第9章 输入输出系统及外围设备

第9章输入输出系统及外围设备

计算机组成与汇编语言9.1

概述

9.2

程序查询方式9.3

程序中断方式

第9

章输入输出系统及外围设备

9.4DMA方式

9.5

可编程I/O接口及其应用

9.6

输入输出系统的发展

9.7

外围设备

本章要点输入输出系统的特点，I/O接口的基本组成和功能，I／O端口的访问

程序查询方式

程序中断方式

DMA方式

鼠标、显示器、激光打印机、光盘驱动器和闪存的分类及主要参数硬盘的工作原理、存储地址格式和主要技术指标9.1概述9.1.1

输入输出系统的特点9.1.3I／O端口的访问9.1.2I/O接口的基本组成和功能输入输出设备种类繁杂，各种设备的性能各式各样，各有自己独立的控制和数据处理方式。各种外设不能直接与CPU或系统总线连接，而必须通过某个中间电路，将不同外设与CPU交换的数据进行变换，统一为系统总线能接受的标准。解决这一系列的问题的中间电路及其控制程序（接口驱动程序）就是外设接口或者输入／输出接口(Input/OutputInterface，简称I／O接口)。

9.1.1

输入输出系统的特点对用户而言，输入输出系统的复杂性一般隐藏在操作系统之中。用户无需了解各种外设的具体工作细节，只要通过简单的命令或程序调用就能使用有关设备了。I/O系统的复杂性还表现在处理机本身和操作系统所产生的一系列随机事件的处理上，比如实时响应问题、数据传输出错问题、网络防范问题、系统保护问题、中断和自陷问题等等。因此，输入输出系统应具备的特点集中反映在异步性、实时性和与设备无关性上。9.1.1

输入输出系统的特点CPU的各种操作都是在统一的时钟信号作用下完成的，各种操作都有自己的总线周期。而不同的外部设备也有各自不同的定时与控制逻辑，且大都与CPU时序不一致。各个设备按照自己的时钟工作，它们相对于主机通常是异步工作的，但在某些时刻又必须接受处理机的控制。为此，必须考虑以下因素：①数据缓冲。在外设接口中应有相关数据寄存器或缓冲器。9.1.1

输入输出系统的特点（1）异步性

②数据传输的配合。外设与处理机之间直接传输一般是不可行的。当某个输入设备有准备好的数据需要向CPU传送或输出设备接口的数据寄存器空可以接收数据时，一般要先向CPU提出服务请求，如果CPU响应请求，就转去执行相应的服务。对CPU来讲，这种请求可能是随机的。如此，输入／输出系统相对于CPU就存在操作上的异步性和时间上的任意性。一般来讲，一个微处理器要管理多台外部设备，要求在任意两次CPU与外设交往的时刻之间，CPU要能够全速运行它自己的程序，或管理其他外部设备，以保证CPU与外设之间及各外部设备自身之间都能并行工作，不必相互等待，从而提高整个系统的效率。要实现这一点，需要采用中断输人／输出方式或直接存储器存取(DMA)方式。9.1.1

输入输出系统的特点（1）异步性

处理机必须实时地按照不同设备所要求的传送方式和传送速率为输入输出设备服务，包括从外设接收数据、向设备发送数据和有关控制信息，及时地处理数据传送中的错误，以及处理机本身的硬件和软件错误，如电源故障、数据校验错、页面失效等。在I/O设备提出中断、DMA等请求时，CPU要及时响应，完成必要的I/O操作或控制。

9.1.1

输入输出系统的特点（2）实时性

为了能够适应各种外设的不同要求，通过制定统一的独立于具体设备的接口标准，包括物理接口和软件接口，使得应用程序依据这一接口可以访问或支持各种I/O设备。不同型号的外设可根据自己的特点和要求，选择一种标准接口与处理器相连。对连接到同一种接口上的外设，它们之间的差异由设备本身的控制器通过软件和硬件来填补。这样，CPU能够通过统一的软件和硬件来管理各种各样的外部设备，而不需要了解各种外设的具体细节。9.1.1

输入输出系统的特点（3）与设备无关性

9.1.2I/O接口的基本组成和功能

I／O接口是外部设备和处理器之间的连接“桥梁”，又称外设适配器。I／O接口与系统总线的联系信息有数据、地址及控制或状态信号。

要使各种各样的输入／输出设备与处理器之间实现正常的信息传送，I／O接口必须具备的基本组成。

CPU数据数据寄存器图9.1I／O接口连接处理器和外部设备I/O接口状态寄存器命令寄存器外设地址控制/状态信号控制状态数据地址与读/写控制逻辑9.1.2I/O接口的基本组成和功能

（1）数据寄存器。数据寄存器实现CPU和外设之间的数据缓冲。一般缓冲来自CPU的输出数据，和暂存来自外设的输入数据。（2）状态寄存器。状态寄存器反映和保持外设的工作状态。如外设是否处于“忙”或“闲”的状态，是否准备好与CPU的通信，外设处理数据是否出错等。（3）命令寄存器。命令寄存器保存来自CPU对接口写入的控制命令。控制命令往往是CPU对接口的工作模式、数据传送方式、操作方式等进行规定或设置。9.1.2I/O接口的基本组成和功能

（4）地址与读/写控制逻辑。这部分电路实现CPU对外设端口的寻址和I/O接口内部的端口地址译码。一般I/O接口具有多个端口地址。因为CPU对接口的访问，可能是传送数据，则要访问接口中的数据寄存器，即数据口地址；也可能是对接口写入控制命令，访问的是命令寄存器，即控制口地址等。此外有关读写控制、接口中断方式工作的控制等也由这部分完成。

9.1.2I/O接口的基本组成和功能

I/O接口必须具备以下几项基本功能：（1）I／O地址译码与设备选择。所有外部设备都是通过I／O接口挂接在系统总线上的，地址译码功能可使得在任一时刻只允许一个外设与CPU通过总线进行数据传送，而其它未被选中的I／O接口则呈现高阻状态，与总线隔离。（2）信息的输入／输出。CPU通过I／O接口与外部设备进行信息交换，并可通过向接口写入命令的方式控制、监测与管理I／O接口和外设的工作状态。另外，外设也通过接口向CPU发出中断请求。9.1.2I/O接口的基本组成和功能

（3）命令、数据和状态的缓冲与锁存。为了确保计算机和外设之间可靠地进行信息传送，要求接口电路应具有信息缓冲存储能力。不仅要缓存CPU传送给外部设备的信息，以使CPU能及时地执行自身的程序，还要缓存外设传送给CPU的信息，以实现CPU与外设之间信息的同步交换。（4）信息转换，包括信号形式、信息格式、时序等的匹配。CPU只能处理数字信号，而外设的信号形式多种多样。因此，I／O接口还要实现信息格式的转换、电平转换、码制转换、传送管理以及联络控制等功能。

