第1章计算机系统概论

2007.7.2计算机组成原理1I/O系统的任务和功能计算机的I/O方式计算机的I/O设备及其工作原理本章要点：

2007.7.2计算机组成原理2计算机的输入输出系统（I/O系统）由I/O接口、I/O管理部件以及有关的I/O软件组成，其主要作用是实现计算机系统的输入输出功能。I/O系统具体要解决的问题是：怎样在主机和外部设备之间建立一个高效、可靠的信息传输“通路”；如何对外设进行编址，使CPU方便地寻找到要访问的外设；I/O接口、管理部件如何协调完成主机和外部设备之间的数据交换等等。8.1I/O系统2007.7.2计算机组成原理3输入输出系统的发展大致可分为四个阶段。1．早期阶段早期的I/O设备种类较少，I/O设备与主机交换信息都必须通过CPU。工作模式如图8-1所示。8.1.1I/O系统概述内存CPUI/O图8-1I/O通过CPU与主机交换信息2007.7.2计算机组成原理4这种交换方式延续了相当长的时间。当时的I/O系统具有以下几个特点：每个I/O设备都必须配有一套独立的逻辑电路与CPU相连，用来实现I/O设备与主机交换信息，因此线路十分零散、庞杂；输入输出过程是穿插在CPU执行程序期间进行的，当I/O设备与主机交换信息时，CPU不得不停止各种运算，因此，I/O设备与CPU是按串行方式工作的，极大的浪费了CPU的时间；每个I/O设备的逻辑控制电路与CPU的控制器紧密构成一个不可分割的整体，它们彼此依赖，相互牵连，因此，想要增加、删除或者更换I/O设备就非常困难。2007.7.2计算机组成原理5在这个阶段中，计算机系统硬件价格十分昂贵，机器速度不高，配置的I/O设备不多，主机与I/O设备交换的信息量也不大，计算机应用的普及程度还比较低。2．接口模块和DMA阶段在这个阶段，I/O设备通过接口模块与主机连接，计算机系统采用了总线结构，工作模式如图8-2所示。2007.7.2计算机组成原理6主机I/O接口外部设备1外部设备2外部设备nI/O接口I/O接口I/O总线……图8-2外部设备通过I/O接口和主机交换信息

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通常在接口中都设有数据通路和控制通路。数据经过接口既起到缓冲作用，又可完成串—

并变换或并—

串变换。控制通路用以传送CPU向I/O设备发出的各种控制命令，或者使CPU接受来自I/O设备的反馈信号。许多接口还能满足中断请求处理的要求，使得I/O设备与CPU可按并行方式工作，大大地提高了CPU的工作效率。采用接口技术还可以使多台I/O设备分时占用总线，使得多台I/O设备互相之间也可实现并行工作方式，有利于整机工作效率的提高。2007.7.2计算机组成原理8虽然这个阶段实现了CPU和I/O设备并行工作，但是在主机与I/O设备交换信息时，CPU要中断现行程序，即CPU与I/O设备还不能做到绝对的并行工作。为了进一步提高CPU的工作效率,又出现了DMA(DirectMemoryAccess)技术，其特点是I/O设备与主存之间有一条直接数据通路，I/O设备可以与主存直接交换信息，而不需要打断CPU的工作，故其资源利用率得到了进一步的提高。2007.7.2计算机组成原理9在小型和微型计算机中，采用DMA方式可实现高速外设与主机成组数据的交换，但在大、中型计算机中，外设配置繁多，数据传送频繁，若仍采用DMA方式会出现一系列问题。如果每台外设都配置专用的DMA接口，不仅增加了硬件成本，而且为了解决众多DMA同时访问主存的冲突问题，使控制变得十分复杂。CPU需要对众多的DMA进行管理，同样会占用CPU的工作时间，而且因频繁地进入周期挪用阶段，也会直接影响CPU的整体工作效率。3．具有通道结构的阶段2007.7.2计算机组成原理10因此在大、中型计算机系统中，采用了I/O通道的方式来进行数据交换。图8-3表示了具有通道结构的计算机系统。CPU内存I/O通道图8-3I/O通过通道与主机交换信息2007.7.2计算机组成原理11通道是用来负责管理I/O设备以及实现主存与I/O设备之间交换信息的部件，可视为一种具有特殊功能的处理器。通道有专用的通道指令，它能独立地执行用通道指令所编写的输入输出程序，但它不是一个完全独立的处理器，它受CPU的I/O指令启动、停止或改变其工作状态，是从属于CPU的一个专用处理器。依赖通道管理的I/O设备在与主机交换信息时，CPU不直接参与管理，故CPU的资源利用率更高。2007.7.2计算机组成原理124．具有I/O处理机的阶段输入输出系统发展到第四阶段是具有I/O处理机的阶段。I/O处理机又叫做外围处理机(PeripheralProcessorUnit,PPU)，它基本独立于主机工作，不仅可完成I/O通道要完成的I/O控制，还可完成码制变换、格式处理、数据块检错、纠错等操作。具有I/O处理机的输入输出系统与CPU工作的并行性更高。这说明I/O系统对主机来说，具有更大的独立性。2007.7.2计算机组成原理138.1.2I/O系统组成I/O接口设备控制器 I/O设备CPU主存图8-4I/O系统的组成2007.7.2计算机组成原理14外部设备能够利用光、电、磁及机械传动等手段，把信息转换为二进制代码的形式。几种常用的基本外部设备将在8.3节中介绍，如显示器，键盘等。设备控制器能将设备生成的各种形式的二进制代码转换成电信号，并根据输入信号的要求对设备进行控制。设备控制器是设备与计算机连接的部件，是外部设备的一个组成部分。I/O接口负责交换主机和I/O设备的状态信息，使主机与I/O设备的速度相匹配，实现主机与I/O设备之间的数据交换，并且实现数据格式的变换。2007.7.2计算机组成原理15I/O接口可以分为两类：串行接口和并行接口。串行接口与I/O设备之间，按顺序逐位传送信息;接口与主机之间，按字或字节并行传送数据，数据格式的变换在接口内部完成。并行接口与I/O设备之间，或者与主机之间都是按字或字节并行传送数据。显然，并行接口传输效率高。目前计算机的I/O接口正向标准化、通用化和系列化方向发展。思考：

