华东师范大学_计算机组成原理8

1、9 外设与输入输出系统外设与输入输出系统 9 外设与输入输出系统外设与输入输出系统 9.1 9.1 外围设备概述外围设备概述 9.2 9.2 外存储器设备外存储器设备 9.3 9.3 外围设备的定时方式与信息交换外围设备的定时方式与信息交换 方式方式 9 9. .4 4 程序查询方式和程序中断方式程序查询方式和程序中断方式 9 9. .5 5 DMADMA方式方式 9 9. .6 6 通道方式通道方式 9 外设与输入输出系统外设与输入输出系统 9.1 9.1 外围设备概述外围设备概述 9.1 9.1 外围设备概述外围设备概述 输入输出系统（输入输出系统（I/OI/O系统）是主机与外设传输系统）

2、是主机与外设传输 数据的机构，包括：数据的机构，包括： I/O I/O设备设备 I/O I/O接口接口 有关软件有关软件 图图8-18-1 系统的可扩展性、兼容性和性能价格比都和系统的可扩展性、兼容性和性能价格比都和 I/OI/O系统有密切关系系统有密切关系 9.1 9.1 外围设备概述外围设备概述 一、概述一、概述 外围设备外围设备(简称外设简称外设)，是输入输出设备的总，是输入输出设备的总 称。外围设备的功能是在计算机和其他机器称。外围设备的功能是在计算机和其他机器 之间，以及计算机与用户之间提供联系。之间，以及计算机与用户之间提供联系。 一、概述一、概述 输入设备功能输入设备功能 图图8

3、-28-2 将人们要求计算机处理的各种形式的信息将人们要求计算机处理的各种形式的信息 转换成计算机可接受的编码形式存入存储转换成计算机可接受的编码形式存入存储 器。器。 输出设备功能输出设备功能 将计算机处理后的信息以人们希望的形式将计算机处理后的信息以人们希望的形式 表现出来。表现出来。 一、概述一、概述 一般说来，外围设备由三个基本部分组成：一般说来，外围设备由三个基本部分组成： 存储介质：具有保存信息的物理特征存储介质：具有保存信息的物理特征 驱动装置：用于移动存储介质驱动装置：用于移动存储介质 控制电路：向存储介质发送数据或从存储控制电路：向存储介质发送数据或从存储 介质接受数据介质接

4、受数据 一、概述一、概述 特性：特性： 行为：输入行为：输入( (只读只读) )、输出、输出( (只写，不能被只写，不能被 读），或存储（可被重读和重写）读），或存储（可被重读和重写） 连接端：连接界面是人或是机器，是输入连接端：连接界面是人或是机器，是输入 数据还是输出数据数据还是输出数据 数据速率：传输的峰值数据（反映设备能数据速率：传输的峰值数据（反映设备能 产生的最大需求产生的最大需求 一、概述一、概述 I/OI/O性能测评：性能测评： I/O I/O性能测评取决于具体应用，例：吞吐量、性能测评取决于具体应用，例：吞吐量、 I/OI/O带宽、响应时间、可靠性、成本等。带宽、响应时间、可

5、靠性、成本等。 两种测试两种测试I/OI/O带宽的方法带宽的方法( (根据实际工作环境根据实际工作环境) )： 在某一时间内能从系统中传出多少数据？在某一时间内能从系统中传出多少数据？ 在每个单位时间内能做多少在每个单位时间内能做多少I/OI/O操作？操作？ 一、概述一、概述 响应时间：响应时间： 当当I/OI/O请求非常多时，响应时间严重依赖于请求非常多时，响应时间严重依赖于 带宽。大多数应用要求同时具备高吞吐量和快带宽。大多数应用要求同时具备高吞吐量和快 速响应时间。速响应时间。 一般来说，台式机和嵌入式系统更注重响一般来说，台式机和嵌入式系统更注重响 应时间和应时间和I/OI/O设备的多

6、样性；而服务器系统更关设备的多样性；而服务器系统更关 心吞吐量和心吞吐量和I/OI/O设备的可扩展性。设备的可扩展性。 9.1 9.1 外围设备概述外围设备概述 二、外围设备简介二、外围设备简介 图图8-28-2 输入设备输入设备键盘、光笔、鼠标器、语音键盘、光笔、鼠标器、语音 输入器、扫描仪、触摸屏、输入器、扫描仪、触摸屏、 图像输入设备等；图像输入设备等； 输出设备输出设备显示设备、打印机、音箱、显示设备、打印机、音箱、 绘图仪等；绘图仪等； 外存设备外存设备磁盘、磁带、光盘、优盘等磁盘、磁带、光盘、优盘等 数据通信设备数据通信设备 过程控制设备过程控制设备 二、外围设备简介二、外围设备简

7、介 1. 鼠标器 鼠标是一种手持的定位部件，输入的是一个相对 坐标 机电式：用一个球在物体表面滚动，以改变x、y 计数器值，计数器的增减量表示鼠标移 动的距离 光电式：LED照亮鼠标下面的区域，摄像头对照 亮的区域每秒采样1500次，图象传送到 简单的光处理器，确定鼠标是否移动和 移动的距离 二、外围设备简介二、外围设备简介 2. 2. 显示器显示器 光栅阴极射线管显示器（光栅阴极射线管显示器（CRTCRT） 平板或液晶显示器（平板或液晶显示器（LCDLCD） 相关概念相关概念 分辨率分辨率 分辨率指显示器所能表示的像素个数，分辨率指显示器所能表示的像素个数， 像素越密，分辨率越高，图像越清晰