9.1.3I／O端口的访问

在微机系统中，端口的编址通常有两种方式。一是内存统一编址，二是独立编址。（1）内存统一编址，又称存储器映射编址。即把每个I／O端口都当做一个存储单元看待，I／O端口与存储器单元在同一个地址空间中进行编址。通常是在整个地址空间中划分出一小块连续的地址分配给I／O端口。被端口占用了的地址，存储器不能再使用。统一编址方式的优点是可以用访问内存的方法来访问I／O端口，不需再设专门的I／O指令。由于访问内存的指令种类丰富、寻址方式多样，因此这种编址方式为访问外设带来了很大的灵活性。缺点是外设占用了一部分地址空间，减少了内存的实际容量。此外，从指令上不易区分当前是对内存进行操作还是对外设进行操作。

1.I／O端口编址方式

9.1.3I／O端口的访问

（2）I／O端口独立编址，又称I／O专门编址。此时，内存地址空间和外设地址空间是相互独立的，各有自己的零地址空间。但是系统必须有专门的I／O操作指令，由指令的操作数部分直接或间接地给出输入／输出端口地址。这种独立编址方式在80X86系列CPU中得到广泛采用。例如，8086就有专门的IN和OUT指令来完成对接口I／O操作。CPU使用地址总线的低16位作为寻址I／O端口的地址线(此时地址总线的高4位为0)，故8086最多可以寻址64K个8位或16位信息码端口。

1.I／O端口编址方式

9.1.3I／O端口的访问

（1）IN输入指令长格式：INAL，PORT;字节操作

INAX，PORT;字操作其中PORT为端口地址，范围00～FFH。功能：（AL）←（PORT），或（AX）←（PORT+1，PORT）。即将端口地址为PORT的端口的内容送AL或AX。短格式：INAL，DX;字节操作

INAX，DX;字操作其中寄存器DX的内容为端口地址，范围0000～FFFFH。功能：（AL）←（DX），或（AX）←（DX+1，DX）。即将DX的内容为端口地址的端口的内容送AL或AX。2.8086输入/输出指令

9.1.3I／O端口的访问

（2）OUT输出指令长格式：OUTPORT，AL;字节操作

OUTPORT，AX;字操作其中PORT为端口地址，范围00～FFH。功能：（PORT）←（AL），（PORT+1，PORT）←（AX）。即将AL或AX的内容送端口地址为PORT的端口中。短格式：OUTDX，AL;字节操作

OUTDX，AX;字操作其中寄存器DX的内容为端口地址，范围0000～FFFFH。功能：（DX）←（AL），或（DX+1，DX）←（AX）。即将AL或AX的内容送以DX的内容为端口地址的端口中。2.8086输入/输出指令

举例9.2.1

无条件传送方式9.2.2

查询传送方式

9.2程序查询方式

常见的输入输出方式有：程序控制方式、中断控制方式、DMA（直接存储器访问）方式和I/O处理机方式。

程序控制（查询）方式就是在程序中加入一段包括输入／输出指令在内的程序段，直接控制CPU与输入／输出设备之间的信息传送。程序控制方式又可分为无条件传送方式和查询传送方式。

9.2.1无条件传送方式

这种数据传送方式是在程序执行输入／输出指令时，无条件地执行指令相应的操作。也就是说，在这些设备工作时，随时都可以接收CPU输出的数据，或者它们的数据随时都可以被CPU读出，即CPU不需要了解外部设备当前的状态就可以直接进行数据的输入／输出操作。

...……D0~D7地址译码A0~A7图9.2CPU直接控制一组LED管IOW...8位反向数据驱动器 MOV AL,0FEH ;初始让D0位为0SHLED: OUT 88H,AL ;让某位LED管亮

CALL DELAY2S ;调用延时2S程序

ROL AL,1 ;循环左移一位。

JMP SHLED

这种方式主要用于外部控制过程的各种动作时间是固定的而且是已知的情况，针对的是一些简单的、随时“准备好”的外设。直接传送方式进行数据传送的过程中，CPU与外部设备数据交换与指令的执行是同步的。

+5V数据线端口PORT图9.3开关信号的直接读入K9.2.2

查询传送方式

查询传送方式也称为应答式传送方式。CPU在传送数据之前，必须先检查外设的状态，若外设已做好收发数据的准备，则处理器启动数据的接收或发送，否则CPU就要等待，直到外设准备好为止。

输入一个字节或字接口数据准备好？测试接口状态处理输入数据YN图9.4查询式输入数据流程WAIT:INAL,S_PORT ;读状态口

TESTAL,01H

;测试D0位JZWAIT

;为0，即未准备好，继续查询

INAL,D_PORT ;为1，即准备好，输入数据

MOV BUF, AL ;数据送输入缓冲区BUF

9.2.2

查询传送方式

如果有多个外设需要与CPU交换数据，CPU可轮流查询外设的工作状态，根据外设的情况进行相应的操作，其流程如图9.5所示。显然，这种查询顺序体现了系统对外设服务优先级的安排。轮流测试各接口状态……数据传送操作接口2准备好？YN图9.5对多个外设进行查询式传送数据流程数据传送操作接口1准备好？YN数据传送操作接口n准备好？YN9.3程序中断方式9.3.1

程序中断方式的基本原理9.3.3

中断控制接口例9.3.2I/O中断的处理过程9.3.1程序中断方式的基本原理

所谓中断，是指外设做好数据传送准备后，主动要求CPU中断当前执行的程序，转去为外设服务，当CPU对外设的服务完成后又可继续执行自己原来的程序的方式。这个过程就是中断。中断方式使得CPU和外设并行工作，提高了计算机的效率；又能使外设的服务请求得到及时满足。1.中断的概念

9.3.1程序中断方式的基本原理

引起中断的事件称为中断源。中断源分为内部中断和外部中断两部分。内部中断来自于处理器内部的事件，比如除数为0、计算结果溢出、指令单步运行、程序运行到断点处、执行特定的软中断指令，内部中断通常称为自陷。由处理器外部设备产生的中断事件称为外部中断。外部中断又可分为可屏蔽中断和不可屏蔽中断两类。凡是CPU内部通过对控制标志进行设置可以屏蔽外部中断，使得CPU不受理的中断就是可屏蔽中断，反之，CPU内部不能够屏蔽，使得CPU必须受理的外部中断就是不可屏蔽中断。2.中断源

9.3.1程序中断方式的基本原理

识别各种中断源的有效方法是为中断源编号，这就是中断类型号。在8086系统中，中断类型号的长度为一个字节，所以8086最多允许处理256种中断，其中断类型号从0至255。3.中断类型号

9.3.1程序中断方式的基本原理

所谓中断向量，是指中断处理程序的入口地址。中断向量表就是中断处理程序入口地址的集合。一般系统中会安排针对各种中断源的中断处理程序。CPU如果响应某个中断源的中断请求，必须转去执行相应的中断处理程序，这意味着必须给出中断处理程序的入口地址。8086系统在内存的最低端安排了1KB的空间存放中断向量表。对8086处理器而言，中断向量长度是4个字节，分别是段地址和段内偏移地址。其中段地址占据高位两个字节，段内偏移地址占据低位两个字节，这样256个中断向量共占据4×256=1024个字节。表9-1列出了8086中断向量表。4.中断向量表