在系统总线和I/O设备中间为什么要使用I/O接口电路？2007.7.2计算机组成原理16由于各种外设的工作速度相差很大，有些设备工作速度相当高，如当前硬盘的内部传输率达17.5～66MB/s，而有些外设却由于机械和其他因素所致速度相当低，如键盘是用于人工输入数据的，通常速度为几十毫秒输入一个字节。因此，CPU何时从输入设备读取数据以及何时往输出设备写入数据，就成为较复杂的定时问题。8.2计算机I/O方式2007.7.2计算机组成原理17计算机主机与外设之间的数据传送方式随着计算机技术的发展经历了从简单到复杂、从低级到高级、从集中管理到分散管理的演变过程。按照I/O管理组织、I/O接口与外设并行工作的程序方式，概括起来，可将数据传送方式分为：程序查询方式、中断方式、DMA方式。2007.7.2计算机组成原理18程序查询方式是主机与外设间进行信息交换的最简单方式，程序查询方式的核心问题在于需要不断地查询I/O设备是否准备就绪。由CPU执行一段输入输出程序来实现主机与外设之间数据传送的方式叫做程序直接控制方式。根据外设的不同性质，这种传送方式又可分为无条件传送和程序查询方式两种。8.2.1程序查询方式2007.7.2计算机组成原理19在无条件传送方式中，I/O端口总是准备好接收主机的输出数据，或总是准备好向主机输人数据，因而CPU无须查询外设的工作状态，而默认外设始终处于准备就绪状态。在CPU认为需要时，随时可直接利用I/O指令访问相应的I/O端口，实现与外设之间的数据交换。这种方式的优点是软、硬件结构都很简单，但要求时序配合精确，一般的外设难以满足要求。所以，只能用于简单开关量的输人输出控制中，稍复杂一点的外设都不采用此种方式。2007.7.2计算机组成原理20许多外设的工作状态是很难事先预知的，比如何时按键，打印机是否能接收新的打印输出信息等。当CPU与外设工作不同步时，很难确保CPU在执行输入操作时，外设一定是“准备好”的；而在执行输出操作时，外设一定是“缓冲器空”的。为了保证数据传送的正确进行，就要求CPU在程序中查询外设的工作状态。如果外设尚未准备就绪，CPU就循环等待，只有当外设已做好准备，CPU才能执行I/O指令进行数据传送，这就是程序查询方式。2007.7.2计算机组成原理21程序查询方式的工作过程大致为：(1)预置传送参数。在传送数据之前，由CPU执行一段初始化程序，预置传送参数。传送参数包括存取数据的主存缓冲区首地址和传送数据的个数。(2)向外设接口发出命令字。当CPU选中某台外设时，执行输出指令向外设接口发出命令字启动外设，为接收数据或发送数据做应有的操作准备。(3)从外设接口取回状态字。CPU执行输入指令，从外设接口中取回状态字并进行测试，判断数据传送是否可以进行。2007.7.2计算机组成原理22(4)查询外设状态标志。CPU不断查询状态标志，如果外设没有准备就绪，CPU就反复进行查询，一直到这个外设准备就绪，并发出“外设准备就绪”信号为止。(5)传送数据。只有当外设准备好时，才能实现主机与外设间的一次数据传送。输入时，CPU执行输入指令，从外设接口的数据缓冲寄存器中接收数据；输出时，CPU执行输出指令，将数据写入外设接口的数据缓冲寄存器中。(6)修改传送参数。每进行一次数据传送之后必须要修改传送参数，其中包括主存缓冲区地址加l，传送个数计数器减1。2007.7.2计算机组成原理23(7)判断传送是否结束。如果传送个数计数器不为0，则转第(3)步，继续传送，直到传送个数计数器为0，表示传送结束。程序查询方式的工作流程如图8-5所示，其程序查询的核心部分在图中用虚线框框出，真正传送数据的操作由输入或输出指令完成。程序查询方式使CPU处于忙等的状态，不利于CPU资源的充分利用，所以人们提出中断方式。2007.7.2计算机组成原理24预置传送参数启动外设外设准备就绪?传送一次数据修改传送参数传送完否?取外设状态结束YYNN图8-5程序查询方式流程2007.7.2计算机组成原理25在程序查询方式使CPU循环等待，造成了CPU资源的浪费。中断传送方式很好地解决了这个问题，在外设没有做好数据传送准备时，CPU可以运行与传送数据无关的其他指令，外设做好传送准备后，主动向CPU提出申请，若CPU响应这一申请，则暂停正在运行的程序，转去执行数据输入/输出操作的指令，数据传送完毕后返回，CPU继续执行原来运行的程序，这样使得外设与CPU可以并行工作，提高了系统的效率。如今，中断已经是现代计算机普遍采用的—项技术。8.2.2中断方式2007.7.2计算机组成原理26中断是指在计算机中，打断CPU正在执行的程序，而转去执行相应的中断服务程序，在中断服务程序执行完毕后，再返回到原程序继续执行的过程。实现中断的硬件和软件所组成的系统，就叫中断系统。计算机正是依靠中断系统实现了分时处理、故障处理、实时处理等实际问题。1．中断的相关概念2007.7.2计算机组成原理27中断系统的组成包括：微处理器内有中断的相关硬件电路，用来接收中断请求、响应请求、保护现场、转向中断服务程序、处理完毕返回等；外围有与该处理器匹配的中断控制器即中断接口，实现管理多个中断源，完成优先级裁决，中断源屏蔽等功能；此外还包括依据处理器、控制器的结构编写的中断处理程序，系统初始化程序等实现中断管理的软件。中断系统的功能包括：中断源的识别、多个中断源请求时，软件可禁止与允许每个请求，优先级的确定、中断现场的保存、对中断请求的分析和处理、中断返回等。2007.7.2计算机组成原理28中断是由中断源产生的，一台计算机可以有多个中断源，中断源向中断系统发出请求中断的申请，多数具有随机性，计算机为记录中断源的来源，对应每个中断源有一个具有存储功能的中断请求触发器(INTR)，当某一个中断源有中断请求时，它对应的中断请求触发器置“1”状态，表示向CPU发出了中断请求信号。在中断接口电路中，多个中断触发器构成中断寄存器，其内容称为中断字，记录中断源的来源。2007.7.2计算机组成原理29CPU在处理一些紧要事件时不允许中断，因为这类事件执行过程中一旦被中断，将会引起严重后果，为避免中断请求信号的干扰，设置了开中断/关中断触发器INH，当INH置“0”时，中断源的中断请求信号被允许进入排队，称为“开中断”；当INH置“1”时，所有中断源发出的中断请求被禁止，称为“关中断”。2007.7.2计算机组成原理30当多个中断源同时向CPU发出中断请求时，CPU首先处理哪个中断源的请求呢?为了不发生矛盾，而且处理及时，计算机将所有中断源的请求按轻重缓急排序，0级、1级、2级……n级排队依次处理，保证紧迫程度最高的中断源的中断请求排在最前，最快得到CPU的处理。这种中断处理过程中的优先级别，叫做中断优先权。例如：PC机的中断优先权由高到低的顺序是：除法错误中断，INT0，INTn→NMI(非屏蔽中断)→INTR(外设中断)→单步中断。2．中断优先权与中断屏蔽2007.7.2计算机组成原理31如何判别设备中断的优先权要由中断判优来完成，中断排队的目的是为了判优，中断判优的方法有软件判优法和硬件判优法。软件判优是用程序来判别优先级，优先级高的先查询，优先级低的后查询，而通过修改程序可以调整设备的优先级。如图8-6所示，CPU接到中断请求信号，就执行查询程序，顺序检测中断请求寄存器的状态，在识别中断源的过程中，优先级顺序已经按查询顺序排好，若要改变优先级可以通过改变程序查询顺序来完成。2007.7.2计算机组成原理321#中断服务2#中断服务3#中断服务1#设备?2#设备?3#设备?YYYNNN

