《输入输出系统 》PPT课件.ppt
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1、第第1010章章 输入、输出系统输入、输出系统110.1 10.1 输入输出系统概述输入输出系统概述 n n I/O系统系统包括包括外部设备外部设备及其与及其与主机主机之间的控制之间的控制部件。部件。n n后者称之为设备控制器,有时也称为设备适配后者称之为设备控制器,有时也称为设备适配器或接口,其作用是控制并实现主机与外部设器或接口,其作用是控制并实现主机与外部设备之间的数据传送。备之间的数据传送。n n本章主要介绍设备控制器的本章主要介绍设备控制器的工作原理工作原理及其与主及其与主机之间传送数据的协议,即机之间传送数据的协议,即系统总线系统总线。2输入输出接口的基本结构输入输出接口的基本结构
2、n nCPUCPU和外设之间通常传递的信息:数据、状态、控制和外设之间通常传递的信息:数据、状态、控制和外设之间通常传递的信息:数据、状态、控制和外设之间通常传递的信息:数据、状态、控制组成组成:寄存器组、控制逻辑电路、主机与接口和接口与寄存器组、控制逻辑电路、主机与接口和接口与I/OI/O设备之间的信号联接线、数据地址线、控制状态信号线设备之间的信号联接线、数据地址线、控制状态信号线CPU控控制制电电路路DRSRCRI/O设备设备地址地址数据数据IO/MRDWR数据数据状态状态控制控制310.1.1 10.1.1 输入输出设备的编址及设备输入输出设备的编址及设备控制器的基本功能控制器的基本功
3、能n n为了便于为了便于为了便于为了便于CPUCPUCPUCPU对对对对I/OI/OI/OI/O设备进行寻址和选择,必须给众多设备进行寻址和选择,必须给众多设备进行寻址和选择,必须给众多设备进行寻址和选择,必须给众多的的的的I/OI/OI/OI/O设备进行编址,也就是说给每一台设备规定一设备进行编址,也就是说给每一台设备规定一设备进行编址,也就是说给每一台设备规定一设备进行编址,也就是说给每一台设备规定一些地址码,称之为些地址码,称之为些地址码,称之为些地址码,称之为设备号或端口地址设备号或端口地址设备号或端口地址设备号或端口地址。n n一般有两种编址方式:一般有两种编址方式:一般有两种编址方
4、式:一般有两种编址方式:(1)(1)I/OI/O端口独立编址端口独立编址端口独立编址端口独立编址 优:优:优:优:专门的专门的专门的专门的I/OI/O指令,与访存分开;指令执行快;不指令,与访存分开;指令执行快;不指令,与访存分开;指令执行快;不指令,与访存分开;指令执行快;不占内存地址空间。占内存地址空间。占内存地址空间。占内存地址空间。缺:缺:缺:缺:需专用指令、寻址方式少需专用指令、寻址方式少需专用指令、寻址方式少需专用指令、寻址方式少(2)(2)存储器、存储器、存储器、存储器、I/OI/O接口统一编址接口统一编址接口统一编址接口统一编址 优优优优:访存指令可访问端口,这样寻址类型多,编
5、程较:访存指令可访问端口,这样寻址类型多,编程较:访存指令可访问端口,这样寻址类型多,编程较:访存指令可访问端口,这样寻址类型多,编程较方便。方便。方便。方便。缺缺缺缺:占用存储器空间;速度慢。:占用存储器空间;速度慢。:占用存储器空间;速度慢。:占用存储器空间;速度慢。4设备控制器的基本功能设备控制器的基本功能:n n (1 1 1 1)实现主机和外围设备之间的数据传送控制。)实现主机和外围设备之间的数据传送控制。)实现主机和外围设备之间的数据传送控制。)实现主机和外围设备之间的数据传送控制。其中包括设备选择、中断控制等。其中包括设备选择、中断控制等。其中包括设备选择、中断控制等。其中包括设
6、备选择、中断控制等。n n (2 2 2 2)实现数据缓冲,以达到主机和外围设备之)实现数据缓冲,以达到主机和外围设备之)实现数据缓冲,以达到主机和外围设备之)实现数据缓冲,以达到主机和外围设备之间速度的匹配。间速度的匹配。间速度的匹配。间速度的匹配。n n (3 3 3 3)接受主机的命令,提供设备接口的状态,)接受主机的命令,提供设备接口的状态,)接受主机的命令,提供设备接口的状态,)接受主机的命令,提供设备接口的状态,并按照主机的命令控制设备。并按照主机的命令控制设备。并按照主机的命令控制设备。并按照主机的命令控制设备。510.1.2 10.1.2 主机与外设间主机与外设间 数据传送控制