9.3.1程序中断方式的基本原理

只要知道中断类型号n，按照4×n得到的地址就可以查到中断向量表中的中断向量。例如中断类型号21H的中断，其中断向量在中断向量表的地址为0000:0084H（4×21H=84H）。其中，0000:0084H和0000:0085H两个字节为中断处理程序入口的段内偏移地址，0000:0086H和0000:0087H两个字节为中断处理程序入口的段地址。4.中断向量表

9.3.1程序中断方式的基本原理

不同的中断源，或者不同的事件发生，需要CPU来处理的紧迫性是不一样的，因此有必要依据紧急情况程度对中断事件进行排队。也就是给每一个中断事件确定一个中断响应的优先等级，这就是中断优先级。有了中断优先级，在多个中断请求发生时，CPU就能够进行中断判优，决定优先响应和处理哪一个中断请求。5.中断优先级和中断判优

9.3.1程序中断方式的基本原理

中断判优的规则如下：（1）只有一个中断请求时，不管其优先等级如何，CPU总是响应此中断。（2）当有两个及以上的中断请求时，CPU总是响应其中优先级最高的，待此最高优先级中断事件处理后，才响应优先级次之的中断请求。对于同级优先级，自然是先提出中断请求的先响应。（3）中断嵌套也是按中断事件的优先级来处理的。5.中断优先级和中断判优

9.3.1程序中断方式的基本原理

中断判优的方法有软件查询法、硬件电路法及二者相结合的软硬件中断控制法。软件查询法就是CPU依次查询中断请求，其查询顺序体现了优先级的安排，简单但效率低。硬件电路法有固定优先级的链式中断响应电路，如菊花链电路；也有专用判优逻辑电路。此法成本高，速度快，但不灵活。软硬件中断控制法，使用专门的可编程中断控制器，通过程序较灵活的控制优先级及中断嵌套，常为计算机系统所采用。5.中断优先级和中断判优

9.3.1程序中断方式的基本原理

中断嵌套是指CPU当前响应某个中断，正在执行中断处理程序时，又发生其他中断源的中断请求，若新的中断请求优先级别高于目前正在服务的中断请求，则CPU会自动中断当前执行的中断处理程序，转而去响应新的中断请求，执行新的中断处理程序后，再返回执行原中断处理程序的过程。中断嵌套体现了计算机对更为紧急的事件的处理方式。

6.中断嵌套

9.3.1程序中断方式的基本原理

中断屏蔽是在多个可屏蔽的外部中断源和CPU之间再加一道可控制的屏障，使得多个中断源的中断请求信号可按预先设置屏蔽与否而决定中断请求信号是否能向CPU发出。一般在中断控制器中设有中断屏蔽寄存器，该寄存器的每一位对应一个中断源，位值为1表示屏蔽，位值为0表示不屏蔽，其内容构成一个中断屏蔽字。显然，事先确定好中断屏蔽字，或者在中断服务程序中设置中断屏蔽字，就能有意识地改变中断处理优先等级，给程序控制带来更大的灵活性。

7.中断屏蔽

中断请求信号由中断源提出。对内部中断源，中断事件发生时自动向CPU发出；对外部中断，必须通过中断请求线向CPU提出。

1.中断请求

9.3.2I/O中断的处理过程

I/O中断的处理过程分为中断请求、中断响应、中断处理和中断返回等4个阶段。

CPU对内部中断源的中断请求必须响应，并自动形成中断类型号，转去执行相应的中断处理程序。对外部中断，CPU在现行指令执行结束时查询中断请求引脚，如果有NMI请求（8086中断类型号为2），转去执行相应的中断处理程序。如果有INTR请求，且IF=1，则响应。由于CPU只有一个INTR引脚，多个外部可屏蔽中断源的中断管理就由专门的中断控制器来进行处理。如果有多个中断源提出中断，中断控制器会向CPU发出中断请求，若得到CPU响应，中断控制器会进行判优处理，只有优先级高的中断源的中断类型号才输入给CPU，才会得到CPU相应的中断处理。2.中断响应

9.3.2I/O中断的处理过程

8086CPU对中断响应的优先级顺序为：内部中断（单步中断除外）NMI中断INTR中断单步中断。CPU响应中断时，会进行下述过程：（1）自动关中断，以免接受新的INTR中断请求。（2）保护断点和状态标志寄存器。一般是将断点地址及状态标志寄存器的内容压入堆栈给以保护。（3）识别中断源，对内部中断自动识别；对外部中断，CPU通过INTA引脚向提出请求的中断控制器发出中断响应信号，要求中断控制器输入中断类型号，得到中断类型号后，CPU通过查询中断向量表，转去执行相应的中断处理程序。2.中断响应

9.3.2I/O中断的处理过程

中断处理程序完成对相应中断源的功能性处理，这是整个中断处理的核心。对于由系统管理的中断事件，系统软件中事先就安排有相应的中断处理程序；系统初始化时会填写好相应的中断向量表。一般用户编写的应用程序，如果采用中断处理方式，大致可编写两类中断处理程序。一是软中断，利用中断向量表中保留给用户使用的中断类型号，设置软中断指令，完成相应的软中断操作。另一类是用户扩充新的外设，除增加新的外设硬件接口外，此时需要编写相应的外设中断处理程序。3.中断处理

9.3.2I/O中断的处理过程

中断处理程序调用类似子程序调用，一般中断处理程序的结构是：首先应保护现场，即将程序中用到的所有寄存器内容压入堆栈。一般保护现场前应关中断，使处理现场工作不至于被打断。其次，如果考虑允许中断嵌套，还要开中断。然后才是中断处理程序的具体工作内容，比如和相应的外设交换数据等。此后在中断处理程序返回前，要恢复现场。还要开中断，以便其他中断请求能够被CPU响应。最后应该有中断返回指令IRET指令，以便中断处理程序执行后返回原调用处。3.中断处理

9.3.2I/O中断的处理过程

系统执行IRET指令，其功能是将状态标志寄存器内容出栈和恢复断点。图9.6表示了8086CPU处理中断的流程。从图中可知，8086对中断的查询顺序是按照其规定的优先级进行的。而一旦转中断处理程序后，若再发生NMI中断，就会进行中断嵌套，转去执行NMI中断处理。如果进入单步中断，此时TEMP=TF=1，系统会自动一步步跟踪程序的执行。

3.中断返回

9.3.2I/O中断的处理过程

取指令类型号0~255内部中断？YN图9.68086CPU处理中断的流程保护FLAGS执行完指令？YNIF=1?YN中断响应读回类型号类型号=2

NMI？NY

INTR？NY类型号=1单步中断？YTFTEMPTF=0断点入栈查中断向量转中断处理程序恢复断点NMI?TEMP=1?执行中断处理程序恢复FLAGS返回被中断的程序YYNNN早期的IBMPC计算机中的中断控制器为专门的中小规模集成电路芯片，型号为Intel8259A，用于对可屏蔽中断请求进行管理。现代计算机已将其集成到主板芯片组中。本节通过对8259A的介绍，使读者能进一步了解计算机中断控制的工作原理和过程，并对可编程接口的使用有一个初步的认识。

