四、计算机组成原理——第7章：输入/输出系统
目录
7.1 I/O系统基本概念
7.1.1输入/输出系统
7.1.2外部设备
1.输入设备
2.输出设备
(1)显示器
(2)打印机
3.外部存储器(辅存)
(1)磁表面存储器
(2)固态硬盘(SSD)
(3)光盘存储器
7.1.3I/O控制方式
7.2 I/O接口
7.2.1 I/O接口的功能
7.2.2 I/O接口的基本结构
7.2.3 I/O接口的类型
7.2.4 I/O端口及其编址
(1)独立编址
(2)统一编址
7.3 I/O方式
7.3.1程序查询方式
7.3.2程序中断方式
1.程序中断的基本概念
2.程序中断的工作流程
(1)中断请求
(2)中断响应判优
(3)CPU响应中断的条件
(4)中断响应过程
(5)中断向量
(6)中断处理过程
3.多重中断和中断屏蔽技术
7.3.3 DMA方式
1.DMA方式的特点
2.DMA控制器的组成
3.DMA的传送方式
(1)停止CPU访存
(2)周期挪用
(3)DMA与CPU交替访存
4.DMA的传送过程
(1)预处理
(2)数据传送
(3)后处理
5.DMA方式和中断方式的区别
7.4本章小结
7.1 I/O系统基本概念
7.1.1输入/输出系统
输入/输出是以主机为中心而言的，将信息从外部设备传送到主机称为输入，反之称为输出。输入/输出系统解决的主要问题是对各种形式的信息进行输入和输出的控制。
I/O系统中的几个基本概念如下：
1)外部设备。包括输入/输出设备及通过输入/输出接口才能访问的外存储设备。
2)接口。在各个外设与主机之间传输数据时进行各种协调工作的逻辑部件。协调包括传输过程中速度的匹配、电平和格式转换等。
3)输入设备。用于向计算机系统输入命令和文本、数据等信息的部件。键盘和鼠标是最基本的输入设备。
4)输出设备。用于将计算机系统中的信息输出到计算机外部进行显示、交换等的部件。
示器和打印机是最基本的输出设备。
5）外存设备。指除计算机内存及CPU缓存等外的存储器，如硬磁盘、光盘等。
一般来说，I/O系统由I/O软件和I/O硬件两部分构成：
1)I/O软件。包括驱动程序、用户程序、管理程序、升级补丁等。通常采用I/O指令和通道指令实现CPU与I/O设备的信息交换。
2)I/O硬件。包括外部设备、设备控制器和接口、I/O总线等。通过设备控制器来控制I/O设备的具体动作；通过I/O接口与主机(总线)相连。
7.1.2外部设备
最基本的外部设备主要有键盘、鼠标、显示器、打印机、磁盘存储器和光盘存储器等。
1.输入设备
(1)键盘：最常用的输入设备，通过它可发出命令或输入数据。
(2)鼠标：是常用的定位输入设备，它把用户的操作与计算机屏幕上的位置信息相联系。
2.输出设备
(1)显示器
按所用的显示器件分类，有阴极射线管(CRT)显示器、液晶显示器(LCD)、发光二极管(LED)显示器等。显示器属于用点阵方式运行的设备，有以下主要参数。
1)屏幕大小：以对角线长度表示，单位为英寸，常用的有12~32英寸等。
2)分辨率：能表示的像素个数，屏幕上的每个光点就是一个像素，以宽和高的像素数的乘积表示，如800×600、1024×768和1280×1024等。
3)灰度级：指黑白显示器中所显示的像素点的亮暗差别，在彩色显示器中则表现为颜色的不同，灰度级越多，图像层次越清楚、逼真，典型的有8位(256级)、16位等。
4)刷新：光点只能保持极短的时间便会消失，为此必须在光点消失之前再重新扫描显示一遍，这个过程称为刷新。
5)刷新频率：指单位时间内扫描整个屏幕内容的次数。按照人的视觉生理，刷新频率大于
30Hz时才不会感到闪烁，通常显示器的刷新频率为60～120Hz。
◆显存刷新带宽的计算
6)显示存储器(VRAM):也称刷新存储器，为了不断提高刷新图像的信号，必须把一帧图像信息存储在刷新存储器中。其存储容量由图像分辨率和灰度级决定，分辨率越高，灰度级越多，刷新存储器容量越大。
VRAM容量=分辨率×灰度级位数
