第六章 输入输出系统

1、输入输出（输入输出（I/O）系统）系统一、一、I/O系统基本概念系统基本概念二、外部设备二、外部设备 1输入设备：键盘、鼠标输入设备：键盘、鼠标 2输出设备：显示器、打印机输出设备：显示器、打印机 3外存储器：硬盘存储器、磁盘阵列、光盘存储器外存储器：硬盘存储器、磁盘阵列、光盘存储器三、三、I/O接口（接口（I/O控制器）控制器） 1I/O接口的功能和基本结构接口的功能和基本结构 2I/O端口及其编址端口及其编址四、四、I/O方式方式 1 程序查询方式程序查询方式 2 程序中断方式程序中断方式 3 DMA方式方式 4 通道方式通道方式学习要求:o掌握I/O系统基本结构；o了解外围设备的特性，特

2、别是硬盘的结构和数据组织方式；o掌握I/O接口的结构、I/O接口和端口的关系，端口的两种编址方式；o掌握三种I/O方式，即程序查询方式、程序中断方式、DMA方式（各自的特点、数据传送方式、差别）。2009年选择题年选择题2题共题共4分，分，1题综合题题综合题8分，共分，共10分；分；2010年选择题年选择题1题共题共2分；分；2011年选择题年选择题2题共题共4分。分。一、一、I/O系统基本概念系统基本概念o1I/O系统的发展和组成o2I/O设备与主机的联系方式o3I/O设备与主机信息传送的控制方式1I/O系统的发展和组成 I/O系统系统：计算机主机与外界交换信息时所涉及到的硬件和软件的总称。

3、（1）I/O系统系统4个发展阶段：个发展阶段：早期阶段：早期阶段：I/O设备与主机交换信息必须通过CPU，I/O设备采用分散连接，CPU与I/O设备串行工作，采用程序查询方式。接口模块和接口模块和DMA阶段：阶段：I/O设备与主机通过接口模块相连，计算机系统采用总线结构，CPU和I/O设备并行工作，其工作方式有中断方式和DMA方式。具有通道结构的阶段：具有通道结构的阶段：采用通道来管理I/O设备以及实现主存与I/O设备之间交换信息。I/O设备与主机交换信息时，CPU不参与管理，进一步提高了CPU的利用率。具有具有I/O处理机的阶段：处理机的阶段：I/O处理机基本独立于主机工作，既可完成I/O通

4、道要完成的I/O控制，又可完成码制转换、格式处理、纠错等操作。具有I/O处理机的I/O系统与CPU工作的并行性更高。 （2）I/O系统的组成：系统的组成：I/O软件：软件：包括驱动程序、用户程序、管理程序、升级补丁等，通常采用I/O指令和通道指令实现CPU与I/O设备的信息交换。 I/O指令：指令：采用接口模块方式时，应用机器指令系统中的I/O指令使 I/O设备与主机协调工作。 通道指令：通道指令：采用通道方式时，应用通道程序实现I/O设备与主机交换信 息。通道指令是专为具有通道的I/O系统专门设置的指令。I/O硬件：硬件：包括外部设备、设备控制器与接口、I/O总线等。2I/O设备与主机的联系

5、方式（1 1）I/OI/O设备编址方式设备编址方式统一编址：统一编址：将I/O地址看成主存地址的一部分，如将主存中 专门一段地址作为I/O设备的地址。不统一编址：不统一编址：I/O地址和主存地址分开，所有对I/O设备的访 问必须有专门的I/O指令。（2 2）设备寻址）设备寻址 使用I/O设备的设备码（地址码）字段直接指出该设备的设备 号，通过接口设备选择电路中要交换信息的设备。（3 3）传送方式）传送方式并行传送：并行传送：在同一时刻有N位信息同时从CPU输出至I/O设备，或由I/O设备输入到CPU。串行传送：串行传送：在同一时刻只传送一位信息，在不同时刻连续逐位传送一串信息。（4 4）联络方

