【正文】 算機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用 第 ５ 章 輸入輸出系統(tǒng) DMA方式 程序中斷方式 程序查詢方式 I/O接口 外部設(shè)備 概述 概 述 一、輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展概況 1. 早期 分散連接 CPU 和 I/O設(shè)備 串行 工作 程序查詢方式 2. 接口模塊和 DMA 階段 總線連接 CPU 和 I/O設(shè)備 并行 工作 3. 具有通道結(jié)構(gòu)的階段 4. 具有 I/O 處理機(jī)的階段 中斷方式 DMA 方式 二、輸入輸出系統(tǒng)的組成 1. I/O 軟件 (1) I/O 指令 (2) 通道指令 CPU 指令的一部分 通道自身的指令 指出數(shù)組的首地址、傳送字?jǐn)?shù)、操作命令 如 IBM/370 通道指令為 64 位 2. I/O 硬件 設(shè)備 I/O 接口 設(shè)備 設(shè)備控制器 通道 操作碼 命令碼 設(shè)備碼 三、 I/O 設(shè)備與主機(jī)的聯(lián)系方式 1. I/O 設(shè)備編址方式 (1) 統(tǒng)一編址 (2) 不統(tǒng)一編址 用取數(shù)、存數(shù)指令 有專門的 I/O 指令 2. 設(shè)備選址 用設(shè)備選擇電路識(shí)別是否被選中 3. 傳送方式 (1) 串行 (2) 并行 數(shù)據(jù)字 命令字 命令字 0 1 1 0 1 0 0 0 起始位 終止位 ms 2 ms 4. 聯(lián)絡(luò)方式 (1) 立即響應(yīng) (2) 異步工作采用應(yīng)答信號(hào) “ Ready” “ Strobe” I/O 接 口 I/O 設(shè) 備 CPU (3) 同步工作采用同步時(shí)標(biāo) 并行 串行 起始位 終止位 5. I/O 設(shè)備與主機(jī)的連接方式 (1) 輻射式連接 (2) 總線連接 外設(shè) Ⅰ 外設(shè) Ⅱ 外設(shè) Ⅲ 主 機(jī) 不便于增刪設(shè)備 每臺(tái)設(shè)備都配有一套 控制線路和一組信號(hào)線 便于增刪設(shè)備 四、 I/O設(shè)備與主機(jī)信息傳送的控制方式 1. 程序查詢方式 CPU 和 I/O 串行工作 踏步等待 CPU讀 I/O狀態(tài) 檢查狀態(tài) 未準(zhǔn)備就緒 出錯(cuò) 從 I/O接口中讀 一個(gè)字到 CPU 從 CPU向主存 寫入一個(gè)字 CPU向 I/O發(fā) 讀指令 CPU讀 I/O狀態(tài) 檢查狀態(tài) 完成否 未準(zhǔn)備就緒 現(xiàn)行程序 是 出錯(cuò) 已準(zhǔn)備就緒 否 2. 程序中斷方式 I/O 工作 CPU 不查詢 CPU 暫停現(xiàn)行程序 自身準(zhǔn)備 與主機(jī)交換信息 CPU 和 I/O 并行工作 啟動(dòng) I/O設(shè)備 現(xiàn)行程序 … … 中斷服務(wù)程序 K K+1 … 沒有踏步等待現(xiàn)象 中斷現(xiàn)行程序 程序中斷方式流程 CPU 向 I/O 發(fā)讀指令 CPU 讀 I/O 狀態(tài) 檢查狀態(tài) 完成否？ CPU 做其他事情 I/O 設(shè)備工作 準(zhǔn)備就緒 CPU I/O 從 CPU 向主存寫入一個(gè)字 CPU 主存 從 I/O 接口中讀一個(gè)字到 CPU I/O CPU 中斷請(qǐng)求 I/O CPU 出錯(cuò) 是 否 未錯(cuò) 3. DMA 方式 主存和 I/O 之間有一條直接數(shù)據(jù)通道 不中斷現(xiàn)行程序 周期挪用（周期竊?。? CPU 和 I/O 并行工作 存取周期結(jié)束 CPU 執(zhí)行現(xiàn)行程序 CPU 執(zhí)行現(xiàn)行程序 DMA請(qǐng)求 啟動(dòng) I/O I/O準(zhǔn)備 I/O準(zhǔn)備 一個(gè)存取周期 實(shí)現(xiàn) I/O與主存之間的傳送 三種方式的 CPU 工作效率比較 存取周期結(jié)束 CPU 執(zhí)行現(xiàn)行程序 CPU 執(zhí)行現(xiàn)行程序 DMA請(qǐng)求 啟動(dòng) I/O I/O準(zhǔn)備 I/O準(zhǔn)備 一個(gè)存取周期 實(shí)現(xiàn) I/O與主存 之間的傳送 CPU 執(zhí)行 現(xiàn)行程序 CPU查詢等待并傳輸 