第8章 输入输出设备及系统.ppt

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

2、支持。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 输入输出设备的概述 8.2 显 示 设 备 8.3 输 入 设 备 8.4 打 印 设 备 8.5 输入输出系统 8.6 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，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8-1 主机与外设之

3、间的连接,8.2 显 示 设 备,8.2.1 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 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。 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（LCD）、等离子显 示器（PD）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。,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 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

4、功能是将电信号 转换成可见光信号。如下图所示。,图8-3 CRT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8-4 3枪3束荫罩式彩色CRT,2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 （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/

5、图形显示设备,1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8-5“A”在字符窗口中的点阵格式,2字符显示器的构成 字符显示器由以下六部分组成。,图8-8 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 低压且微功耗；平板型结构；被动型显示；显 示的信息量

6、大；易于彩色化；长寿命；无辐射且无 污染 2液晶显示原理 3液晶显示器件 如图8-9所示。,图8-9 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-机对话是新一 代多媒体计算机的重要标志之一。,图8-11 语音输入系统的系统构成,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

7、。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8-12 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,图8-13 激光打印机的组成,2激光打印机的工作原理,图8-14 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 连接,3接口的功能 7个功能 4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

8、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8-15 查询方式输入的接口电路图,M/,图8-16 查询方式输出的接口电路图,8.5.3 程序中断方式,1.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

9、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8-18 中断方式输入的接口电路图,2中断源 （1）重新启动中断。 （2）机器检验出错中断。 （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 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8-19 按照中断优先级响应中断请求实例,4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

10、如下图所示。,图8-20 中断处理过程,5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8-21 软件查询法识别中断源,（2）硬件菊花链式法,图8-22 一种单级链式的中断优先级判断示意图,1,2,3,6中断屏蔽 （1）为每个或每级中断源设置一个中断 屏蔽位,图8-23 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,（2）改变处理机优先级,图8-24 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 2DMA控制器的功能和DMA传送

11、 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

12、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 （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 （1）通道的功能 通道的基本功能是执行通道指令，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

13、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 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,通道流量是指通道在数

14、据传输期间，单位时间内传输的字节数。,TS表示选择一次设备的时间，TD表示传送一个字节的时间，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

15、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 （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 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8-28 双总线结构,2.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。,图8-29 三总线结构,3.三总线结构 在双总线结构的基础上增加了I/O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