9.3.3中断控制接口例

8259A除具有与CPU端联系的数据总线缓冲器和读写控制逻辑外，还包括4个8位寄存器和控制逻辑电路、级联缓冲比较器等。

1.8259A的结构及功能

9.3.3中断控制接口例

中断请求寄存器IRR优先权裁决器PR中断服务寄存器ISR中断屏蔽寄存器IMR数据总线缓冲器读写控制逻辑电路级联缓冲比较器控制逻辑电路IR0IR6IR1IR2IR3IR4IR5IR7INTAINTD0~D7CSA0CSA1CSA2RDWRA0CSSP/EN图9.78259A的内部结构

1）中断请求寄存器IRR(InterruptRequestRegister)该寄存器为8位，可锁存来自8个中断源的中断请求信号IR0~IR7。2）中断服务寄存器ISR(InterruptServiceRegister)该寄存器保存正在受到中断服务（包括中断嵌套的）的中断请求。1.8259A的结构及功能

9.3.3中断控制接口例

3）优先权裁决器PR(PriorityResole)该裁决器实现对同时提出的中断请求信号进行优先级选通。8259A对8个中断源的优先级安排有两种方式：固定优先级：默认IR0级别最高，其次是IR1~IR7；也可以由初始化编程指定某一中断请求为最高，如指定IR3最高，则优先级由高至低依次为IR3~IR7，IR0~IR2；循环优先级：当一个中断得到响应后，其优先级自动降为最低。如IR0响应后，IR1优先级变为最高，优先级的顺序变为IR1~IR7，IR0。循环初始时的最高优先级既可默认IR0，也可编程指定。优先权裁决器还能对中断嵌套进行管理。其管理中断嵌套方式有普通全嵌套方式，即只允许中断优先级别高于目前正在服务的中断请求的新的中断请求得到嵌套。还有用于级联方式的特殊全嵌套方式。1.8259A的结构及功能

4）中断屏蔽寄存器IMR(InterruptMaskRegister)IMR的各位对应于IRR的相应位。当IMR的某一位IMRi被置1时，表示IRi的中断请求被屏蔽，只有IMR的相应位置0时，对应的中断请求才可能被响应。1.8259A的结构及功能

9.3.3中断控制接口例

5）控制逻辑电路此部分控制8259A按照接口编程的规定进行工作。在8259A的控制逻辑电路中，有7个可编程的8位寄存器。这7个寄存器分为两组。第一组为4个初始化命令字ICW寄存器(InitializationCommandWord)，分别为ICW1~ICW4。初始化命令字的各位都有其含义，由系统初始化程序设定，当计算机启动时，即对8259A的中断控制方式包括中断请求触发方式、中断类型号设置、优先级嵌套方式、级联方式等进行了设置。以后系统工作过程中一般不再改变。第二组为3个操作命令字OCW寄存器(OperationCommandWord)，分别为OCW1~OCW3。操作命令字由应用程序设定，包括设置中断屏蔽字、循环优先级方式和中段结束方式等，用来对中断处理过程进行动态控制。操作命令字可以多次改变。1.8259A的结构及功能

6）数据总线缓冲器8位双向三态缓冲器，为8259A与系统数据总线的接口。通过它，8259A接收来自CPU的控制字，或者向CPU发送8259A的状态信息。7）读写控制逻辑读写控制逻辑接收来自系统控制总线上的读写控制信号。另外还实现对片内各个端口如命令字寄存器、操作字寄存器的寻址以及读取IRR、ISR、IMR等寄存器的状态端口寻址。8）级联缓冲/比较器8259A通过级联，即一个8259A的IR引脚又连接一个8259A，则最多能实现对64个中断源的控制。此部分负责主片和从片的联系。1.8259A的结构及功能

9.3.3中断控制接口例

下面是对8259A初始化的程序段例，设8259A的端口地址为20H和21H：

MOV AL, 13H

;设置ICW1：00010011，含义为设置ICW4，非级联不设ICW3，边沿触发

OUT 20H, AL

;写入ICW1（端口为偶数地址）

MOV AL, 08H

;设置ICW2，含义为设置中断类型号，IR0~IR7依次为08H~0FH

OUT 21H, AL

;写入ICW2（端口为奇数地址）

MOVAL, 0FH

;设置ICW4，含义为设置数据总线缓冲方式，自动中断结束

OUT21H, AL

;写入ICW4（端口为奇数地址）2.8259A接口的编程例

D0：IC41:需要ICW4(8086模式时总是1)

0:不需要ICW4D1：SNGL1:单片82590:多片8259级联D2：ADI对8086模式无用，一般取0D3：LTIM1:电平触发0:边沿触发D4：1ICW1标志位D5~D7：对8086模式无用，一般取000初始化命令字ICW1的含义