8、。像素越密，分辨率越高，图像越清晰。 例：例： 512512340340 1280 1280768768 1920 192012801280 2. 2. 显示器显示器 灰度级灰度级 灰度级指黑白显示器中所显示的像素点的灰度级指黑白显示器中所显示的像素点的 亮暗差别，在彩色显示器中则表现为颜色亮暗差别，在彩色显示器中则表现为颜色 的不同。灰度级越多，图像层次越清楚逼的不同。灰度级越多，图像层次越清楚逼 真。真。 例：例：256256色，每个像素需要色，每个像素需要8 8位表示颜色，位表示颜色， 三原色就需三原色就需2424位位 2.2.显示器显示器 光栅刷新缓冲器（帧缓冲器）光栅刷新缓冲器（帧缓

9、冲器） 用来存放显示图案的位图，用来存放显示图案的位图，提供电子束不断提供电子束不断 重复扫描屏幕，以保证稳定的图像显示。重复扫描屏幕，以保证稳定的图像显示。 刷新缓冲器的存取周期必须满足刷新频率的刷新缓冲器的存取周期必须满足刷新频率的 要求，所以需由要求，所以需由高速高速DRAMDRAM组成。组成。 刷新缓冲器的刷新缓冲器的存储容量由图像分辨率和灰度存储容量由图像分辨率和灰度 级决定。级决定。分辨率越高，灰度级越多，刷新存分辨率越高，灰度级越多，刷新存 储器的容量越大。储器的容量越大。 P10P10图图1-71-7 2. 2. 显示器显示器 扫描频率扫描频率 每次扫描一幅图像的一行，每次扫描

10、一幅图像的一行，一般刷新频率一般刷新频率 应大于应大于30次次/秒，人眼才不会感到闪烁，所秒，人眼才不会感到闪烁，所 以扫描频率为以扫描频率为每秒每秒30307575次。次。 2. 2. 显示器显示器 显示标准显示标准 不同的显示标准所支持的最大分辨率和颜色不同的显示标准所支持的最大分辨率和颜色 数目是不同的。数目是不同的。 VGAVGA扩展集扩展集Super VGASuper VGA，除兼容了传统的，除兼容了传统的 MDAMDA、CGACGA、EGAEGA、VGAVGA的显示方式外，还支持的显示方式外，还支持 1280128010241024分辨率，分辨率，2424位颜色，刷新频率可位颜色，

11、刷新频率可 达达7575MHzMHz。 增加了图形加速器硬件的接口称为增加了图形加速器硬件的接口称为AVGAAVGA。 2. 2. 显示器显示器 例例1 1）刷新缓冲器的重要性能指标是它的带宽，）刷新缓冲器的重要性能指标是它的带宽， 实际工作时显示适配器的几个功能部分均要实际工作时显示适配器的几个功能部分均要 争用刷存的带宽。设总带宽的争用刷存的带宽。设总带宽的50%50%用于刷新用于刷新 屏幕，保留屏幕，保留50%50%带宽用于其他部分的操作。带宽用于其他部分的操作。 （1 1）若显示工作方式为：若显示工作方式为： 分辨率：分辨率：10241024768768；颜色深度：；颜色深度：3 3B

12、 B； 帧频（刷新速率）：帧频（刷新速率）：7272HzHz 计算刷存总带宽应为多少？计算刷存总带宽应为多少？ （2 2）为达到这样高的刷存带宽，应采取何种）为达到这样高的刷存带宽，应采取何种 措施？措施？ 例例1） 解解：（：（1 1） 刷新所需带宽刷新所需带宽= =分辨率每个像素点颜色深度分辨率每个像素点颜色深度 刷新速率刷新速率 102410247687683 3B B72/72/s=165888KB/s=162MB/ss=165888KB/s=162MB/s 刷存总带宽应为刷存总带宽应为162162MB/sMB/s100/50=324100/50=324MB/sMB/s 9 外设与输入

13、输出系统外设与输入输出系统 9.1 9.1 外围设备概述外围设备概述 9.2 9.2 外存储器设备外存储器设备 9.2 9.2 外存储器设备外存储器设备 一、一、 磁记录原理与记录方式磁记录原理与记录方式 计算机的外存储器可使用磁表面存储设备计算机的外存储器可使用磁表面存储设备 所谓所谓“磁表面存储磁表面存储”，是用某些磁性材料，是用某些磁性材料 薄薄 薄地涂在金属铝或塑料表面，以作为载磁薄地涂在金属铝或塑料表面，以作为载磁 体来存储信息的。体来存储信息的。 一、磁记录原理与记录方式一、磁记录原理与记录方式 1 1磁表面存储器的优点：磁表面存储器的优点： 存储容量大，位价格低；存储容量大，位价

14、格低； 记录介质可以重复使用；记录介质可以重复使用； 记录信息可以长期保存而不丢失，并可记录信息可以长期保存而不丢失，并可 脱机存档；脱机存档； 非破坏性读出，读出时不需要再生信息非破坏性读出，读出时不需要再生信息 磁表面存储器的缺点：磁表面存储器的缺点： 存取速度较慢；存取速度较慢； 机械结构复杂；机械结构复杂； 对工作环境要求较高。对工作环境要求较高。 一、磁记录原理与记录方式一、磁记录原理与记录方式 2 2磁记录原理：利用磁性材料的磁滞回线记磁记录原理：利用磁性材料的磁滞回线记 录二进制信息。录二进制信息。 1 1 1 0 0 0 数 据 序 列 R Z N R Z 0 N R Z 1

15、P M F M M F M 记录方式：记录方式： P253P253 归零制（归零制（RZRZ） 不归零制（不归零制（NRZ0NRZ0） 1 1就翻不归零制（就翻不归零制（NRZ1NRZ1） 调相制（调相制（PMPM） 调频制（调频制（FMFM） 改进调频制（改进调频制（MFMMFM） 密度高，密度高， 可用于双可用于双 密度磁盘密度磁盘 存储器存储器 2磁记录原理：磁记录原理： 评价标准：评价标准： 编码效率编码效率指位密度与最大磁化翻转密度指位密度与最大磁化翻转密度 之比；之比； 自同步能力自同步能力最小磁化翻转间隔与最大磁最小磁化翻转间隔与最大磁 化翻转间隔的比值（化翻转间隔的比值（R R

