第８章 输入输出系统 （课件）《计算机原理》同步教学（高教版）

第８章 输入输出系统 知识目标 掌握程序查询方式、中断方式、DMA方式、通道方式和I/O处理机方式的概念； 5种I/O方式的基本工作原理和特点； 本章的重点和难点是：5种I/O方式的基本概念及各自的优缺点；几种I/O方式的比较。 引言 提高主机的工作效率、组织合理的I/O系统、配备先进的I/O技术及接口部件是充分发挥计算机系统性能必不可少的条件。现代计算机系统的一大特点是外围设备种类繁多，快慢各异，其组成结构和工作原理各不相同，和CPU的连接方式也千差万别。因此，计算机的输入、输出系统（I/O系统）在整个计算机系统中是最复杂，也是花样最多的部分。本章主要介绍主机与外部设备之间的五种数据传送方式—程序查询方式、中断方式、DMA方式、通道方式和I/O处理机方式的前四种方式。 8.１外围设备的信息交换方式 1．程序查询方式 这种方式又称程序控制方式．数据在CPU和外围设备之间的传送完全靠计算机程序控制．查询方式的优点是CPU的操作和外围设备的操作能够同步，而且硬件结构比较简单．但问题是，外围设备动作很慢，程序进入查询循环时将白白浪费掉CPU很多时间．这种情况同上述例子中第一种方法相仿，CPU此时只能等待，不能处理其他业务．不过在实际应用中并不这样使用，而是CPU定期地由主程序转向查询设备状态的子程序进行扫描轮询． 2．程序中断方式 中断是外围设备用来“主动”通知CPU，准备送出输入数据或接收输出数据的一种方法．通常，当一个中断发生时，CPU暂停它的现行程序，而转向中断处理程序，从而可以输入或输出一个数据．当中断处理完毕后，CPU又返回到它原来的任务，并从它停止的地方开始执行程序．这种方式和我们前述例子的第二种方法相类似．可以看出，它节省了CPU宝贵的时间，是管理I／O操作的一个比较有效的方法。中断方式一般适用于随机出现的服务，并且一旦提出要求，应立即进行．同程序查询方式相比，硬件结构相对复杂一些，服务开销时间较大 3．直接内存访问(DMA)方式 用中断方式交换数据时，每处理一次I／O交换，约需几十微秒到几百微秒．对于一些高速的外围设备，以及成组交换数据的情况，仍然显得速度太慢． 直接内存访问(DMA)方式是一种完全由硬件执行I／O交换的工作方式．这种方式既考虑到中断响应，同时又要节约中断开销．此时，DMA控制器从CPU完全接管对总线的控制，数据交换不经过CPU，而直接在内存和外围设备之间进行，以高速传送数据．这种方式和前述例子的第三种方法相仿，主要的优点是数据传送速度很高，传送速率仅受到内存访问时间的限制．与中断方式相比，需要更多的硬件。DMA方式适用于内存和高速外围设备之间大批数据交换的场合． 4．通道方式 DMA方式的出现已经减轻了CPU对I／O操作的控制，使得CPU的效率有显著的提高，而通道的出现则进一步提高了CPU的效率．这是因为，CPU将部分权力下放给通道。通道是一个具有特殊功能的处理器，某些应用中称为输入输出处理器(IOP)，它可以实现对外围设备的统一管理和外围设备与内存之间的数据传送．这种方式与前述例子的第四种方法相仿，大大提高了CPU的工作效率．然而这种提高CPU效率的办法是以花费更多硬件为代价的 5．外围处理机方式 外围处理机(PPU)方式是通道方式的进一步发展．由于PPU基本上独立于主机工作，它的结构更接近一般处理机，甚至就是一般的微小型计算机．在一些系统中，设置了多台PPU，分别承担I／O控制、通信、维护诊断等任务．从某种意义上说，这种系统已变成分布式的多机系统   ８.2程序查询方式 1、定义 在这种方式中CPU需要根据外设的工作状态来决定何时进行数据传送，它要求CPU随时对接口状态进行查询，如果接口尚未准备好，CPU必须等待，并进行查询。如果已准备好，CPU才能进行数据的输入输出，这就是程序查询方式。 2、程序查询方式的数据传送过程 具体步骤： 向外设发出命令字，请求数据传送； 从外设状态字寄存器读入状态字； 检查状态字中的各种约定标志，看数据交换是否可以进行。 若外设就绪，则进行数据传送，否则，重复②、③两步，一直到该设备准备好交换数据，发出就绪信号“READY”为止。 在数据传送的同时，CPU将I/O接口中的状态标志复位 3、程序查询方式的优缺点 （1）优点：简单、经济、只需少量的硬件，主要以编制程序为主，较容易实现。 （2）缺点：效率低、速度慢、不管是执行子程序，还是查询外设是否准备好，都得占用CPU时间。因此，程序查询方式主要适用于I/O设备少，数据传送率低的系统。 ８．3程序中断方式 ８.3.1 中断的基本概念   采用程序查询方式，当外设速度较低时，CPU大量的时间