7、方式数据传送控制方式 (1)(1)程序直接控制(程序直接控制(程序直接控制(程序直接控制(program direct control program direct control)传递方式传递方式传递方式传递方式(2)(2)程序中断传送(程序中断传送(程序中断传送(程序中断传送(program interrupt transferprogram interrupt transfer)方式方式方式方式(3)(3)直接存储器存取(直接存储器存取(直接存储器存取(直接存储器存取(direct memory accessdirect memory access)DMA DMA方式方式方式方式(4)I
8、/O(4)I/O通道控制(通道控制(通道控制(通道控制(I/O channel controlI/O channel control)方式方式方式方式(5)(5)外围处理机(外围处理机(外围处理机(外围处理机(peripheral processor unitperipheral processor unit)方式方式方式方式61、程序直接控制传送方式程序直接控制传送方式n n又叫查询方式。是完全通过程序来控制主机和外又叫查询方式。是完全通过程序来控制主机和外又叫查询方式。是完全通过程序来控制主机和外又叫查询方式。是完全通过程序来控制主机和外围设备之间的信息传送。围设备之间的信息传送。围设备之
9、间的信息传送。围设备之间的信息传送。n n通常的办法是在用户的程序中安排一段由输入输通常的办法是在用户的程序中安排一段由输入输通常的办法是在用户的程序中安排一段由输入输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他指令所组成的程序段直接控制外围出指令和其他指令所组成的程序段直接控制外围出指令和其他指令所组成的程序段直接控制外围出指令和其他指令所组成的程序段直接控制外围设备的工作。也就是说设备的工作。也就是说设备的工作。也就是说设备的工作。也就是说CPUCPUCPUCPU要不断地查询外围设备要不断地查询外围设备要不断地查询外围设备要不断地查询外围设备的工作状态,一旦外围设备的工作状态,一
10、旦外围设备的工作状态,一旦外围设备的工作状态,一旦外围设备“准备好准备好准备好准备好”或或或或“不忙不忙不忙不忙”,即可进行数据的传送。即可进行数据的传送。即可进行数据的传送。即可进行数据的传送。71、程序直接控制传送方式程序直接控制传送方式n n该方法是主机与外设之间进行数该方法是主机与外设之间进行数该方法是主机与外设之间进行数该方法是主机与外设之间进行数据交换的最简单、最基本的控制方法。据交换的最简单、最基本的控制方法。据交换的最简单、最基本的控制方法。据交换的最简单、最基本的控制方法。n n无条件传送无条件传送无条件传送无条件传送n n只有在外设总处于准备好状态只有在外设总处于准备好状态
11、只有在外设总处于准备好状态只有在外设总处于准备好状态n n程序查询方式程序查询方式程序查询方式程序查询方式n n优点:优点:优点:优点:n n较好协调主机与外设之间的时较好协调主机与外设之间的时较好协调主机与外设之间的时较好协调主机与外设之间的时间差异间差异间差异间差异n n所用硬件少。所用硬件少。所用硬件少。所用硬件少。JJ缺点:缺点:缺点:缺点:n n主机与外设只能串行工作主机与外设只能串行工作主机与外设只能串行工作主机与外设只能串行工作n n主机一个时间段只能与一个外主机一个时间段只能与一个外主机一个时间段只能与一个外主机一个时间段只能与一个外设进行通讯设进行通讯设进行通讯设进行通讯n
12、nCPUCPU效率低。效率低。效率低。效率低。从从I/O接口中读接口中读 一个字到一个字到CPU从从CPU向主存向主存 写入一个字写入一个字CPU向向I/O发发 读指令读指令CPU读读I/O状态状态检查状态检查状态 完成否完成否未准备就绪未准备就绪现行程序现行程序是是出错出错已准备就绪已准备就绪否否82 2、程序中断传送方式、程序中断传送方式n n当外围设备完成数据传送的准备后,便主动向当外围设备完成数据传送的准备后,便主动向当外围设备完成数据传送的准备后,便主动向当外围设备完成数据传送的准备后,便主动向CPUCPUCPUCPU发出发出发出发出“中断请求中断请求中断请求中断请求”信号。若信号。
13、若信号。若信号。若CPUCPUCPUCPU允许中断,则在允许中断,则在允许中断,则在允许中断,则在一条指令一条指令一条指令一条指令执行完后执行完后执行完后执行完后,响应中断请求,转去执行中断服务子程序,响应中断请求,转去执行中断服务子程序,响应中断请求,转去执行中断服务子程序,响应中断请求,转去执行中断服务子程序,完成数据传送,通常传送一个字或一个字节。传送完完成数据传送,通常传送一个字或一个字节。传送完完成数据传送,通常传送一个字或一个字节。传送完完成数据传送,通常传送一个字或一个字节。传送完后继续执行原程序。后继续执行原程序。后继续执行原程序。后继续执行原程序。n n中断请求方式在一定程度