16、），），R R 越大，自同步能力越高；越大，自同步能力越高； 检读分辨率检读分辨率指磁记录系统对读出信号的指磁记录系统对读出信号的 分辨能力；分辨能力； 信息相关性信息相关性指漏读或错读一位是否会导指漏读或错读一位是否会导 致传播误码，是衡量精度的致传播误码，是衡量精度的 标准。标准。 9.2 9.2 外存储器设备外存储器设备 二、硬磁盘存储设备二、硬磁盘存储设备 图图8-38-3 1 1种类种类 可移动磁头固定盘片的磁盘机；可移动磁头固定盘片的磁盘机； 固定磁头磁盘机；固定磁头磁盘机； 可移动磁头可换盘片的磁盘机；可移动磁头可换盘片的磁盘机； 温彻斯特磁盘机（简称温盘）温彻斯特磁盘机（简称温

17、盘） 为可移动磁头固定盘片的磁盘机，采用为可移动磁头固定盘片的磁盘机，采用 密封组合的方式，将磁头、盘片、电机密封组合的方式，将磁头、盘片、电机 等驱动部件，乃至读写电路都组装成一等驱动部件，乃至读写电路都组装成一 个整体，是最具代表性的硬磁盘存储器。个整体，是最具代表性的硬磁盘存储器。 二、硬磁盘存储设备二、硬磁盘存储设备 2 2磁盘控制器磁盘控制器 磁盘控制器是主机与磁盘驱动器之间的接口，磁盘控制器是主机与磁盘驱动器之间的接口， 如图所示：如图所示： SCSI接接口口 ESDI接接口口 ST506接接口口 格式 控制 写放 大器 读放 大器 时钟 产生 数据 译码 数据 编码 串并 转换

18、并串 转换 数据 缓存 DMA 控制 A B C 数据分离器 硬盘数据控制器 控制器与驱动器界面划分有多种方式，构成了不同接口标准控制器与驱动器界面划分有多种方式，构成了不同接口标准 ST506ST506接口接口磁盘驱动器磁盘驱动器 只完成读写，其余工作都由只完成读写，其余工作都由 磁盘控制器完成磁盘控制器完成 ESDIESDI接口接口磁盘驱动器包括了数据分离磁盘驱动器包括了数据分离 器功能，未得到广泛应用。后发展为器功能，未得到广泛应用。后发展为 IDEEIDEIDEEIDE，将控制器与盘体集成在一起将控制器与盘体集成在一起 SCSISCSI接口接口将磁盘控制器功能全部包含在磁盘将磁盘控制器

19、功能全部包含在磁盘 驱动器中，主机与设备连接采用标准通用接口，驱动器中，主机与设备连接采用标准通用接口， 为为SCSISCSI（小型计算机系统接口）。小型计算机系统接口）。 二、硬磁盘存储设备二、硬磁盘存储设备 3 3技术指标技术指标 图图8-48-4 存储密度：存储密度： P371P371 道密度：沿磁盘半径方向单位长度上的磁道道密度：沿磁盘半径方向单位长度上的磁道 数，单位为：道数，单位为：道/ /英寸；英寸； 位密度：磁道单位长度上能记录的二进制代位密度：磁道单位长度上能记录的二进制代 码位数，单位为：位码位数，单位为：位/ /英寸；英寸； 面密度：位密度和道密度的乘积面密度：位密度和道

20、密度的乘积 存储容量存储容量= =盘面数盘面数 每面磁道数每面磁道数 每道扇区数每道扇区数 每扇区存储容量每扇区存储容量 ZBR(区域位记录区域位记录)技术技术: 每道拥有可变数目的扇区（保持位距不变）每道拥有可变数目的扇区（保持位距不变） 增加了外道的存储容量增加了外道的存储容量提高了磁盘驱动器的容量提高了磁盘驱动器的容量 3技术指标技术指标 平均存取时间平均存取时间 = = 控制延迟控制延迟+ +寻道时间寻道时间+ +旋转时延旋转时延+ +传输时间传输时间 磁盘控制器控磁盘控制器控 制磁盘与内存制磁盘与内存 的数据传输，的数据传输， 传输控制时所传输控制时所 花费的开销。花费的开销。 寻道

21、：寻道： 把磁头定位到正把磁头定位到正 确的磁道上。确的磁道上。 产品指标的平均产品指标的平均 寻道时间一般为寻道时间一般为 3ms-14ms。实。实 际情况仅为该指际情况仅为该指 标的标的25%-33%。 等待正确的扇区旋转到读等待正确的扇区旋转到读 写磁头下。写磁头下。 平均时延是磁盘旋转半周平均时延是磁盘旋转半周 所需的时间，为所需的时间，为5.6-2.0ms。 （0.5转转/5400RPM=5.6ms） 传输一块数据位所需的时间。传输一块数据位所需的时间。 一块数据一般是一个扇区，一块数据一般是一个扇区， 现在大多数磁盘以多个扇区现在大多数磁盘以多个扇区 为单位进行传输。为单位进行传输

22、。 加有内置缓存后传输速度在加有内置缓存后传输速度在 2004年就可达到年就可达到320MB/s。 企业用企业用SAS硬盘传输最高可硬盘传输最高可 达达6Gb/s。 3技术指标技术指标 数据传输率：指磁盘存储器在单位时间内向数据传输率：指磁盘存储器在单位时间内向 主机传送数据的字节数。主机传送数据的字节数。 D Dr r = rN = Dv = rN = Dv（字节字节/ /秒）秒） 其中：其中：r r为磁盘转速；为磁盘转速； N N为每个磁道的容量；为每个磁道的容量； D D为位密度；为位密度； V V为磁盘旋转的线速度为磁盘旋转的线速度 二、硬磁盘存储设备二、硬磁盘存储设备 例例2 2）对