图8-6软件判优法

2007.7.2计算机组成原理33硬件判优是靠硬件电路实现的，一旦电路设计好，优先级就不能更改，成本较高，但速度快，根据中断请求信号的传送方式不同，常见的硬件排队电路有：独立请求线的优先排队电路、公共请求线的优先排队电路。公共请求线的排队电路如图8-7所示。2007.7.2计算机组成原理34CPU1#设备接口2#设备接口n#设备接口……中断请求ARQI/O数据总线SYNPOL图8-7串行顺序链识别法2007.7.2计算机组成原理35(3)多重中断多重中断是指在处理某一中断过程中，又有比该中断优先级高的中断请求，于是CPU中断原中断服务程序的执行，而又转去执行新的中断服务程序。这种多重中断的执行形成了中断嵌套，如图8-8所示。2007.7.2计算机组成原理36图8-8多重中断2007.7.2计算机组成原理37（4）中断屏蔽当多个中断源发出中断请求时，CPU只能响应一个中断，中断屏蔽可实现部分中断的封锁。每个中断源在配有一个中断请求触发器的同时，配有一个中断屏蔽触发器(MASK)，它们成对出现，当MASK置1时，该中断源的请求被屏蔽，中断请求不能进入中断排队逻辑，进行判优：当MASK置0时，该中断请求被允许，经过中断排队判优后，最终送往CPU。2007.7.2计算机组成原理38多个中断屏蔽触发器组成了中断屏蔽寄存器，其内容被称为屏蔽字。我们可以通过软件编程改变屏蔽寄存器的某一位，使其置1，从而实现对某个中断源的屏蔽控制。此外，硬件的中断排队电路所决定的中断响应次序是固定的，但通过中断屏蔽位的控制，决定某级中断请求能否进入中断排队器，可以改变中断响应次序。需要注意的是，这里的中断屏蔽作用是，是否让中断源的请求进入排队逻辑，最终让CPU接到请求信号，而在CPU内部中断逻辑中，有一个同样起中断屏蔽作用的开/关中断触发器，它的作用是，是否允许CPU接受中断请求、响应中断。2007.7.2计算机组成原理39对中断请求的整个处理过程是由硬件和软件结合起来形成的一套中断请求机构实施的，一般包括5个步骤，如图8-9所示。3．中断响应与中断处理中断源发出中断请求中断判优中断响应中断处理中断返回图8-9中断过程2007.7.2计算机组成原理40中断源向CPU发出中断请求需要有两个条件：第一，外设本身准备工作完毕；第二，系统允许外设发中断请求，即CPU处于开中断状态。中断请求信号经过中断判优后，将优先权最高级别的中断请求送往CPU，CPU收到后，向中断源发出响应信号，并做出相应的响应动作。我们把发生中断时，CPU暂停执行当前的程序，而转去处理中断，CPU对中断请求做出反应的过程，称为中断响应。中断响应后进入中断处理阶段，即中央处理机执行中断服务程序。在中断服务程序的末尾有一条中断返回指令，实现中断完成后恢复现场，即将中断响应时保存过的程序指令计数器PC、程序状态字寄存器PSW以及某些通用寄存器的内容重新取回，CPU返回原程序。2007.7.2计算机组成原理41中断方式很好的解决了程序查询方式的忙等问题，但如果中断程序在执行过程中外部设备和主存之间需要进行大量的数据传输，CPU仍需为外部设备和主存中转这些数据，中转数据传输完毕后才可以执行中断返回。为了可以使外部设备和主存之间直接传递数据，而不需要CPU的参与，从而节约CPU资源，人们又进一步提出DMA方式。思考：