14、上实现了中断请求方式在一定程度上实现了中断请求方式在一定程度上实现了中断请求方式在一定程度上实现了CPUCPUCPUCPU和外围设备的并和外围设备的并和外围设备的并和外围设备的并行工作。行工作。行工作。行工作。n n若在某一时刻有几台设备发出中断请求,若在某一时刻有几台设备发出中断请求,若在某一时刻有几台设备发出中断请求,若在某一时刻有几台设备发出中断请求,CPUCPUCPUCPU可根据预可根据预可根据预可根据预先定好的优先级,去处理几台外设的数据传送。先定好的优先级,去处理几台外设的数据传送。先定好的优先级,去处理几台外设的数据传送。先定好的优先级,去处理几台外设的数据传送。n n但是对于工
15、作频率较高的外设,如磁盘,数据交换通但是对于工作频率较高的外设,如磁盘,数据交换通但是对于工作频率较高的外设,如磁盘,数据交换通但是对于工作频率较高的外设,如磁盘,数据交换通常是成批的,若采用中断方式,则不合适。一般采用常是成批的,若采用中断方式,则不合适。一般采用常是成批的,若采用中断方式,则不合适。一般采用常是成批的,若采用中断方式,则不合适。一般采用DMADMADMADMA方式方式方式方式。92 2、程序中断传送方式、程序中断传送方式n n优点:避免频繁查询,适合随机出现的服务和中优点:避免频繁查询,适合随机出现的服务和中低速外设使用。低速外设使用。n n缺点:成批数据交换时,中断影响传
16、送效率,一缺点:成批数据交换时,中断影响传送效率,一次传送一个字符,中断处理时间大于传送数据时次传送一个字符,中断处理时间大于传送数据时间。需要一定的硬件电路。间。需要一定的硬件电路。103 3、直接存储器访问方式、直接存储器访问方式1.DMA1.DMA方式的引入方式的引入方式的引入方式的引入n n前两种方式以前两种方式以前两种方式以前两种方式以CPUCPU为中心,占用为中心,占用为中心,占用为中心,占用CPUCPU时间。时间。时间。时间。DMADMA方式方式方式方式以内存为中心。以内存为中心。以内存为中心。以内存为中心。2.2.基本工作原理基本工作原理基本工作原理基本工作原理n n在外围设备
17、和主存之间开辟直接的数据通路。在正常工在外围设备和主存之间开辟直接的数据通路。在正常工在外围设备和主存之间开辟直接的数据通路。在正常工在外围设备和主存之间开辟直接的数据通路。在正常工作时,所有的工作周期均用于执行作时,所有的工作周期均用于执行作时,所有的工作周期均用于执行作时,所有的工作周期均用于执行CPUCPUCPUCPU的程序。当外围的程序。当外围的程序。当外围的程序。当外围设备完成设备完成设备完成设备完成I/OI/OI/OI/O的准备工作后,占用的准备工作后,占用的准备工作后,占用的准备工作后,占用CPUCPUCPUCPU的工作周期,和主的工作周期,和主的工作周期,和主的工作周期,和主存
18、直接交换数据。完成后,存直接交换数据。完成后,存直接交换数据。完成后,存直接交换数据。完成后,CPUCPUCPUCPU又继续控制总线,执行又继续控制总线,执行又继续控制总线,执行又继续控制总线,执行原程序。原程序。原程序。原程序。n n完成这项工作的是系统中增设的完成这项工作的是系统中增设的完成这项工作的是系统中增设的完成这项工作的是系统中增设的DMADMADMADMA控制器。控制器。控制器。控制器。11直接存储器访问方式直接存储器访问方式n nDMADMADMADMA控制器控制器控制器控制器在进行在进行在进行在进行DMADMADMADMA传送之前,由传送之前,由传送之前,由传送之前,由CPU
19、CPUCPUCPU将每次传送将每次传送将每次传送将每次传送的主存地址、数据的个数等参数传送给的主存地址、数据的个数等参数传送给的主存地址、数据的个数等参数传送给的主存地址、数据的个数等参数传送给DMADMADMADMA控制器,控制器,控制器,控制器,然后具体的数据传送就由然后具体的数据传送就由然后具体的数据传送就由然后具体的数据传送就由DMADMADMADMA控制器实现,无须控制器实现,无须控制器实现,无须控制器实现,无须CPUCPUCPUCPU的参与。的参与。的参与。的参与。n n缺点缺点缺点缺点:n n CPUCPUCPUCPU需要在需要在需要在需要在DMADMADMADMA传送的开始和结