23、于一个转速为）对于一个转速为10 00010 000转转/ /分的磁盘，读分的磁盘，读 写一个写一个512512字节的扇区所需的平均时间是字节的扇区所需的平均时间是 多少（设磁盘空闲）？该磁盘给出的技多少（设磁盘空闲）？该磁盘给出的技 术指标是：平均寻道时间术指标是：平均寻道时间6ms6ms；传输速度；传输速度 50MB/s 50MB/s；控制器开销；控制器开销0.2ms0.2ms。 解：平均存取时间解：平均存取时间 = = 控制延迟控制延迟+ +寻道时间寻道时间+ +旋转时延旋转时延+ +传输时间传输时间 = 0.2ms + 6ms + 0.5= 0.2ms + 6ms + 0.5转转/ /

24、（1000010000转转/ /分）分） + 0.5KB/50MB/s + 0.5KB/50MB/s = 0.2 + 6 + 3 + 0.01 = 9.2ms = 0.2 + 6 + 3 + 0.01 = 9.2ms 若考虑实际寻道时间为给出指标的若考虑实际寻道时间为给出指标的25%25%，则：，则： = 0.2 + 6= 0.2 + 625% + 3 + 0.01 = 4.7ms25% + 3 + 0.01 = 4.7ms 9.2 9.2 外存储器设备外存储器设备 三、三、RAIDRAID（廉价磁盘冗余阵列）（廉价磁盘冗余阵列） 利用冗余增加磁盘存储的可用性利用冗余增加磁盘存储的可用性RAI

25、DRAID 用多个小容量磁盘替代单个大容量磁盘在提高可用多个小容量磁盘替代单个大容量磁盘在提高可 靠性和可用性方面更有优势。靠性和可用性方面更有优势。 RAIDRAID采用的各种级别：采用的各种级别： 图图8-68-6 RAID 0RAID 0 把数据分散到多个磁盘，采用条带化方式，把数据分散到多个磁盘，采用条带化方式， 使得这一组磁盘对软件来说就是一个大磁盘使得这一组磁盘对软件来说就是一个大磁盘 1.1. RAID 0RAID 0实际上并没有冗余实际上并没有冗余 三、三、RAIDRAID 2. RAID 12. RAID 1（镜像）（镜像） 使用比使用比RAID 0RAID 0多一倍的磁盘。

26、数据写入多一倍的磁盘。数据写入 某个盘时，同时也写入其冗余盘。某个盘时，同时也写入其冗余盘。 若一个磁盘发生故障，系统就转向其镜若一个磁盘发生故障，系统就转向其镜 像盘继续工作。像盘继续工作。 镜像镜像1 1是最昂贵的是最昂贵的RAIDRAID方案。方案。 3. RAID 23. RAID 2（错误检测和纠错码）（错误检测和纠错码） 采用了主存常用的错误检查和恢复技术，已采用了主存常用的错误检查和恢复技术，已 不用。不用。 三、三、RAIDRAID RAID 3RAID 3（位交叉奇偶校验）（位交叉奇偶校验） 不像不像RAID 1RAID 1一样为每个磁盘作一个原始数据一样为每个磁盘作一个原始

27、数据 的拷贝，而只需要加入足够的冗余信息以便的拷贝，而只需要加入足够的冗余信息以便 在出错的时候恢复丢失的信息。每个保护组在出错的时候恢复丢失的信息。每个保护组N N 设置一个冗余盘。设置一个冗余盘。 奇偶校验就是这样一个策略奇偶校验就是这样一个策略 优点：开销减至优点：开销减至1/N1/N 缺点：恢复错误时间长（必须读很多磁盘才缺点：恢复错误时间长（必须读很多磁盘才 能确定丢失的数据）能确定丢失的数据） 三、三、RAIDRAID 5. RAID 45. RAID 4（块交叉奇偶校验）（块交叉奇偶校验） RAID 4 RAID 4使用同使用同RAID 3RAID 3一样的数据盘和校一样的数据盘

28、和校 验盘比率，但采用不同的数据访问方式。验盘比率，但采用不同的数据访问方式。 奇偶校验码以块为单位存储，与一组数奇偶校验码以块为单位存储，与一组数 据块相关。据块相关。 小数据量访问在保护组中的一个磁盘中小数据量访问在保护组中的一个磁盘中 发生，而大数据量访问需要用到保护组中的发生，而大数据量访问需要用到保护组中的 所有磁盘。所有磁盘。 比较：比较：RAID 3RAID 3每次访问要用到所有磁盘每次访问要用到所有磁盘 RAID 4RAID 4减少了访问磁盘数减少了访问磁盘数 例：小数据量的写操作例：小数据量的写操作 图图8-78-7 三、三、RAIDRAID 6. RAID 56. RAID

29、 5（分布式块交叉奇偶校验）（分布式块交叉奇偶校验） RAID 4 RAID 4有效支持了大数据量读有效支持了大数据量读/ /写、小数写、小数 据量读据量读/ /写的混合操作。写的混合操作。 问题：每次写操作都要更新校验盘，造成了校验问题：每次写操作都要更新校验盘，造成了校验 盘连续写操作的瓶颈盘连续写操作的瓶颈 解决方案：将校验信息分布到所有盘上，支持多解决方案：将校验信息分布到所有盘上，支持多 个写操作同时发生。个写操作同时发生。 例例 图图8-88-8：连续向第：连续向第8 8块，第块，第5 5块写入数据块写入数据 RAID 4 RAID 4因二次写操作都需对同一个校验盘操作，不因二次写

