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第 7章 输入输出系统和外围设备 7. 1 n 7. 2 n 7. 3 n 7. 4 n 7. 5 n 7. 6 n I/O系统概述 程序中断方式 DMA方式 通道控制方式 外部设备 外存储器
7. 1 I/O系统概述 输入输出系统的组成 输入输出系统是计算机主机与外界交换信 息的硬件和软件的总称，简称I/O系统。 一般说来，I/O系统的硬件部分由以下几 个部分组成。 （1）外部设备 （2）设备控制器与接口 （3）总线系统 n
7. 1 I/O系统概述 I/O系统的基本功能 1. 为数据传输操作选择输入输出设备 2. 在选定的输入输出设备和CPU（或主存） 之间交换数据。 n
7. 1 I/O系统概述 输入输出设备寻址方式 1． 独立I/O寻址 I/O 设备的地址空间和存贮器地址空间是两个 独立的空间。CPU 使用专门的IN( 输入) 和 OUT(输出) 等I/O指令来实现数据传送。 作 时，CPU 对指令进行译码（例如：给出M/IO 信号），区分是存储器读写操作还是I/O读写 操作。 优点： 不占用存储器地址空间； 缺点： 需专门的I/O指令。 n
7. 1 I/O系统概述 2．与内存统一寻址 又称存储器映像编址方式。这种方式把 每一外设端口视为一个存储单元，统一 编排地址，即外设和存储存储器使用的 是同一个地址空间。 优点：简化指 令系统，无需专门的I/O指令； 缺点：I/O端口地址占用了一部分存储器 地址空间；I/O指令码长，执行速度慢。
7. 1 I/O系统概述 信息交换方式 1. 程序直接控制方式 2. 程序中断控制方式 n 3. 直接存储器存取方式 4. I/O通道控制方式 5. 外围处理机输入输出方式
程序直接控制方式 n n 程序直接控制方式，也称程序查询方式，是早 期计算机中使用的一种方式。程序直接控制方 式指在用户程序中直接使用I/O指令完成输入输 出操作，由CPU查询外设的运行状态，直接利用 I/O指令控制数据的传送过程。程序查询方式是 在程序控制下进行信息传送的，通过查询状态 信息，同步CPU和外设的操作。当前除单片机外， 很少使用程序直接控制方式。 特点： 接口电路简单； 主机与设备串行 作，效率低； 对突发事件不能响应。
程序中断控制方式 n n 当外设数据准备就绪时向CPU发出中断请求， CPU响应中断时完成数据的传送过程。外设提 交中断请求时，CPU才会响应中断，CPU的其 它时间可以处理正常的事务。 特点： 硬件结构较查询方式复杂些，服务开销时 间较大； 主程序与设备并行运行，CPU效率较高； 具有实时响应的能力。
直接存储器存取方式 n n DMA方式即直接内存访问方式。由DMA 控制器控制，能直接在外设与存储器之 间进行数据传送。在数据块传送的起始 和终止时需CPU进行干预外，其余时间 不受CPU控制。 特点： 适用于高速数据块传送； 完全由硬件控制传送，线路较复杂。
I/O通道控制方式 n n CPU将部分权力下放给通道，由通道实 现对外设的统一管理，并负责外设与内 存间的数据传送。 特点： CPU效率更高； 硬件开销更大。
外围处理机输入输出方式 n 外围处理机（PPU）方式是通道方式的 进一步发展。PPU独立于主机 作，结 构上接近于一般处理机。在一个系统中 可设置多台PPU，分别承担I/O控制、 通信、维护诊断等任务，形式上类似于 一个多机系统。
7. 2 程序中断方式 7. 2. 1 中断的基本概念 n 7. 2. 2 中断处理过程 n
7. 2. 1 中断的基本概念 n “中断”是由I/O设备或其它非预期的急需 处理的事件引起的，它使CPU暂时中断当 前正在执行的程序，而转至另一服务程 序去处理这些事件。处理完后再返回原 程序继续执行。
7. 2. 1 中断的基本概念 中断的功能 CPU与I/O设备并行 作 硬件故障处理 实现人机联系 实现多道程序和分时操作 实现实时处理 n
7. 2. 2 中断处理过程 中断请求 中断响应 中断处理 中断返回 n
1. 中断请求 中断源请求中断 中断源--- 引起中断事件的来源，包括I/O设 备、实时钟、故障等。 中断的类型： ① 内部中断（异常处理） ② 外部中断（可屏蔽，不可屏蔽） ③ 软件中断：自陷（系统调用）等。 中断请求触发器---因为中断请求是随机发生的， CPU不可能即刻响应，所以通常在接口中设置 一个中断请求触发器，记忆请求信号。 n
