计算机组成输入输出系统

计算机组成输入输出系统课件第1页，共48页，2023年，2月20日，星期四本章知识要点：I/0系统的功能和组成。I/0设备的分类。键盘、鼠标、扫描仪等常用输入设备的组成、工作原理、性能指标、发展趋势及与计算机的连接。显示器及打印机等常用输出设备的组成、工作原理、性能指标、发展趋势及与计算机的连接。硬盘、光盘、闪存等外存储器设备的组成及工作原理。I/0接口的功能、组成和分类。主机与I/0设备之间的四种通信方式及其特点。第2页，共48页，2023年，2月20日，星期四7.1

I/0系统概述7.1.1

I/0系统的功能

I/O系统是用来控制I/O设备与计算机主机之间进行信息传递的机构，是计算机系统中重要的软、硬件结合的子系统。它的主要任务是对各种形式的信息进行输入和输出的控制。7.1.2

I/0系统的组成由I/O设备和I/O接口组成，如图7-1所示。第3页，共48页，2023年，2月20日，星期四图7-1I/O系统的硬件组成第4页，共48页，2023年，2月20日，星期四7.2I/O设备7.2.1I/O设备的分类

1.输入设备2.输出设备3.外存储器设备4.A/D、D/A转换设备5.数据通信设备第5页，共48页，2023年，2月20日，星期四7.2.2输入设备

字符输入设备：键盘光学阅读设备：光学字符阅读机图形输入设备：鼠标器、操纵杆、光笔图像输入设备：摄像机、扫描仪、传真机模拟输入设备：语言模数转换识别系统第6页，共48页，2023年，2月20日，星期四1.键盘（1）键盘的一般结构（2）键盘的组成和工作原理（3）键盘的开关（4）键盘的发展趋势（5）键盘与计算机的连接第7页，共48页，2023年，2月20日，星期四2.鼠标（1）鼠标的分类及其工作原理（2）鼠标的基本操作（3）鼠标指针的形状及其功能（4）鼠标的发展趋势（5）鼠标与计算机的连接第8页，共48页，2023年，2月20日，星期四3.扫描仪（1）扫描仪的分类（2）扫描仪的主要组成与工作原理（3）感光元件的比较（4）扫描仪的性能指标（5）扫描仪的发展趋势（6）扫描仪与计算机的连接第9页，共48页，2023年，2月20日，星期四7.2.3输出设备1.显示器（1）CRT显示器（2）LCD显示器（3）显示器的性能指标（4）显示器的发展趋势（5）显示器与计算机的连接第10页，共48页，2023年，2月20日，星期四2.打印机（1）打印机的分类（2）激光打印机（LaserPrinter）（3）喷墨式打印机（InkjetPrinter）（4）打印机的工作方式（5）打印机的发展趋势（6）打印机与计算机的连接第11页，共48页，2023年，2月20日，星期四7.2.4外存储器设备1.硬盘存储器（1）硬盘的工作原理（2）硬盘的主要技术指标（3）硬盘的发展趋势（4）硬盘与计算机的连接2.光盘存储器

（1）光盘的类型（2）光盘的工作原理（3）光盘与计算机的连接

3.闪存第12页，共48页，2023年，2月20日，星期四7.3I/O接口

7.3.1

I/O接口的功能

1.实现主机和外设的通信控制2.实现数据缓冲和速度匹配3.实现数据格式转换4.传递控制命令和状态信息7.3.2I/O接口的组成外部接口：与I/O设备相连；内部接口：与主机相连。见图1-10。第13页，共48页，2023年，2月20日，星期四图1-10I/O接口基本构成

第14页，共48页，2023年，2月20日，星期四7.3.3I/O接口的分类1．按照数据传送的位宽不同，可分为并行接口和串行接口。

2．按照数据传送的控制方式不同，可分为中断式接口和DMA式接口。3．按照功能选择的灵活性不同，可分为可编程接口和不可编程接口。4．按照通用性的不同，可分为通用接口和专用接口。5．按照设备连接方式的不同，可分为点对点接口和多点接口。第15页，共48页，2023年，2月20日，星期四7.3.4外设的识别与I/O端口编址

1.统一编址方式2.I/O独立编址方式

第16页，共48页，2023年，2月20日，星期四7.4I/0设备与主机的通信方式程序直接控制方式程序中断控制方式DMA方式通道控制方式第17页，共48页，2023年，2月20日，星期四7.4.1程序直接控制方式通过CPU执行一段I/O程序来控制主机和外设的数据传送。CPU通过程序向I/O接口传送控制命令，并从I/O接口取得外设和接口的状态，根据状态来控制外设和主机的信息传送。如果外设准备就绪，则进行数据的输入或输出，否则CPU等待并循环查询外设的状态。优点是结构简单，只需要少量的硬件电路即可实现；缺点是由于CPU的速度远远高于外设的速度，因此CPU通常处于等待状态，工作效率很低。有无条件传送和条件传送之分。

