第7章输入输出（IO）系统.PDFVIP

第7章 输入输出（I/O）系统 键盘、鼠标、打印机都是常见的计算机外围设备，这些设备就是通常意义上所说的输入输出设备。从功 能上可以将输入输出设备分为两类，一类是完成输入输出操作的设备，另一类是作为外部存储器的设备， 外部存储器的访问需要通过输入输出接口进行，因此也可以看作是一种输入输出设备。 种外围设备通过输入输出接口与计算机主机相连，完成主机分配的任务并进行信息交换，这就是输 入输出系统的功能。 输入输出接口需要连接 种不同类型、不同工作速度和数据传输速度的外围设备，因此产生了 种不 同的输入输出控制方式。 5 DMA 本章首先介绍 种输入输出控制方式，然后重点介绍程序中断、 、通道这三种常用方式，最后介 绍几个通用输入输出接口的实例。 7.1 输入输出控制方式 CPU 5 DMA 一般而言， 管理外围设备的输入输出控制方式有 种：程序查询方式、程序中断方式、 方式、 通道方式、外围处理机方式，前两种方式由软件实现，后三种方式由硬件实现。 1. 程序查询方式 程序查询方式是早期计算机中使用的一种方式，CPU 与外围设备的数据交换完全依赖于计算机的程序 控制。 在进行信息交换之前，CPU 要设置传输参数、传输长度等，然后启动外设工作，与此同时，外设则进 行数据传输的准备工作；相对于CPU 来说，外设的速度是比较低的，因此外设准备数据的时间往往是一 个漫长的过程，而在这段时间里，CPU 除了循环检测外设是否已准备好之外，不能处理其他业务，只能一 直等待；直到外设完成数据准备工作，CPU 才能开始进行信息交换。 这种方式的优点是CPU 的操作和外围设备的操作能够完全同步，硬件结构也比较简单。但是，外围设 备的动作通常很慢，程序进行循环查询白白浪费了宝贵的CPU 时间，数据传输效率低下。在当前的实际应 用中，除了单片机之外，已经很少使用程序查询方式了。 2. 程序中断方式 中断是外围设备用来 “主动”通知 CPU，准备发送或接收数据的一种方式。 通常，当一个中断发生时，CPU 暂停其现行程序，转而执行中断处理程序，完成数据 I/O 工作；当中 断处理完毕后，CPU 又返回到原来的任务，并从暂停处继续执行程序。 这种方式节省了CPU 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，应立即执行。与程序查询方式相比，程序中断方式的硬件结构相对复杂一些， 服务成本较大。 3. DMA 方式 DMA Direct Memory Access I/O 方式就是直接存储器存取 （ ）方式，是一种完全由硬件执行 交换的工 作方式。 在该方式中，DMA 控制器从CPU 完全接管对总线的控制权，数据交换不经过 CPU 而直接在主存和 外围设备之间进行，以便高速传送数据。 这种方式的主要优点是数据传送速度很高，传送速率仅受限于主存的访问时间。与程序中断方式相比， 这种方式需要更多的硬件，适用于主存和高速外围设备之间大批量数据交换的场合。 4. 通道方式 DMA 方式的出现减轻了CPU 对 I/O 操作的控制，使得 CPU 的效率显著提高，而通道的出现则进一步 提高了CPU 的效率。 通道是一个具有特殊功能的处理器，又称为输入输出处理器（IOP ），它分担了CPU 的一部分功能， 可以实现对外围设备的统一管理，完成外围设备与主存之间的数据传送。 —101— 通道方式大大提高了CPU 的工作效率，然而这种效率的提高是以增加更多的硬件为代价的。 5. 外围处理机方式 外围处理机（Peripheral Processor Unit ，PPU ）方式是通道方式的进一步发展。 PPU 基本上独立于主机工作，它的结构更接近于一般的处理机，甚至就是微小型计算机。在一些系统