专题六 输入输出系统 （ 1 ） 《计算机原理》概念梳理与常考题选讲

《计算机原理》考前概念梳理与常考题选讲 专题六 输入输出系统 （ 1 ） 1、 教材要求 1．理解I/O接口的基本功能和结构。 2．掌握I/O接口的两种编址方法的特点。 3．掌握程序控制方式、中断控制方式和DMA方式的工作原理及特点。 4．理解串行通信、并行通信的工作特点，了解串行通信中的常用术语和基本概念。 5．了解常用8251A及8255A的基本特点。 2、 概念梳理 6.1 概述 输入和输出是构成计算机系统必不可少的部分。 输入是处理单元获取待处理信息的源头；输出是处理单元按程序要求处理信息的表现。 1. 输入 目前计算机只能处理用二进制数表示的信息。在实际应用中，输入信息在表现形式上千 差万别，但最终必须以二进制数的形式提供给处理单元 2. 输出 显示器是常见的输出设备，可以显示文本、图形和图像。但处理单元提供的是用二进制 数表示的信息，当然显示器不可能直接接收键盘的信息。同样，该信息也必须经接口电路处 理后，才能显示。打印机也是常用的外部设备，与显示器的不同之处是，它输出的是硬复制。 当然，还有其他不同形式的输出设备。 因此，外围设备并不直接接到计算机的系统总线上，它必须通过专门的输入/输出(I/O) 接口才能实现与主机之间的相互通信。主机、总线 (DB、CB、AB)、I/O 接口和I/O 设备之 间的关系如图6.1所示。 6.1.1 I/O 接口的基市功能和结构 1.I/O 接口的基本功能 I/O 接口的基本功能从本质上讲，是建立起总线与外围设备间的信息传输桥梁，具体可分为如下几方面。 (1)不同时序间的同步功能 由于 CPU 由高速半导体逻辑电路构成，它的工作速度可达100 MIPS (即每秒执行10⁸ 条指令)以上(今后的速度还会不断地提高);而外围设备则多数由“机—电、机一光一电” 类型的设备与部件组成，它们的工作速度与CPU 相比是比较低的。因此， I/O 接口电路应具 有解决高速的主机与低速的外围设备之间因工作速度差异而引起的在传输数据时的同步问 题，也就是具有信息传输前的联络功能。 (2)不同信息格式的转换功能 外围设备所处理的信息格式有多种形式。有串行的，也有并行的；有8位 (bit) 的，也 有16位 (bit) 的。 (3)电气连接的匹配功能 外围设备所处理的接口信号也有多种形式。有数字式的，也有模拟式的；有标准的逻辑 电平信号，也是非标准的电平信号。 (4)信息传输的缓冲功能 早期的计算机并没有单独的 I/O 接口电路，那时的输入/输出操作是在累加器的直接控 制下完成的。这种方式的缺点是，当累加器忙于输入/输出处理时，它就不能做其他的计算和 操作。为解 决此问题，出现了带缓冲器的I/O 装置并得到了普遍采用。这种缓冲 器装置被发展改进而形成功能更强的I/O 接口电路。这种I/O 接口的主要功能是作为主机与 外围设备之间传送数据的“转接站”,同时提供主机与外围设备之间传送数据所必需的状态信 息，并能接收和执行主机发来的各种控制命令。 (5)设备选择功能 从形式上看，微型计算机系统一般带有多台外设，而CPU 在同一时间内只能与一台外设 交换信息，这就需要利用接口电路中的地址译码电路进行寻址，以选择相应的外设进行工作。 除少数简单外设外，大多数外设在与系统完成信息交换的过程中，需要若干个功能截然 不同的缓冲暂存器，存放各种不同性质的信息。为了便于区分它们，应分别分配一个不同的 地址。为了与存储器的地址进行区分，将其称为I/O 端口地址。由此可见，设备选择功能， 其实质就是端口寻址功能。 (6)中断处理功能 中断是实现外设与主机进行通信的一种控制方法。所以，接口中需设专门的中断控制逻 辑电路，以处理有关的中断事务(如产生中断请求信号，接收中断回答信号，以及提供中断 向量等)。 (7)可编程序功能 在不改动任何硬件的情况下，只修改控制程序，就可改变接口的工作方式，使接口执行不同 的操作命令，大大增加了接口功能的灵活性。 2.I/O 接口的基本结构 I/O 接口电路的一侧与各种各样的外围设备相连接，外围设备的多样性决定了I/O 接口 电路的复杂性。I/O 接口电路的另一侧与系统总线连接，由于均采用标准的逻辑电路，所 以硬件的连接十分简单。如图6.2所示 I/O 接口的基本结构，重点是其内部结构。 由图6.2可以看出，每个I/O 接口内部都包括一组寄存器，通常有数据输入寄存器、数 据输出寄存器、状态寄存器和控制寄存器。有的I/O 接口中还包括中断控制寄存器。这些寄 存器也被称为I/O 端口，每个端口都有一个端口地址。主机就是通过这些端口与外围设备进 行信息交换的。 (1)数据输入寄存器 数据输入寄存器用于暂存外围设备送往CPU 的数据或在 DMA 方式