计算机组成与系统结构8第8章输入/输出系统8.1输入/输出系统概述输入输出系统包括外部设备(输入输出设备和辅助存储器)及其与主机(CPU和存储器)之间的控制部件。后者称之为设备控制器，诸如磁盘控制器、打印机控制器等，有时也称为设备适配器或接口，其作用是控制并实现主机与外部设备之间的数据传送。2.外部设备概述3.输入输出设备的编址及设备控制器的基本功能为了CPU便于对I／O设备进行寻址和选择，必须给众多的I／O设备进行编址，也就是给每一台设备规定一些地址码，称为设备号或设备代码。随着CPU对I／O设备下达命令方式的不同而有以下两种寻址方法：(1)（不统一编址）专设I／O指令。例如，指令IN完成输入，指令OUT完成输出操作。指令的地址码字段指出输入输出设备的设备代码。(2)（统一编址）利用访存(取数／存数)指令完成I／O功能。使用这种方法时，从主存的地址空间中分出一部分地址码作为I／O的设备代码，当访问到这些地址时，表示被访的不是主存储器，而是I／O设备寄存器(例如，设备数据缓冲寄存器或设备状态寄存器等)。IBMPC等系列机设置有专门的I／O指令，设备的编址可达512个，部分设备的地址码如表10.1所示。从表中可见，每一台设备占用了若干个地址码，分别表示相应的设备控制器中的寄存器地址。表10.1输入输出地址分配表设备控制器(I/O接口)的基本功能是：(1)实现主机和外围设备之间的数据传送控制。包括同步控制、设备选择和中断控制等。DMA设备还具有直接访问存储器功能，并给出存储器地址。(2)实现数据缓冲，以达到主机同外围设备之间的速度匹配。在接口电路中，一般设置一个或几个数据缓冲寄存器。在传送过程中，先将数据送入数据缓冲寄存器，然后再送到目的设备(输出)或主机(输入)。(3)接受主机的命令，提供设备接口的状态，并按照主机的命令控制设备。输入输出接口类型有：(1)按照数据传送的宽度可分为并行接口和串行接口。在并行接口中，设备和接口是将一个字节(或字)的所有位同时传送。在串行接口中，设备和接口间的数据是一位一位串行传送的，而接口和主机之间是按字节或字并行传送。接口要完成数据格式的串—并变换。(2)按照数据传送的控制方式可分成程序控制输入输出接口，程序中断输入输出接口和直接存储器存取(DMA)接口等。4.I／O设备数据传送控制方式一般把I／O设备数据传送控制方式分为五种。1.程序直接控制方式（状态循环查询）简单、CPU效率低，CPU、各外设要串行程序直接控制(programeddirectcontrol)方式就是完全通过程序来控制主机和外围设备之间的信息传送。通常的办法是在用户的程序中安排一段由输入输出指令和其他指令所组成的程序段直接控制外围设备的工作。传送时，首先启动设备，发出启动命令，接着CPU等待外围设备完成接收或发送数据的准备工作。在等待时间内，CPU不断地用一条测试指令检测外围设备工作状态标志触发器。一旦测试到标志触发器已置成“完成”状态，即可进行数据传送。2.程序中断传送方式CPU利用率较高，CPU、各外设并行在程序中断传送(programinterrupttransfer)方式中，通常在程序中安排一条指令，发出START信号启动外围设备，然后机器继续执行程序。当外围设备完成数据传送的准备后，便向CPU发“中断请求”(INT)信号。CPU接到请求后若可以停止正在运行的程序，则在一条指令执行完后(非流水线计算机)，转去执行“中断服务程序”，完成传送数据工作，通常传送一个字或一个字节。传送完毕仍返回原来的程序。由于系统在启动外围设备后到数据的准备完成这段时间内一直在执行原程序，不是处于踏步等待状态，而仅仅在外围设备交换数据的准备工作完成之后才中止程序的继续执行，转而进行数据传送。因此，这在一定程度上实现了CPU和外围设备的并行工作。此外，有多台外设依次启动后，可同时进行数据交换的准备工作。若在某一时刻有几台外围设备发出中断请求信号，CPU可根据预先规定好的优先顺序，按轻重缓急去处理几台外设的数据传送，从而实现了外围设备的并行工作。因此，程序中断方式大大提高了计算机系统的工作效率。3.直接存储器存取方式外设直接访问内存，CPU利用效率更高直接存储器存取(directmemoryaccess,简称DMA)方式的基本思想是在外围设备和主存之间开辟直接的数据传送通路。在正常工作时，所有工作周期均用于执行CPU的程序。当外围设备完成输入或输出数据的准备工作后，占用总线一个工作周期，和主存直接交换数据。这个周期过后，CPU又继续控制总线，执行原程序。如此重复，直到整个数据块的数据传送完毕。这项工作是由I/O系统中增设的DMA控制器完成的，由它给出每次传送数据的主存地