20、束时参与;传送的开始和结束时参与;传送的开始和结束时参与;传送的开始和结束时参与;n n 每个需要进行每个需要进行每个需要进行每个需要进行DMADMADMADMA传送的外设都要对应一个传送的外设都要对应一个传送的外设都要对应一个传送的外设都要对应一个DMADMADMADMA控制器,且控制器,且控制器,且控制器,且DMADMADMADMA控制器是由硬件实现的,不易修控制器是由硬件实现的,不易修控制器是由硬件实现的,不易修控制器是由硬件实现的,不易修改。于是在大型计算机系统中通常设置专门的改。于是在大型计算机系统中通常设置专门的改。于是在大型计算机系统中通常设置专门的改。于是在大型计算机系统中通常
21、设置专门的硬件装置硬件装置硬件装置硬件装置通道通道通道通道。12三种方式的三种方式的 CPU 工作效率比较工作效率比较存取周期结束存取周期结束CPU 执行现行程序执行现行程序CPU 执行现行程序执行现行程序DMA请求请求启动启动I/OI/O准备准备I/O准备准备一个存取周期一个存取周期实现实现I/O与主存与主存之间的传送之间的传送CPU 执行执行现行程序现行程序CPU查询等待并传输查询等待并传输I/O数据数据CPU 执行执行现行程序现行程序启动启动I/OI/O 准备及传送准备及传送指令执行周期结束指令执行周期结束CPU 执行现行程序执行现行程序CPU 执行现行程序执行现行程序启动启动I/O中断
22、请求中断请求I/O准备准备I/O准备准备CPU 处理中断服务程序处理中断服务程序实现实现 I/O 与主机之间的传送与主机之间的传送间间断断启动启动I/O启动启动I/OI/O准备准备中断请求中断请求启动启动I/OI/O准备准备一个存取周期一个存取周期DMA请求请求程序程序查询查询方式方式程序程序中断中断方式方式DMA 方式方式I/O 准备及传送准备及传送13 4 4、I/OI/O通道控制方式通道控制方式n n I IOO通道具有少数专用的指令系统,能实现指令所通道具有少数专用的指令系统,能实现指令所通道具有少数专用的指令系统,能实现指令所通道具有少数专用的指令系统,能实现指令所控制的操作,管辖其
23、相应的设备控制器,所以控制的操作,管辖其相应的设备控制器,所以控制的操作,管辖其相应的设备控制器,所以控制的操作,管辖其相应的设备控制器,所以I IOO通通通通道已具备简单处理机的功能。但它仅仅是面向外围设道已具备简单处理机的功能。但它仅仅是面向外围设道已具备简单处理机的功能。但它仅仅是面向外围设道已具备简单处理机的功能。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备的控制和数据的传送,其指令系统也仅仅是几条简备的控制和数据的传送,其指令系统也仅仅是几条简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单的与单的与单的与I IOO操作有关的命令。操作有关的命令。操作有
24、关的命令。操作有关的命令。n nI IOO通道要在通道要在通道要在通道要在CPUCPU的的的的I IOO指令指挥下启动、停止或指令指挥下启动、停止或指令指挥下启动、停止或指令指挥下启动、停止或改变工作状态。因此,改变工作状态。因此,改变工作状态。因此,改变工作状态。因此,l lOO通道不是一个完全独立的通道不是一个完全独立的通道不是一个完全独立的通道不是一个完全独立的处理机,它只是从属于处理机,它只是从属于处理机,它只是从属于处理机,它只是从属于CPUCPU的一个专用的一个专用的一个专用的一个专用I IOO处理器。处理器。处理器。处理器。它的进一步发展是引入专用的它的进一步发展是引入专用的它的
25、进一步发展是引入专用的它的进一步发展是引入专用的输入输出处理机输入输出处理机输入输出处理机输入输出处理机。n n 通道方式的出现进一步提高了通道方式的出现进一步提高了通道方式的出现进一步提高了通道方式的出现进一步提高了CPUCPU的效率。但需更多的效率。但需更多的效率。但需更多的效率。但需更多的硬件电路。的硬件电路。的硬件电路。的硬件电路。14I/OI/O通道控制方式通道控制方式n nMMMMMMMM:主存主存主存主存n nCPUCPUCPUCPU:中央处理器中央处理器中央处理器中央处理器n nCHCHCHCH:通道通道通道通道n nCUCUCUCU:接口接口接口接口n nD D D D:I/
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