请思考中断屏蔽在中断过程中的作用。写出打印机完成一次中断的过程。2007.7.2计算机组成原理42DMA方式即直接存储器访问(DirectMemoryAccess)方式，是为了在主存与外设之间实现高速、批量数据交换而设置的。DMA方式的数据传送直接依靠硬件(DMA控制器)来实现，不需要执行任何程序。无论程序查询还是程序中断方式，主要的工作都是由CPU执行程序完成的，这需要花费时间，因此不能实现高速外设与主机的信息交换。8.2.3DMA方式2007.7.2计算机组成原理43DMA方式是在外设和主存之间开辟一条“直接数据通道”，在不需要CPU干预也不需要软件介入的情况下在两者之间进行的高速数据传送方式。在DMA传送方式中，对数据传送过程进行控制的硬件称为DMA控制器。当外设需要进行数据传送时，通过DMA控制器向CPU提出DMA传送请求，CPU响应之后将让出系统总线，由DMA控制器接管总线进行数据传送。2007.7.2计算机组成原理44DMA和中断的有很多不同，中断方式是程序切换，需要保护和恢复现场；而DMA方式除了开始和结尾时，不占用CPU的任何资源；对中断请求的响应时间只能发生在每条指令执行完毕时；而对DMA请求的响应时间可以发生在每个机器周期结束时，如图8-10所示；中断传送过程需要CPU的干预，而DMA传送过程不需要CPU的干预，所以数据传输速率非常高，适合于高速外设的成组数据传送；DMA请求的优先级高于中断请求；中断方式具有对异常事件的处理能力，而DMA方式仅局限于完成传送数据块的I/O操作。2007.7.2计算机组成原理45取指令取源操作数取目的操作数执行DMA断点图8-10两种请求的响应时刻比较2007.7.2计算机组成原理46DMA方式一般应用于主存与高速外设间的简单数据传送。高速外设如磁盘、磁带、光盘等辅助存储器以及其他带有局部存储器的外设、通信设备等。对磁盘的读写是以数据块为单位进行的，一旦找到数据块起始位置，就将连续地读写。找到数据块起始位置的时间是随机的，相应地，接口何时具备数据传送条件也是随机的。由于磁盘读写速度较快，在连续读写过程中不允许CPU花费过多的时间，因此，从磁盘中读出数据或往磁盘中写人数据时，一般采用DMA方式传送，即直接将数据由主存经数据总线输出到磁盘接口，然后写入盘片；或将数据由盘片读出到磁盘接口，然后经数据总线写入主存。2007.7.2计算机组成原理47当计算机系统通过通信设备与外部通信时，常以数据块为单位进行批量传送。开始通信后，常以较快的数据传输速率连续传送，因此，适于采用DMA方式。在不通信时，CPU可以照常执行程序；在通信过程中仅需占用系统总线，系统开销很少。在大批量数据采集系统中，也可以采用DMA方式。2007.7.2计算机组成原理48许多计算机系统中选用动态存储器DRAM，并用异步方式安排刷新周期。刷新请求的提出，对主机来说是随机的。DRAM的刷新操作可视为存储器内部的数据批量传送，因此，也可采用DMA方式实现，将每次刷新请求当成DMA请求。CPU在刷新周期中让出系统总线，按行地址(刷新地址)访问主存，实现各芯片中的一行刷新。利用系统的DMA机制实现动态刷新，简化了专门的动态刷新逻辑，提高了主存的利用率。2007.7.2计算机组成原理49DMA传送是直接依靠硬件实现的，可用于快速的数据直传。也正是由于这一点，DMA方式本身不能处理较复杂的事件。因此，在某些场合常综合应用DMA方式与程序中断方式，二者互为补充。DMA接口相对于查询式接口和中断式接口来说比较复杂，习惯上将DMA方式的接口电路称为DMA控制器。在DMA传送过程中，DMA控制器将接管CPU的地址总线、数据总线和控制总线，CPU的主存控制信号被禁止使用。而当DMA传送结束后，将恢复CPU的一切权力并开始执行其操作。由此可见，DMA控制器必须具有控制系统总线的能力，即能够像CPU一样输出地址信号，接收或发出控制信号，输入或输出数据信号。2007.7.2计算机组成原理50DMA控制器在外设与主存之间直接传送数据期间，完全代替CPU进行工作。图8-11给出了一个简单的DMA控制器框图，它由以下几部分组成(1)主存地址计数器：用来存放待交换数据的主存地址。该计数器的初始值为主存缓冲区的首地址，当DMA传送时，每传送一个数据，将地址计数器加“1”，从而以增量方式给出主存中要交换的一批数据的地址，直至这批数据传送完毕为止。2007.7.2计算机组成原理51(2)传送长度计数器：用来记录传送数据块的长度。其初始值为传送数据的总字数或总字节数，每传送一个字或一个字节，计数器自动减“1”，当其内容为0时表示数据已全部传送完毕。也有些DMA控制器中，初始时将字数或字节数求补之后送计数器，每传送一个字或一个字节，计数器加“1”，当计数器溢出时，表示数据传送完毕。(3)数据缓冲寄存器：用来暂存每次传送的数据。输人时，数据由外设(如磁盘)先送往数据缓冲寄存器，再通过数据总线送到主存。反之，输出时，数据由主存通过数据总线送到数据缓冲寄存器，然后再送到外设。2007.7.2计算机组成原理52(4)DMA请求触发器：每当外设准备好数据后给出一个控制信号，使DMA请求触发器置位。(5)控制／状态逻辑：它由控制和时序电路以及状态标志等组成，用于指定传送方向，修改传送参数DMA请求信号和CPU响应信号进行协调和同步。(6)中断机构：当一个数据块传送完毕后触发中断机构，向CPU提出中断请求，CPU将进行DMA传送的结尾处理。2007.7.2计算机组成原理53主存CPU中断机构设备选择设备控制/状态逻辑DMA请求触发器主存地址计数器传送长度计数器数据缓冲寄存器HRQHLDADMAC控制线中断请求溢出信号数据线地址线+1系统总线图8-11简单的DMA控制器2007.7.2计算机组成原理54DMA控制器必须有以下总线：地址总线：在DMA方式下，呈输出状态，可对主存进行地址选择；在CPU方式下，呈输入状态可对DMA控制器中的有关寄存器进行寻址。数据总线：在DMA方式下，用它进行数据传送，在CPU方式下，可对DMA控制器的有关寄存器进行编程。控制数据传送方式的信号线：当数据从外设写入主存时，存储器写信号和外设读信号同时有效；而当数据从主存读出送外设时，存储器读信号和外设写信号将同时有效。2007.7.2计算机组成原理55DMA控制器与外设之间的联络信号线：DMA请求信号DREQ(输入)是外设向DMA控制器提出DMA操作的申请信号；DMA响应信号DACK(输出)是DMA控制器向提出DMA请求的外设表示的应答信号。DMA控制器与CPU之间的联络信号线：总线请求HRQ(输出)是DMA控制器向CPU请求让出总线的信号；总线响应信号HLDA(输人)是CPU向DMA控制器表示响应总线请求的信号。2007.7.2计算机组成原理56DMA控制器利用这些总线与CPU、主存及外设之间进行连接。图8-12给出了DMA控制器与CPU、主存及外设之间的连接框图。在进行DMA操作之前应先对DMA控制器编程。比如，确定传送数据的主存起始地址、要传送的字节数以及传送方式，是由外设将数据写入主存还是从主存将数据读出送外设。2007.7.2计算机组成原理57主存CPUDMA控制器外设HRQHLDADREQDACK数据线地址总线数据总线图8-12DMA控制器的连接2007.7.2计算机组成原理58下面以外设将一个数据块写入主存的操作为例，简述DMA控制器的操作过程。(1)由外设向DMA控制器发出请求信号DREQ。(2)DMA控制器向CPU发出总线请求信号HRQ。(3)CPU向DMA控制器发出总线响应信号HLDA，此时，DMA控制器获取了总线的控制权。(4)DMA控制器向外设发出DMA响应信号DACK，表示DMA控制器已控制了总线，允许外设与主存交换数据。2007.7.2计算机组成原理59(5)DMA控制器按主存地址计数器的内容发出地址信号作为主存地址的选择，同时主存地址计数器的内容加1。(6)DMA控制器发出信号到外设，将外设数据读入总线，同时发出信号，将数据总线的数据写入地址总线选中的主存单元。(7)传送长度计数器减1。(8)判断字节计数器是否减到0，如果字节计数器不为0，跳转到步骤(5)，如果字节计数器为0，数据块的DMA方式传送工作完成。这时，DMA控制器的HRQ降为低电平，总线控制权交还CPU。2007.7.2计算机组成原理60DMA控制器与CPU通常采用三种方法使用主存，即CPU停止访问主存法、存储器分时法和周期挪用法。CPU停止访问主存法是最简单的DMA方法。这种方法是用DMA请求信号迫使CPU让出总线控制权。CPU在现行机器周期执行完成之后，使其数据、地址总线处于三态，并输出总线批准信号。每次DMA请求获得批准，DMA控制器获得总线控制权以后，连续占用若干个存取周期(总线周期)进行成组连续的数据传送，直至批量传送结束，DMA控制器才把总线控制权交回CPU。在DMA操作期间，CPU处于保持状态，停止访问主存，仅能进行一些与总线无关的内部操作。图8-13(a)是这种传送方法的时间图。这种方法只适用于高速外设的成组传送。2007.7.2计算机组成原理61当外设的数据传输率接近于主存工作速度时，或CPU除了等待DMA传送结束而并无其它工作可做(例如单用户状态下的个人计算机)时，常采用这种方法。这样可以减少系统总线控制权的交换次数，有利于提高输入输出的速度。存储器分时法采用存储器分时法时，把原来的一个存取周期分成两个时间片，一片分给CPU，一片分给DMA，使CPU和DMA交替地访问主存。2007.7.2计算机组成原理62这种方法无须申请和归还总线，使总线控制权的转移几乎无需浪费时间，因此DMA传送的效率很高，同时CPU不停止现行程序的运行，也不进入保持状态，在很短的时间内便进行了DMA传送；但这种方法需要主存在原来的存取周期内为两个部件服务，如果要维持CPU的访存速度不变，就要求主存的工作速度提高一倍。另外，由于大多数外设的速度都不能与CPU相匹配，所以供DMA使用的时间片可能成为空操作，将会造成一些不必要的浪费。图8-13(b)是这种方法的时间图。2007.7.2计算机组成原理63周期挪用法是前两种方法的折衷。当外设没有DMA请求时，CPU按程序要求访问主存。一旦外设有DMA请求并获得CPU批准后，CPU让出一个周期的总线控制权，由DMA控制器控制系统总线，挪用一个存取周期进行一次数据传送，传送一个字节或一个字。然后，DMA控制器将总线控制权交回CPU，CPU继续进行自己的操作，等待下一个DMA请求的到来。重复上述过程，直至数据块传送完毕。如果在同一时刻，发生CPU与DMA的访存冲突，那么优先保证DMA工作，而CPU等待一个存取周期；若DMA传送期间CPU无须访存，则周期挪用对CPU执行程序无任何影响。如图8-13(c)所示。2007.7.2计算机组成原理64DMA不工作DMA不工作CPU控制并使用主存DMA控制并使用主存主存工作时间CPU控制并使用主存DMA控制并使用主存主存工作时间CPU控制并使用主存DMA控制并使用主存主存工作时间（a）（b）（c）图8-13DMA传送方法2007.7.2计算机组成原理65当主存工作速度高出外设较多时，采用周期挪用法可以提高主存的利用率，且对CPU的影响较小，因此，高速主机系统常采用这种方法。根据主存的存取周期与磁盘的数据传输率，可以计算出主存操作时间的分配情况：有多少时间需用于DMA传送(被挪用)，有多少时间可用于CPU访存。这在一定程度上反映了系统的处理效率。DMA的传送过程可分为三个阶段：DMA传送前的预处理、数据传送和传送后的结束处理。在DMA传送之前必须要做准备工作，即初始化。这是由CPU来完成的。CPU首先执行几条I/O指令，用于测试外设的状态、向DMA控制器的有关寄存器置初值、设置传送方向和启动该外部设备等。2007.7.2计算机组成原理66

在这些工作完成之后，CPU继续执行原来的程序，在外设准备好发送的数据(输入)或接收的数据已处理完毕(输出)时，外设向DMA控制器发DMA请求，再由DMA控制器向CPU发总线请求。DMA的数据传送可以以单字节(或字)为基本单位，也可以以数据块为基本单位。对于以数据块为单位的传送，DMA控制器占用总线后的数据输入和输出操作都是通过循环来实现的，其传送过程如图8-14所示。当传送长度计数为0时，DMA操作结束，DMA控制器向CPU发中断请求，CPU停止原来程序的执行，转去执行中断服务程序做DMA结束处理工作。2007.7.2计算机组成原理67向CPU申请程序中断主存地址

总线数据

I/O设备(或主存)主存地址+1传送长度计数—1允许传送?数据块传送结束?DMA请求YYNN图8-14DMA的数据传送过程注意：图8—14所示的流程图不是由CPU执行程序实现的，而是由DMA控制器实现的。思考：

