组成第十六讲：输入输出设备控制方式

1输入输出系统包括外部设备（输入输出设备和辅助存储器）及其与主机（CPU和存储器）之间的控制部件。控制部件称之为设备控制器，有时也称为设备适配器或接口（如磁盘控制器、打印机控制器等），其作用是控制并实现主机与外部设备之间的数据传送。本章主要介绍设备控制器的工作原理。输入输出（I/O）系统概述2

功能接口是计算机与I/O设备或其他系统之间所设置的逻辑控制部件，也称I/O控制器。接口的引入：外设类型不同：机械、电子、机电、电磁传送信息类型：数字量、模拟量传送速度传送方式： 串行、并行编码方式：能实现数据缓冲和数据锁存能完成信息格式和电平的转换能进行地址译码和设备选择能保证数据传送的定时与协调功能：3外围设备接口的结构接口地址地址译码器数据寄存器命令寄存器RDWE地址有效总线数据线地址线外设接口外设控制信号外设数据外设状态状态寄存器I/O接口功能演示41.输入输出接口的基本结构CPU和外设之间通常传递的信息：数据、状态、控制组成:寄存器组、控制逻辑电路、主机与接口和接口与I/O设备之间的信号联接线、数据地址线、控制状态信号线CPU控制电路DRSRCRI/O设备地址数据IO/MRDWR数据状态控制52.I/O接口分类结构方式并行和串行收发配合方式同步和异步数据传送配合方式程序传送、中断传送、DMA、通道、IO处理器电路规模简单接口、可编程接口、外设接口适配器63.输入输出接口的编址方式在接口电路中通常都具有多个可由CPU进行读写操作的寄存器，每个寄存器也叫做“端口”。为了CPU便于对I／O设备进行寻址和选择，必须给众多的I／O设备的端口进行编址，也就是给每一台设备规定一些地址码称为设备号或设备代码。随着CPU对I／O设备下达命令方式的不同而有以下两种寻址方法。(1)存储器、I/O接口统一编址将接口电路中的端口地址与存储单元统一编址优：访存指令可访问端口，这样寻址类型多，编程较方便。缺：占用存储器空间；速度慢。(2)I/O端口独立编址给I/O接口中的各端口提供与存储器空间完全分开、完全独立的I/O地址空间。优：专门的I/O指令，与访存分开；指令执行快；不占内存地址空间。缺：需专用指令、寻址方式少。7专用I/O指令，例如，指令IN完成输入操作，指令OUT完成输出操作。指令的地址码字段指出输入输出设备的设备代码。

BMPC等系列机设置有专门的I/O指令，设备的编址可达512个，部分设备的地址码（输入输出地址分配表）如下8输入输出设备占用地址地址码硬盘控制器

软盘控制器打印机彩色图形显示器异步通讯控制器16

816168320～32FH

3F0～3F7H3B0～3BFH3D0～3DFH3F8～3FFH输入输出设备地址分配表9一般把I/O设备数据传送控制方式分为五种

1．程序直接控制方式程序直接控制（programeddirectcontrol）方式就是完全通过程序来控制主机和外围设备之间的信息传送。通常的办法是在用户的程序中安排一段由输入输出指令和其它指令所组成的程序段直接控制外围设备的工作。

I/O设备数据传送控制方式112．程序中断传送方式在程序中断传送（programinterrupttransfer）方式中，通常在程序中安排一条指令，发出START信号启动外围设备，然后机器继续执行程序。当外围设备完成数据传送的准备后，便向CPU发“中断请求”（INT）信号。CPU接到请求后若可以停止正在执行的程序，则在一条指令执行完后（非流水线计算机），转去执行“中断服务程序”，完成数据传送工作，通常一次传送一个字节或一个字。传送完毕仍返回原来的程序。I/O设备数据传送控制方式133．直接存储器存取方式直接存储器存取（directmemoryaccess，简称DMA）方式的基本思想是在外围设备和主存之间开辟直接的数据传送通路。在正常工作时，所有工作周期均用于执行CPU的程序，当外围设备完成输入或输出数据的准备工作后，占用总线一个工作周期，和主存直接交换数据。这个周期后，CPU又继续控制总线，执行原程序。如此重复，直到整个数据块的数据传送完毕。I/O设备数据传送控制方式14这项工作是由I/O系统中增设的DMA控制器完成的，由它给出每次传送数据的主存地址，并统计已传送数据的个数以确定是否传送结束。除了在数据块传送的开始和结束时需用中断分别进行前处理和后处理外，无需CPU的频繁干预。主存储器被并行工作的CPU和I/O子系统所共享。DMA方式的不足之处：首先，对外围设备的管理和某些操作的控制仍需由CPU承担。其次，当多个DMA同时使用时，会增加引起访问主存的冲突。I/O设备数据传送控制方式16三种方式的CPU工作效率比较存取周期结束CPU执行现行程序CPU执行现行程序DMA请求启动I/OI/O准备I/O准备一个存取周期实现I/O与主存之间的传送启动I/OI/O准备一个存取周期DMA请求指令执行周期结束CPU执行现行程序CPU执行现行程序启动I/O中断请求I/O准备I/O准备CPU处理中断服务程序实现I/O与主机之间的传送间断启动I/OI/O准备中断请求程序中断方式DMA方式CPU

执行现行程序CPU查询等待并传输I/O数据CPU

执行现行程序启动I/OI/O准备及传送启动I/O程序查询方式I/O准备及传送174．I/O通道控制方式在通道控制下，一个主机可以连接几个通道。每个通道又可连接多台I/O设备，这些设备可具有不同速度，可以是不同种类。这种输入输出系统增强了主机与通道操作的并行能力以及通道之间、同一通道的各设备之间的并行操作能力。I/O设备数据传送控制方式18采用通道方式组织输入输出系统，多使用主机-通道-设备控制器-I/O设备四级连接方式。通道通过执行通道程序实施对I/O系统的统一管理和控制，因此，它是完成输入输出操作的主要部件。在CPU启动通道后，通道自动去内存取出通道指令并执行指令。直到数据交换过程结束向CPU发出中断请求，进行通道结束处理工作。I/O设备数据传送控制方式19通道能独立地执行用通道命令编写的输入输出控制程序，产生相应的控制信号送给由它管辖的设备控制器，继而完成复杂的输入输出过程。通道是一种通用性和综合性都较强的输入输出方式，它代表了现代计算机组织向功能分布方向发展的初始发展阶段。I/O通道具有自己的指令系统，并能实现指令所控制的操作，I/O设备数据传送控制方式20所以，I/O通道已具备处理机的功能。但它仅仅是面向外围设备的控制和数据的传送，其指令系统也仅仅是几条简单的与I/O操作有关的命令。它要在CPU的I/O指令指挥下启动、停止或改变工作状态。I/O设备数据传送控制方式225．外围处理机方式输入输出处理机通常称作外围处理机(eripheralprocessor

unit，简称PPU)。这种外围处理机的结构更接近处理机，甚至就是一般小型通用计算机或微机。它可以完成I/O通道所要完成的I/O控制，还可完成码制转换、格式处理、数据块的检错、纠错等操作。它可具有相应的运算处