第8章-输入输出设备及系统课件.ppt

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1、第8章 输入输出设备及系统本章主要内容：输入输出设备也称为外部设备。本章讲述输入输出设备的分类、具体的输入输出设备以及CPU对外部设备的管理。外部设备大体分为输入设备、输出设备、外存设备、数据通信设备、过程控制设备5大类。每一种设备，都是在各自的设备控制器控制下进行工作，而设备控制器则通过适配器（接口）和主机相连，并受主机控制。在计算机系统中，CPU对外部设备的管理有以下5种方式：（1）程序查询方式；（2）程序中断方式；（3）直接存储器访问（DMA）方式；（4）通道方式；（5）外围处理机（PPU）方式。其中第一种对CPU的资源浪费最大，而第5种使CPU的效率得到最大发挥，但是需要更多的硬件支持

2、。本章将对这些外部设备和输入输出方式给出详细的阐述。8.1 8.1 输入输出设备的概述输入输出设备的概述 8.2 8.2 显显 示示 设设 备备 8.3 8.3 输输 入入 设设 备备 8.4 8.4 打打 印印 设设 备备 8.5 8.5 输入输出系统输入输出系统 8.6 8.6 总线总线8.1 输入输出设备的概述8.1.1输入输出设备的作用输入输出设备的作用 输入输出设备的作用就是指在计算机和其他机器之间，以及计算机与用户之间提供的联系。8.1.2输入输出设备的分类 根据设备完成任务的性质，输入输出设备一般可分为5类，即输入设备、输出设备、外存设备、数据通信设备和过程控制设备。计算机系统中

3、，输入/输出设备是通过接口，再经过总线和主机连接在一起的。如图8-1所示。图图8-1 主机与外设之间的连接主机与外设之间的连接 8.2 显 示 设 备8.2.1 显示设备的概念与分类显示设备的概念与分类 以可见光的形式传递和处理信息的设备叫显示设以可见光的形式传递和处理信息的设备叫显示设备，显示设备是目前计算机系统中应用最广泛的人备，显示设备是目前计算机系统中应用最广泛的人机界面设备。机界面设备。按显示设备所用的显示器件分类，有阴极射线管按显示设备所用的显示器件分类，有阴极射线管（CRT）显示器、液晶显示器（）显示器、液晶显示器（LCD）、等离子显）、等离子显示器（示器（PD）等；按所显示的信

4、息内容分类，有字）等；按所显示的信息内容分类，有字符显示器、图形显示器、图像显示器三大类。符显示器、图形显示器、图像显示器三大类。下面给出描述显示器时常用的几个概念：下面给出描述显示器时常用的几个概念：1分辨率和灰度级2刷新和刷新存储器3随机扫描和光栅扫描8.2.2 CRT显示器1结构与工作原理结构与工作原理 CRT也称为显像管，是一种玻璃壳封装的电真空显示器件。它主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成。其功能是将电信号转换成可见光信号。如下图所示。图图8-3 CRT的结构的结构 CRT是显示器的核心器件。（1）电子枪（2）偏转系统（3）荧光屏图图8-4 3枪枪3束荫罩式彩色束荫罩式彩色CR

5、T 2扫描原理扫描原理 在CRT上显示字符或图形，是通过控制电子束在屏幕上的扫描来实现的。CRT显示器有如下两种扫描方式：（1）光栅扫描（2）随机扫描3主要技术指标主要技术指标（1）点距（dot pitch）（2）水平扫描频率（3）垂直扫描频率（4）带宽（5）分辨率（6）数字信号输入和模拟信号输入（7）扫描方式（8）屏幕尺寸、可视区尺寸和可视面积（9）屏幕形状（10）能源消耗（11）屏幕控制8.2.3字符/图形显示设备1字符显示原理字符显示原理 显示字符的方法以点阵为基础。点阵是由 mn个点组成的阵列，并以此来构造字符。在单色字符显示器中，以字符“A”为例，它在窗口中的位置如下图所示。图图8-

