计算机组成原理第8章输入输出 系统 计算机组成原理第8章计算机的输入输出系统是整个计算 机系统中最具有多样性和复杂性的部 分，本章首先介绍主机与外设之间的 连接问题，接着重点介绍程序查询方 式、程序中断方式、DMA方式和通道 方式。计算机组成原理8.1 主机与外设的连接8.1.1 输输入输输出接口主机和外设的连接方式有辐射型连接 、总线型连接等。输入/输出接口（I/O接 口）是主机和外设之间的交接界面，通过 接口可以实现主机和外设之间的信息交换 。主机和外设各自具有自己的工作特点 ，它们在信息形式和工作速度上具有很大 的差异，接口正是为了解决这些差异而设 置的。 计算机组成原理8.1 主机与外设的连接主机和外设设之间间需要交换换的信息有： 1. 数据信息这类这类 信息可以是通过输过输 入设备设备 送到计计 算机的输输入数据，也可以是经过计经过计 算机运 算处处理和加工后，送到输输出设备设备 的结结果数 据。传传送可以是并行的，也可以是串行的 。 2. 控制信息这这是CPU对对外设设的控制信息或管理命 令，如外设设的启动动和停止控制、 输输入或输输 出操作的指定、工作方式的选择选择 、中断功 能的允许许和禁止等。计算机组成原理8.1 主机与外设的连接3. 状态态信息这类这类 信息用来标标志外设设的工作状态态， 比如，输输入设备设备 数据准备备好标标志，输输出设设 备备忙闲标闲标 志等。CPU在必要时时可通过对过对 它 的查询查询 来决定下一步的操作。 4. 联络联络 信息这这是主机和外设间设间 工作的时间时间 配合信 息，它与主机和外设间设间 的信息交换换方式密 切相关。通过联络过联络 信息可以决定不同工作 速度的外设设和主机之间间交换换信息的最佳时时 刻，以保证证整个计计算机系统统能统统一协调协调 地 工作。计算机组成原理8.1 主机与外设的连接5. 外设识别设识别 信息这这是I/O寻寻址的信息，使CPU能从众 多的外设设中寻寻找出与自己进进行信息交换换 的唯一外部设备。计算机组成原理8.1 主机与外设的连接8.1.2 接口的功能和基本组成1. 接口的功能(1) 实现主机和外设的通信联络控制接口中的同步控制电路用来解决主机 与外设的时间配合问题。 (2) 进行地址译码和设备选择当CPU送来选择外设的地址码后，接 口必须对地址进行译码以产生设备选择信 息，使主机能和指定外设交换信息。计算机组成原理8.1 主机与外设的连接(3) 实现数据缓冲在接口电路中，一般设置有一个或几 个数据缓冲寄存器，用于数据的暂存，以 避免因速度不一致而丢失数据。在传送过 程中，先将数据送入数据缓冲寄存器中， 然后再送到输出设备或主机中去。 (4) 数据格式的变换在输入或输出操作过程中，为了满足 主机或外设的各自要求，接口电路中必须 具有完成各类数据相互转换的功能。计算机组成原理8.1 主机与外设的连接(5) 传递控制命令和状态信息当CPU要启动某一外设时，通过接口 中的控制命令寄存器向外设发出启动命令 ；当外设准备就绪时，则有状态信息送回 接口中的状态寄存器，为CPU 提供反馈信 息，告诉CPU，I/O设备已经具备和CPU交 换数据的条件。当外设向CPU提出中断请 求和DMA请求时，CPU也有相应的响应信 号反馈给外设。计算机组成原理8.1 主机与外设的连接2. 接口的基本组成接口中要分别传送数据信息、控制信 息和状态信息，数据信息、控制信息和状 态信息都通过数据总线来传送。大多数计 算机都把I/O设备的状态信息视为输入数据 ，而把控制信息看成输出数据，并在接口 中分设各自相应的寄存器，赋以不同的端 口地址，各种信息分时地使用数据总线传 送到各自的寄存器中。计算机组成原理8.1 主机与外设的连接主 机外设识别数据/命令/状态控制电路地址信息控制联络 信息数据(并)外设控制联络数据 (并/串)接口计算机组成原理8.1 主机与外设的连接接口与端口是两个不同的概念。