第四章 输入输出系统 《计算机系统结构》PPT课件.pptVIP

2003.3.1 计算机系统结构 第四章 输入输出系统（P208） 4.1 I/O原理 I/O系统能够提供处理机与外部世界进行交往或通信的各种手段。 外部世界指处理机以外的需要与处理机交换信息的人和物。 定义：在计算机系统中，通常把处理机和主存之外的部分称为I/O系统，它包括I/O设备、I/O接口、I/O软件等。 I/O系统的特点 异步性：外围设备相对于处理机通常是异步工作的。 原因：当设备准备好与处理机交往时，要向处理机申请服务。 但申请服务对于处理机来说，这个时间一般是随意的， 两次申请时间之间可能经过很长时间，这就造成输入 输出相对于处理机的异步性和时间上的任意性。 实时性：当外围设备与处理机交往时，由于设备的类型不同，他 们的工作步调是不相同的，处理机必须按照不同设备所 要求传送方式和传输速率不失时机地为设备提供服务， 这就要求实时性控制。处理机为了能够为各种不同类型 的设备提供服务，必须具有相配合的工作方式，包括程 序控制方式、中断方式、直接存储器方式等。 与设备无关性：各种外部设备必须根据其特点和要求选择一种标 准接口和处理机进行连接，他们之间的差别必须由设备 本身的控制器通过硬件和软件来填补。这样，处理机本 身无须了解外设的具体细节，可以采用统一的硬件和软 件对其管理。 4.2 基本输入输出方式(P212) I/O 功能的演变 (The Evolution of the I/O function) CPU 直接控制外部设备； 增加了一个控制器或者I/O模块。CPU使用 P I/O方式，开始与外部设备接口具体细节脱离； 运用中断技术。CPU不必花时间等待I/O操作的执行； 通过DMA，I/O模块可以直接访问内存，只在传输开始和结束的时候需要CPU的干预； I/O模块成为自主的处理器，使用特殊的I/O指令集。CPU指挥I/O处理器执行内存中的I/O程序。I/O处理器只在I/O序列全部执行后才向CPU发出中断； I/O模块有了自己的存储器，实际上就是一台自主的“计算机”。它可以控制大量I/O设备，只需要CPU很少的干预。 程序控制I/O方式特点 何时对何设备进行输入输出操作完全受CPU控制。 外围设备与CPU处于异步工作关系。 数据的输入输出都要经过CPU。 用于连接低速外围设备 一台处理机管理两个速度差别很大的一个例子 在早期的计算机系统中，一台处理机在一段时间内只管理一台外围设备，处理机利用率非常低。 例如：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，打印机每秒钟打印100个字符。处理机用一条指令就能向打印机传送4个字符。计算其处理机利用率。 解：处理机的实际利用率只有： 100/(109×4）= 0.25×10-7，即4千万分之一。 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。 程序控制输入输出方式的优点： 灵活性好。可以很容易地改变各台外围设备优先级。 程序控制输入输出方式的缺点： 实现处理机与外围设备并行工作困难。 中断I/O方式 定义：当出现来自系统内部、机器内部、甚至处理机本身的任何例外的，或者虽是事先安排的，但出现在程序的什么地方是事先不知道的事件时，CPU暂停现行程序，转去处理，处理完后再继续执行原先的程序。 特点: CPU与外围设备能够并行工作。 能够处理例外事件。 数据的输入和输出都要经过CPU，灵活性好。 一般用于连接低速外围设备。 优点：完全克服了程序控制方式中处理机和外围设备之间不能并行的缺点。 现代计算机系统中，中断输入输出方式的作用已经远远超出了为外围设备服务的范畴，成为现代计算机系统中非常重要的一个组成部分。 DMA的特点 主存既可被CPU访问，也可被外围设备访问。 在外围设备与主存间传送数据不需要执行程序，也不用CPU中的数据寄存器和指令计数器，因此，不需要保护现场和恢复现场，从而使工作速度加快。 外围设备和主存间的数据交换过程是要在全硬件控制下完成的，由于它们的传送单位不同，因此，DMA控制器中还要有从字节装配成字和从字拆卸成字节的硬件。 在DMA方式开始前要对DMA控制器进行初始化，并启动设备开始工作。结束后要向CPU申请中断，在中断服务程序中对主存中数据缓冲区进行后处理。 DMA的特点 在DMA方式中CPU不仅能够与