30、操作都需对同一个校验盘操作，不 能同时进行；能同时进行； RAID 5 RAID 5二次写操作对应的校验盘不为同一个盘，二二次写操作对应的校验盘不为同一个盘，二 次写操作可同时进行。次写操作可同时进行。 三、三、RAIDRAID 7. RAID 67. RAID 6（P+QP+Q冗余）冗余） 采用二次校验块机制，可使系统从二次错误采用二次校验块机制，可使系统从二次错误 中恢复过来。中恢复过来。 优点：可靠性更高优点：可靠性更高 缺点：存储开销是缺点：存储开销是RAID 5RAID 5的两倍的两倍 目前还很少使用目前还很少使用 三、三、RAIDRAID RAIDRAID小结：小结： RAID 1

31、 RAID 1RAID 5RAID 5广泛用于服务器系统。广泛用于服务器系统。 支持热交换：支持热交换： 在系统运行时，替换某一部件，保证不间在系统运行时，替换某一部件，保证不间 断操作。断操作。 配有应急备用配有应急备用 一旦检测出错误，数据即可重建。一旦检测出错误，数据即可重建。 9 外设与输入输出系统外设与输入输出系统 9.1 9.1 外围设备概述外围设备概述 9.2 9.2 外存储器设备外存储器设备 9.3 9.3 外围设备的定时方式与信息交换外围设备的定时方式与信息交换 方式方式 9.3 外围设备的定时方式与信息交换方式外围设备的定时方式与信息交换方式 一、一、 外围设备的定时方式外

32、围设备的定时方式 外围设备的多样性外围设备的多样性 形式：机、电、磁、光形式：机、电、磁、光 信号：模拟量、数字量；电压、电流信号：模拟量、数字量；电压、电流 工作时序、速率都有很大差异工作时序、速率都有很大差异 问题：问题： 如何使高速工作的主机与不同速度工作如何使高速工作的主机与不同速度工作 的外围设备同步的外围设备同步 一、一、 外围设备的定时方式外围设备的定时方式 分析：分析： 输入过程输入过程 CPU把访问的地址值放在地址总线上，把访问的地址值放在地址总线上， 以选择某一设备；以选择某一设备； CPU等候输入设备的数据有效；等候输入设备的数据有效； CPU从数据总线读入数据，并送入相

33、应从数据总线读入数据，并送入相应 的寄存器。的寄存器。 关键：关键：什么时候数据有效，什么时候数据有效，CPU可读取？可读取？ 一、一、 外围设备的定时方式外围设备的定时方式 输出过程输出过程 CPU把访问的地址值放在地址总线上，把访问的地址值放在地址总线上， 选择某一设备；选择某一设备； CPU把数据放在数据总线上；把数据放在数据总线上； 输出设备认为数据有效，从而把数据取输出设备认为数据有效，从而把数据取 走。走。 关键：关键：什么时候什么时候CPU才能送第二个数据？才能送第二个数据？ 一、一、 外围设备的定时方式外围设备的定时方式 结论：由于输入结论：由于输入 / 输出设备本身的速度差异

34、输出设备本身的速度差异 很大，因此，对于不同速度的外围设很大，因此，对于不同速度的外围设 备，需要有不同的定时方式备，需要有不同的定时方式 具体分类：具体分类： 速度极慢或简单的外围设备速度极慢或简单的外围设备 慢速或中速的外围设备慢速或中速的外围设备 高速的外围设备高速的外围设备 一、一、 外围设备的定时方式外围设备的定时方式 1. 速度极慢或简单的外围设备速度极慢或简单的外围设备 如机械开关、发光二极管、数码显示管等等如机械开关、发光二极管、数码显示管等等 这类设备总处于就绪状态，可采用无条件传这类设备总处于就绪状态，可采用无条件传 送方式，需要时，送方式，需要时，CPU只要接收或发送数据

35、只要接收或发送数据 就可以了。就可以了。 CPU不必查询外设工作状态，而直接进行信不必查询外设工作状态，而直接进行信 息传输，称为息传输，称为无条件传送方式。无条件传送方式。 一、一、 外围设备的定时方式外围设备的定时方式 2. 慢速或中速的外围设备慢速或中速的外围设备 由于这类设备的速度和由于这类设备的速度和CPU的速度并不在的速度并不在 一个数量级，或者由于设备一个数量级，或者由于设备(如键盘如键盘)本身是本身是 在不规则时间间隔下操作的，因此，在不规则时间间隔下操作的，因此，CPU 与这类设备之间的数据交换通常采用与这类设备之间的数据交换通常采用异步异步 定时方式。定时方式。 采用应答式

36、同步两者工作，完成数据传输。采用应答式同步两者工作，完成数据传输。 2. 慢速或中速的外围设备慢速或中速的外围设备 输入的工作过程：输入的工作过程： CPUCPU复位接口状态标志，启动外设工作，接着不断读取复位接口状态标志，启动外设工作，接着不断读取 状态位，判断外设是否工作就绪；状态位，判断外设是否工作就绪； 若外设数据未准备好，若外设数据未准备好，CPUCPU进入循环，不断查询；进入循环，不断查询； 外设数据准备好，置位接口的状态触发器，并将数据外设数据准备好，置位接口的状态触发器，并将数据 打入接口的数据缓冲器；打入接口的数据缓冲器； CPUCPU检测到检测到ReadyReady状态，读

37、取接口数据缓冲器数据，并状态，读取接口数据缓冲器数据，并 复位接口状态标志复位接口状态标志 接口接口 读入状态位读入状态位 读入数据读入数据 置位状态位置位状态位数据准备好数据准备好 数据未准备好数据未准备好 CPU外设外设 Ready Busy 数据缓冲器数据缓冲器 打入数据打入数据 NO Yes 复位状态标志复位状态标志 特点：不受特点：不受CPU时钟信号控制，采用应答方式实现时钟信号控制，采用应答方式实现CPU 与外设的同步，完成信息交换。与外设的同步，完成信息交换。 一、一、 外围设备的定时方式外围设备的定时方式 3. 高速的外围设备高速的外围设备 外设以相等的时间间隔进行操作，可与外