端口 是指接口电路中可以进行读/写的寄存器， 若干个端口加上相应的控制逻辑电路才组 成接口。计算机组成原理8.1 主机与外设的连接通常，一个接口中包含有数据端口、 控制端口和状态端口。存放数据信息的寄 存器称为数据端口，存放控制命令的端口 称为命令端口，存放状态信息的寄存器称 为状态端口。CPU通过输入指令可以从有 关端口中读出信息，通过输出指令可以把 信息写入有关端口。对状态端口只进行输 入操作，将设备状态标志送到CPU 中去； 对命令端口只进行输出操作，CPU将向外 设发送各种控制命令。因此，在有的接口 电路中状态信息和控制信息共用一个寄存 器，称之为设备的控制状态寄存器。 计算机组成原理8.1 主机与外设的连接3. 接口的类类型 (1) 按数据传传送方式分类类有串行接口和并行接口。这里所说的 数据传送方式指的是外设和接口一侧的传 送方式，而在主机和接口一侧，数据总是 并行传送的。 (2) 按主机访问访问 I/O设备设备 的控制方式分类类可分为为程序查询查询 式接口、中断接口、 DMA接口等。 (3) 按功能选择选择 的灵活性分类类有可编编程接口和不可编编程接口。计算机组成原理8.1 主机与外设的连接(4) 按通用性分类类有通用接口和专专用接口。 (5) 按输输入/输输出的信号分类类有数字接口和模拟接口。 (6).按应用来分类 运行辅助接口。 用户交互接口。 传感接口。 控制接口。计算机组成原理8.1 主机与外设的连接8.1.3 外设的识别与端口寻址外设识别是通过地址总线和接口电路 中的外设识别电路来实现的，I/O端口地址 就是主机与外设直接通信的地址，CPU可 以通过端口发送命令、读取状态和传送数 据。 1.端口地址编编址方式I/O端口编址方式有两种：一种是I/O 映射方式，即把I/O端口地址与主存单元地 址分别进行独立的编址；另一种是存储器 映射方式，即把端口地址与主存单元地址 统一编址。计算机组成原理8.1 主机与外设的连接(1) 独立编址主存地址空间和I/O端口地址空间是相 对独立的，分别单独编址。比如，在8086 中，其主存地址范围是从00000H FFFFFH连续的1MB，其I/O端口的地址范 围从0000HFFFFH，它们互相独立，互 不影响。CPU访问主存时，由主存读/写控 制线控制；访问外设时，由I/O读/写控制线 控制，所以在指令系统中必须设置专门的 I/O指令。当CPU使用I/O指令时，其指令 的地址字段直接或间接的指示出端口地址 。计算机组成原理8.1 主机与外设的连接(2) 统一编址I/O端口地址和主存单元的地址是统 一编址的，把I/O接口中的端口作为主存单 元一样进行访问，不设置专门的I/O指令。每个外设至少有两个寄存器：控制状 态寄存器和数据缓冲寄存器，外设寄存器 的地址码是连续的。在PDP-11中，把主存 的高4KB地址空间留给外设接口寄存器和 CPU内部寄存器使用，这4KB存储空间不 允许用户再存放其他内容。 计算机组成原理8.1 主机与外设的连接2.独立编址方式的端口访问 Intel 80x86最多可直接寻寻址256个字 节节端口，可间间接寻寻址65536 个字节端口。任意两个连续的8位端口可作为16位 端口处理；四个连续的8位端口可作为32 位端口处理。因此，I/O地址空间最多能 提供64K个8位端口、32K个16位端口、 16K个32位端口或总容量不超过64KB的不 同端口的组合。计算机组成原理8.1 主机与外设的连接80x86的专用I/O指令IN和OUT有直接 寻址和间接寻址两种类型。直接寻址I/O端 口的寻址范围为00FFH，至多为256个端 口地址。这时程序可以指定：编号0到255的256个8位端口；编号0、2、4 252、254的128个16 位端口；编号0、4、8 248、252的64个32位 端口。计算机组成原理8.1 主机与外设的连接间接寻址由DX寄存器间接给出I/O端 口地址。