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第8章 输入输出系统 8.1 输入输出系统概述 8.2 输入输出接口 8.3 主机与外设交换信息的方式 本章小结 作业 8.1 输入输出系统概述 一、输入输出系统的构成 二、外设与CPU的连接 三、I/O指令格式 一、输入输出系统的构成 1、外设的特点 2、外设的分类 3 、外设的编址方式 1、外设的特点 外设具有工作速度差异大、结构原理差异大、时序独立、异步性明显等特点，处理的信息从数据格式到逻辑时序一般不可能直接与CPU兼容。 计算机与I/O设备间的连接与信息交换不能直接进行，而必须设计一个“接口电路”作为两者之间的桥梁，使CPU和外设协调工作，这种I/O接口电路又叫“I/O适配器”（I/O Adapter）。 2、外设的分类 按照功能可分为输入设备和输出设备两大类。 输入设备用于将各种形式的外部信息转换为计算机所能识别的二进制信息 输出设备则用于将计算机中的二进制信息转换为人或其他机器所能识别的信息形式。 2、外设的分类 按照外设的工作速度又可以分为低速设备、中速设备、高速设备。例如，键盘、鼠标是常见的低速设备，磁盘是常见的高速设备。 根据外设在计算机系统中所起的作用，可以分为人—机交互设备、外存储器设备、通信设备。 3 、外设的编址方式 I/O统一编址（存储器映射方式） I/O独立编址（I/O映射方式） I/O统一编址 一个I/O端口等同于一个存储器单元。 应用：Motorola 系列、Apple系列微型机及一些单片机和单板机。 优点： 指令系统中不设置专用的I/O指令，用功能很强的访存指令(如LOAD/STORE或者MOV)来访问I/O端口，通过地址来区分访问的是存储器还是I/O端口。 外设数目或I/O寄存器数几乎不受限制。 微机的读写控制逻辑较为简单。 I/O统一编址 缺点： I/O端口占用部分主存空间，可用主存空间减小； 访存指令较长，执行速度较慢； I/O端口地址译码电路复杂，译码时间较长。 I/O独立编址 I/O端口地址空间与存储器地址空间相互独立。指令系统中设置了专用的I/O指令，用I/O指令来访问I/O端口，用访存指令来访问存储器，因此，虽然I/O端口地址与存储器地址有部分重叠，但通过指令可以区分。 应用：IBM-PC 系列、Z-80系列微型机及一些大型机。 优点： I/O端口地址不占用存储器地址空间； I/O端口数量不多，占用地址线少，地址译码简单，速度较快； 使用专用I/O命令(IN/OUT)，指令短，执行速度快，可读性强。 I/O独立编址（续） 缺点： 专用I/O指令增加指令系统复杂性，且I/O指令类型少，程序设计灵活性较差； 要求处理器提供MEMR/MEMW和IOR/IOW两组控制信号，增加了控制逻辑的复杂性。 Intel系列微机I/O编址 Intel系列微处理器支持I/O独立编址方式和I/O统一编址（存储器映象编址）方式。 Intel系列微机系统仅支持I/O独立编址方式。 二、外设与CPU的连接 外设接口通过总线与CPU连接。 三、I/O指令格式 专用的I/O指令包含操作码、命令码和地址码三部分。 操作码用于区分访存指令和I/O指令 命令码用于区分I/O操作的种类 地址码则指明要访问的外设端口地址以及CPU寄存器号 三、I/O指令格式 IBM/PC机的I/O指令只有两条：IN和OUT IN指令将外设端口中的数据读入累加寄存器AL(AX) 。 OUT指令将累加寄存器AL(AX)的数据写入外设端口。 它们的汇编助记符及格式如下： 8.2 输入输出接口 一、I/O接口的功能 二、I/O接口的组成 一、I/O接口的功能 I/O接口的功能如下： 实现数据缓冲 执行CPU的命令 返回外设的状态 设备选择。 实现数据格式的转换 实现信号的转换 中断管理功能 二、I/O接口的组成 I/O接口的硬件电路主要包括三部分： 基本电路主要包括寄存器及其控制逻辑。寄存器包括命令寄存器（控制寄存器）及其译码器、数据缓冲寄存器、状态寄存器，分别用以保存CPU的命令、数据信息和外设的状态。 端口地址译码电路对地址总线上的外设地址进行译码，用以决定是否选中设备自身。 供选电路由于接口的功能和结构有很大的区别，因此各接口电路中可能选择使用中断控制逻辑、定时器、计数器、移位器等器件。 二、I/O接口的组成 I/O接口组成框图 8.3 主机与外设交换信息的方式 一、程序查询方式 二、程序中断方式 三、直接存储器访问（DMA）方式 四、通道方式 五、输入输出处理机（IOP）方式 一、程序查询方式 工作原理：CPU查询外设已准备好后，才传送数据。 特点：CPU与外设间通过程序同步，CPU被外设独占，CPU效率低下。 要求：不需要增加额外的硬件电路。 应用： 适同在CPU不太忙且传送速度要求不高时。