38、设以相等的时间间隔进行操作，可与CPU 匹配。匹配。 CPU和外设同步后，靠时钟脉冲控制传输。和外设同步后，靠时钟脉冲控制传输。 特点：其数据传输由特点：其数据传输由CPU时钟控制，操作时时钟控制，操作时 间必须与其同步，可取时钟的整数倍。间必须与其同步，可取时钟的整数倍。 优点：传输速度快优点：传输速度快 缺点：控制复杂缺点：控制复杂 ，需传送时钟，需传送时钟 9.3 外围设备的定时方式与信息交换方式外围设备的定时方式与信息交换方式 二、信息交换方式二、信息交换方式 举例：幼儿园一个阿姨带举例：幼儿园一个阿姨带10个孩子，要给每个孩子，要给每 个孩子分个孩子分4块水果糖，并假设孩子们需块水果

39、糖，并假设孩子们需 把这把这4块糖都吃完，那么她可采用什么块糖都吃完，那么她可采用什么 方法进行分糖？方法进行分糖？ 二、信息交换方式二、信息交换方式 每次分一粒，不断询问，吃完再发第每次分一粒，不断询问，吃完再发第2粒粒 每次分一粒，吃完报告，再发第每次分一粒，吃完报告，再发第2粒粒 批处理每人发批处理每人发4粒，吃完报告粒，吃完报告 权利下放，发糖交给其他人管理权利下放，发糖交给其他人管理 程序查询方式程序查询方式 程序中断方式程序中断方式 直接内存访问直接内存访问(DMA)方式方式 通道方式通道方式 外围处理机方式外围处理机方式 CPUCPU与外设进行数据交换的几种方式与外设进行数据交换

40、的几种方式 二、信息交换方式二、信息交换方式 1. 程序查询方式（轮询）程序查询方式（轮询） 数据在数据在CPU和外围设备之间的传送完全靠计和外围设备之间的传送完全靠计 算机程序控制算机程序控制 特点：特点： 利用查询使利用查询使CPU与外设操作同步与外设操作同步 接口电路简单接口电路简单 CPU与外设串行工作，效率低与外设串行工作，效率低 实际使用中，由查询程序定时轮流实际使用中，由查询程序定时轮流 询问各外设状态，可适当提高效率。询问各外设状态，可适当提高效率。 软件软件 1. 程序查询方式程序查询方式 程序查询方式实例：程序查询方式实例： CPU I/O 接口接口 地址总线地址总线 数据

41、总线数据总线 R/W 状态寄存器状态寄存器 数据缓冲器数据缓冲器 P1:P1:ININAX, 21H AX, 21H ；读状态端口读状态端口 ANDANDAX, 01H AX, 01H ；判就绪状态判就绪状态 JZJZP1 P1 ；未就绪，继续查询未就绪，继续查询 ININDX, 22H DX, 22H ；数据准备好，读数据端口数据准备好，读数据端口 二、信息交换方式二、信息交换方式 2. 程序中断方式程序中断方式 中断是外围设备用来中断是外围设备用来“主动主动”通知通知CPU， 准备送出输入数据或接收输出数据的一种准备送出输入数据或接收输出数据的一种 方法。方法。 通常，当一个中断发生时，通

42、常，当一个中断发生时，CPU暂停它的暂停它的 现行程序，而转向中断处理程序，完成输现行程序，而转向中断处理程序，完成输 入或输出一个数据的操作。入或输出一个数据的操作。 当中断处理完毕后，当中断处理完毕后，CPU又返回到它原来又返回到它原来 的任务，并从原断点处继续执行程序。的任务，并从原断点处继续执行程序。 软硬件软硬件 中断方式中断方式计算机在执行正常程序的过程中，出现某些计算机在执行正常程序的过程中，出现某些 异常事件或某种请求时，处理机暂停执行当前程序，转而异常事件或某种请求时，处理机暂停执行当前程序，转而 执行更紧急的程序，并能在执行结束后自动恢复执行原程执行更紧急的程序，并能在执行

43、结束后自动恢复执行原程 序的过程。序的过程。 2. 程序中断方式程序中断方式 特点：特点： 主程序与外设并行工作，主程序与外设并行工作，CPU效率提高；效率提高； 具有实时响应的能力。具有实时响应的能力。 缺点：缺点： 硬件结构需增加中断控制电路；硬件结构需增加中断控制电路； 服务开销时间较大。服务开销时间较大。 二、信息交换方式二、信息交换方式 3. 直接内存访问（直接内存访问（DMA）方式）方式 由由DMA控制器控制，能直接在外设和主存控制器控制，能直接在外设和主存 之间进行数据传输之间进行数据传输 DMAC从从CPU完全接管对总线的控制，数完全接管对总线的控制，数 据交换不经过据交换不经

44、过CPU，而直接在主存和外围，而直接在主存和外围 设备之间进行，以高速传送数据设备之间进行，以高速传送数据 特点：数据传送速度很高，传送速率仅受到特点：数据传送速度很高，传送速率仅受到 主存访问时间的限制主存访问时间的限制 CPU效率高（非传输数据开销低）效率高（非传输数据开销低） 缺点：硬件电路更复杂缺点：硬件电路更复杂 硬件硬件 DMA方式适用于主存和高速外围设备之间大批数方式适用于主存和高速外围设备之间大批数 据交换的场合据交换的场合 二、信息交换方式二、信息交换方式 4. 通道方式通道方式 DMA方式减轻了方式减轻了CPU对对I/O操作的控制，提操作的控制，提 高了高了CPU的效率，而

45、通道的出现则进一步的效率，而通道的出现则进一步 提高了提高了CPU的效率的效率 通道是一个具有特殊功能的处理器，也称通道是一个具有特殊功能的处理器，也称 输入输出处理器输入输出处理器(IOP)，可以实现对外围设，可以实现对外围设 备的统一管理和外围设备与内存之间的数备的统一管理和外围设备与内存之间的数 据传送据传送 这种提高这种提高CPU效率的办法是以花费更多硬效率的办法是以花费更多硬 件为代价的件为代价的 硬件硬件 二、信息交换方式二、信息交换方式 5. 外围处理机方式外围处理机方式 外围处理机外围处理机(PPU)方式是通道方式的进一步方式是通道方式的进一步 发展发展 由于由于PPU基本上独