初始化程序执行后，8259A即开始工作。在8259A启动后，可对8259A设置OCW。下面是对该8259A写入OCW的程序段例：

MOVAL, 0F0H

;设置OCW1，含义为中断屏蔽字，即屏蔽IR4~IR7

OUT 21H,AL

;写入OCW1（端口为奇数地址）

MOVAL, 20H

;设置OCW2，含义为中断结束命令

OUT 20H,AL

;写入OCW2（端口为偶数地址）

2.8259A接口的编程例

9.4DMA方式9.4.1DMA控制器的功能和工作过程9.4.2DMA传送的特点9.4.1DMA控制器的功能和工作过程CPU外设DMAC主存储器系统总线图9.8DMAC和CPU构成的计算机系统结构图HOLDHLDAI/O接口DRQDACKDMAC的工作过程如下：（1）当能够进行DMA传送的外设准备好数据时，外设通过接口向DMAC发出DMA请求信号DRQ。（2）DMAC收到请求后，即向CPU发出总线请求信号HOLD，表示要进行DMA传输，此信号一直维持到DMA传输结束。（3）CPU在完成当前总线周期后，查询HOLD线，并立即对HOLD信号进行响应，此时CPU将它与数据总线、地址总线和部分控制总线的连结均置于高阻态，也就是使CPU与系统总线隔离；同时CPU向DMAC发出总线请求响应信号HLDA，表示已放弃总线控制权。9.4.1DMA控制器的功能和工作过程（4）DMAC收到HLDA信号后，开始对总线实施控制并向外设发出DMAC的应答信号DACK。（5）DMAC送出地址信号和控制信号，包括源地址和目的地址，读写控制信号等，实现外设和内存之间的直接数据传送。（6）DMAC按地址增量或者减量方向自动修改地址和字节计数器，并判断是否需要重复传送操作。在成组数据传送方式下，DMA传送直到字节计数器计满设定值为止。（7）若DMA传送结束，DMAC即撤销向CPU发出的总线请求信号HOLD。CPU监测到HOLD信号失效后，即撤销总线请求响应信号HLDA，表示CPU收回总线控制权，并继续原来CPU执行的程序。9.4.1DMA控制器的功能和工作过程（1）需要DMAC控制系统总线，直接实现外设与内存之间、内存与内存之间的直接数据传送。（2）在DMA传送期间，CPU仍然可以执行程序，只是不访问内存和外设而已，DMA传送和CPU仍然可以并行工作。实际上，可采用周期挪用（DMAC挪用几个CPU访问内存的工作周期）或者和CPU交替访问内存（在CPU不访问系统总线时进行DMA传送）等方式来减轻或不影响CPU的并行工作。（3）DMA传送无需程序控制，省去了取指、译码等操作；也不象中断方式那样，需要保护和恢复现场。它完全由硬件控制，速度快，效率高，很适合内存和高速外设，如磁盘、光驱等之间的数据传送，因此在计算机中得到了广泛的应用。9.4.2DMA传送的特点9.5可编程I/O接口及其应用所谓可编程，是指系统可通过软件的方法，对I/O接口的工作模式、初始状态等进行设置。系统启动时也可以同时实现I/O接口的初始化。这样，I/O接口工作时，就会按照系统的设置命令进行该接口的正常工作，也可以接受CPU的操作命令，随时对I/O接口的工作做出调整。例如，用户程序可对8259A写入中断屏蔽字，不允许某些接口中断，也可对8259A写入中断结束命令，来中止中断服务程序的执行。又如DMAC也是一个可编程接口，即Intel8237A。系统对8237A的初始化内容包括设置8237A的工作方式、内存缓冲区的首地址，DMA传送的字节数等，CPU还可以通过命令来查询8237A的工作状态，如传送的字节数、当前内存地址计数等。9.5可编程I/O接口及其应用CPU有很多外围可编程I/O接口，它们完成各种各样的功能，配合CPU对外部事务进行相关处理。除了8259A和8237A外，在IBMPC微机上常见的可编程I/O接口有：9.5可编程I/O接口及其应用能完成定时功能，如定时时间到发出中断；能对外部事件进行计数，如计数次数到发出中断，通知CPU作处理。其定时时间、计数范围可通过程序来改变。8254具有3个16位定时器/计数器通道，可同时进行3个独立的定时/计数工作，也可以3个定时器/计数器的2个或3个结合工作，实现长计数或长延时。8254有6种工作方式（方式0~方式5），能实现计数中断、单稳态发生器、频率发生器、方波发生器、软件触发选通、硬件触发等功能。这6种工作方式可通过编程确定。（1）可编程定时器/计数器Intel82549.5可编程I/O接口及其应用具有A、B、C三个数据端口，分为A、B两组，能分别完成系统总线和并行工作的外设如打印机之间的8位数据的并行传输和中断控制。8255A有三种工作方式可供编程选择设置：即方式0（基本的输入输出方式）、方式1（带选通的输入输出方式）、方式2（带选通的双向传输方式）。（2）可编程并行I/O接口Intel8255A9.5可编程I/O接口及其应用如可编程异步串行通信接口Intel8250、数模转换器DAC、模数转换器ADC等。随着计算机技术的飞速发展，现代微型计算机可编程接口已向着高字长、多功能、自治程度高的方向发展。（3）其他可编程I/O接口

9.6输入输出系统的发展9.6.1

通道9.6.2

外围处理机通道是一个具有输入输出处理器控制的输入输出部件。通道控制器有自己的指令，即通道命令，能够根据通道程序控制多个外部设备，并提供了DMA共享的功能。通道配合主机专门负责外围设备的输入输出管理。通常，一台大型计算机可有多个通道，一个通道可连接多个设备控制器，一个设备控制器可管理多台I/O设备，形成典型的输入输出系统的四级层次结构，如图9.9所示，它包含了三种通道类型。1.通道的工作原理

9.6.1

通道IBM370的I/O结构

通道的一般工作过程如下：（1）接受CPU的I/O指令（目态程序中含有访管指令），选定外设与通道相连；（2）进入管态，执行CPU为通道组织的通道程序，启动通道进行I/O操作。此时CPU返回目态程序；（3）计算并给出I/O设备的有关地址，如磁盘存储器的物理地址和主存缓冲区的首地址，计算I/O设备和存储器之间的数据交换数量，控制外设与主存之间的数据交换；（4）检查外设的工作状态，对部分异常进行处理；（5）在数据传送过程中完成必要的格式转换；（6）指定I/O操作结束时，要执行的善后操作，如以中断方式要求CPU进入管态处理后返回目态。1.通道的工作原理

9.6.1

通道根据多台外设共享通道的不同情况，将通道分为三种类型。（1）字节多路通道（ByteMultiplexorChannel)这是一种简单的共享通道，依靠它与CPU之间的高速数据通路，采用分时工作方式为多台低速或中速的外围设备服务。字节多路通道工作方式有两种：一种是字节交叉方式（byte-interleavemode)，各设备占用时间片很短，1次传输1个字节；还有一种是成组方式（blockmode)，即1次传输1组数据。通过一个超时控制机构来自动实现两种工作方式的转换。若在预置的时间内，数据仍未传送完毕，则自动转入成组方式，否则继续采用字节交叉方式。2.通道种类

9.6.1

通道（2）选择通道（SelectorChannel)针对高速外围设备（如磁盘机），必须设置专门通道在一段时间内单独为一台外围设备服务，但在不同的时间内仍可以选择其它设备。选择通道一旦选中某设备，就一直工作到数据传输结束为止。（3）数组多路通道（BlockMultiplexorChannel)数组多路通道是前两种通道工作方式的结合，它每次选择一个高速设备后即传送一个数据块，这样可以并发地轮流为多台高速设备服务。2.通道种类

9.6.1

通道通道处理机并不是独立的处理机，指令简单，存储容量较小，输入输出时CPU要承担大量的前处理和后处理等工作，用一般的通用机作外围处理机可使CPU摆脱I/O操作的负担。外围处理机与主处理机异步并行工作，可有独立的内存，能自由选择通道和设备进行通信，非常灵活。能承担主机外围任务处理和操作控制，有利于整个系统的效率提高。外围处理机的硬件利用率低，成本比通道处理机高。9.6.2外围处理机PPU0图4-7CYBER170的I/O结构框图主存储器输入输出交叉开关网络主存-I/O处理机总线DC···D中央处理机PPU1PPU9CH0DDCCH1DDCCHiDDCDDCD···DCCH11D······

外围处理机子系统包括分时使用主存的10台PPU，通过输入输出交叉开关网络(I/OCrossbarSwitching)共享12个输入输出通道（CH0~CH11），每个PPU有一个容量为4K×13位(其中一位为奇偶位)的局部存储器。系统监督程序常驻在PPU0的局存中，操作台显示程序常驻在PPU1的局存中，其余均装有各自的常驻程序。每台PPU都能独立执行有关PPU的程序，都有相同的指令系统，完成算术/逻辑运算、读/写主存、与外设交换信息等功能。用这些指令编制的PPU程序存放于系统主存的程序库中，可以为管理外部设备随时调用。图中DC为设备控制器，D为外围设备。中央处理机不能直接与外部设备交往。当用户程序需要输入输出时，中央处理机只需发调用PPU的请求，即可继续执行它的用户程序，像通道处理机方式中那种前处理工作就不用做了。其后由外围处理机就自己来与外部设备通信。所有10台PPU分时循环使用同一个算术/逻辑部件，每台PPU一次占用一个时间片，隔10个时间片之后又可再次占用一个时间片。因此，一条PPU指令可能要经过多个大循环周期才能完成。由于主存字长60位，PPU局存字长12位，它们之间交换信息时，需要采用桶形移位器的方法进行拆卸和装配，这种拆卸和装配所用的部件也是由10个PPU分时共享的。

