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计算机系统结构 第四章 输入输出系统 第4章 输入输出系统 4.1 输入输出原理 4.2 中断系统 4.3 通道处理机 4.4 输入输出处理机 4.1 输入输出原理 通常把处理机与主存储器之外的部分统称为输入输出系统，包括输入输出设备、输入输出接口和输入输出软件等。 实际上，运算器、控制器、主存储器和总线等也要通过输入输出系统来管理。 4.1.1 输入输出系统的特点 4.1.2 输入输出系统的组织方式 4.1.3 基本输入输出方式 4.1.1 输入输出系统的特点 输入输出系统是处理机与外界进行数据交换的通道。 输入输出系统是计算机系统中最具多样性和复杂性的部分。 输入输出系统涉及到机、光、电、磁、声、自动控制等多种学科。 输入输出系统最典型地反映着硬件与软件的相互结合。 输入输出系统的复杂性隐藏在系统软件中，用户无需了解输入输出设备的具体细节。 处理机的外部世界包括： 1.实时性 对于一般输入输出设备,如果处理机提供的服务不及时，可能丢失数据，或造成外围设备工作的错误。 对于实时控制计算机系统，如果处理机提供的服务不及时，可能造成巨大的损失，甚至造成人身伤害。 对于处理机本身的硬件或软件错误：如电源故障、数据校验错、页面失效、非法指令、地址越界等，处理机必须及时处理。 对不同类型的设备，必须具有与设备相配合的多种工作方式。 2.与设备无关性 独立于具体设备的标准接口。例如，串行接口、并行接口、SCSI（Small Computer System Interface）接口等 计算机系统的使用者，在需要更换外围设备时，各种不同型号，不同生产厂家的设备都可以直接通过标准接口与计算机系统连接。 处理机采用统一的硬件和软件对品种繁多的设备进行管理。 某些计算机系统已经实现了即插即用技术。 3.异步性 输入输出设备通常不使用统一的中央时钟，各个设备按照自己的时钟工作，但又要在某些时刻接受处理机的控制。 处理机与外围设备之间，外围设备与外围设备之间能并行工作 针对实时性，采用层次结构的方法， 针对与设备无关性，采用分类处理的方法 针对异步性，采用自治控制的方法， 4.1.2 输入输出系统的组织方式 1. 自治控制 输入输出系统是独立于CPU之外的自治系统 处理机与外围设备之间要有恰当的分工 2. 层次结构 最内层是输入输出处理机、输入输出通道等 中间层是标准接口。 标准接口通过设备控制器与输入输出设备连接 3. 分类组织 面向字符的设备，如字符终端、打字机等 面向数据块的设备，如磁盘、磁带、光盘等。 4.1.3 基本输入输出方式 1. 程序控制输入输出方式 状态驱动输入输出方式、应答输入输出方式、查询输入输出方式、条件驱动输入输出方式 程序控制输入输出方式的4个特点： (1)何时对何设备进行输入输出操作受CPU控制 (2)CPU要通过指令对设备进行测试才能知道设备的工作状态。空闲、准备就绪、忙碌等 (3)数据的输入和输出都要经过CPU (4)用于连接低速外围设备，如终端、打印机等 例4.1：一个处理机在一段时间内只能管理一台打印机。处理机执行指令的速度为1GIPS，字长32位，打印机每秒钟100个字符。 解：处理机用一条指令就能向打印机传送4个字符。因此，处理机的实际利用率只有即4千万分之一。 100/109?4＝0.25?10-7 一个处理机管理多台外围设备。处理机采用轮流循环测试方法，分时为各台外围设备服务。 优点： 灵活性很好。可以很容易地改变各台外围设备的优先级。 缺点： 不能实现处理机与外围设备之间并行工作。 2.中断输入输出方式 定义：当出现来自系统外部，机器内部，甚至处理机本身的任何例外的，或者虽然是事先安排的，但出现在现行程序的什么地方是事先不知道的事件时，CPU暂停执行现行程序，转去处理这些事件，等处理完成后再返回来继续执行原先的程序。 特点： (1)CPU与外围设备能够并行工作。 (2)能够处理例外事件。 (3)数据的输入和输出都要经过CPU。 (4)用于连接低速外围设备。 3.直接存储器访问方式 直接存储器访问方式(DMA：Direct Memory Access)，主要用来连接高速外围设备。如磁盘存储器，磁带存储器、光盘辅助存储器，行式打印机等。 DMA方式具有如下特点： (1)外围设备的访问请求直接发往主存储器，数据的传送过程不需要CPU的干预。 (2)全部用硬件实现，不需要做保存现场和恢复现场等工作。 (3)DMA控制器复杂，需要设置数据寄存器、设备状态控制寄存器、主存地址寄存器、设备地址寄存器和数据交换个数计数器及控制逻辑等。 (4)在DMA方式开始和结束时，需要处理机进行管理。 DMA输入设备的工作流程如下： 从设备读一个字节到DMA控制器中的数据缓冲寄存器中。