46、立于主机工作，它的结基本上独立于主机工作，它的结 构更接近一般处理机构更接近一般处理机 在一些系统中，设置了多台在一些系统中，设置了多台PPU，分别承，分别承 担担I/O控制、通信、维护诊断等任务控制、通信、维护诊断等任务, 从某种意义上说，这种系统已成为分布式的从某种意义上说，这种系统已成为分布式的 多机系统多机系统 硬件硬件 二、信息交换方式二、信息交换方式 输入输入/输出方式：输出方式： I/O/O控制方式控制方式 主要由程序实现主要由程序实现主要由附加硬件实现主要由附加硬件实现 程序查程序查 询方式询方式 程序中程序中 断方式断方式 DMADMA 方式方式 通道通道 方式方式 PPUP

47、PU 方式方式 程序查询方式和程序中断方式适用于数据传输率比较低程序查询方式和程序中断方式适用于数据传输率比较低 的外围设备；而的外围设备；而DMADMA方式、通道方式和方式、通道方式和PPUPPU方式适用于数方式适用于数 据传输率比较高的设备；据传输率比较高的设备； 目前，单片机和微型机中多采用程序查询方式、程序中目前，单片机和微型机中多采用程序查询方式、程序中 断方式和断方式和DMADMA方式；通道方式和方式；通道方式和PPUPPU方式大都在中、大型方式大都在中、大型 计算机中采用计算机中采用 9 外设与输入输出系统外设与输入输出系统 9.1 9.1 外围设备概述外围设备概述 9.2 9.

48、2 外存储器设备外存储器设备 9.3 9.3 外围设备的定时方式与信息交换外围设备的定时方式与信息交换 方式方式 9 9. .4 4 程序查询方式和程序中断方式程序查询方式和程序中断方式 指接口中能与指接口中能与CPU交交 换信息的寄存器换信息的寄存器 9 9. .4 4 程序查询方式和程序中断方式程序查询方式和程序中断方式 一、一、设备编址方式和设备编址方式和I/O指令指令 1. 设备编址方式：统一编址法（内存映射设备编址方式：统一编址法（内存映射I/O） 独立编址法（特殊独立编址法（特殊I/O指令）指令） 统一编址：利用同一个地址空间编址主统一编址：利用同一个地址空间编址主 存单元和存单元

49、和I/O端口端口 独立编址：主存和独立编址：主存和I/O端口为两个独立的端口为两个独立的 地址空间地址空间 1. 设备编址方式：设备编址方式： 统一编址法统一编址法(又称存储器映像编址方式又称存储器映像编址方式) 把每一个外设端口视为一个存储单元，与存把每一个外设端口视为一个存储单元，与存 储器统一编排地址，即外设和存储器使用的储器统一编排地址，即外设和存储器使用的 是同一个地址空间。访问时，可由地址区分是同一个地址空间。访问时，可由地址区分 访问主存或访问主存或I/O。 优点：优点： 可利用访内指令去访问可利用访内指令去访问I/O端口，而不端口，而不 需要专门的需要专门的I/O 指令，指令系

50、统简单。指令，指令系统简单。 缺点：缺点：I/O端口占用主存地址空间；端口占用主存地址空间； 访问访问I/O的指令码长，速度慢。的指令码长，速度慢。 例：例：M6800; PDP-11; Apele等等 统一编址法统一编址法 统一编址法示意图统一编址法示意图 CPU 内存内存 外设外设 地址译码地址译码 地址地址 地址地址1 地址地址2 访问存储器或访问存储器或I/OI/O设备均采用存储器读写控制信号设备均采用存储器读写控制信号 ( (如：如：MEMRMEMR、MEMW)MEMW)，由地址译码区分访问存储器，由地址译码区分访问存储器 还是访问还是访问I/OI/O设备。设备。 1. 设备编址方式

51、：设备编址方式： 独立编址法独立编址法 ( (又称单独编址方式又称单独编址方式) ) I/O I/O设备的地址空间和存储器地址空间是设备的地址空间和存储器地址空间是 两两 个独立的地址空间个独立的地址空间 CPU CPU使用专门的使用专门的IN(IN(输入输入) )和和OUT(OUT(输出输出) )等等 I/OI/O 指令来实现指令来实现I/OI/O设备的数据传送，即由指令设备的数据传送，即由指令 区分访问主存还是访问区分访问主存还是访问I/OI/O端口端口 优点：主存地址空间大优点：主存地址空间大 缺点：需设置专门的缺点：需设置专门的I/O指令，指令系统复杂指令，指令系统复杂 例：例：Int

52、el x86; z80; Pentium等等 独立编址法独立编址法 独立编址法示意图：独立编址法示意图： 由于，存储器和由于，存储器和I/OI/O设备为独立的地址空间，访问地址可设备为独立的地址空间，访问地址可 能出现重复，因此，无法由地址信号区分两者的操作。能出现重复，因此，无法由地址信号区分两者的操作。 所以必须增设所以必须增设I/OI/O指令，访问时，指令，访问时，CPUCPU通过指令译码，给出通过指令译码，给出 操作控制信号，操作控制信号，（例如：给出（例如：给出M/IOM/IO信号），信号），以区分是存以区分是存 储器读写操作，储器读写操作，还是还是I/OI/O读写操作读写操作 CP