CYBER170的通道比较简单，和通道处理机中的通道概念完全不同，它只起通路连接作用，使外围处理机可以与12个通道中的任何一个相接。每个通道最多可接8台外部设备，用设备号来选择。在每个通道中有一个双向13位(1位奇偶位)的通道寄存器及“忙/闲”、“满/空”两个状态标志触发器。利用这两个状态标志触发器以及PPU执行相关的I/O指令来控制PPU、通道与外设的通信。9.6.2外围处理机

I/O处理机功能的进一步扩展，出现了各种前端机（如网络、远程终端控制前端机）以及后台机（如数据库机器等）。其功能不仅是完成I/O数据传输，还进行某些智能前处理或后处理。总之，如何减少CPU对I/O系统的介入，提高I/O系统的数据吞吐率（即传输带宽），增强I/O设备和控制器的智能是输入输出系统的发展方向。

9.7外围设备计算机外围设备，简称外设，是与计算机相连、受主机控制完成某种数据处理或控制操作的装置。它为计算机和其它机器之间，计算机和用户之间提供了联系，是计算机系统的重要组成部分。从外设和主机之间信息传送的方向来看，外围设备可分为输入设备、输出设备和输入输出兼容设备。9.7.1

输入设备9.7.3

外存储器9.7.2

输出设备标准的计算机键盘由一组排列成阵列形式的按键组成，共有101个按键。键盘除了提供所按键的ASCII码字符外，还有多个功能键、光标控制键等。每个按键起一个开关的作用。通常按键采用非接触式的开关，利用按键的动作改变某些物理参数或利用某些物理效应，来实现电路的通断转换。非接触式开关有电容式、磁电式、压电式、压敏式和光电式等。常用的是电容式按键。1.键盘

9.7.1

输入设备键盘输入信息分为三步：（1）用户按键。由于键按下和释放都会产生机械抖动，一般要有消除抖动的措施。（2）按键识别。通过键盘扫描硬件电路配合键盘扫描软件查找是哪一个键按下，或者是哪些键组合如Ctrl+C等按下。所谓键盘扫描，是指对键盘阵列逐行检查，若某一行有键按下，则发出脉冲信号，然后再查该行是哪一列有键按下，从而得到该键在键盘阵列中的位置编码。（3）将按键的位置编码变换为该键的ASCII码，送给主机。现代键盘一般有专门的键盘接口芯片，有的装有单片计算机，可以完成键盘扫描、键盘监测、消除重键等，以及控制和主机之间的通信等任务。

1.键盘

9.7.1

输入设备鼠标能在屏幕上实现快速精确的光标定位，可用于屏幕编辑、选择和作图等操作，是当今图形界面、可视化设计和操作不可缺少的输入设备。鼠标按照测量原理的不同可分为机械式、光电式和光机式三种。机械式鼠标的底部中心有一个橡胶包裹的金属球。鼠标在桌面滚动时，金属球便带动紧靠着球的两个相互垂直的转轴转动。与转轴相联的编码器和相应电路可分别计算水平方向和垂直方向的偏移量，从而定位屏幕上的坐标点。机械式鼠标简单成本低，但准确度灵敏度较差，目前已很少用，将被淘汰。2.鼠标器

9.7.1

输入设备光机式鼠标装有滚动橡胶球，带动两个相互垂直的边缘开槽的光栅轮。光栅轮随着鼠标的移动而转动，使其一边的发光二极管发出的光线时而透光，时而不透光，使另一边的光敏三极管产生反映鼠标位移的电脉冲信号。光机式鼠标用得较多。光电式鼠标没有机械滚动部分，代之以两对相互垂直的光电探测器，分别代表X、Y方向，用来检测发光二极管照射到鼠标下面的垫板上的反射光。该鼠标板画有黑白格子，鼠标在板上移动时，反射光便有强弱之分，光敏管依据有无反射光而产生表示位移的脉冲序列。光电式鼠标传送速率快，灵敏度和准确度高。但需专用垫板，成本高。对光电式鼠标的改进是去掉专用垫板，在鼠标底部安装一个图形识别芯片来检视鼠标与桌面的相对运动，从而发出位移信号。随着成本的降低，这种新型的光电式鼠标有逐步普及之势。2.鼠标器

9.7.1

输入设备鼠标器最重要的参数是分辨率，单位是dpi（像素/英寸）。一般鼠标分辨率为200dpi左右，越高越好。如果屏幕分辨率较高，则相应使用的鼠标分辨率也应该高。否则，较低分辨率的鼠标移动范围要求较大。另外无线鼠标因其使用方便价格适宜也开始得到广泛使用。2.鼠标器

9.7.1

输入设备显示系统是计算机中最基本的输出设备。它由显示器和显示适配器（又称显卡）两部分组成。显示适配器就是显示器和主机之间的接口。显示器的作用是将主机输出的电信号经过显示技术处理后转换成能直接观察的文字、图形、图像等光信号。1.显示系统

9.7.2输出设备（1）显示器显示器的分类按显示设备所用的显示器件分类，有阴极射线管(CathodeRayTube，CRT)显示器、液晶显示器(LiquidCrystalDisplay，LCD)、等离子显示器（PlasmaDisplayPanel，PDP）等；按显示方式分类，有字符显示器、图形图像显示器等；按显示的颜色分类，有彩色显示器和单色显示器。常用的PC计算机显示器主要是彩色图形图像CRT显示器和液晶显示器两种。1.显示系统

9.7.2输出设备CRT显示器通过电子束轰击荧光屏而发光，结构类似带显像管的电视机。CRT显示器具有成本低、亮度高、分辨率高、色彩鲜明等特点，但存在体积大、笨重、功耗大、有辐射等缺点，目前正在逐步被液晶显示器所替代。液晶显示器(LCD)出现于1971年，80年代开始用于计算机上。其工作原理是利用了液晶的物理特性：当通电时导通，排列变得有秩序，使光线容易通过；当不通电时排列混乱，光线不易通过。LCD具有体积小、重量轻、耗能少(1~10μW/cm2)、无辐射、无静电感应、工作电压低(1.5~6V)、无污染等优点，并且视域宽、无闪烁，能直接与CMOS集成电路相匹配，是真正的“平板”式显示设备。这些优势使得液晶显示器在携带式设备中尤其应用广泛。1.显示系统

9.7.2输出设备目前用于笔记本电脑和台式计算机系统的LCD显示器主要是由薄膜晶体管有源阵列彩显TFT-LCD构成。TFT(ThinFilmTransistor)即薄膜晶体管，其每个液晶像素点都是由集成在像素点后面的红、绿、蓝三色薄膜晶体管来驱动，其显示效果可以做到高速度、高亮度、高对比度，从而接近CRT显示器。1.显示系统