DX寄存器长16位，寻址范围为 0000FFFFH，最多可寻址216=64K个端 口地址，这时程序可指定：编号0到65535的65536个8位端口；编号0、2、4 65532、65534的 32768个16位端口；编号0、4、8 65528、65532的 16384个32位端口。计算机组成原理8.1 主机与外设的连接CPU一次可实现字节（8位）、字（ 16位）或双字（32位）的数据传送，与存 储器中的双字一样。32位端口应对准可被 4整除的偶地址，与存储器中的字一样， 16位端口应对准偶地址，8位端口可定位 在偶地址，也可定位在奇地址。计算机组成原理 8.1 主机与外设的连接8.1.4 输入/输出信息传送控制方式主机和外设之间的信息传送控制方式 ，经历了由低级到高级、由简单到复杂、 由集中管理到各部件分散管理的发展过程 ，按其发展的先后次序和主机与外设并行 工作的程度，可以分为四种。计算机组成原理 8.1 主机与外设的连接1. 程序查询方式程序查询方式是一种程序直接控制方 式，这是主机与外设间进行信息交换的最 简单方式，输入和输出完全是通过CPU执 行程序来完成的。这种方式控制简单，但外设和主机不 能同时工作，各外设之间也不能同时工作 ，系统效率很低，因此，仅适用于外设的 数目不多，对I/O处理的实时要求不那么高 ，CPU的操作任务比较单一，并不很忙的 情况。计算机组成原理8.1 主机与外设的连接2. 程序中断方式外设在作好输入/输出准备时，向主机 发中断请求，主机接到请求后就暂时中止 原来执行的程序，转去执行中断服务程序 对外部请求进行处理，在中断处理完毕后 返回原来的程序继续执行。程序中断不仅允许主机和外设同时并 行工作，并且允许一台主机管理多台外设 。但是完成一次程序中断需要许多辅助操 作，可能使CPU应接不暇；对于一些高速 外设，可能会造成信息丢失，因此，它主 要适用于中、低速外设。 计算机组成原理8.1 主机与外设的连接3. 直接存储器存取（DMA）方式DMA方式是在主存储器和外部设备之 间开辟直接的数据通路，可以进行基本上 不需要CPU介入的主存和外设之间的信息 传送，这样不仅能保证CPU的高效率，而 且能满足高速外设的需要。DMA方式只能进行简单的数据传送操 作，在数据块传送的起始和结束时还需 CPU及中断系统进行预处理和后处理。 计算机组成原理8.1 主机与外设的连接4. I/O通道控制方式通道是一个具有特殊功能的处理器， 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 主存之间的数据传送。但它不是一个完全 独立的处理机，它要在CPU的I/O指令指挥 下才能启动、停止或改变工作状态，是从 属于CPU的一个专用处理器。一个通道执行输入/输出过程全部由通 道按照通道程序自行处理，不论交换信息 多少，只打扰CPU两次（启动和停止时） 。 计算机组成原理8.2 程序查询方式及其接口8.2.1 程序查询方式 1. 程序查询的基本思想由CPU执行一段输入、输出程序来实 现主存与外设之间的数据传送方式，叫做 程序直接控制方式。根据外设的不同性质 ，这种传送方式又可分为无条件传送和程 序查询方式两种。在无条件传送方式中，I/O接口总是准 备好接收主机的输出数据，或总是准备好 向主机输入的数据，因而CPU无需查询外 设的工作状态，而默认外设始终处于准备 就绪状态。计算机组成原理8.2 程序查询方式及其接口 许多外设的工作状态是很难事先预知 的，为了保证数据传送的正确进行，就要 求CPU在程序中查询外设的工作状态，如 果外设尚未准备就绪，CPU就等待，只有 外设已作好准备，CPU才能执行I/O指令 ，这就是程序查询方式。计算机组成原理8.2 程序查询方式及其接口2. 程序查询查询 方式的工作流程 (1) 预预置传传送参数在传传送数据之前，由CPU执执行一段 程序，预预置传传送参数。传