53、U 内存内存 外设外设 地址地址 地址地址 地址地址 M/IO 选择选择 选择选择 一、一、设备编址方式和设备编址方式和I/O指令指令 2. I/O指令指令 要求要求I/O指令应具有如下功能：指令应具有如下功能： 置位置位/复位某些控制触发器复位某些控制触发器 控制设备进行某些动作控制设备进行某些动作 测试设备的某些状态测试设备的某些状态 以便决定下一步的操作以便决定下一步的操作 输入输入/输出数据输出数据 主机与设备间的数据传输主机与设备间的数据传输 不同机器其不同机器其I/O指令功能是不同的指令功能是不同的 8.2 8.2 程序查询方式和程序中断方式程序查询方式和程序中断方式 二、程序查询

54、方式二、程序查询方式 由程序控制输入输出过程，分为：由程序控制输入输出过程，分为： 无条件传送方式无条件传送方式 条件传送方式条件传送方式 二、程序查询方式二、程序查询方式 1. 无条件传送方式无条件传送方式 所谓无条件，就是假设外设已处于就绪状态，所谓无条件，就是假设外设已处于就绪状态， 数据传送时，程序不必再去查询外设的状态，数据传送时，程序不必再去查询外设的状态， 而直接执行而直接执行I/O指令进行数据传输指令进行数据传输 适用于数据传送不太频繁的情况，如对机械适用于数据传送不太频繁的情况，如对机械 开关、数码显示器等一些简单外设的操作。开关、数码显示器等一些简单外设的操作。 这种方式是

55、最简单的传送方式，程序编制与接这种方式是最简单的传送方式，程序编制与接 口电路设计都较为简单。口电路设计都较为简单。 1. 无条件传送方式无条件传送方式 当简单外设作为输入设备时，其输入数当简单外设作为输入设备时，其输入数 据的保持时间相对据的保持时间相对CPU的处理时间要长的处理时间要长 得多，所以可直接使用三态缓冲器与系得多，所以可直接使用三态缓冲器与系 统数据总线相连；统数据总线相连； 当简单外设作为输出设备时，由于外设当简单外设作为输出设备时，由于外设 的速度较慢，的速度较慢，CPU送出的数据必须在接送出的数据必须在接 口中保持一段时间，以适应于外设的动口中保持一段时间，以适应于外设的

56、动 作，因此输出必须采用锁存器。作，因此输出必须采用锁存器。 1. 无条件传送方式无条件传送方式 输入：输入： CPUCPU执行输入指令执行输入指令指令译码：选择信号指令译码：选择信号M/IOM/IO、读命令读命令RDRD有效有效 地址译码有效：选中输入缓冲器地址译码有效：选中输入缓冲器 使能输入缓冲器，外设数据送到数据总线使能输入缓冲器，外设数据送到数据总线 CPUCPU读取。读取。 输出：输出： CPUCPU执行输出指令执行输出指令指令译码：选择信号指令译码：选择信号M/IOM/IO、写命令写命令WRWR有效有效 地址译码有效：选中输出锁存器地址译码有效：选中输出锁存器 使能输出锁存器，使

57、能输出锁存器，CPUCPU数据打入输出锁存器数据打入输出锁存器外设外设读取。读取。 二、程序查询方式二、程序查询方式 2. 程序查询方式（条件传送方式）程序查询方式（条件传送方式） CPU通过执行程序不断读取并测试外设的通过执行程序不断读取并测试外设的 状态，当输入设备处于准备好状态或输出状态，当输入设备处于准备好状态或输出 设备处于空闲状态时，设备处于空闲状态时，CPU执行输入或输执行输入或输 出指令与外设交换数据出指令与外设交换数据 查询方式接口电路除了数据端口外，还应查询方式接口电路除了数据端口外，还应 有传送状态信息的端口有传送状态信息的端口 2. 程序查询方式程序查询方式 （1）程序

58、查询方式接口电路框图：）程序查询方式接口电路框图： 设备选择电路：每个设备设备选择电路：每个设备 均设定一段端口地址码，均设定一段端口地址码， 以选择该设备接口中的各以选择该设备接口中的各 个寄存器个寄存器 数据缓冲寄存器：数据缓冲寄存器：CPU与与 设备交换的数据都需经过设备交换的数据都需经过 数据缓冲寄存器，对数据数据缓冲寄存器，对数据 起缓冲的作用。起缓冲的作用。 状态标志寄存器：寄存外设状态标志寄存器：寄存外设 当前工作的状态，供当前工作的状态，供CPU查查 询，以协调工作。询，以协调工作。 命令寄存器：存放控制外设命令寄存器：存放控制外设 工作的命令。工作的命令。 2. 程序查询方式

59、程序查询方式 （2）程序查询方式工作原理）程序查询方式工作原理 输入：输入： 程序不断查询程序不断查询“就绪就绪”触发器状态，以触发器状态，以 便便 正确读取输入数据正确读取输入数据 输出：输出： 程序不断查询程序不断查询“忙忙”触发器状态，以便触发器状态，以便 继继 续输出下一个数据续输出下一个数据 2. 程序查询方式程序查询方式 操作流程图：操作流程图： CPU CPU 和外设的操作能和外设的操作能 通过状态信息得到同通过状态信息得到同 步；步； CPUCPU效率较低；传输效率较低；传输 完全在完全在CPUCPU控制下完控制下完 成，对外部出现的异成，对外部出现的异 常事件无实时响应能常事

60、件无实时响应能 力。力。 由程序决定优先级，由程序决定优先级， 高优先级先查询。高优先级先查询。 （2）程序查询方式工作原理）程序查询方式工作原理 查询式输入：查询式输入： 查询式输入的接口电路框图：查询式输入的接口电路框图： 输入设备将数据准备好，向接口发送一个选通信号。输入设备将数据准备好，向接口发送一个选通信号。 由选通信号作为打入脉冲将数据打入接口的数据锁存由选通信号作为打入脉冲将数据打入接口的数据锁存 器，同时置位状态位器，同时置位状态位“READYREADY”( (使使D D触发器置为触发器置为“1 1” ) )。 至此，数据与状态送入接口的不同端口。至此，数据与状态送入接口的不同