计组---输入输出系统

输入输出系统

一、概述

1、输入输出系统的发展概况

（1）早期
分散连接
CPU和I/O设备串行工作 程序查询方式
（2）接口模块和DMA阶段
总线连接
CPU与I/O设备并行工作 ：中断方式、DMA方式
（3）具有通道结构的阶段
（4）具有I/O处理机的阶段

2、输入输出系统的组成

（1）I/O软件

• I/O指令 CPU指令的一部分
  
• 通道指令 通道自身的指令
  指出数组的首地址、传送字数、操作命令
  如IBM/370通道指令为64位
  （2）I/O硬件

设备    I/O结构
设备    设备控制器    通道

3、I/O设备与主机的联系方式

（1）I/O设备编址方式

统一编址     用取数、存储指令
不统一编址   有专门的I/O指令 

（2）设备选址
用设备选择电路识别是否被选中
（3）传送方式

• 串行
• 并行
  （4）联络方式
• 立即响应
• 异步工作采用应答信号
  
• 同步工作采用同步时标
  （5）I/O设备与主机的连接方式
• 辐射式连接
  
• 总线连接
  便于增删设备

4、I/O设备与主机信息传送的控制方式

（1）程序查询方式


（2）程序中断方式

CPU和I/O部分的并行工作

没有踏步等待现象
中断现行程序

（3）DMA方式
主存和I/O之间有一条直接数据通道
不中断现行程序
周期挪用（周期窃取）
CPU和I/O并行工作

三种方式的CPU工作效率比较

二、外部设备

1、概述

外部设备大致分三类

（1）人机交互设备       键盘、鼠标、打印机、显示器
（2）计算机信息存储设备  磁盘、光盘、磁带
（3）机-机通信设备      调制解调器等

2、输入设备

（1）键盘
按键
判断哪个键按下
将此键翻译成ASCII码（编码键盘法）
（2）鼠标

机械式   金属球、电位器
光电式   广电转换器

（3）触摸屏

3、输出设备

（1）显示器

字符显示    字符发生器
图形显示    主观图像
图像显示    客观图像

（2）打印机

击打式     点阵式（逐字、逐行）
非击打式    激光（逐页）喷页

4、其他

（1）A/D、D/A 模拟/数字（数字/模拟）转换器
（2）终端 由键盘和显示器组成
完成显示控制与存储、键盘管理及通信控制
（3）汉字处理 汉字输入、汉字存储、汉字输出

5、多媒体技术

三、I/O接口

1、概述

（1）实现设备的选择
（2）实现数据缓冲达到速度匹配
（3）实现数据串-并格式转换
（4）实现电平转换
（5）传送控制命令
（6）反映设备的状态（“忙”、“就绪”、“中断请求”）

2、接口的功能和组成

（1）总线连接方式的I/O接口电路

• 设备选择线
• 数据线
• 命令线
• 状态线
  （2）接口的功能和组成

功能	组成
选址功能	设备选择电路
传送命令的功能	命令寄存器、命令译码器
传送数据的功能	数据缓冲寄存器
反映设备状态的功能	设备状态标记

（3）I/O接口的基本组成

3、接口类型

（1）按数据传送方式分类
并行接口 Intel 8255
串行接口 Intel 8251
（2）按功能选择的灵活性分类
可编程接口 Intel 8255、Intel 8251
不可编程接口 Intel 8212
（3）按通用性分类
通用接口 Intel 8255、Intel 8251
专用接口 Intel 8279、Intel 8275
（4）按数据传送的控制方式分类
中端接口 Intel 8259
DMA接口 Intel 8257

四、程序查询方式

1、程序查询方式的流程

（1）查询流程


（2）程序流程

2、程序查询方式的接口电路

五、程序中断方式

1、中断的概念

中断指处理机处理程序运行中出现的紧急事件的整个过程.程序运行过程中,系统外部、系统内部或者现行程序本身若出现紧急事件,处理机立即中止现行程序的运行,自动转入相应的处理程序(中断服务程序),待处理完后,再返回原来的程序运行,这整个过程称为程序中断。

2、I/O中断的产生

CPU与打印机是部分并行工作的

3、程序中断方式的接口电路

1. 配置中断请求触发器和中断屏蔽触发器

2. 排队器

3. 中断向量地址形成部件

4. 程序中断方式接口电路的基本形成

4、I/O中断处理过程

1. CPU响应中断的条件和时间
（1）条件
允许中断触发器EINT=1
用开中断指令将EINT置“1”
用关中断指令将EINT置“0”或硬件自动复位
（2）时间
当D=1（随机）且MASK=0时，在每条指令执行阶段的结束前
CPU发中断查询信号（将INTR置“1”）
2. I/O中断处理过程

5、中断服务程序流程

1. 中断服务程序的流程
（1）保护现场

（2）中断服务
对不同的I/O设备具有不同内容的设备服务
（3）恢复现场
出栈指令
（4）中断返回
中断返回指令
2. 单重中断和多重中断

单重中断 不允许中断现行的终端服务程序
多重中断 允许级别更高的中断源中断现行的中断服务程序

3. 单重中断和多重中断的服务程序流程
   
   4. 主程序和服务程序抢占CPU示意图
   

六、DMA方式

1、DMA方式的特点

1. DMA和程序中断两种方式的数据通路

2. DMA与主存交换数据的三种方式

• 停止CPU访问主存

控制简单
CPU处于不工作状态或保持状态
未充分发挥CPU对主存的利用率

CPU处于不工作状态或保持状态

• 周期挪用（或周期窃取）

DMA访问主存有三种可能
CPU此时不访存
CPU正在访存
CPU与DMA同时请求访存 此时CPU将总线控制权让给DMA

• DMA与CPU交替访问
  

2、DMA接口的功能和组成

1. DMA接口功能
（1）CPU申请DMA传送
（2）处理总线控制权的转交
（3）管理系统总线、控制数据传送
（4）确定数据传送的首地址和长度
修正传送过程中的数据地址和长度
（5）DMA传送结束时，给出操作完成信号
2. DMA接口组成

3、DMA的工作过程

1. DMA传送过程
预处理、数据传送、后处理
（1）预处理
通过几条输入输出指令预置如下消息

• 通知DMA控制逻辑传送方向（入/出）
• 设备地址—>DMA的DAR
• 主存地址—>DMA的AR
• 传送字数—>DMA的WC
  （2） DMA传送过程示意
  
  （3）数据传送过程（输入）
  
  （4）数据传送过程（输出）
  
  （5）后处理
  校验送入主存的数是否正确
  是否继续用DMA
  测试传送过程是否正确，错则转诊断程序
  由中断服务程序完成
  2. DMA接口与系统的连接方式
  （1）具有公共请求线的DMA请求
  
  （2）独立的DMA请求
  
  3. DMA方式与程序中断方式的比较
  

4、DMA接口的类型

1. 选择型
在物理上连接多个设备
在逻辑上只允许连接一个设备

2. 多路型
在物理上连接多个设备
在逻辑上允许连接多个设备同时工作

3. 多路型DMA接口的工作原理