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计算机组成原理与系统结构 第8章 输入输出系统 输入输出系统简称为I/O系统，包括计算机外围设备及其与主机的接口、I/O控制软件 输入输出系统的主要功能是完成计算机与外界的联系，是CPU与外设之间的桥梁 输入输出系统与整机的速度、处理能力、兼容性等各种性能有着非常密切的关系 8.1 概述 外设的地位和作用 人机对话的桥梁 完成数据的形式及格式变换 计算机系统软件与各种各种信息驻留地 计算机应用的重要工具 外设的编址方式 统一编址（存储器映射方式） 存储单元和I/O端口统一进行编址，共用一个线性地址空间 指令系统中不设置专用I/O指令，用访问存储器的指令来访问I/O端口，通过地址来区分寻址对象（I/O 还是Memory） 优点：指令功能丰富；外设数目或I/O寄存器数目几乎不受限制；读/写控制逻辑简单 缺点： I/O端口占用了有限的存储器空间 外设的编址方式 独立编址（I/O映射方式） 存储单元和I/O端口统一分开编址，各自有独立的地址空间 指令系统中设置了专用I/O指令来用访问I/O端口，通过指令来区分寻址对象（I/O 还是Memory） 优点：I/O端口不占用存储器空间；I/O端口数目不多，占用地址线少，译码电路简单；I/O指令长度短，速度快 缺点： 专用I/O指令增加指令系统复杂性，且指令较少，程序设计灵活性差；处理器要提供MEMR/MEMW和IOR/IOW两组控制信号，增加了控制逻辑的复杂性 外设与CPU的连接 I/O指令格式 I/O设备统一编址时，指令系统中不设置专用的I/O指令，用访存指令来访问I/O端口 I/O设备独立编址时， I/O指令经指令译码器译码后，由控制器发出I/O的读/写信号到外设 8.2 输入输出接口 I/O接口的功能 1、实现数据缓冲 实现输入缓冲、输出锁存，协调CPU与外设在速度上的差异 2、执行CPU的命令 CPU对外设的各种命令以控制代码的形式发送到接口电路 3、向CPU返回外设的状态 为了控制CPU与外设之间的数据传送，接口电路还要向CPU提供诸如数据寄存器“空”、“满”、“准备就绪”、“忙”、“闲”等状态信号，并在CPU查询时反馈这些状态信息 I/O接口的功能 4、设备选择 外设接口应具有识别自我的能力，只有当CPU给出的端口地址处于自己的地址范围内（即被选中），接口才与CPU交换信息，否则不允许有任何操作 5、实现数据格式的转换 CPU与接口的数据传送是并行数据传送，而有的外设是串行数据传送，因此接口应具有数据并行→串行或串行→并行的功能 6、实现信号的转换 外设的工作信号往往与计算机的总线信号不兼容，所以需要进行信号的转换 7、中断管理功能 当外设迫切需要CPU的服务时，特别是系统出现故障时，需要CPU暂停目前的工作，立即处理这些事件，这个过程称为“中断” 这就要求在接口中设置中断控制器，实现CPU与外设的中断传送 这样既加快了计算机系统对外界的响应速度，又使CPU与外设并行工作，大大提高了CPU的工作效率 I/O接口的组成 8.3 主机与外设交换信息的方式 计算机的基本功能之一是能够与外部设备交换信息 主机与外设交换数据有5种方式 程序查询方式 程序中断方式 直接存储器访问（DMA）方式 通道方式 输入输出处理机（IOP）方式 程序查询方式 程序中断方式 直接存储器访问方式 通道与输入输出处理机方式 8.4 中断系统 中断系统是计算机中实现中断功能的软件、硬件的总称 在CPU中配置中断机构 在外设接口中配置中断控制器 在软件上设计相应的中断初始化程序和中断服务程序 中断的基本概念 中断的定义 在CPU执行程序的过程中，由于某种事件发生，CPU暂时中止正在执行的程序而转向处理所发生的事件，处理结束后又回到发生中止的地方，接着中止前的状态继续执行原来的程序，这一过程称为中断。 中断源 由于某种原因引起CPU中断的事件或设备 中断源一般可以分为硬中断和软中断两类 硬中断：指由外设和其他CPU外部事件引起的中断，也称 外中断 常见的外中断：输入输出请求、实时时钟、计时器、电源 故障、设备故障、校验线路等 外中断一般通过CPU的中断请求引脚引入 软中断：指CPU内部的指令或程序执行中的突发事件所引起的中断，又称内中断 常见的内中断：主要包括指令中断（例如中断指令INT n）和程序异常（如除数为零，运算溢出、指令的单步运行等） 中断类型号 在很多中断系统中，对所有的中断源编码，为其分配一个唯一的代号，称为中断类型号 例如，80X86有256种中断类型，因此中断类型号为0~255 中断类型号用于寻找中断服务程序的入口地址（中断向量），以