重复执行该程序段若干次。

②CPU与外设之间是串行互等的工作方式。

③诸外设只能串行工作。

④计算机系统以CPU为中心，外设与主存之间无直接数据通路，主存与外设之间的数据交换全部由CPU承担。

(2) 程序中断传送方式采用输入输出中断控制主机与外设之间的信息传送。

特点：①外设与主存交换一个数据，要向CPU提一次中断请求。

②在一定程度上实现了外设与主机的并行工作。

③诸外设可并行工作。

④系统以CPU为中心，交换一批数据的控制全部由CPU 承担。

3）DMA 方式在外设与主存之间开辟直接的数据通路，由DMAC 控制外设与主存交换一批数据。

特点：①外设与主存交换一个数据窃取一个工作周期，数据传送由DMAC 控制，它不占用CPU 的寄存器，也不破坏CPU 的工作状态，所以CPU无需保护现场。

②交换一批数据过程中，CPU与I/O 设备是并行工作的。

③系统以主存为中心，主存被并行工作的CPU和I/O 子系统所共享。

④交换信息之前，CPU 对DMAC 初始化（称前处理）。

传送结束时，CPU 处理一次中断（称后处理）。

DMA 方式与前两种方式比较1.DMA 方式通过硬件来完成对数据交换的控制，且系统以主存为中心；2. 前两种方式通过软件来实现对输入输出的控制，且系统以CPU为中心。

DMA 方式的局限性：对外设的管理与某些操作的控制仍需由CPU 承担；一类或一台外设就需要一套DMA 硬件装置。

（4） I/O 通道控制方式通道具有自己的指令系统，利用通道命令编写的通道程序和通道硬件控制部件来管理多台外设与主存交换数据。

特点：①一道通道程序只能控制一台设备与主存交换数据，一个通道中可并行执行多道通道程序，所以通过通道可同时控制多台外设并行工作。

②一道通道程序可控制一台设备与主存交换多批数据，执行多种操作。

③实现了I/O 设备与CPU、I/O 设备与I/O 设备之间的并行工作。

④系统以主存为中心。

⑤CPU启动I/O 设备工作只需进行前处理与后处理。

前处理：CPU 向通道发启动命令。

后处理：中断处理。

I/O 通道方式的局限性①I/O 传送的前处理和后处理还得由CPU 干预；②当通道出错或出现其它异常情况时，I/O 通道本身无能为力，还要通过I/O 中断由CPU 进行处理；③码制变换、格式处理、数据块的校验仍需由CPU承担；④一些I/O 的管理工作，如文件管理、设备管理等操作系统的工作，I/O 通道更是无能为力。

(5) 外围处理机方式(PPU方式) 外围处理机实质上就是一台处理机或小型通用计算机，它通过运行外围处理机程序控制外设与主存交换数据。

特点：①外围处理机具有CPU 的特征，有自己完善的指令系统，有自己独立的存储器、操作系统，可进行设备管理、文件管理和中断管理。

②它既可以完成I/O 通道所要完成的I/O 控制，又可以完成码制变换、格式处理、数据块的校验等操作。

③CPU 要使用外设时，只要向它发出调用命令后，即可返回执行原程序，交换数据的过程全部由PPU 承担。

④系统以存储器为中心。

7.5 中断1.中断的含义所谓中断是指计算机具有能停止正在执行的程序，转去处理当前出现的急需处理的事件，处理完后又能继续运行原程序的一种功能。

中断事件：程序出错，硬件故障，外设与内存交换一个数据，从控制台敲给机器一个命令，某道程序无法继续运行下去...2. 中断的作用(1) 使CPU与I/O 设备并行工作(2) 使机器具有处理应急事件的能力(3) 便于实现人机联系(4) 实现多道程序和分时操作(5) 实现实时处理(6) 实现应用程序(目态程序)和操作系统(管态程序)的联系(7) 实现多处理机系统中各处理机间的联系3. 中断的分类按中断的来源分为：1) 内中断：处理机由于内部硬件与软件原因引起的中断。

内中断分为硬件故障中断与陷阱。

硬件故障中断：包括电源掉电、内存读写校验错、运算线路校验错、数据通路校验错以及其它硬件故障。

陷阱：由于程序本身运行的原因而引起的中断。

如：非法OP、溢出、除数为0、用户程序执行特权指令等。

这种中断与程序是同步的。

2) 外中断：来自处理机外部的中断。

如：I/O 中断、操作控制台中断、定时器中断、外部信号中断等。

这种中断与程序是异步的。

4. 中断的建立与判优1）中断的建立中断源：指任何引起中断的事件，即发出中断请求的来源。

中断触发器：对每一个中断源设置一个触发器，以记录中断事件是否发生。

当有中断发生时，把中断触发器置“ 1”中断寄存器：全机的多个中断触发器的集合。

中断字（中断码）：中断寄存器的内容。

2）中断优先权与中断级优先权：指有多个中断同时发生时，对中断响应的优先次序。

中断级：把所有的中断源按不同的类别分成若干级，称为中断级。

主优先级：即中断级，也就是不同类别中断的级别。

次优先级：同一主优先级内的不同中断源的级别。