第18页，共48页，2023年，2月20日，星期四1.无条件传送方式也称同步传送方式。无条件是指假设外设已处于就绪状态，数据传送时，程序不必去查询外设的状态，可以直接执行I/O指令进行数据传输。输入时，采用三态缓冲器；输出时，采用具有存储功能的锁存器。

第19页，共48页，2023年，2月20日，星期四图7.2无条件传送接口

第20页，共48页，2023年，2月20日，星期四2.条件传送方式也称异步传送方式。所谓条件，是指在数据传送前先查询外设的状态，当外设准备就绪时，CPU执行I/O指令传送数据；若外设未就绪，则CPU需等待并循环查询外设的状态。查询外设的状态是通过执行专门的查询程序来实现的，所以也被称为程序查询方式。优点是I/O接口控制逻辑少，实现简单；缺点是CPU与外设完全串行工作，所以效率低、速度慢；而且该方式需要不断查询外设的状态，在等待循环中浪费了大量的CPU时间，所以大大降低了CPU的利用率。第21页，共48页，2023年，2月20日，星期四图7.3条件传送方式流程图第22页，共48页，2023年，2月20日，星期四图7.4条件传送接口第23页，共48页，2023年，2月20日，星期四7.4.2程序中断控制方式1.中断的概念中断是指CPU暂时中止它正在执行的程序，转去执行发出中断请求的外设（或内部事件）的服务子程序（即中断服务程序），待该服务程序执行完毕后，再返回被中止的程序继续执行的过程。

中断系统是指为完成中断功能而设置的各种硬件和软件。

中断源是指发出中断请求的来源，通常有二种：①由I/O设备、实时时钟等来自CPU外部的中断；②由CPU硬件故障或程序执行出错引起的中断。

第24页，共48页，2023年，2月20日，星期四2.中断的作用①实现CPU与外设并行工作

②处理故障

③实现人机对话④实现实时处理

第25页，共48页，2023年，2月20日，星期四3.中断的类型

①按照中断源的不同，可以分为外部中断和内部中断。②按照中断处理方式的不同，可以分为程序中断和简单中断。③按照中断产生方式的不同，可以分为强迫中断和自愿中断。④按照是否提供向量地址进行分类，可以分为向量中断和非向量中断。

第26页，共48页，2023年，2月20日，星期四4.中断处理过程图7.5中断处理过程第27页，共48页，2023年，2月20日，星期四①中断请求图7.6中断请求信号的传送第28页，共48页，2023年，2月20日，星期四②中断判优软件查询法是指用一个查询程序来判别优先级。最先检测的中断源具有最高的优先级，最后检测的中断源具有最低的优先级。软件判优方法简单，可以灵活地修改中断源的优先级别；但查询、判优完全靠程序实现，不但占用CPU时间，而且判优速度也比较慢。硬件排队法采用硬件排队电路来实现中断优先级的判定。优先级别高的中断请求自动屏蔽了对优先级别低的中断请求的处理。硬件排队电路一旦设计连接好之后，将无法改变其优先级。硬件排队法可节省CPU时间，而且速度快，但是成本较高。第29页，共48页，2023年，2月20日，星期四③中断响应中断响应是指CPU从收到中断请求，中止现行程序到转入中断服务程序的过程。此过程完全由硬件实现。CPU响应中断需要三个i条件：CPU接收到中断请求信号、CPU允许中断、现行机器指令执行完毕。操作：第一步是保存中断现场，第二步是将中断服务程序的入口地址送入程序计数器PC，同时将新的程序状态字送入PSW。

第30页，共48页，2023年，2月20日，星期四④执行中断服务程序CPU开中断、并进入中断服务程序的执行过程。⑤中断返回恢复响应中断时保护的现场，并返回到断点处取下一条指令继续执行。

第31页，共48页，2023年，2月20日，星期四5.多重中断

多重中断又称为中断嵌套，是指在某中断的处理过程中又响应了其它的中断。CPU在某中断处理过程中允许响应优先级更高的中断请求，但是不会去响应优先级相同或更低的中断请求。响应时，CPU暂时中止正在执行的中断服务程序，转去处理优先级更高的中断请求，待优先级更高的中断请求处理结束，再返回继续处理最近被中止的中断请求。多重中断时使用堆栈保护多个断点。中断嵌套必须在CPU进入某一中断服务程序之后处于开中断状态下才能实现。

