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【计算机组成原理】第5章 输入输出系统

开发技术 开发技术 3小时前 4次浏览

教材基于《计算机组成原理 第3版》 ——唐朔飞

概述

输入输出系统的发展概况

🌈 输入输出系统发展的 4 个阶段

【计算机组成原理】第5章 输入输出系统

输入输出系统的组成

【计算机组成原理】第5章 输入输出系统

I/O 设备与主机的联系方式

1️⃣ I/O 设备编址方式

  • 统一编址:将 I/O 地址看作存储器地址的一部分

【计算机组成原理】第5章 输入输出系统

  • 不统一编址:I/O 地址和存储器地址是分开的,所以对 I/O 设备的访问必须有专门的 I/O 指令

【计算机组成原理】第5章 输入输出系统

2️⃣ 设备寻址

每台设备都赋予一个设备号,启动某设备时,可以由 I/O 指令的设备码字段直接指出设备的设备号。

3️⃣ 传送方式

  • 并行:同一瞬间,n 位信息同时从 CPU 输出到 I/O,或者从 I/O 输入 CPU。速度快,单要求的数据线多。

  • 串行:同一瞬间只传送一位信息,在不同时刻连续逐位传送一串信息。速度较慢,但只需要一根数据线和一根地线。

4️⃣ 联络方式

  • 立即相应方式

  • 异步工作采用应答信号联络:I/O 与主机速度不匹配,采用异步方式。在交换信息前,I/O 设备和CPU各自完成自身的任务,一旦出现联络信号,彼此才准备交换信息。

  • 同步工作采用同步时标联络:I/O 设备与 CPU 的工作速度完全同步。

5️⃣ I/O 设备与主机的连接方式

  • 辐射式:每台设备都配有一套控制线路和一组信号线。不便于增删设备

【计算机组成原理】第5章 输入输出系统

  • 总线式:便于增删设备

I/O设备与主机信息传送的控制方式

程序查询方式

  • CPU 和 I/O 串行工作

  • 踏步等待

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程序中断方式

  • CPU 和 I/O 并行工作

  • 没有踏步等待现象,中断现行程序

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【计算机组成原理】第5章 输入输出系统

【计算机组成原理】第5章 输入输出系统

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,而是中断访存,如果 CPU 需要进行访存操作则需要等待一个存取周期

  • 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

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I/O 设备

概述

【计算机组成原理】第5章 输入输出系统

外部设备大致分三类:

  • 人机交互设备:键盘、鼠标、打印机、显示器

  • 计算机信息存储设备:磁盘、光盘、磁带

  • 机——机通信设备:调制解调器等

输入设备

  • 键盘

    • 按键

    • 判断哪个键按下

    • 将此键翻译成 ASCII 码(编码键盘法)

  • 鼠标

    • 机械式:金属球,点位器

    • 光电式:光电转换器

  • 触摸屏

输出设备

  • 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

  • 打印机

    • 击打式:点阵式(逐字、逐行)

    • 非击打式:激光(逐页)喷墨(逐字)

其他

  • A/D、D/A:模拟/数字(数字/模拟)转换器

  • 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

  • 汉字处理:汉字输入、汉字存储、汉字输出

多媒体技术

I/O 接口

概述

【计算机组成原理】第5章 输入输出系统

为什么要设置接口?

  • 实现设备的选择

  • 实现数据缓冲达到速度匹配

  • 实现数据串——并格式转换

  • 实现电平转换

  • 传送控制命令

  • 反映设备的状态(“忙”、“就绪”、“中断请求”)

接口的功能和组成

总线连接方式的 I/O 接口电路

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接口的功能和组成

【计算机组成原理】第5章 输入输出系统

I/O 接口的基本组成

【计算机组成原理】第5章 输入输出系统

1️⃣ 内部接口:内部接口与系统总线相连,实质上是与内存、CPU 相连。数据的传输方式只能并行传输。

2️⃣ 外部接口:外部接口通过接口电缆与外设相连,外部接口的数据传输可能是串行方式,因此 I/O 接口需具有串/并转换功能。

🌈 外部接口的工作流程

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接口类型

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程序查询方式

程序查询流程

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程序查询方式的接口电路

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🔔 CPU 与 I/O 接口之间的信息传送发生在 CPU 的寄存器和 I/O 接口的 DBR 之间,单位是一个字

例题

【计算机组成原理】第5章 输入输出系统

程序中断方式

中断的概念

🌈 中断的概念
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🌈 中断的分类

【计算机组成原理】第5章 输入输出系统

【计算机组成原理】第5章 输入输出系统

🌈 中断请求标记

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I/O 中断的产生

【计算机组成原理】第5章 输入输出系统

为了提高计算机的整机效率,应付突发事件,实时控制的需要,在计算机技术的发展过程中出现了中断技术。为了实现中断,计算机系统中必须配有相应的中断系统或中断机制。

程序中断方式的接口电路

配置中断请求触发器和中断屏蔽触发器

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排队器

分为硬件排队器和软件排队器

🌈 排队器电路/链式排队器

【计算机组成原理】第5章 输入输出系统

中断向量地址形成部件

入口地址:由软件产生 / 硬件向量法

硬件 产生 向量地址

再由** 向量地址** 找到 入口地址

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程序中断方式接口电路的基本组成

【计算机组成原理】第5章 输入输出系统

I/O 中断处理过程

CPU 响应中断的条件和时间

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I/O 中断处理过程

【计算机组成原理】第5章 输入输出系统

中断服务程序流程

【计算机组成原理】第5章 输入输出系统

中断隐指令

【计算机组成原理】第5章 输入输出系统

硬件向量法

【计算机组成原理】第5章 输入输出系统

中断服务程序

【计算机组成原理】第5章 输入输出系统

单重中断和多重中断

【计算机组成原理】第5章 输入输出系统

【计算机组成原理】第5章 输入输出系统

单重中断和多重中断的服务程序流程

【计算机组成原理】第5章 输入输出系统

🌈 程序中断接口芯片 8259A 的内部结构

【计算机组成原理】第5章 输入输出系统

🌈 主程序和服务程序抢占 CPU 示意图
【计算机组成原理】第5章 输入输出系统


程序员灯塔
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