《计算机组成原理》 课件 第5章 输入输出系统

第5章输入输出系统5.1输入输出系统概述输入/输出（Input/Output，简称I/O）系统包括输入系统和输出系统两个部分。输入系统的作用是通过输入设备把生活中的数据、文字、图像、声音、视频等信息转换成计算机能识别的二进制数据由计算机主机来处理。输出系统的作用则是把计算机主机处理后的二进制数据通过输出设备转换成我们能识别的数据、文字、图像、声音、视频等。

输入/输出设备习惯上称为I/O设备，又称为外部设备（简称外设）。5.1.1输入/输出接口常见的输入/输出(I/O)设备和计算机主机的相互连接方式是：先通过输入/输出(I/O)接口连接到计算机系统总线上，然后通过总线再与计算机的主机相连接。1.输入/输出接口的功能（1）速度匹配：通过接口可以解决主机和I/O设备之间连接时的速度差异问题。（2）时序配合：通过接口电路可以实现I/O设备和主机不同时序的相互协同。（3）信息转换：通过接口电路来解决信息转换的问题。2.输入/输出接口的结构

接口中主要部件作用如下：（1）数据寄存器数据寄存器起数据缓冲作用，作为输入时，它保存输入设备向CPU发送的数据（称为数据输入寄存器）；作为输出时，保存CPU准备向输出设备发送的数据（称为数据输出寄存器）。（2）状态寄存器状态寄存器反映I/O设备或接口电路的工作状态，便于CPU及时了解I/O设备的工作状态，能通过查询方式实现信息传递。（3）控制寄存器控制寄存器主要用于确定接口电路的工作方式。

（4）其他：接口电路中还有一些命令译码、端口地址译码等控制电路。3.输入/输出端口的编址方式（1）什么是端口I/O接口中的数据寄存器、状态寄存器、控制寄存器又称为端口。一个接口可以有多个端口，如数据端口对应于数据寄存器，状态端口对应于状态寄存器，命令端口对应于控制寄存器。每个端口寄存器都有自己的地址，称为端口地址。（2）端口的编址方式I/O端口编址方式有统一编址方式和独立编址方式两种方式。统一编址所谓统一编址，是把I/O端口地址和主机中的主存储器（主存）的存储单元地址一起编址。②

独立编址独立编址又称为不统一编址。所谓独立编址是指：把I/O设备的端口地址和主存的存储单元地址分开单独进行编号，这样两个地址空间独立，互不影响。5.1.2输入/输出系统的数据传送方式在现代计算机系统中，输入/输出系统的传送方式分为四种：无条件传送方式、查询传送方式、中断传送方式、DMA传送方式。1.无条件传送方式无条件传送方式是一种最简单的数据传送方式，主要用于功能和工作原理比较简单的外设。2.查询传送方式查询传送方式也称为条件传送方式。下图是采取查询方式的打印机硬件接口图。查询传送方式程序流程图。3.中断传送方式为了提高CPU的利用率和进行实时数据处理，CPU常采用中断方式与外设交换数据。什么是中断方式中断是指CPU在执行自己的程序（称为主程序）时，被内部或外部的事件打断，转去执行一段事先安排好的为处理这一事件的中断服务程序，在中断服务程序结束后，又返回原来的断点继续执行原来的程序的过程。

采用中断的方式传送数据称为中断传送方式。中断服务程序中断服务程序要按照以下流程编写：保护现场→中断服务→恢复现场→中断返回。采用中断方式的打印机硬件接口图

在硬件设计上，所有的CPU都至少会有一个以上的外部中断请求引脚，用来接收外部中断请求，比如8086CPU的这个引脚用INTR来标记。中断方式的特点

优点：利用中断服务程序进行数据传送，可实现外设和CPU并行工作，提高了CPU的工作效率。缺点：中断管理的硬件和软件实现过程十分复杂，在带来好处的同时，硬件和软件的设计难度更大。在大批量数据传送时，会造成数据传输效率的降低。4.DMA传送方式DMA（DirectMemoryAccess）传送方式，也称为直接存储器存取方式。应用场合DMA方式主要应用于某种特定类型的外设和内存进行数据传送，这种外设在一段时间内需要大批量和内存交换数据。比如：硬盘。DMA方式DMA方式采取的是在主存和外设之间开辟一条专门的数据通道，这个数据通道在特殊的硬件电路——DMA控制器的控制下，直接进行数据传送而不必通过CPU，不需要使用I/O指令进行传送。DMA方式的工作过程DMA控制器首先要向CPU发出总线请求信号HRQ，要求CPU让出对总线的控制权。拿到总线控制权后，DMA控制器取代CPU，临时接管总线，控制外设和存储器之间直接进行高速数据传送，在结束高速数据传送前再不需要CPU干预。外设和主存的大批量数据传送，实际上是一个大的数据块从一个外设