I/O數(shù)據(jù) CPU 執(zhí)行 現(xiàn)行程序 啟動(dòng) I/O I/O 準(zhǔn)備及傳送 指令執(zhí)行周期結(jié)束 CPU 執(zhí)行現(xiàn)行程序 CPU 執(zhí)行現(xiàn)行程序 啟動(dòng) I/O 中斷請(qǐng)求 I/O準(zhǔn)備 I/O準(zhǔn)備 CPU 處理中斷服務(wù)程序 實(shí)現(xiàn) I/O 與主機(jī)之間的傳送 間 斷 啟動(dòng)準(zhǔn)備中斷請(qǐng)求啟動(dòng) I/O一個(gè)存取周期程序 查詢 方式 程序 中斷 方式 DMA 方式 間斷 I/O設(shè)備 一、概述 主機(jī) 設(shè)備 控制器 機(jī)、電 磁、光 部分 I/O 接 口 外部設(shè)備 外部設(shè)備大致分三類 鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)、顯示器 磁盤、光盤、磁帶 1. 人機(jī)交互設(shè)備 2. 計(jì)算機(jī)信息存儲(chǔ)設(shè)備 3. 機(jī) 機(jī)通信設(shè)備 調(diào)制解調(diào)器等 二、輸入設(shè)備 1. 鍵盤 2. 鼠標(biāo) 3. 觸摸屏 按鍵 判斷哪個(gè)鍵按下 將此鍵翻譯成 ASCII 碼 （編碼鍵盤法） 機(jī)械式 金屬球 電位器 光電式 光電轉(zhuǎn)換器 三、輸出設(shè)備 1. 顯示器 (1) 字符顯示 (2) 圖形顯示 (3) 圖像顯示 字符發(fā)生器 主觀圖像 客觀圖像 2. 打印機(jī) (1) 擊打式 (2) 非擊打式 點(diǎn)陣式（逐字、逐行） 噴墨（逐字） 激光（逐頁(yè)） 四、其他 1. A/D、 D/A 2. 終端 3. 漢字處理 五、多媒體技術(shù) 完成顯示控制與存儲(chǔ)、鍵盤管理及通信控制 模擬 /數(shù)字（數(shù)字 /模擬）轉(zhuǎn)換器 漢字輸入、漢字存儲(chǔ)、漢字輸出 1. 什么是多媒體 2. 多媒體計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵技術(shù) 由鍵盤和顯示器組成 I/O 接 口 一、概述 為什么要設(shè)置接口？ 1. 實(shí)現(xiàn)設(shè)備的選擇 2. 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖達(dá)到速度匹配 4. 實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換 5. 傳送控制命令 6. 反映設(shè)備的狀態(tài)（“忙”、“就緒”、“中斷請(qǐng)求”） 3. 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)串 并格式轉(zhuǎn)換 二、接口的功能和組成 (1) 設(shè)備選擇線 (2) 數(shù)據(jù)線 (3) 命令線 (4) 狀態(tài)線 I/O 接口 設(shè)備 I/O 接口 設(shè)備 數(shù)據(jù)線 命令線 狀態(tài)線 I/O總線 設(shè)備選擇線 1. 總線連接方式的 I/O 接口電路 2. 接口的功能和組成 功能 組成 選址功能 傳送命令的功能 傳送數(shù)據(jù)的功能 反映設(shè)備狀態(tài)的功能 設(shè)備選擇電路 命令寄存器、命令譯碼器 數(shù)據(jù)緩沖寄存器 設(shè)備狀態(tài)標(biāo)記 完成觸發(fā)器 D 工作觸發(fā)器 B 中斷請(qǐng)求觸發(fā)器 INTR 屏蔽觸發(fā)器 MASK 3. I/O 接口的基本組成 命令寄存器 和命令譯碼器 設(shè)備選擇 電路 設(shè)備狀態(tài) 標(biāo)記 數(shù)據(jù)緩沖 寄存器 DBR 控制邏輯電路 I/O接口 外 部 設(shè) 備 數(shù)據(jù)線 命令 狀態(tài) 數(shù)據(jù)線 命令線 狀態(tài)線 CPU 地址線 三、接口類型 并行接口 串行接口 可編程接口 不可編程接口 通用接口 專用接口 1. 按數(shù)據(jù) 傳送方式 分類 2. 按功能 選擇的靈活性 分類 3. 按 通用性 分類 4. 按數(shù)據(jù)傳送的 控制方式 分類 中斷接口 DMA 接口 Intel 8255 Intel 8251 Intel 825 Intel 8251 Intel 8212 Intel 825 Intel 8251 Intel 827 Intel 8275 Intel 8259 Intel 8257 程序查詢方式 一、程序查詢流程 檢查狀態(tài)標(biāo)記 1 設(shè)備 1 準(zhǔn)備就緒？ 