6、式）联络方式立即响应：立即响应：只要CPU的I/O指令一到，便立即响应，常用于速度较慢的I/O设备。异步工作采用应答信号联络：异步工作采用应答信号联络：I/O设备和CPU各自完成任务，当出现联络信号时，彼此才开始交换信息，而且采用应答方式。常用于速度与主机不匹配的I/O设备。同步工作采用同步时标联络：同步工作采用同步时标联络：采用统一时钟控制I/O操作。常用于与CPU工作速度完全同步的I/O设备。（5 5）I/OI/O设备与主机的连接方式设备与主机的连接方式辐射式：辐射式：每台I/O设备有一套控制线路和一组信号线，与主机相关，它们之间互不相连。总线式：总线式：通过一组总线将所有I/O设备与主机

7、连接。3I/O设备与主机信息传送的控制方式程序查询方式：程序查询方式：由CPU通过程序不断查询I/O设备是否已经做好准备，从而控制I/O设备与主机交换信息。程序中断方式：程序中断方式：只有I/O设备准备就绪并向CPU发出中断请求后才给予响应。DMADMA方式：方式：主存和I/O设备之间有一条数据通路，当主存和I/O设备交换信息时，无需调用中断服务程序。二、外部设备二、外部设备o1.外部设备的概念o2.输入设备：键盘、鼠标o3.输出设备：显示器、打印机o4.外存储器：磁盘存储器、磁盘阵列、光盘存储器1.外部设备的概念o外部设备：外部设备：外围设备，是计算机系统中直接或间接与计算机交换信息、改变信

8、息媒体或载体形式的装置。o分类：分类：人-机交互设备：输入和输出设备机-机通信设备：调制解调器（数/模转换）计算机信息的存储设备：磁盘、光盘、磁带。2.输入设备：键盘、鼠标o键盘：键盘：当用户按下一个键后，由硬件判断哪个键被按并将其翻译成ASCII码。o鼠标：鼠标：当鼠标移动时，利用鼠标底部传感器把运动的方向和距离检测出来，从而控制光标做相应运动。3.输出设备：显示器、打印机o显示器：显示器：用一个电子束密集地对荧光屏高速逐行扫描，通过对电子束的扼制，控制荧光屏上各点的隐或现，在荧光屏上显示字符或图形。o分类：分类：CRT、LCD、等离子体等。o分辨率：分辨率：整个屏幕上显示的光点数目，即像素

9、的多少。o刷新率：刷新率：每秒刷新的次数。o打印机：打印机：当打印机启动后，将收到的信息送到RAM暂存起来，同时发出信号启动各机电的驱动电路，使机械系统处于工作状态，字符发生器将内码转换成打印机的点阵状态，通过驱动电路送至打印机头。o分类：分类：按打字原理：击打式、非击打式按工作原理：串行打印、行式打印4.外存储器：磁盘存储器、磁盘阵列、光盘存储器o磁盘存储器记录面：硬盘驱动器中有多个记录面（120个），每个盘面有两个记录面，每个记录面对应一个磁头。磁道：在读/写时，磁头固定不动，盘片高速旋转，磁化区构成一个闭合圆环，称为磁道。圆柱面：在一个盘组中，各记录面上相同编号的磁道构成一个圆柱面。扇区

10、：将一条磁道划分为若干个段，每个段称为一个扇区，每个扇区存放一定信息块（如512B)。硬盘容量：非格式化容量=最大位密度最内圈磁道周长总磁道数格式化容量=每道扇区数扇区容量总磁道数记录密度：盘片表面单位上记录的二进制信息的个数。用道密度、位密度和面密度表示。平均存取时间平均存取时间Ta：寻道时间Ts、旋转延迟时间Tr、传输时间Tt、控制器开销Tc。Tr=1/(2r) r为转速。Tt=b/(rN) r为转速、b为每秒传送的字节数，N为每磁道字节数。数据传输率：数据传输率：磁盘在单位时间内向主机传送的字节数。设硬盘旋转速度为r（转/秒），每条磁道容量为N个字节，则数据传输率为Dr=rN。例：已知某