DMA方式与中断方式相比主要优点有那些？写出硬盘完成一次DMA方式数据输出的过程。2007.7.2计算机组成原理68输入输出设备是计算机系统与人或其他设备、系统之间进行信息交换的装置。计算机的工作过程包括原始数据的输入、二进制数据的存储与运算及处理结果的输出三个阶段。其中的输入与输出过程要通过输入/输出设备完成，输入/输出设备也被称为外部设备、外围设备，简称I/O设备或外设。8.3I/O设备2007.7.2计算机组成原理69I/O设备按功能分类，可分为两类：输入设备，输出设备。输入设备是指向主机输入程序、原始数据和操作命令等信息的设备。这些记录在载体上的信息，可以是数字、符号，甚至是图形、图像及声音。输入设备将其变换成主机能识别的二进制代码，并负责传送到主机。例如，卡片输入机是用纸质卡片作为记录信息的载体，卡片上读出信息并将其转换成二进制代码，然后送往计算机的。目前，使用最普遍的输入设备是键盘。键盘输入信息的手段是按键，每按下一个键后，信息就以电信号形式进入编码器。编码器根据键所在的位置，将其转换为相应的二进制代码，传送到主机。8.3.1I/O设备概述2007.7.2计算机组成原理70输入设备除键盘外，还有纸带输入机、卡片输入机、光笔、图形输入板、数字化仪、光学字符阅读器、声音识别器等。纸带、卡片等输入机是按有孔、无孔来记录信息的，工作时将穿孔信息转换成电信号表示的二进制代码，送入主机。光笔的外形象钢笔，使用时，操作人员将其放在荧光屏的某个位置上，当显示器的控制电路扫描到此位置时，就将该位置的输入信息转变为电信号送到主机。光学字符阅读器利用光学扫描方法识别记录在普通纸上的文字信息。声音识别器是近几年发展起来的一种高级输入设备，它能提供声音输入。声音识别器将人们的声音经过频谱分析转换成计算机所能接受的信息。2007.7.2计算机组成原理71输出设备将计算机处理过的二进制代码信息，转换成用户能识别的形式，如数字、符号、文字、图形、图像或声音等输出出来。例如，打印机能将计算机输出的信息，按照一定的格式，以数字、符号等形式打印在纸上。最常见的输出设备有打印机及CRT显示器。打印机的输出信息可以是数字、符号，也可以是图形、曲线或汉字；可以是单色信息，也可以是彩色信息。由于打印机的输出信息记录在纸质载体上，能长久保留，故又称为硬拷贝设备。显示器以荧光屏作为记录输出信息的载体，当屏幕上显示的信息超过一帧时，会进行滚动处理，使输出信息不断刷新。因此，它输出的信息是暂时的，不能生成持久性的硬拷贝，故又称为软拷贝设备。2007.7.2计算机组成原理72除了上述输出设备外，还有绘图仪、纸带穿孔机、卡片穿孔机、声音合成器等。常见的绘图仪称为X-Y记录仪，它可以绘制各种图形、表格，有单色的、彩色的。纸带、卡片等穿孔机将二进制代码以穿孔形式记录在纸带或卡片上。穿孔机有联机与脱机之分：联机式穿孔机用作计算机的输出设备；脱机式穿孔机主要用于将所编制的程序穿成纸带或卡片形式，为纸带、卡片输入机提供信息载体．下面我们介绍一些典型的I/O设备。2007.7.2计算机组成原理73显示器是计算机最常用的输出设备,可用来显示字符、图形和图像。显示器是独立于主机的一种外部设备，它通过信号线与主机中的显示卡相连。根据显示器件的不同可以将显示器分为阴极射线管显示器(CRT)、液晶显示器(LCD)、等离子显示器(PDP)、场致发光显示器(EL)及真空荧光显示器(VFD)等，其中后面4种被称为平板显示器。阴极射线管显示器(CRT)技术成熟、成本较低、寿命较长，是早期计算机中最常用的显示设备。平板显示器是近年来发展起来的新型显示设备，其特点是体积小、重量轻、耗电省，但成本较高。目前常见的平板显示器是液晶显示器。8.3.2显示器2007.7.2计算机组成原理74在计算机系统中应用最广泛的显示器是阴极射线管(CathodeRayTube)显示器，它通过电子扫描的方式将计算机的信息以人能识别的字符、图形、图像的形式实时地显示在CRT屏幕上。借助计算机系统的硬件和软件功能，可随时增加、删除、修改和变换显示内容，还能将计算机的数据进行加工，通过CRT屏幕向用户提供更多的信息。CRT显示器的分类方法很多，常用的分类方法包括按颜色分类、按电子束扫描方式分类、按显示内容分类。按显像管显示的颜色划分，CRT显示器有单色和彩色两种。彩色显示器既可以显示彩色，也可以显示单色。1．CRT显示器2007.7.2计算机组成原理75按电子束扫描方式划分，CRT显示器主要有光栅扫描式和随机扫描式两种，它们都是把计算机处理后的数据变成相应的偏转信号和视频信号，最终变成荧光屏上的图像。光栅扫描是在偏转系统的控制下，电子束在CRT屏幕上按光栅的形状有规律地从左到右、从上到下顺序移动，是一种固定格式的扫描。光栅扫描方式下计算机送到显示器的显示数据格式比较固定，容易实现数字化，扫描的定时关系与电视标准规定一致，容易形成全电视信号，便于远距离传送，但光栅扫描缺乏变换图像的灵活性，而且每次都是全屏幕扫描。随机扫描方式是用程序方式产生灵活多变的图像，电子束没有固定的扫描路径，其扫描轨迹随显示的内容而变化，它无需全屏幕扫描，但显像管制造困难，不太容易得到高质量、大容量的图像。2007.7.2计算机组成原理76计算机上用的CRT显示器是光栅扫描式，利用软件实现图像变换的中间过程来弥补光栅扫描的不足。按显示的内容，CRT显示器可以分为字符显示器、图形显示器和图像显示器。字符显示器以文字、数字或符号作为人机交换信息。特点是画面上的字符大小一致、位置固定和排列整齐。图形显示器用于显示用线条组成的复杂几何图形，具有很强的图形处理能力。图像显示器用于显示具有灰度连续变化的图像，同时，还显示对图像进行注释的字符和简单图形。2007.7.2计算机组成原理77通常描述一台显示器的性能有以下的一些参数：(1)点间距在CRT显示器的屏幕后面涂有带色磷点，靠电子束轰击后发亮，各种图形或文字就是靠这些亮点组成，这些点之间有很小的空隙，两像素点中心位置之间的距离就是点间距。点越多靠得越近，分辨率也就越高，高分辨率的显示器会拥有固定的清晰的文字和图像。但是，点越多，点间距越大，制作上就越困难。2007.7.2计算机组成原理78(2)像素像素是显示器可显示的最小单位，一台显示器可显示的像素点总数同点间距一样决定了该显示器的分辨率。早期用于CGA显示的显示器分辨率为600×200，所以像素点为128000个，现在的显示器一般都支持SVGA、XGA等新的显示卡规范，分辨率高达1024×768、1280×1024甚至1600×1280，这类新型的显示器像素点数分别达到786432、1310720和2048000。2007.7.2计算机组成原理79(3)垂直扫描频率也称为刷新速率或场频，它是单位时间内刷新一帧(屏)屏幕的次数。由于磷光体发亮后如不再受电子束轰击，一段时间后就会变暗，所以要对它进行定时刷新。VESA规定：SVGA的垂直扫描速率不得小于70Hz，VGA不得小于72Hz。现在的显示器大多支持60～90Hz的场频，1024×768分辨率下建议使用85Hz场频。过低的垂直扫描频率会使屏幕产生闪烁。2007.7.2计算机组成原理80(4)水平扫描频率又称作行频，指电子束每秒在屏幕上扫描过的水平线数量。行频和场频有如下关系：行频＝场频×行数。可见，行频越大，显示器可提供的分辨率越高，稳定性越好。如果一台显示器的最高分辨率为1024×768，场频为85Hz，则其行频至少应为768×85＝65280Hz。2007.7.2计算机组成原理81(5)工作带宽显示器的工作带宽也是衡量显示器的一项指标，它指每秒钟电子枪扫描过的总像素数。带宽高的显示器，它的图像清晰度也高。带宽值可通过把像素总数乘以垂直扫描速率来估算。如对VESA标准的SVGA卡的带宽是1024×768×70Hz＝55MHz。而极高分辨率的系统的带宽可达184.32MHz(1600×1280×90)。当然视频带宽越高，其制造难度越大。(6)分辨率分辨率分为水平分辨率和垂直分辨率，分别指每像素行中最大的像素点数和每屏的像素行数。例如800×600表示每帧图像由水平800个像素，垂直600条扫描线组成。分辨率越高，显示的字符或图像也就越清晰。2007.7.2计算机组成原理82图8-15为彩色显示器的基本结构框图，如图所示，彩色显示器主要由视频放大驱动电路、行扫描电路、场扫描电路、高压电路、CRT显像管和机内直流电源组成。视频放大驱动电路将主机显示卡送来的视频信号放大后，送显像管的阴极，阴极电子枪产生电子束，电子束在偏转磁场的作用下对屏幕进行扫描，分别轰击荧光屏上的三色荧光粉(红、绿、蓝)使其发光，从而实现电-光转换，在屏幕上得到所需要的图像。2007.7.2计算机组成原理83荫罩板场扫描电路高压电路

