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) 主讲人：郭老师 1 一、教材要求 2 一、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。 3 二、概念梳理 4 二、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 5 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。 6 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。 7 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。 8 (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。 9 (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。 10 (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。 11 (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。 12 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