6、5“A”在字符窗口中的点阵格在字符窗口中的点阵格式式 2字符显示器的构成字符显示器的构成 字符显示器由以下六部分组成。图图8-8 字符显示器结构框图字符显示器结构框图 8.2.4 图像显示设备 图像显示器采用光栅扫描方式，其分辨率在256256或512512个香色，与图形显示器兼容的图像显示器可达10241024，有的甚至达到更高。灰度级也可达24位真彩（224）。8.2.5 液晶显示器1液晶显示器特点液晶显示器特点 低压且微功耗；平板型结构；被动型显示；显示的信息量大；易于彩色化；长寿命；无辐射且无污染2液晶显示原理液晶显示原理3液晶显示器件液晶显示器件 如图8-9所示。图图8-9 典型液晶

7、显示器件的基本结构典型液晶显示器件的基本结构 8.3 输 入 设 备 常用的计算机输入设备分为图形输入、图像输入、声音输入等几类。8.3.1 图形输入设备1.键盘输入2.光笔输入3.图形板和游动标输入4.鼠标器输入8.3.2 图像输入设备最理想的图像输入设备是数字摄像机。8.3.3 语音输入设备 利用人的自然语音实现人利用人的自然语音实现人-机对话是新一机对话是新一代多媒体计算机的重要标志之一。代多媒体计算机的重要标志之一。图图8-11 语音输入系统的系统构成语音输入系统的系统构成识别器识别器信息获取信息获取（话筒）（话筒）预处理预处理特征提取特征提取分类学习分类学习分类决策分类决策计算机系计

8、算机系统统8.4 打 印 设 备8.4.1 打印设备的分类 按印字原理分，分为击打式和非击打式两大类。击打式打印机又分为活字式打印和点阵针式打印两种。按工作方式分，可分为串行打印机与行式打印机两种。8.4.2 点阵针式打印机图图8-12 针式打印机的结构针式打印机的结构 8.4.3 激光打印机1激光打印机的组成激光打印机的组成图图8-13 激光打印机的组成激光打印机的组成 电子扫描部电子扫描部分分接接口口字形发生字形发生器器高频驱动高频驱动器器光调制器光调制器激光器激光器同步器同步器光扫描光扫描与与偏转器偏转器感光体感光体电子照电子照相机构相机构主主机机接口部分接口部分电子照相部电子照相部分分

9、打印纸打印纸2激光打印机的工作原理激光打印机的工作原理图图8-14 激光打印机的工作原理激光打印机的工作原理 8.5 输入输出系统8.5.1 输入输出系统的概述1接口的概念接口的概念 接口技术是把由处理器等组成的基本系统与外部设备连接起来，从而实现计算机与外设通信的一门技术。2CPU和外设之间必须通过接口电路来和外设之间必须通过接口电路来连接连接3接口的功能接口的功能 7个功能4接口的构成接口的构成 实现数据传送的接口电路主要由控制逻辑命令电路、状态存储和设置电路、数据存储与缓冲电路三部分组成。8.5.2程序查询方式一个数据传送过程由3个环节组成：(1)CPU从接口中读取状态字；(2)CPU检

10、测状态字的对应位是否满足“就绪”条件，如果不满足，则回到前一步继续读取状态字；(3)如状态字表明外设已处于“就绪”状态，则传输数据。图图8-15 查询方式输入的接口电路图查询方式输入的接口电路图数据总线数据总线 READY三三态态缓缓冲冲器器 三三态态缓缓冲冲器器&地址地址译码译码&R D Q+5V 选选通通 数据数据输输入入设设备备锁锁存存器器 地址地址 总线总线 M/图图8-16 查询方式输出的接口电路图查询方式输出的接口电路图 选通信号选通信号 数据数据 R 数据总线数据总线 输出输出数据数据OBF数数据据锁锁存存器器BUSY 三三态态缓缓冲冲器器+5V CP Q D 端端 口口 译译

11、码码 M/8.5.3 程序中断方式1.中断方式的提出中断方式的提出 在中断传送方式下，外设具有申请CPU服务的主动权，当输入设备将数据准备好或输出设备可以接收数据时，外设就可以向CPU提出中断请求，使CPU暂时停下目前的工作而和外设进行一次数据传输，等输入操作和输出操作完成之后，CPU继续进行原来的工作。图图8-18 中断方式输入的接口电路图中断方式输入的接口电路图 D7D0 地址总线地址总线三三态态缓缓冲冲器器 地址地址译码译码数据数据 输输入入设设备备 锁锁存存器器 中断中断请求请求 D Q R+5V 中断中断 屏蔽屏蔽 触发触发 器器 选选通通 2中断源中断源（1）重新启动中断。（2）机