第32页，共48页，2023年，2月20日，星期四图7.7三级中断嵌套情况第33页，共48页，2023年，2月20日，星期四6.中断屏蔽中断屏蔽是指使用程序方式对某些中断源发出的中断请求信号进行封锁，使其不能传送到CPU。中断屏蔽是由中断屏蔽触发器来实现的。“1”表示屏蔽，“0”表示开放。中断屏蔽字只与中断处理的优先级相关。例如，某中断系统有5个中断源，其响应优先级和处理优先级都为1＞2＞3＞4＞5。每一个中断源按其优先级各赋一个屏蔽字，如表7.1所示。

第34页，共48页，2023年，2月20日，星期四表7.1中断处理优先级为1＞2＞3＞4＞5的屏蔽字

中断响应级别屏蔽字12345111111201111300111400011500001第35页，共48页，2023年，2月20日，星期四表7.2中断处理优先级为1＞4＞3＞2＞5的屏蔽字中断响应级别屏蔽字12345111111201001301101401111500001第36页，共48页，2023年，2月20日，星期四7.4.3DMA方式1.DMA方式简介即直接存储器存取（DirectMemoryAccess）方式。主要用于高速设备和主机之间的成批数据传送。DMA方式不是通过执行程序来完成的，而是采用专门的硬件---DMA控制器来实现数据传送。当外设需要进行数据传送时，通过DMA控制器向CPU申请系统使用权，CPU响应之后将总线使用权让出，由DMA控制器接管总线使用权并进行数据传送，数据传送完毕，DMA控制器将总线控制权交还给CPU。不需要CPU干预，也不需要软件介入。

第37页，共48页，2023年，2月20日，星期四图7.8DMA控制器与计算机系统的连接第38页，共48页，2023年，2月20日，星期四2.DMA的工作方式①块传送法：在DMA控制器获得总线控制权以后，连续占用若干个总线周期进行成组连续的数据传送，直至整个数据块传送完毕，DMA控制器才把总线控制权交还给CPU。②周期挪用法：CPU让出一个总线周期的总线使用权给DMA控制器进行一次数据传送，然后将总线使用权交还给CPU，CPU继续进行自己的操作，在下一个DMA请求到来时重复上述过程，直至整个数据块传送完毕。③存储器分时法：把一个总线周期分成两片，一片给CPU使用，一片给DMA控制器使用，使CPU和DMA控制器每个总线周期内交替地访问内存。这种方法无须申请和归还总线，所以对DMA方式而言效率较高；但是对CPU而言，内存的存取周期增加了，不利于提高CPU的工作效率。第39页，共48页，2023年，2月20日，星期四3.DMA控制器的结构与功能①DMA控制器的结构见图7.9。第40页，共48页，2023年，2月20日，星期四②DMA控制器的功能接受外设发出的DMA请求，并向CPU发出总线使用请求；CPU响应此总线请求，让出总线使用权，DMA控制器接管总线使用权，开始DMA操作；确定数据传送用到的内存单元地址及传送的数据字个数，并能自动修改内存数据缓冲区地址值和数据字的计数值；确定数据在内存与外设之间的传送方向，发出读写控制信号，并执行数据传送的操作；能够根据计数值确定数据传送的时刻，并向CPU发出DMA操作结束信号。第41页，共48页，2023年，2月20日，星期四4.DMA的传送过程①DMA控制器初始化：确定数据来源和去向、设置数据传送字个数、启动外设等。②数据传送：见图7.10。③DMA传送结束的处理。

第42页，共48页，2023年，2月20日，星期四7.4.4通道控制方式1.通道控制方式简介通道是专门执行输入输出操作的处理机，是计算机系统中代替CPU管理控制外设的独立部件。CPU通过执行I/O指令启动通道工作，并将数据传送的控制权交给通道。在进行内存和外设之间的信息传送时，CPU执行自己的程序，与通道完全并行工作。每个计算机系统可以有多个通道，每个通道又可连接多台I／O设备，这些设备可以不同种类、可以具有不同的速度、可以并行操作，它为用户提供了增减外围设备的灵活性。

第43页，共48页，2023年，2月20日，星期四（1）通道控制方式与DMA方式的区别①DMA控制器完全借助于硬件完成数据传送；而通道则是一个具有特殊功能的处理器，它具有自己的指令和程序，通过执行通道程序来控制数据传送，所以通道具有更强的独立处理数据输入输出的功能。②DMA控制器通常只能控制一台或少数几台同类设备；而一个通道则可以同时控制许多台同类或不同类的设备。③通道除了承担DMA的全部功能外，还分担了计算机系统中全部或大部分I／O功能，提高了计算机系统功能分散化程度。第44页，共48页，2023年，2月20日，星期四（2）通道的功能①接收通道指令，按指令要求向指定