计算机组成原理：8-1 输入输出系统

复习思考题21字符显示器中VRAM用来存放字符ASCII码。CRT分辨率为1024×1024像素，像素的颜色数为256色，则VRAM的容量至少为1MB。行频是指每秒钟屏幕重复绘制显示画面的次数。（错）场频分辨率越高，图像显示越清晰，图象可能变得更大。（错）图像越小如有一台CRT显示器的分辨率为1024×1024，若刷新率为80Hz，则视频带宽为80MHz。（错）要乘以1.344第8章输入输出系统8.1主机与外设的连接8.2程序查询方式及其接口8.3中断系统和程序中断方式8.4DMA方式及其接口8.5通道控制方式8.6总线技术8.1主机与外设的连接接口泛指两个相对独立子系统之间的连接部分，也称界面如软件接口、软硬接口、硬软接口、人机接口、I/O接口I/O接口主机与I/O设备之间的交接界面完成各个外设和主机之间的同步与协调、工作速度的匹配和数据格式转换的逻辑部件主机和外设之间需要交换的信息数据信息控制信息状态信息联络信息(控制电路)外设识别信息外设识别数据寄存器命令寄存器状态寄存器控制电路主机ABDBCBI/O设备数据控制状态I/O接口I/O接口的组成和功能地址译码和设备选择数据缓冲数据格式转换传递控制命令和状态信息主机和外设的通信联络控制I/O接口外设识别数据寄存器命令寄存器状态寄存器控制电路主机ABDBCBI/O设备数据控制状态I/O接口和端口的区别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。外设识别数据寄存器命令寄存器状态寄存器控制电路主机ABDBCBI/O设备数据控制状态

通常，一个接口中包含有数据端口控制端口——只进行输出操作，CPU将向外设发送各种控制命令。状态端口——只进行输入操作，将设备状态标志送到CPU中去Intel80x86的部分外设端口地址分配I/O设备 I/O地址 占用地址数游戏I/O口 200-207H 8并行打印机口2278-27FH 8定时器/计数器040-05FH32串行口2 2F8-2FFH 8硬盘控制器1 1F0-1F8H 9并行打印机口1 378-37FH 8单色显示器/打印适配器 3B0-3BFH 16彩色/图形监视器适配器 3D0-3DFH 16串行口3 3E8-3EFH 8键盘控制器 060-07FH 32串行口1 3F8-3FFH 8I/O接口的分类按数据传送格式分并行接口、串行接口。按主机访问I/O设备的控制方式来分程控式接口、中断式接口和DMA式接口。按功能选择的灵活性来分可编程接口、不可编程接口按通用性来分通用接口、专用接口按I/O的信号来分有数字接口、模拟接口。外设的识别与端口寻址统一编址方式与主存地址空间统一编址，即：将主存地址空间分出一部分地址给I/O端口进行编号。无需设置专门的I/O指令，用一般的访存指令就可存取I/O端口。＆＆统一编址方式的特点有关主存的寻址方式都可用于I/O端口的寻址。外设或I/O寄存器数目几乎不受限制。主存空间减少。I/O设备的识别与端口寻址独立编址方式的特点寻址速度快；专用I/O指令，使得程序清晰，便于理解和检查程序设计灵活性差些；结构和控制较复杂。独立编址方式所有I/O端口单独编号，使它们成为一个独立的I/O地址空间。要用专门的I/O指令来访问I/O端口。I/O指令中地址码部分给出I/O端口号。80x86的端口寻址直接寻址I/O端口的寻址范围为00～FFH，至多为256个端口地址。这时程序可以指定：256个8位端口；128个16位端口；64个32位端口。间接寻址I/O端口的寻址范围为0000～FFFFH最多可寻址216=64K个端口地址，这时程序可指定：64K个8位端口；32K个16位端口；16K32位端口。8.1.4输入输出信息传送控制方式I/O控制方式主要由软件实现主要由附加硬件实现