行扫描电路42133VSYNC(场同步)阴极、电子枪视频放大驱动电路HSYNC(行同步)显示适配卡荧光屏偏转线圈RGB信号处理图8-15彩色显示器的基本结构框图2007.7.2计算机组成原理84电子枪由灯丝、阴极、控制栅极、加速极、聚焦极和高压阳极组成。它的作用就是产生一束沿着管轴方向前进的、很细的、强度可控的高能电子束。偏转系统一般采用磁偏转，在CRT显像管的管颈外面安装了相互支持的水平(行)偏转线圈和垂直(场)偏转线圈，当线圈中通过电流，就会在其周期形成磁场。电子束在穿过该磁场到达荧光屏的时候会产生偏转，只要改变磁场方向，就可以改变电子束的偏转方向。电子束的偏转角度的大小和磁场产生的偏转力的大小有关，而磁场的偏转力又直接和流经线圈的电流大小有关，电流越大，偏转力越大。2007.7.2计算机组成原理85荧光屏是显示器中能让操作者直接观察到由电信号转换成的图像信号的部件。它是用沉积法将荧光粉涂敷在玻璃屏幕的背面制成。荧光粉的材料不同，在电子束高速轰击下会发出不同颜色的光。常用的3种彩色荧光粉是红、绿、蓝。光栅扫描是在偏转系统的控制下，电子束在CRT屏幕上按光栅的形状有规律地从左到右、从上到下顺序移动，是一种固定格式的扫描。上面谈过，电子束高速轰击屏幕背面的荧光粉使其发光，这样在屏幕上得到需要的图像。2007.7.2计算机组成原理86由于被电子束轰击后的荧光粉只能在短时间内发光，所以电子束必须不间断地一次又一次地扫描屏幕，才能形成稳定的图像。扫描一般从屏幕左上角开始向右扫描，到了右边后，关闭电子束，然后向左回扫至第二行的最左端，这一过程称为水平回扫；这样一行一行的扫描，直到最后一根扫描线扫完后，又关闭电子束，并从屏幕的右下角(最后一根扫描线的最右端)回扫到屏幕的左上角(第一扫描线的最左端)；这一过程称为垂直回扫(见图8-16)。2007.7.2计算机组成原理87第１线第２线第３线第４线第n-1线第n线图8-16光栅扫描示意图2007.7.2计算机组成原理88光栅扫描又可分为逐行扫描和隔行扫描。从上面的讨论知道，要想有高的分辨率和高的显示质量，就必须有效地提高显示器的扫描速率，但是这依赖于高精度，高可靠性的电子器件，这无疑会增加系统的成本，所以IBM开发了隔行扫描的：显示系统。这种系统在扫描时总是先扫描奇数行，扫到最后一个奇数行后，垂直回扫到第二行开始的位置，然后扫描偶数行。这种方法由于每次只扫描一半的扫描线，所以扫描速率不必太高，相对硬件成本要低一些。但是这种扫描方法会使屏幕产生闪烁，尤其是在显示高分辨率图形图像时表现的尤为明显。2007.7.2计算机组成原理89逐行扫描方式是一行接一行地顺序扫描，一次完成整幅图像的扫描。这种方式没有闪烁现象，但相对来说成本要高一些，如果机器主要运用于多媒体领域，最好采用逐行扫描的显示器。下面，我们来了解显示器是如何显示字符的，对于字符型显示器，首先将屏幕划分为一个一个的小方块，每个小方块中包含一定的像素，小方块中显示一个字符，这样，整个屏幕被划分为一些小方块的矩阵。如PC机中将屏幕划分为80列×25行的方块矩阵，这样一屏就有25行，每行80个字符。要显示的字符在屏幕中的位置由列地址计数器和行地址计数器标出。2007.7.2计算机组成原理90在VRAM(显示存储器)中，存放着和屏幕显示字符对应的该字符的ASCII码，而且在VRAM中的位置也和屏幕显示中的位置一一对应，因此，行列计数器的输出就是该字符在VRAM中的地址。显示控制器读出VRAM中的ASCII后，将该码传给字符发生器，字符发生器带有一个只读存储器(ROM)，里面存放着每个字符的点阵信息。每个字符可以由7×9或5×7的点阵组成，这些点阵信息从只读存储器中取出后，通过和字符属性控制结合，最终送视频控制电路，显示器在水平／垂直同步信号的控制下，在屏幕相应的行列位置显示出对应的字符。图8-17就是“A”字符的点阵表示。2007.7.2计算机组成原理91图8-17“A”的点阵表示图8-17“A”的点阵表示彩色或单色多级灰度图像显示时，每一个像素需要使用多个二进位来表示，此时图形存储器有两种组织方式：多个位平面方式(Planes-PixelFormat)和组合型像素方式（Packed-PixelFormat）。2007.7.2计算机组成原理92多个位平面方式中，显示存储器由多个位平面(如R、G、B、I)组成(见图8-18)。CRTC(显示控制器)接收并实现CPU送来的画图命令，其结果写入显示存储器，且不同的彩色数据写入不同的位平面。另一方面CRTC读出显存内容，经并／串变换和D／A转换后，送监视器R、G、B，3根电子枪，形成R、G、B，3个不同的亮度信号，从而在屏幕上显示出彩色图形。CRTC目前在微机系统中又称为图形显示卡，且功能越来越强，除了完成二维画图命令以外，不少还具有三维图形功能。此种图像显示方式的缺点是彩色功能有限，且速度较慢。2007.7.2计算机组成原理93CPUCRTC3R2BD/A1GR显存移位寄存器数据地址图８-18多个位平面方式图形显示2007.7.2计算机组成原理94组合型像素方式用显示存储器中一个字的若干位（称为是素深度）来代表一个像素服。如图8-19所示。例如8bit/像素，可以有256（28）色。若为24bit/像素，可达16M种颜色（称为真彩色）。每次画图操作，同时对8位进行读／写。其优点是像素操作速度快，彩色能力强，但对显存读出速度要求更快了，因此引进了一次读出多个字节的方案。从显存读出的像素值并不能直接送CRT显示，该值是一张彩色表的索引值，通过这个索引值去查彩色表，从表中读出的内容是该色彩在R、G、B，3个分量上的值，使用该值去控制CRT的亮度。2007.7.2计算机组成原理95彩色表8