11、磁盘存储器转速为2400转/分，每个盘面有200个磁道，平均查找时间为60ms，每个磁道存储容量为96KB，求磁盘的存取时间与数据传输率。存取时间： Ta=Ts+Tr=60ms+12.5ms=72.5ms数据传输率：Dr=rN=4096=3840KB/So磁盘阵列RAID：“廉价冗余磁盘阵列”，将一组磁盘驱动器用某种逻辑方式联系起来，作为逻辑上的一个磁盘驱动器使用。 RAID的优点：成本低，功耗小，传输速率高提供容错功能比起传统的大直径磁盘驱动器，在同样的容量下，RAID价格要低许多。o光盘存储器：采用聚焦激光束在盘式介质上非接触的记录高密度信息的存储装置。 优点：记录密度高、存储容量大、信息

12、保存时间长、工作稳定 分类：CD-ROM、CD-R、CD-RW、DVD-ROM。三、三、I/O接口（接口（I/O控制器）控制器）p1I/O接口的功能和基本结构接口的功能和基本结构o2I/O端口及其编址端口及其编址1I/O接口的功能和基本结构接口的功能和基本结构oI/O接口的功能：实现主机和外设的通信联络控制；进行地址译码和设备选择；实现数据缓冲；数据格式的转换；传递控制命令和状态信息。oI/O接口的基本结构oI/O接口的类型：数据传送方式：串行接口和并行接口功能选择的灵活性：可编程和不可编程数据传送的控制方式：程序型接口和DMA接口2I/O端口及其编址端口及其编址o独立编址：独立编址：I/O端

13、口地址和主存单元分别进行编址。用专门的I/O指令实现对独立编址方式端口的访问。其指令格式如下： 操作码：操作码：指出执行什么操作（读、写、查询外设状态）或是I/O指 令还是其他类型指令。 REG：指出与操作有关的CPU寄存器。如I/O设备的状态信息、读入的数据。 控制命令码：控制命令码：指出对设备如何控制。 设备地址：设备地址：指出I/O设备的独立编址所对应的地址。o统一编址：统一编址：把端口地址与主存单元地址统一编址，把I/O端口作为主存单元进行访问，不设置专门的I/O指令。四、四、I/O方式方式o1 程序查询方式程序查询方式o2 程序中断方式程序中断方式o3 DMA方式方式1 程序查询方式

14、程序查询方式o1）基本思想：）基本思想：程序直接控制方式，核心思想是每时每刻不断查询I/O设备是否准备就绪。输入输出完全由CPU执行程序来完成。o2）工作流程）工作流程o预置传输参数，包括主存缓冲区首地址和传输数据的个数。o向选中设备的I/O接口发出命令字，启动设备，做好传输数据准备。o从I/O接口取回状态字，并测试、判断数据传送是否可以进行。oCPU不断查询I/O设备标志，如果I/O设备没有准备就绪，CPU就踏步进行等待，一直到I/O设备准备就绪，并发出“准备就绪”信号为止。o传送数据。o修改传送参数，主存缓冲区首地址加1，传送个数减1。判断传送是否结束，如果传送个数不为0，转第个步骤继续传

15、送，直到传送结束为止。核心部分o3）特点：）特点：简单，CPU一段时间内只能和一台设备交换信息，且CPU与I/O设备只能串行工作，CPU大量的时间处于空闲等待状态，无法发现和处理预先无法估计得错误和异常情况。2 程序中断方式程序中断方式o1）中断概念：）中断概念：计算机执行现行程序的过程中，出现某些急需处理的异常情况或特殊请求，CPU暂时中止现行程序，而转去对这些异常情况或特殊请求进行处理，在处理完毕后CPU又自动返回到现行程序的断点处，继续执行现行程序。o2）基本思想：）基本思想：CPU在程序中安排好在某一时刻启动某一台外设，然后CPU继续执行原来程序，一旦外设完成数据传送的准备工作，便主动

