20 第5章第1讲 输入、输出系统概述和、输入、输出方式.ppt

第1页：第四单元输入

第四单元输入

本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现输入输出系统的作用、功能、组成与需要解决的主要问题。

第2页：教学内容安排：第一讲输入/输出系统

教学内容安排

• 第一讲输入/输出系统概述和输入/输出方式
• 第二讲总线
• 第三讲接口电路
• 第四讲输入设备和输出设备
• 第五讲本单元小结及考试说明

第3页：输入输出系统

输入输出系统

本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现输入输出系统的作用、功能、组成与需要解决的主要问题。

第4页：主要教学内容：输入输出系统的作用

主要教学内容

• 输入输出系统的作用、功能及与其他系统的关系
• 输入/输出系统组成
• 要解决的问题
• 输入/输出方式
  • 程序直接控制
  • 中断
  • DMA
  • 通道
  • 外围处理机

第5页：计算机组成

计算机组成

• Datapath:完成算术和逻辑运算，通常包括其中的寄存器。
• Control: CPU的组成部分，它根据程序指令来指挥datapath，memory以及I/O运行，共同完成程序功能。
• Memory:存放运行时程序及其所需要的数据的场所。
• Input:信息进入计算机的设备，如键盘、鼠标等。
• Output:将计算结果展示给用户的设备，如显示器、磁盘、打印机、喇叭等。ComputerMemoryInputOutputDatapathControl

第6页：个人计算机的组成

个人计算机的组成

本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现运算器、控制器、存储器与输入输出设备通过总线和接口互连成整机。

第7页：作用和功能

作用和功能

• 与计算机外部交换信息的通道
  • 早期
• 穿孔机、纸带
  • 中期
• 键盘、显示器、鼠标
  • 现在
• 语音、图象、图形等多媒体数据（扫描仪、DC）
  • 将来
• 无所不在的计算、普适计算

第8页：输入输出系统

I/O设备

• 繁多的输入/输出设备—功能多样—可扩展—服务对象不同—数据传输率差别很大

第9页：要解决的问题

要解决的问题

• 控制方式
  • CPU如何控制输入/输出？（输入/输出方式）
• 传输方式
  • 使用传输通道、方式、速率等（总线、接口）
• 数据识别和转换
  • 数/模转换、语音识别等，转换为字符、数据等计算机能识别的格式（设备）

第10页：控制方式

• 程序直接控制（轮询）
  • CPU直接使用输入/输出指令来控制外部设备
• 程序中断
  • 外部设备请求，CPU响应，CPU与外设并行工作
• 直接存储访问（DMA）
  • 专用输入/输出控制器
• 通道
• 外围处理机

第11页：程序直接控制A 20002000

程序直接控制A 20002000

本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现C、Z、V、S四个标志位的来源、控制与保存。

• 接口
• CP
• R0
• 状态寄存器

第12页：程序中断方式应用

程序中断方式应用

• CPU与外部设备并行工作
• 硬件故障处理
• 人机交互
• 多道程序和分时操作
• 实时处理（监控）
• 应用程序和操作系统之间的联系
• 多处理机中各处理机之间联系

第13页：中断处理过程

中断处理过程

本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现程序直接控制、中断、DMA与通道等输入输出方式的差别。

第14页：中断组成

• 中断寄存器
• 中断屏蔽寄存器
• 优先级排队线路
• 数据缓冲寄存器
• 中断控制和工作状态逻辑
• 设备选择器
• 中断向量表

第15页：中断控制器

中断控制器

本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现控制器分步执行指令并向各部件提供协调运行控制信号的功能与组成。

• 控制器

第16页：直接存储访问

直接存储访问（DMA）

• I/O设备和主存储器之间的直接数据通路，为专设的硬件，用于高速I/O设备和主存储器之间成组传送数据。
• 数据传输过程由DMA自行控制
• 主存储器需要支持成组传送
• 数据传送开始前和结束后通过程序或中断方式对DMA进行预处理和后处理
• DMA工作方式

第17页：控制器组成

控制器组成

本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现控制器分步执行指令并向各部件提供协调运行控制信号的功能与组成。

• 控制器

第18页：数据传送过程

数据传送过程

本页为结构/流程示意图，图中标注的主要部件与信号如下，重点体现程序直接控制、中断、DMA与通道等输入输出方式的差别。

第19页：方式的问题

DMA方式的问题

• 虚拟地址和实地址
  • DMA采用实地址：虚拟地址连续，但实地址不连续
  • 采用虚拟地址：DMA进行虚实地址转换
• Cache一致性
  • 主存中的数据可能不是最新的
  • 采用直接写会带来性能的降低
  • DMA查询Cache，降低性能
  • 由操作系统安排回写
  • 直接设计硬件控制

第20页：通道控制方式

通道控制方式

• I/O通道是计算机系统中代替CPU管理控制外设的独立部件，是一种能执行有限I/O指令集合——通道命令的I/O处理机。
• 一对多的连接关系
• 适应不同速度、不同种类的外部设备，可并行工作

第21页：通道的功能

通道的功能

• 根据CPU要求选择某一指定外设与系统相连，向该外设发出操作命令，进行初始化
• 指出外设读/写信息的位置以及与外设交换信息的主存缓冲区地址
• 控制外设与主存之间的数据交换
• 指定数据传送结束时的操作内容，检查外设的状态

第22页：通道类型

• 字节多路通道
  • 简单的共享通道，分时处理，面向低、中速字符设备
• 选择通道
  • 选择一台外设独占整个通道，以成组传送方式传送数据块，效率高，适合快速设备
• 数组多路通道
  • 上两种方式的结合，效率高，控制复杂

第23页：外围处理机

外围处理机

• 单独的计算机，应用于大型高效率的计算机系统中

第24页：输入输出系统

设计输入/输出系统

• 性能
  • 考虑吞吐量和延迟
  • 适应各种不同类别的设备的性能的差异
  • 从操作系统、驱动程序等各方面综合考虑
  • 考虑到设备性能的提高
• 可扩展性
  • 允许更多的设备接入到输入/输出系统
• 可适应性
  • 设备有无
  • 设备故障

第25页：输入输出系统

输入/输出系统

• 输入/输出设备多，功能复杂，速度不一
• 多种控制方式，解决速度不一的问题，尽量少地占用CPU资源
• 操作系统管理
• 硬件直接支持
• 与不同的设备有直接的依赖关系（驱动程序）
• 尽量使设备使用统一的标准——虚拟设备（e.g. X-Windows）