CPUCRTC显示存储器8位●●●●●●●●●●●●●●●●●●88RGBCRT图8-19组合型像素格式图形显示2007.7.2计算机组成原理962．液晶显示器液晶显示器(LiquidCrystalDisplay，LCD)由于体积小、重量轻和无电磁辐射，目前已在平面显示领域中占据了一个重要的地位，几乎是笔记本和掌上型电脑的必备部件，而且台式机也开始大量使用LCD。液晶显示器是一种非发光性的显示器件。它不像CRT以器件本身发光来实现图像显示，而是以对环境光的反射或对外加光源加以透射控制的方式来显示图像。2007.7.2计算机组成原理97液晶显示器的分类方法很多，按电光效应的不同，可分为电场效应型、电流效应型、热光效应写入型和电热效应型。其中，电场效应型又可分为扭曲向列型、相变型、电控双折射型、超扭曲效应型等。按显示方式，液晶显示器又可分为笔段型和点阵型。根据驱动方式可分为静态驱动、单纯矩阵(也称无源矩阵)驱动以及主动矩阵(也称有源矩阵)驱动3种。2007.7.2计算机组成原理98液晶显示器以液晶材料为基本组件。液晶是一种固体和液体的中间状态物质，是既具有液体的流动性又具有光学特性的有机化合物。液晶具有以下两个特点：第一，晶体可以排列为扭曲的形式，使得通过它的光线也随之扭曲。第二，当有电流通过时，晶体会改变排列方式。当光线透过或被反射时，由于液晶分子排列状态的变化而呈不同的光学特性。2007.7.2计算机组成原理99液晶显示器有很多优点，第一，液晶工作的电压很低，只需2～3V就可，工作电流只有几个微安，这是其他显示器件无法比拟的；第二，液晶显示器的基本结构是由两片玻璃基板制成的平板，这个结构最有利于用作显示窗口，而且可以在优先的面积上容纳最大量的显示内容，显示内容的利用率最高；第三，液晶显示器件本身不发光，靠调节外界光达到显示目的，所以它不会向发光体那样刺眼，光更柔和，不容易引起人眼的疲劳；第四，液晶显示器在使用时不会产生软X射线和电磁波辐射，对于保障人身安全和信息保密十分理想。2007.7.2计算机组成原理100常用的液晶显示器有两种：动态散射型LCD和扭曲向列型LCD。动态散射型LCD使用介电各向异性为负的向列型液晶。它是将液晶材料充满在两片玻璃之间，在玻璃片的内表面再喷镀两个透明电极。在未加驱动信号之前，液晶分子排列整齐而透明；当液晶屏上加上驱动电压以后，液晶层内分子排列被打乱，引起光在各个方向的散射，因此液晶屏显得十分明亮，变成乳白色，产生显示效果。这种类型的LCD属于电流型，需要数十到数百微安的电流。2007.7.2计算机组成原理101扭曲向列型LCD使用介电各向异性为正的向列型液晶。其结构如图8-20所示。它利用光学上的偏振原理产生显示效果。上下两层玻璃，中间夹入晶层，两片玻璃的内表面上镀有一层透明而导电的薄膜以做电极用，四周进行密封，形成一个厚度仅为数微米的扁平液晶盒。由于在两层玻璃内表面分别涂有偏振轴成90°的涂层，液晶层的液晶分子连续成90°方向扭转排列，因而具有旋光特性，这种旋光特性在外加电场的作用下会减弱或消失。2007.7.2计算机组成原理102这样的液晶盒上下放有两片偏振片，上偏振片位于透明电极的外侧，下偏振片下面加一层反射板。当自然光经过一片偏振片后变成为一种偏振光。偏振光只能通过平行于偏振方向的介质，不能通过垂直于偏振方向的介质。由于所用液晶材料具有旋光特性，因此当偏振光通过液晶层时，偏振面旋转90°。若使两偏振片的偏振方向互相垂直，在不加电场时，光可以通过液晶层和两片偏振片到达反射板，液晶盒呈透明状态；当某对电极施加高于域值的电场时，液晶分子轴排列变得十分整齐，不发生扭转，因偏振光轴互相垂直，光线不能通过该部分，显示器显示出白底黑字。2007.7.2计算机组成原理103如果两偏振片的偏振方向互相平行，则在未加电场时，因液晶旋光90°，显示器不透光，为黑色；加上高于域值的电场以后，液晶的旋光特性消失，显示部分变为透明，因此显示出黑底白字。这种LCD属于电压型，只需要数微安的工作电流。这就是我们常用的液晶显示器。2007.7.2计算机组成原理104段电级背电极上偏振片玻璃下偏振片反射面图8-20扭曲向列型LCD的基本结构思考：查阅资料或进行市场调查，请列举目前主流液晶显示器的主要技术指标。2007.7.2计算机组成原理105除了显示器，打印机也是PC机的主要输出设备，由于它能把数据信息以显式的方式印制在普通的纸介质上，就如同常规的印刷品一样，所以一直受人们的青睐。它集屏幕显示的可视性与磁盘存储的长久性与一体，是计算机不可缺少的外部设备。从接口上区分有串行口、并行口和USB打印机几种。从其印字原理来分有点阵式(针式)打印机、喷墨式打印机、激光打印机和热敏打印机等。8.3.3打印机2007.7.2计算机组成原理106打印机分类的方法很多，通常按打印的实现方法分为击打式和非击打式两大类。击打式打印机利用机械作用，击打活字载体上的字符使之与色带和纸相撞击而打印出字符，这种方法称活字式打印，这类打印设备若按字模载体的形态来分，又可以分成球形、菊花瓣形、轮式、鼓式等打印机；另一种方法是利用打印撞针撞击色带和打印纸，打印出由点阵构成的字符和图形，这称为点阵式打印。击打式打印方式速度低，噪声大。非击打式打印机是近年来出现的新型打印机，它采用光、电、热、磁等物理或化学反应的方法印刷字符或图像，这类打印机速度快，噪声小，而且印字质量好。1．打印机的种类2007.7.2计算机组成原理107按打印机的工作原理分类，又可以分为机电式、激光式、喷墨式、热感应式和静电式等，其中机电式又可分为针式(点阵式)、链式和带式，这些都是属于击打式打印机。而另外的几种都是非击打式打印机，如激光打印机、喷墨打印机、热敏打印机等。按打印的输出方式，又可将打印机分为字符式、行式和页式2种。字符式打印机是逐个字符打印，以每分钟打印多少字符来衡量打印机的速度。而行式打印机是逐行打印，以每分钟多少行来衡量打印速度，一般其速度高于字符式打印机。页式打印机以页为单位进行打印，速度有高低之分。由于目前常用的是点阵式打印机(针式)、喷墨打印机和激光打印机，所以下面主要介绍这三种。2007.7.2计算机组成原理108点阵式打印机一般指以撞针撞击色带使得打印纸上印出字体的打印设备。由于采用撞针撞击方式，所以也称为针式打印机或击打式打印机。在打印输出上，有点阵列式打印机，一次输出一个西文字符的一列。还有一种点阵行式打印机，它一次能把一行的字符全部输出来，所以它的输出速度很快，有些行式打印机每分钟能输出1000行数据，这比激光打印机的速度还要快，但由于这种打印机撞针多，体积大而笨重，成本也很高。下面讨论的点阵打印机指的是前一种。2．点阵式打印机2007.7.2计算机组成原理109从撞针的数量上来看，点阵打印机常见的有9针打印机和24针打印机。9针打印机共有9个撞针，它们排成垂直的一列，打印时根据点阵信息输出字符的一列，这种打印机正常情况下打出的字符是8×8的点阵，比较粗，而且点与点之间的空隙比较大。24针打印机的打印头有24根撞针，它们分成两列，每列12根针，其中一列比另一列要稍微的矮一些，每次打印时，奇数针先打印出一列，然后打印头作很细微的移动，再用稍偏下一点的偶数针在刚才的一列上重打一次，这样就把上次打印时的空隙添满。