16、向CPU发出中断请求，在可以响应中断的条件下，CPU暂时中止正在执行的程序，转去执行中断服务程序为外设服务，完成一次主机与外设之间的数据传送，完成后返回原来的程序，从断点处继续执行。o3）响应中断满足的条件）响应中断满足的条件CPU收到中断请求信号（INTR=1）CPU允许中断（EINT=1）当前指令执行结束o4）中断处理过程）中断处理过程由CPU发出启动设备命令，将B触发器置为“1”，D触发器置为”0”；接口启动输入设备开始工作；输入设备将数据送至数据缓冲寄存器；输入设备向接口发出“设备工作结束”信号，将D置为“1”，B置为”0”，标志设备准备就绪；o当设备准备就绪（D=1），且本设备未被屏

17、蔽（MASK=0）时，在指令执行阶段的结束时刻，由CPU发出中断查询信号。o设备中断请求触发器INTR被置为”1”，标志设备向CPU提出中中断请求断请求。与此同时，INTR送至排队器，进行中断判优中断判优。o若CPU允许中断（EINT=1），设备又被排队器选中，即进入中中断响应断响应阶段，由中断响应信号INTA将排队器输出送至编码器形成向量地址。o向量地址送至PC，作为下一条指令的地址。o由PC中存放的无条件转移指令转移至该设备的服务程序入口地址，开始执行中断服务程序，进入中断服务中断服务阶段。o执行中断服务程序中的中断返回指令，执行完后即中断返回中断返回至原程序的断点处。o5）中断服务程序流

18、程）中断服务程序流程保护现场：保存程序断点、通用寄存器、状态寄存器的值。中断服务：中断服务程序的主体。恢复现场：将保存的“现场”恢复中断返回：执行中断返回指令，返回到原程序断点处。o？）中断优先级与判优方法？）中断优先级与判优方法确定中断优先级原则：提出中断请求后需立即处理，否则就会造成严重后果的中断源规定最高优先级；可以延迟响应或处理的中断源规定较低的优先级。如故障中断优先级最高，一般I/O中断优先级较低。中断判优方法：软件判优法和硬件判优电路。软件判优法：程序判断，判优方法简单，可以灵活修改中断源的优先级，但占用CPU的时间，且速度较慢。硬件判优电路：采用硬件实现，可节省CPU的时间，速度

19、快，但成本较高，且无法改变中断请求的优先级。o？2 2）中断向量形成）中断向量形成中断向量：中断服务程序入口地址。中断向量表：存放中断向量的存储区域。.JMP 200HJMP 200HJMP 200H.打印机服务程序.显示器服务程序.12H13H14H中断向量地址入口地址200H入口地址300Ho6）特点）特点宏观上：克服了CPU“踏步”现象，CPU与I/O并行工作，提高了CPU的利用率。微观上：CPU在处理中断服务程序时仍需暂停原程序的正常运行，尤其主存与高速I/O设备或者辅存频繁、成批交换信息时，需不断打断CPU执行主程序而执行中断服务程序。3 DMA方式方式o1）基本思想：）基本思想：在

20、主存和DMA控制器之间设一条数据通路，当主存和I/O设备交换信息时，不通过CPU。CPU和I/O同时访问主存时，采用三种方法是用主存：CPU停止访问主存：适用于高速外设成批传送数据。存储器分时法：把原来的一个存取周期分成两个时间段，一个时间段给CPU，一个时间段给DMA，CPU和DMA交替访问主存。周期挪用法：或称为周期窃取，前两种方法的折衷。主存工作时间主存工作时间DMA控制控制并使用主存并使用主存CPU控制控制并使用主存并使用主存t主存工作时间主存工作时间 CPU控制控制并使用主存并使用主存 DMA控制控制并使用主存并使用主存tCPU停止停止访问主存访问主存主存工作时间主存工作时间CPU不

21、执行程序不执行程序DMA不工作不工作DMA不工作不工作DMA工作工作 CPU控制控制并使用主存并使用主存 DMA控制控制并使用主存并使用主存t周期挪用周期挪用存储器存储器分时法分时法o2）传送过程）传送过程DMA预处理：初始化工作。向DMA控制逻辑指明数据传送方向、向设备地址寄存器存入设备号、向主存地址寄存器存入交换数据的主存地址起始地址、向字计数器存入交换数据的个数。数据传送：以字节、字或者数据块为单位，由DMA控制器通过循环的方式控制实现数据传送。DMA后处理：当长度计数器计为0时，DMA操作结束，DMA控制器向CPU发出中断请求，CPU停止原来程序的执行，转去执行中断服务程序做DMA结束