檢查狀態(tài)標(biāo)記 N 設(shè)備 N 準(zhǔn)備就緒？ … 處理設(shè)備 1 是 否 否 處理設(shè)備 N 是 1. 查詢流程 檢查狀態(tài)標(biāo)記 交換數(shù)據(jù) 準(zhǔn)備就緒 ? 是 否 單個(gè)設(shè)備 多個(gè)設(shè)備 測(cè) 試 指 令 轉(zhuǎn) 移 指 令 傳 送 指 令 2. 程序流程 設(shè)置主存緩沖區(qū)首址 設(shè)置計(jì)數(shù)值 啟動(dòng)外設(shè) 傳送一個(gè)數(shù)據(jù) 修改主存地址 修改計(jì)數(shù)值 結(jié)束 I/O傳送 準(zhǔn)備好？ 傳送完？ 未完 是 完 否 保存 寄存器內(nèi)容 ② 設(shè)備選擇電路 DBR Q Q amp。 1 amp。 1 amp。 數(shù)據(jù)線 啟動(dòng)命令 地址線 SEL 輸入數(shù)據(jù) 啟動(dòng)設(shè)備 設(shè)備工作 結(jié)束 amp。其中數(shù)值部分均取 10 位，數(shù)符取 1 位，浮點(diǎn)數(shù)階碼取 5 位（含 1位階符）。 1. 0001011111 定點(diǎn)機(jī)中 浮點(diǎn)機(jī)中 [x]階移、尾補(bǔ) = 1, 0110。 解： A = +26 則 [A]原 = [A]補(bǔ) = [A]反 = 0,0011010 + 6 0,0000110 +13 0,0001101 +104 0,1101000 + 52 0,0110100 +26 0,0011010 移位前 [A]原 =[A]補(bǔ) =[A]反 對(duì)應(yīng)的真值 機(jī) 器 數(shù) 移位操作 = +11010 左移一位 左移兩位 右移一位 右移兩位 例 負(fù)數(shù) 移位的結(jié)論 設(shè)機(jī)器數(shù)字長(zhǎng)為 8 位（含１位符號(hào)位 ）， 寫出 A = –26時(shí)，三種機(jī)器數(shù)左、右移一位和兩位后的表示形式及對(duì)應(yīng)的真值，并分析結(jié)果的正確性。 （ mod 4） 結(jié)果的雙符號(hào)位 相同 未溢出 結(jié)果的雙符號(hào)位 不同 溢出 最高符號(hào)位 代表其 真正的符號(hào) 00. 11. 10. 01. , 1, 0, 1, 4. 補(bǔ)碼加減法的 硬件 配置 V 0 A n GA GS 加法器（ n+1） 溢出 判斷 求補(bǔ)控制 邏 輯 0 X n A、 X 均 n+1 位 用 減法標(biāo)記 GS 控制求補(bǔ)邏輯 流程 圖 三、乘法運(yùn)算 1. 分析筆算乘法 A = – B = A B = – 0 . 1 1 0 1 0 . 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 . 1 0 0 0 1 1 1 1 符號(hào)位單獨(dú)處理 乘數(shù)的某一位決定是否加被乘數(shù) 4個(gè)位積一起相加 難！ 乘積的位數(shù)擴(kuò)大一倍 浪費(fèi)！ 乘積的符號(hào)心算求得 ? ? ? ？ 2. 筆算乘法改進(jìn) A ? B = A ? = + + + = + + ( A +) = + [0 ? A + 0. 1( A +)] = {A +[ 0 ? A+(A + )]} = 21{A +21[ 0 ? A+21(A + 21(A+0))]} ① ② ⑧ 第一步 被乘數(shù) A + 0 第二步 右移 一 位，得新的部分積 第八步 右移 一 位，得結(jié)果 ③ 第三步 部分積 + 被乘數(shù) … 右移一位 3. 改進(jìn)后的筆算乘法過程（豎式） 0 . 0 0 0 0 0 . 1 1 0 1 0 . 1 1 0 1 0 . 1 1 0 1 0 . 0 0 0 0 0 . 1 1 0 1 初態(tài)，部分積 = 0 乘數(shù)為 1，加被乘數(shù) 乘數(shù)右移 1，最低位為 1，加被乘數(shù) 乘數(shù)為 0，加 0 1 . 0 0 1 1 1 0 . 1 0 0 1 1 1 1 . 0 0 0 1 1 1 1 乘數(shù)為 1，加 被乘數(shù) 0 . 1 0 0 0 1 1 1 1 1，得結(jié)果 1 0 1 1 = 0 . 0 1 1 0 1，形成新的部分積， 1