9.7.2输出设备液晶显示器的主要参数有：1）可视角度可视角度指用户可以从不同的方向清晰地观察屏幕上所有内容的角度。由于提供LCD显示器显示的光源经折射和反射后输出时已有一定的方向性，在超出这一范围观看就会产生色彩失真现象。一般可视角度越大越好。目前大多数液晶显示器的可视角度在140度左右。2）亮度亮度是指画面的明亮程度，单位是cd/m2，数字越大性能越好，色彩就艳丽。TFT-LCD的可接受亮度为150cd/m2，一般在200cd/m2以上，亮度太低会感觉暗淡。1.显示系统

9.7.2输出设备3）对比度对比度是指屏幕上同一点最亮时（白色）与最暗时（黑色）的亮度的比值，高的对比度意味着相对较高的亮度和呈现颜色的艳丽程度。如450:1、500:1、1500:1等。比值越高图像的清晰度、饱和度、层次感就越好。4）分辨率或点距目前15英寸LCD显示器的最佳分辨率为1024×768，17～19英寸的最佳分辨率为1280×1024，更大尺寸拥有更大的最佳分辨率。一般相同尺寸的液晶显示器的最大分辨率通常是一致的。点距是指显示屏相邻两个象素点之间的距离。它是从另一个角度说明显示器分辩率的参数。分辨率越高，点距越小。分辨率为1024×768的15英寸LCD显示器，其像素间距均为0.297mm，而17寸LCD显示器的点距一般都为0.264mm。1.显示系统

5）响应时间响应时间反映了各像素点对输入信号变化的明亮转换速度。液晶显示器响应时间目前有16ms、12ms、8ms、4ms的。16ms=1/0.016=每秒钟显示63帧画面；12ms=1/0.012=83帧/s。响应时间越小越好，这样看运动画面时不会出现拖影的现象。6）显示色彩数色彩数就是屏幕上最多显示多少种颜色的总数。对屏幕上的每一个像素来说，256种颜色要用8位二进制数表示，即2的8次方，因此把256色图形叫做8位图；如果每个像素的颜色用16位二进制数表示，就是16位图，它可以表达216=65536种颜色；还有24位彩色图，可以表达16,777,216种颜色。液晶显示器一般都支持24位真彩色。1.显示系统

7）水平刷新率是指显示器每秒钟的扫描线数，单位为KHz。行频=行数×场频，例如在800×600的分辨率下，当刷新率为85Hz时，行频=600×85Hz=51KHz。8）垂直扫描频率是显示器每秒刷新屏幕的次数，单位为Hz。场频越低，图像的闪烁、抖动越厉害，一般LCD显示器有60Hz就足够了。如果要求能够以较快的频率读取数据进行显示，则液晶的刷新率要能够达到70Hz甚至85Hz。1.显示系统

9.7.2输出设备显卡的作用是将CPU

送来的显示数据经过变换和处理为显示器可显示的文字、图形、图像等信号。现代显卡包括GPU、显存、显卡BIOS、显卡电路板及显示驱动程序等五部分。1）GPU(Graphic

Processing

Unit)，即图形处理器，实际上是一个专用的图形处理器芯片，为显卡的核心。GPU承担了原由CPU完成的图像处理的工作，特别是3D图形处理功能，大大减少了CPU的负担。GPU所采用的核心技术有硬件T&L(几何转换和光照处理)、立方环境材质贴图和顶点混合、纹理压缩和凹凸映射贴图、双重纹理四像素256位渲染引擎等。GPU主要由nVidia与ATI两家厂商生产。1.显示系统

9.7.2输出设备（2）显示适配器或显卡2）显示内存简称显存。其主要功能就是暂存GPU要处理的数据和处理完毕的数据。图形核心的性能愈强，需要的显存也就越多，一般容量都在数百兆甚至上千兆字节。目前显存基本采用的都是DDR3内存或性能更高的DDR4或DDR5内存。3）显卡BIOS显卡BIOS

主要存放GPU与驱动程序之间的控制程序，另外还存有显卡的型号、规格、生产厂家及出厂时间等信息。现在多数显卡采用了大容量的EEPROM，可以通过专用的程序进行改写或升级。1.显示系统

9.7.2输出设备4）显卡电路板显卡电路板把显卡上的其它部件连接起来，类似微机的主板。现代显卡的GPU上还装有风扇。5）显示驱动程序实现CPU对显卡和显示器的管理和数据传输控制，由显卡制造厂家提供。1.显示系统

9.7.2输出设备显卡的工作过程是：从系统总线将

CPU

送来的数据送到显存或GPU里面进行处理。GPU处理完的数据也送到显存。显示时，从显存取出数据送到

DAC中

进

行数字数据转换为模拟信号的操作，最后将转换完的模拟信号送到显示屏显示。1.显示系统

9.7.2输出设备（2）显卡的工作过程例9.2

某LCD显示器的分辨率为1024×768，响应时间为8ms，显示色彩24位图，求显示系统的帧缓存容量，显卡到显示屏的数据传输率。解：显示系统的帧缓存容量=1024×768×24bit=2324KB=2.27MB显示器的帧频=响应时间的倒数=1/8ms=125帧/s数据传输率=125帧/s×2.27MB/帧=283.75MB/s1.显示系统

9.7.2输出设备打印机是将计算机的输出信息，包括文字、表格、图片等以硬拷贝的形式打印在纸张上。按照打印原理，打印机可分为击打式打印机和非击打式打印机。击打式打印机是用机械方法，让打印针或字符锤击打色带，在打印纸上印出字符，常用的有针式打印机。非击打式打印机是通过激光、喷墨、热敏等方式在打印纸上印出字符。在各种打印机中，激光打印机以其打印分辨率高、速度快、低噪声、性价比高而得到普遍应用。2.打印机

9.7.2输出设备激光打印机主要由激光扫描系统、电子照相系统和控制系统三部分组成。

2.打印机

9.7.2输出设备激光器偏转装置静电潜像感光鼓电子照相系统红外线热辐射定影调制驱动电路激光束纸输入纸输出激光打印机的工作原理图激光扫描系统将要打印的数据作为对激光器产生的激光进行调制的数字信号，从而使激光器产生的激光变成载有字符或图形信息的激光束。该激光束经扫描偏转装置，对感光鼓扫描，并在感光鼓上形成“静电潜像”。电子照相系统使带有“静电潜像”的感光鼓接触带有相同极性的干墨粉，鼓面原被激光照射的部分将吸附墨粉，便显影出图像。该图像转印到纸上，经红外线热辐射定影后，使墨粉渗透到纸纤维中固定。控制系统包括激光扫描控制、电子照相系统控制、缓冲存储控制和接口控制等。控制系统接收和处理来自主机的各种命令和数据，并向主机报告打印机状态。2.打印机

9.7.2输出设备激光打印机的主要性能指标：（1）打印分辨率。打印分辨率是指打印机在指定打印区域中，可以打出的点数，单位是每英寸点数。激光打印机的主流打印分辨率为600×600dpi，更高的分辨率可以达到1200×1200dpi。（2）打印速度。表示打印机每分钟可输出多少页面(ppm)，常用最高打印速度或者打印机持续工作时的平均输出速度来说明。目前普通激光打印机的打印速度可以达到35ppm，高级激光打印机打印速度可以超过80ppm以上。2.打印机

9.7.2输出设备激光打印机的其它指标有：最大打印幅面（如A4或A3幅面）；纸匣容量；预热时间；首页输出时间；内置字库；色彩数目；打印成本(纸张价格、墨盒价格等)等。