所以24针打印机打出的字体比9针打印机要细腻，但是其打印速度相对要慢些，而且噪音也大一点。2007.7.2计算机组成原理110打印机从打印宽度上来看，分为80列和132列两种规格，80列打印机适合于窄行打印纸，可在一行中打印出80个英文字符或40个中文汉字。132列打印机既能使用窄行打印纸也能使用宽行打印纸，它特别适合打印由AutoCAD产生的工程图或由PROTEL产生的各种电路图以及各类电子报表。一般132列打印机的速度比80列快。一般点阵打印机的速度以每秒打印的西文字符数(CPS)来衡量。但同一台机器的打印速度根据打印方式或打印内容的不同会有所不同。如EPSON的LQ—150用草稿方式打印英文可达180CPS，但用信函方式打印英文只有66CPS，而用信函方式打印中文，其速度会下降到44CPS。2007.7.2计算机组成原理111过去的打印机都不带中文字体，要打印中文必须用专门的驱动程序，所以打印中文很慢，而且容易损坏打印针。随着中国打印机市场的扩大，众多打印机厂家纷纷开发出带有中文字库的中英文打印机。这类打印机把中文字模库固化到机内的ROM里面，当接收到两字节的中文内码后，会自动从字库中取出字模数据，并控制打印头打出相应的汉字。点阵打印机由打印头、字车机构、色带机构、输纸机构及控制电路。打印头由打印撞针、磁铁、衔铁等组成。打印头安装在字车上，由字车驱动电机拖动，可沿打印行水平来回运动，并通过检测电路得到当前字车的位置和运动方向。2007.7.2计算机组成原理112打印控制电路主要包括字符缓冲存储器、字符发生器、时序控制电路和接口电路等。打印的时候，首先通过接口从计算机中将要打印的一行字符代码接收到字符缓冲器，然后依次对代码译码，并根据译码的结果从字符发生器(ROM)中获取字符点阵信息，打印头按照字符点阵的要求驱动电磁铁，击打相应的撞针，使之在打印纸上形成字符或图像。输纸机构由步进电机驱动，每打完一行字符要按照给定的步长走纸。2007.7.2计算机组成原理113点阵打印机的优缺点是明显的：优点是便宜，无论是打印机本身还是各种耗材(如色带)以及维修费用都比喷墨或激光打印机便宜；可以处理各类纸张，点阵打印机可以处理各种规格大小、形状和厚度的纸张，可以处理窄行或宽行打印纸；可适合各类应用，可以用点阵式打印机把内容打印到压敏复写打印纸上，这种打印纸有2张、3张、4张等几种，可以一次性地打印出多份数据，或者去掉色带把数据打印到蜡纸上通过油印机进行快速印刷，这些特点都是其他两种打印机不具备的。2007.7.2计算机组成原理114缺点是打印质量不高。尽管24针打印机的分辨率达到了360×360dpi，但是它的点粗，锯齿现象比较明显；速度慢，机械部件易磨损，点阵打印机的打印机理决定了它的打印速度比喷墨和激光打印机的速度慢；打印图形图像效果较差；噪音较大。尽管很多公司采用了各种方法来降低噪音，但仍然达不到激光打印机的效果。2007.7.2计算机组成原理115喷墨打印机的工作原理是通过细小的喷嘴直接将细小的墨水粒子喷射到普通纸上形成点阵字符或图像。喷墨打印机按照工作原理可以分为固态喷墨和液态喷墨，而液态喷墨又分为连续喷墨方式和随机喷墨方式。目前的喷墨打印机大多是随机喷墨打印机。随机喷墨式打印机分辨率高，达到600dpi，噪声低，速度高于点阵式打印机，其整机功耗低，打印头没有磨损，而其打印质量也高于点阵式打印。3．喷墨打印机2007.7.2计算机组成原理116随机喷墨方式的驱动部分有两种方式，压电式和电热式。压电式随机喷墨方式采用一种特殊的压电材料，当电压脉冲作用于压电材料时，使它产生形变并将墨水从喷口喷出，射到纸上。电热式随机喷墨方式又称为气泡式喷墨方式，它采用一种发热电阻，当电信号作用时，该电阻迅速产生热量，使喷嘴底部形成一层薄薄的墨水，在480℃以上的温度下保持百万分之几秒的汽化，随着汽化气泡的增大，墨水从喷嘴喷出，并在喷嘴尖端形成墨滴，墨滴克服墨水的表面张力喷向纸面，形成墨点。2007.7.2计算机组成原理117当发热电阻冷却时，气泡字形溃灭，溃灭所产生的吸力将新的墨水从墨盒中吸到喷头，等待下一步的工作。这种气泡式喷墨方式形成的墨滴非常细小，大约是一滴眼泪的百万分之一左右，可以保证最终的墨点很细，有利于提高分辨率。在喷墨打印机发展过程中，不断涌现了一些新技术，主要有以下几种：（1）墨滴调整技术：这种技术在打印头上设计了两个加热器，一个加热器产生的墨滴只有普通墨滴的一半，两个加热器结合使用产生普通大小的墨滴。尽管这种技术在整体上并没有增强分辨率，但却可以产生更细致，对比更强，更精美的输出品质。2007.7.2计算机组成原理118（2）增强色彩浓度技术：普通彩色喷墨打印机都采用青、晶红、黄和黑四色技术，但这种四色打印由于墨水都是百分之百地喷到纸面上，缺少色彩浓度的变化。一些打印机生产商通过使用六色技术产生更微妙的色彩浓度，使打印质量和色彩精美程度得到明显提高。而另外一些生产厂商采用四重色调控制技术，在不增加墨盒中色彩数的情况下，解决了打印全色图片时的色彩浓度问题。这项技术在打印照片时，将墨盒中的青色和品红色的浓度都稀释2/3，黑色稀释1/2，然后增加打印头经过纸面上每行的次数，同时再采用细粒度纸张来减小纸上墨点的直径，这样就可以达到理想的打印品质。2007.7.2计算机组成原理119（3）打印驱动软件的新技术：很多喷墨打印机厂商不仅在硬件技术上不断创新，还在驱动软件功能上优化，使打印机能够在以较大的尺寸打印输出低分辨率的图像时，自动修正锯齿边缘，提高打印出的图片的分辨率和质量。还有些型号的打印机驱动程序能够可视化地描述打印机当前的状态，如墨水量、打印进程、打印纸是否用完等等。2007.7.2计算机组成原理120激光打印机是在20世纪70年代中期出现的，它是激光技术和电子照相技术结合的产物。它具有打印速度快，印字质量好，分辨率高，噪声小等特点，能打印各种字符、图形、汉字和图表等，而且价格日益降低，逐渐普及起来。激光打印机由激光扫描系统、电子摄影转印系统和输纸定位系统组成。其组成原理框图如图8-21所示。4．激光打印机2007.7.2计算机组成原理121图8-21激光打印机组成原理框图电子摄影转换系统电子摄影转换系统光导鼓数据半导体激光器光调制偏移量接口光学系统扫描器字符发生同步器打印纸同步信号控制系统数据控制系统激光扫描2007.7.2计算机组成原理122激光扫描系统由激光器、光调制偏转器、扫描器和光学系统等几个部分组成。激光器早期使用He-Ne激光器，目前大多是半导体激光器，它产生的激光光源要求其相干性高、方向性好、单色性强和能量集中，并能进行高速调制和偏转。使用He-Ne气体激光器作为激光打印机的光源时，其激光束的强度和传播方向不能控制，所以需要使用光调制偏转器。扫描器的作用是把调制过的激光束反射到光导鼓上，形成字符或图形。扫描器可以沿着光导鼓的轴线方向移动。2007.7.2计算机组成原理123光学系统是使扫描器产生的扫描光束按光点尺寸进行聚焦，并使激光束聚焦轨迹在光导鼓表面上做匀速直线运动。电子摄影转印系统由光导鼓（又称硒鼓）、电晕放电装置、静电显影装置、定影装置等组成；其功能是将激光扫描系统的图像形成电子潜像，并通过静电显影和定影将需要打印的文字或图像转印到纸上。在静电场的作