12、器检验出错中断。（3）程序性错误引起的中断。（4）访问管理程序中断。（5）外部事件中断。（6）输入输出中断。3中断优先级中断优先级 一般来讲，中断优先级考虑以下一些因素：（1）中断源的紧急程度。（2）设备的工作速度。（3）数据恢复的难易程度。图图8-19 按照中断优先级响应中断请求实例按照中断优先级响应中断请求实例n n4中断处理过程中断处理过程 一般的中断处理过程包括中断条件判断，确定响应中断，识别中断源，保护断点、保护现场、执行中断服务、恢复断点和现场、中断返回等。其处理过程如下图所示。图图8-20 中断处理过程中断处理过程 设备控制器或其它设备控制器或其它设备发出中断请求设备发出中断请求

13、处理器结束处理器结束当前执行的指令当前执行的指令处理器发出中断处理器发出中断确认信号确认信号处理器将处理器将PSW和和PC压栈压栈处理器装入新的处理器装入新的PC值值（中断入口）（中断入口）保存其余的保存其余的处理机状态信息处理机状态信息处理中断处理中断恢复处理机恢复处理机状态信息状态信息恢复原恢复原PSW和和PC的值的值中断返回中断返回5中断源的识别方法中断源的识别方法（1）软件查询法 当处理机发现有中断申请时，只需查询是哪个中断源提出的便可，在查询的同时，也确定了它们的优先级别。图图8-21 软件查询法识别中断源软件查询法识别中断源 port或门或门处理机处理机中断请求中断请求中断应答中断

14、应答键盘中断键盘中断打印中断打印中断显示终端显示终端DMA中断中断其它中断其它中断（2）硬件菊花链式法图图8-22 一种单级链式的中断优先级判断示意图一种单级链式的中断优先级判断示意图 INTA001010001011001000数数据据总总线线编码器编码器IR2IS2IR3IS3IS1IR11231236中断屏蔽中断屏蔽 （1）为每个或每级中断源设置一个中断屏蔽位 图图8-23 改变屏蔽码后处理机响应各个中断源的中断请求改变屏蔽码后处理机响应各个中断源的中断请求 和实际中断服务的先后次序和实际中断服务的先后次序 中断请求中断请求I1，I2，I3，I4主程序主程序中断服务程序中断服务程序 I1

15、 I2 I3 I4时间时间t（2）改变处理机优先级图图8-24 处理机优先级改变后响应中断的过程处理机优先级改变后响应中断的过程 8.5.4 直接存储器存取（DMA）方式1DMA方式的提出方式的提出2DMA控制器的功能和控制器的功能和DMA传送传送的原理的原理 DMA控制器应具有以下功能：（1）当外设准备就绪，希望进行DMA操作时，能向DMA控制器发出DMA请求信号，DMA控制器接到此信号后，应能向CPU发出总线请求信号。（2）CPU接到总线请求信号后，如果允许，则会发出DMA响应信号，从而CPU放弃对总线的控制，这时DMA控制器应能实现对总线的控制。（3）DMA控制器得到总线控制权后，要往地

16、址总线发送地址信号，修改所用的存储器或接口的地址指针。（4）在DMA传送期间，DMA控制器应能发出读/写控制信号。（5）在DMA控制器内部必须有一个字节计数器，用来存放所传送的字节数，即数据长度。开始时由软件设置数据长度，在DMA传送过程中，每传送一个字节，字节计数器的值便自动减1，当减为0时，则DMA传送过程结束。（6）DMA传送过程结束时，DMA控制器应向CPU发出结束信号，将总线控制权交还给CPU。3DMA控制器工作的特点控制器工作的特点（1）DMA控制器是接口电路。（2）DMA控制器不同于一般的接口电路。8.5.5通道控制方式1通道的功能通道的功能（1）通道的功能 通道的基本功能是执行