程序查询方式程序中断方式DMA方式通道方式

发展过程从低级到高级、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8.2程序查询方式及其接口程序查询方式通过由I/O指令所编的程序，来控制主机与外设之间的信息传送。CPU需要不断监测状态位以确定是否该做下一个I/O操作。由于CPU比I/O设备快得多，所以轮询就要浪费大量的CPU时间。程序查询方式的程序流程图设置计数值设置内存缓冲区首址启动外设传送一个数据修改内存地址结束I/O传送修改计数器准备好？传送完？NYYN工作过程——先由主机通过启动指令启动外设工作，启动后主机用测试指令不断查询外设工作是否完成一旦外设工作完成，就可进行数据传送了。程序查询方式工作过程举例以输入数据为例：

MOVR0,80HOUT03H,R0;启动外设L1:INR0,03HTESTR0,10H;准备好?JZL1;否,转等待

INR0,02H;输入数据CPU主存地址择码数据缓冲寄存器命令状态寄存器I/O设备完成启动03H02H111启动位完成位故障位

80H

10H

01H

76543210程序查询方式的特点最简单、经济的I/O方式，只需很少的硬件CPU与外设完全串行工作效率低、速度慢由于外设的速度比CPU慢得多，当外设进行操作的时候，CPU在等待外设完成，此时CPU会浪费许多处理器时间。CPU存储器I/O控制器外设状态位程序查询I/O设备流程图实际应用中，CPU在执行主程序的过程中可周期性调用各I/O设备询问子程序询问子程序会依次测试各外设准备情况。（“1”为准备好）设备服务子程序主要功能实现数据传送修改内存地址，为下次数据传送做准备修改传送字节数，以便修改传送长度进行状态分析或其他控制功能程序查询方法举例在程序查询方式的I/O系统中，设不考虑处理时间，每一个查询操作需要100个时钟周期，CPU的时钟频率为50MHz,现有鼠标和硬盘两个设备，而且CPU必须每秒对鼠标进行30次查询，硬盘以32b为单位传输数据，即每32b被CPU查询一次，传输率为2MB/s，求CPU对这两个设备查询所花费的时间比率。解：对鼠标查询占用的时间比率=30×100=0.006%50×106

对硬盘每秒的查询次数=2MB/32b=512K

则每秒查询的时钟周期=100×512K=52.4×106

对硬盘查询占用的时间比率=52.4×106

=105%50×1068.3中断系统和程序中断方式中断问题的提出：在程序查询方式中，CPU和外设的工作是串行的，当CPU和外设交换信息时，就把CPU的控制权交给了该设备，而CPU只能做测试等待，直到外设工作完成。CPU的大部分工作时间被浪费了。执行主程序执行主程序空闲空闲主机外设准备、传送数据执行与外设的数据传送程序中断断点IRET中断服务子程序主程序程序中断方式中断的基本概念当CPU正常运行程序时，由于内部事件或外设请求(随机的)，引起CPU暂时中止正在运行的程序，转去执行发出请求的外设（或内部事件）的服务子程序，待该服务程序执行完毕，再返回被中止的程序，这一过程称为中断程序中断方式中断的基本概念若CPU在启动外设工作后，CPU继续执行主程序，当外设准备好后向CPU发中断请求信号，若CPU响应中断，则停止正在执行的程序，转中断服务程序为该程序服务，这样就能实现CPU和外设并行工作，使CPU的效率充分发挥。执行主程序执行主程序空闲空闲主机外设准备数据传送数据中断服务程序准备数据传送数据启动启动中断服务程序CPU与I/O设备并行工作硬件故障处理实现人机联系

实现实时处理实现多道程序和分时操作为了提高I/O能力和CPU的效率，50年代中期，中断传送方式被引进计算机系统。现代计算机无不具有中断能力。中断系统是中断功能的软、硬件总称。一般在CPU中配置中断机构，在外设接口中配置中断控制器，在软件上设计相应的中断服务程序。中断的作用