VRAM带宽=分辨率×灰度级位数×帧频
(2)打印机
用于将计算机的处理结果打印在相关介质上。按工作方式，打印机可分为点阵打印机、针式打印机、喷墨式打印机、激光打印机等。
1)针式打印机。针式打印机擅长“多层复写打印”,实现各种票据或蜡纸等的打印。其工作原理简单，造价低廉，耗材(色带)便宜，但打印分辨率和打印速度不够高。
2)喷墨式打印机。彩色喷墨打印机基于三基色原理，即分别喷射三种颜色的墨滴，按一定的比例混合出所要求的颜色。喷墨式打印机可实现高质量彩色打印。
3)激光打印机。计算机输出的二进制信息，经过调制后转换为激光束，在感光鼓上形成潜像，再经过显影、转印和定影，在纸上得到所需的字符或图像。激光打印机打印质量高、速度快、处理能力强，它是将激光技术和电子显像技术相结合的产物。
3.外部存储器(辅存)
(1)磁表面存储器
所谓“磁表面存储”,是指把某些磁性材料薄薄地涂在金属铝或塑料表面上作为载磁体来存储信息。磁盘存储器、磁带存储器和磁鼓存储器均属于磁表面存储器。
(2)固态硬盘(SSD)
微小型高档笔记本电脑采用高性能Flash存储器作为硬盘来记录数据，这种“硬盘”称为固态硬盘(SSD)。固态硬盘除需要Flash存储器外，还需要其他硬件和软件的支持。
(3)光盘存储器
光盘存储器是利用光学原理读/写信息的存储装置，它采用聚焦激光束对盘式介质以非接触方式记录信息。完整的光盘存储系统由光盘片、光盘驱动器、光盘控制器等组成。
7.1.3I/O控制方式
在输入/输出系统中，经常需要进行大量的数据传输，而传输过程中有各种不同的I/O控制方式，基本的控制方式主要有以下四种：
1)程序查询方式。由CPU通过程序不断查询I/O设备是否已做好准备，从而控制1/O设备与主机交换信息。
2)程序中断方式。只在I/O设备准备就绪并向CPU发出中断请求时才予以响应。
3)DMA方式。主存和I/O设备之间有一条直接数据通路，当主存和I/O设备交换信息时，
无须调用中断服务程序。
4)通道方式。在系统中设有通道控制部件，每个通道都挂接若干外设，主机在执行I/O命令时，只需启动有关通道，通道将执行通道程序，从而完成I/O操作。
其中，方式1和方式2主要用于数据传输速率较低的外部设备，方式3和方式4主要用于数据传输速率较高的设备。
7.2 I/O接口
I/O接口(也称I/O控制器)是主机和外设之间的交接界面，通过接口可以实现主机和外设之间的信息交换。外设种类繁多，且具有不同的工作特性，它们在工作方式、数据格式和工作速度等方面有着很大的差异，接口正是为了解决这些差异而设置的。
7.2.1 I/O接口的功能
I/O接口的主要功能如下：
1)进行地址译码和设备选择。CPU送来选择外设的地址码后，接口必须对地址进行译码以产生设备选择信息，使主机能和指定外设交换信息。
2)实现主机和外设的通信联络控制。解决主机与外设时序配合问题，协调不同工作速度的外设和主机之间交换信息，以保证整个计算机系统能统一、协调地工作。
3)实现数据缓冲。CPU与外设之间的速度往往不匹配，为消除速度差异，接口必须设置数据缓冲寄存器，用于数据的暂存，以避免因速度不一致而丢失数据。
4)信号格式的转换。外设与主机两者的电平、数据格式都可能存在差异，接口应提供主机与外设的信号格式的转换功能，如电平转换、并/串或串/并转换、模/数或数/模转换等。
5)传送控制命令和状态信息。CPU要启动某外设时，通过接口中的命令寄存器向外设发出启动命令；外设准备就绪时，则将“准备好”状态信息送回接口中的状态寄存器，并反馈给CPU。外设向CPU提出中断请求时，CPU也应有相应的响应信号反馈给外设。
7.2.2 I/O接口的基本结构
图7.1所示为I/O接口的通用结构，I/O接口在主机侧通过I/O总线与内存、CPU相连。数据缓冲寄存器用来暂存与CPU或内存之间传送的数据信息，状态寄存器用来记录接口和设备的状态信息，控制寄存器用来保存CPU对外设的控制信息。状态寄存器和控制寄存器在传送方向上是相反的，在访问时间上也是错开的，因此可将它们合二为一。