17、通道指令，组织外围设备和内存进行数据传输，按I/O指令要求启动外围设备，向CPU报告中断等。具体有5项任务。（2）CPU对通道的管理 CPU是通过执行I/O指令以及处理来自通道的中断，实现对通道的管理。（3）通道对设备控制器的管理 通道通过使用通道指令控制设备控制器进行数据传送操作，并以通道状态字接收设备控制器反映的外围设备的状态。2通道的类型通道的类型 根据工作方式的不同划分。（1）字节多路通道 主要用于连接大量的低速设备，如键盘、打印机等。（2）选择通道 在物理上它可以连接多个设备，但是这些设备不能同时工作，在某一段时间内通道只能选择一个设备进行工作。（3）数组多路通道 当某设备进行数据传

18、送时，通道只为该设备服务；当设备在执行寻址等控制性动作时，通道暂时断开与这个设备的连接，挂起该设备的通道程序，去为其他设备服务，即执行其他设备的通道程序。8.5.6 通道的流量分析通道的流量分析 通道流量是指通道在数据传输期间，单位时间通道流量是指通道在数据传输期间，单位时间内传输的字节数。内传输的字节数。T TS S表示选择一次设备的时间，表示选择一次设备的时间，T TD D表示传送一个表示传送一个字节的时间，则字节的时间，则 字节多路通道每选择一台设备之传送一个字字节多路通道每选择一台设备之传送一个字节，故通道极限流量为：节，故通道极限流量为：数组多路通道每选择一台设备只传送k个字节，若要

19、传送n个字节，其通道极限流量为：选择通道每次选择一台设备把n个字节全部传送完毕，故其通道极限流量为：如果I/O系统有m个通道，其中1至m1为字节多路通道，m1+1至m2为数组多路通道，m2+1至m为选择通道，则该I/O系统工作时的极限流量将为：必然会满足 8.6 总线8.6.1 总线的概念 总线（BUS）是计算机系统中各个部件之间、主机系统与外围设备之间连接的和交换信息的通路。大致可分为以下三类：（1）内部总线（2）系统总线（3）I/O总线 1总线的特性总线的特性（1）物理特性（2）功能特性（3）电气特性（4）时序特性 2总线的标准化 相同的指令系统，相同的功能，不同厂家生产的各功能部件在实现

20、方法上可以有不同，但各厂家生产的相同功能部件却可以互换使用，其原因在于它们都遵守了共同的系统总线的要求，这就是系统总线的标准化问题。8.6.2总线的连接方式 在计算机系统中，根据使用目的和系统设计的不同，总线的连接方式可以有三种，即单总线结构、双总线结构和三总线结构。1.单总线结构单总线结构 是在单处理器的计算机中，使用一条单一的系统总线来连接CPU、主存和I/O设备。图图8-28 双总线结构双总线结构 2.双总线结构双总线结构 在CPU和内存之间增加了一组内存总线，专门解决CPU和内存之间数据交换。内存内存CPUI/O接口接口 I/O接口接口 系统总线系统总线内存总线内存总线图图8-29 三

21、总线结构三总线结构 3.三总线结构三总线结构 在双总线结构的基础上增加了I/O总线。内存内存CPUI/O接口接口 I/O接口接口 系统总线系统总线内存总线内存总线IOP（通道）（通道）I/O总线总线8.6.3总线的内部结构 整个总线可分成如下4部分：（1）数据传送总线：由地址线、数据线、控制线组成。（2）仲裁总线：包括总线请求线和总线授权线。（3）中断和同步总线：用于处理带优先级的中断操作，包括中断请求线和中断认可线。（4）公用线：包括时钟信号线、电源线、地线、系统复位线以及加电或断电的时序信号线等。8.6.4 几种常用的总线结构1MultiBus总线总线 2ISA、MCA和和EISA总线总线图图8-30 ISA总线结构总线结构 图图8-31 ISA卡和卡和EISA卡的结构图卡的结构图 4PCI总线总线 （1）PCI总线的发展 （2）PCI总线发展的原因 （3）PCI总线结构图图8-32 PCI总线的系统结构示意图总线的系统结构示意图 5USB总线总线 USB的优点：（1）易用性 （2）可扩展性 （3）快速性 （4）可靠性 （5）内置电源