22、处理工作。预处理预处理：主存起始地址主存起始地址设备地址设备地址 传送数据个数传送数据个数启动设备启动设备DMADMADMA数据传送数据传送：继续执行主程序继续执行主程序同时完成一批数据传送同时完成一批数据传送后处理后处理：中断服务程序中断服务程序做做 DMA 结束处理结束处理继续执行主程序继续执行主程序CPU DMA 传送过程示意传送过程示意允许传送？允许传送？主存地址送总线主存地址送总线数据送数据送I/O设备（或主存设备（或主存 ）修改修改 主存地址主存地址修改修改 字计数器字计数器 数据块数据块传送结束？传送结束？向向CPU申请申请 程序中断程序中断DMA请求请求否否否否是是是是数据传送

23、数据传送o3）特点）特点从数据传送看程序中断靠软件传送，DMA靠硬件传送数据；从CPU响应时间看，程序中断方式在一条指令执行结束时响应，而DMA方式可以在指令周期内任一存期周期结束时响应；程序中断方式有处理异常事件的能力，而DMA主要用于大批量数据传送，没有处理异常的能力；程序中断方式需要中断现行程序，需保护现场，而DMA方式不中断现行程序，不需要保护现场，与CPU并行工作；DMA优先级比程序中断方式高。本章小结oI/O概念、编址及结构o三种I/O方式习题1.以下叙述中，正确的是（）A.总线一定要和I/O接口相连B.I/O接口一定要和总线相连C.通道可以代替接口D.都不对2.在微型机系统中，I

24、/O设备通过（）与主板的系统总线相连A.DMA控制器B.设备控制器C.中断控制器D.I/O端口3.以下关于I/O指令的叙述中，错误的是（ ）。A.I/O指令是CPU指令系统的一部分B.I/O指令是机器指令的一部分C.I/O指令反映CPU与I/O设备交换信息的特点D.I/O指令的格式与其他指令的格式相同。习题4.计算机的外围设备是指（C）。A.输入输出设备 B.外存储器 C.输入输出设备和外存储器D.电源5.CD-RW光盘是（C）型光盘。A.只读 B.一次 C.再重写 D.都不是6.打印机的分类方法很多，若从打字原理上分，可分为（A）。A.击打式和非击打式 B.串行式和并行式C.点阵式和活字式

25、D.英文和中文打印机7.一个硬盘的转速是7200转/分，每个磁道有160个扇区，每个扇区有512字节，那么理想情况下，其数据传输率为（C）A.7200X160KB/s B.7200KB/s C. 9600KB/s D.19200KB/s 习题8.I/O接口中数据缓冲器的作用是（A）。A.用来暂存I/O设备和CPU之间传送的数据B.用来暂存I/O设备的状态C.用来暂存CPU发出的命令 D.以上全部 9.I/O的编址方式采用不统一编址方式时，进行输入输出操作的指令是（C）。A.控制指令 B.访存指令 C.输入输出指令 D.都不对10.在采用（A）对设备进行编址的情况下，不需要专门的I/O指令。A.

26、 统一编址方法 B.独立编址方法 C.两者都是 D.两者都不是习题11.（2010年考研题）假定一台计算机的显示存储器用DRAM芯片实现，若要求显示分辨率位16001200，颜色深度为24位，帧频为85Hz，显示总带宽的50%用来刷新屏幕，则需要的显存总带宽至少约为（）。A.245MbpsB.979Mbps C.1958Mbps D.7834Mbps12.以下叙述正确的是（）。A.只有I/O指令才可以访问I/O设备 B.统一编址方式下，不能访问I/O设备 C.访问存储器的指令，一定不能访问I/O设备 D.具有专门I/O指令的计算机中，I/O设备才可以单独编址13 .(2011年考研题）某计算机主频为50MHz，采用定时查询方式控制设备A