2.打印机

9.7.2输出设备外存储器，简称外存，处于计算机存储系统的辅助存储器层次。常用的外存有硬盘驱动器、光盘驱动器以及携带方便的各种各样的存储卡，如U盘、闪卡（Flash卡）等。

9.7.3外存储器硬盘和其机械、电子控制装置构成一个整体，就是硬盘驱动器，常简称硬盘。

1.硬盘

9.7.3外存储器（1）硬盘驱动器的结构

硬盘硬盘是由存储体及其旋转控制机构，读写磁头及其数据转换控制器，接口及其缓存等几个部分组成。1）存储体及其旋转控制机构硬盘存储体为多张固定共轴的半径相同的圆形磁盘片，由电机带动旋转。

步进电机带动磁头统一沿盘片的半径方向运动，实现寻道主轴电机带动盘片组统一旋转，实现寻扇区盘片磁头图9.12硬盘工作原理示意图1.硬盘

9.7.3外存储器盘片一般用铝合金材料或玻璃做基片，基片表面涂上一层很薄的磁性材料。盘片的上、下两个盘面（Side），都可以存储数据，成为有效盘片。每一个这样的有效盘面都有一个盘面号，按顺序从上至下从“0”开始依次编号。在硬盘系统中，盘面号又叫磁头号，因为每一个有效盘面都有一个对应的读写磁头。磁头通过随数字信号变化的电流所产生的磁场影响磁层的两个磁化方向，从而存储“0”“1”信号。

1.硬盘

9.7.3外存储器2）读写磁头及其数据转换控制器每个盘面的磁头在机械上全部相连，在步进电机的带动下统一沿盘片的半径方向移动，而盘片以每分钟数千转到上万转的速度在高速旋转，这样磁头就能对盘片上的指定位置进行数据的读写操作。

1.硬盘

3）接口及其缓存磁头读写的数据通过缓存及接口与系统总线相连，实现与内存或CPU之间的数据交换。硬盘存储体密封在铸铝腔体中，外界空气必须通过腔体的过滤装置才能与腔体内相通，保证了腔体中绝对无尘。盘片旋转产生的气流相当强，足以使磁头托起，并与盘面保持一个微小的距离。这个距离越小，磁头读写数据的灵敏度就越高，盘面存储的数据密度就越高。现代设计使磁头在盘面上的飞行高度降到0.005μm～0.01μm，这只是人类头发直径的千分之一。这就是采用温彻斯特（Winchester）技术制造的硬盘，简称为温盘，目前绝大多数硬盘都采用此技术。

1.硬盘

9.7.3外存储器（2）磁盘上信息存储的格式

硬盘在逻辑上被划分为磁道、柱面以及扇区

磁盘在格式化时被划分成许多同心圆，这些同心圆轨迹叫做磁道（Track），信息以脉冲串的形式记录在磁道中。磁道从外向内从0开始顺序编号。硬盘的每一个盘面约有1024~8192个磁道，新式大容量硬盘每面的磁道数可能更多。磁道磁盘磁头扇区磁头摇臂图9.13磁盘盘面区域划分图1.硬盘

9.7.3外存储器（2）磁盘上信息存储的格式

所有盘面上的同一磁道构成一个圆柱，通常称做柱面（Cylinder），每个圆柱上的磁头由上而下从“0”开始编号。数据的读/写按柱面进行，即磁头读/写数据时首先在同一柱面内从“0”磁头开始进行操作，依次向下在同一柱面的不同盘面即磁头上进行操作，只有在同一柱面所有的磁头全部读/写完毕后磁头才转移到下一柱面，这样读写连续数据时无须移动磁头，提高了硬盘的读/写效率。1.硬盘

（2）磁盘上信息存储的格式

每一个磁道被划分为若干个扇区（Sector）。每个扇区的有效数据容量一般为512个字节的一倍或数倍。一个扇区有三个部分：扇区头标、存储的有效数据和保护数据的纠错码（ECC）。扇区由于是磁道的某一部分，又称为扇段。扇区头标表示扇区的起始位置，记录有扇区所在的磁头（或盘面）、磁道（或柱面号）以及扇区在磁道上的位置即扇区号，还有扇区是否能可靠存储数据的标记。扇区头标的最后部分是循环冗余校验（CRC）值，以便控制器检验扇区头标的读出情况，确保准确无误。

1.硬盘

（2）磁盘上信息存储的格式

系统以扇区（Sector）为单位读写信息。系统将文件存储到磁盘上时，要按柱面、磁头、扇区的顺序方式进行。即最先是0号磁头所在盘面磁道中的所有扇区，然后，是同一柱面的下一磁头，……，一个柱面存储满后就推进到下一个柱面，直到把文件内容全部写入磁盘。读出数据时，同样要按读出扇区所在的柱面号、磁头号和扇区号的顺序进行。也就是磁头读写数据有两个过程，一是寻道，使所有磁头步进到相应的柱面，二是寻扇区，让所有盘片旋转某一角度，使等待访问的扇区移动到磁头下。1.硬盘

9.7.3外存储器（2）磁盘上信息存储的格式

对于由多台硬磁盘机组成的磁盘系统，寻址用的磁盘地址应由台号、柱面号（磁道号）、盘面号（磁头号）和扇区号（扇段号）等字段组成。

1.硬盘

9.7.3外存储器（3）硬盘的主要技术指标

1）硬盘容量如果已知一个硬盘的柱面数、磁头数和扇区数，就能计算该硬盘的存储容量。设某硬盘每个扇区包含1024个数据字节，柱面数为8192，磁头数为16，扇区数为64，则该硬盘容量为：16×8192×64×1024=8GB。随着硬盘技术的提高，硬盘容量逐年大幅增加，现代硬盘容量常常高达数百GB。

1.硬盘

（3）硬盘的主要技术指标

2）转速即每分钟转速(RPM，RevolutionsPerMinute)。常见有5400RPM、7200RPM等。这一指标虽然代表了硬盘主轴的转速，实际上与硬盘的数据传输率密切相关，转速高一般数据传输率也高。与转速相关的一个技术指标是平均等待时间，它指的是磁盘旋转半周所需的时间。3）数据传输率数据传输率(DTR，DataTransferRate)单位为MB/s或Mbits/s，这是衡量硬盘系统速度的重要指标。一般硬盘转速快，平均寻道时间短，DTR就高。

（3）硬盘的主要技术指标

4）平均寻道时间(AverageSeekTime)单位为ms(毫秒)。这一指标的含义是指硬盘接到读/写指令后到磁头移到指定的磁道(应该是柱面，但对于具体磁头来说就是磁道)上方所需要的平均时间。平均寻道时间越短，说明硬盘读写速度越快。5）缓冲区容量(BufferSize)即硬盘缓存(Cache)容量，单位为MB。为了减少主机的等待时间，硬盘会将读取的数据先存入缓冲区，等全部读完或缓冲区填满后再以接口速率快速向主机发送。缓冲区大，可进一步加快硬盘速度。目前主流的硬盘容量为500GB~1TB,转速为7200RPM，