2. 中断响应 n CPU响应中断的条件： ① 至少有一个中断源请求中断； ② CPU允许中断； ③ 当前指令执行完。 中断响应（中断周期）所做的 作---由 硬件自动完成。 ① 关中断； ② 保留断点； ③ 转到中断处理程序入口。
2. 中断响应 n 在中断响应的过程中，要解决三个问题： ① 中断源识别---找出请求中断的来源 ② 中 断判优---当多个中断源请求中断时，找出优 先级最高的中断源给予响应 ③ 中断处理程序入口地址的形成
3. 中断处理 n n 中断技术是一种软硬件相结合的技术，中断处 理过程则完全是由软件（中断处理程序）完成 的。 单级中断处理程序---所有的中断源都属于同一 个级别，不允许有中断嵌套。 嵌套中断处理程序---每一个中断源都有一个优 先级，优先级高的中断可以打断优先级低的 中 断的执行，即中断可以嵌套执行。
关 中 断 保 存 现 场 ， 保 存 断 点 判 中 断 源， 转 中 断 服 务 开 中 断 中断处理过程 执 行 中 断 服 务 程 序 关 中 断 恢 复 现 场 ， 恢 复 断 点 开 中 断 返 回 被 中 断 程 序
4. 中断返回 n 执行中断返回指令，从堆栈弹出断点地 址送PC，回到程序断点处继续执行指令。
7. 3 DMA方式 7. 3. 1 DMA方式的基本概念 n 7. 3. 2 DMA 作方式 n 7. 3. 3 基本的DMA控制器 n
7. 3. 1 DMA方式的基本概念 n 直接内存访问（DMA）方式，是一种完 全由硬件执行I/O交换的 作方式。在这 种方式中，DMA控制器从CPU完全接管 对总线的控制，数据交换不经过CPU， 而直接在内存和I/O设备之间进行。 DMA 作时，由DMA控制器向内存发出 地址和控制信号；进行地址修改；对传 送字的个数计数；并且以中断方式向 CPU报告传送操作的结束。
7. 3. 1 DMA方式的基本概念 n DMA方式一般用于高速传送成组的数据。 目的： 减少大批量数据传输时CPU的开销 方法： 采用专用部件（DMA控制器）生成访 存地址并控制访存过程 优点： 操作均由硬件电路实现，传输速度快； CPU基本不干预，仅在初始化和结束时参与， CPU与外设并行 作，效率高
7. 3. 2 DMA 作方式 n n CPU和DMA控制器并行 作，关键问题要 解决：访存冲突 解决方法： 1. CPU暂停方式 DMA 作时，CPU空闲 优点：简单，可适应高速成
7. 3. 2 DMA 作方式 n 2．周期挪用 把CPU不访存的那些周期"挪用"来进行 DMA操作 优点：较好地发挥了CPU和内存的效率 缺点：电路复杂
7. 3. 2 DMA 作方式 n 3．直接访问存储器 作方式 在CPU 作周期比内存存取周期长的情 况下，采用交替访问内存的方法，以发 挥最 高效率 优点：由硬件完成总线控制权的转移， 速度快、效率高 缺点：电路复杂
7. 3. 3 基本的DMA控制器 1. DMA控制器的组成 设备地址寄存器 主存地址寄存器 交换字数计数器 数据缓冲寄存器 控制字、状态字寄存器 DMA控制逻辑 中断逻辑。 n
7. 3. 3 基本的DMA控制器 2. DMA传送数据的过程 预处理---由CPU执行I/O指令对DMAC进行 初始化与启动。 数据传送---由DMAC控制总线进行数传。 DMAC从CPU接管总线的控制权，完成： 对内存寻址，决定数据传送的内存单元 地址； 对数据传送字进行计数； 执行数据传送的操作。 n
n 后处理---传送结束，DMAC向CPU发中 断请求，报告DMA操作的结束。CPU响 应，转入中断服务程序，完成DMA结束 处理 作，包括： ① 校验数据 ② 决定是否结束传送等。
启动设备，传送数据 由CPU完成 DMA请求、响应 送主存地址 修改主存地址数据个数 计数 传送数据 否 传送结束？ 是 结束处理 由CPU完成 中断申请 DMA传送过程
7. 4 通道控制方式 7. 4. 1 通道控制概述 n 7. 4. 2 通道的类型 n
7. 4. 1 通道控制概述 n n 通道是一个特殊功能的处理器，通道控制器有 自己的指令和程序专门负责数据输入输出的传 输控制。 引入目的： 为了进一步减少数据输入输出对整个系统运行 效率的影响 优点：增加了CPU与通道操作的并行能力； 增加了通道之间以及同一通道内各设备 间的并行操作能力； 为用户提供了灵活增加外设的可能性。
主 存 通道 CPU 标准接口 设 备 控制器 通道方式连接框图 外部 设备
7. 4. 1 通道控制概述 n n n 1. 通道的功能 （1）接收中央处理机的输入输出指令，按指 令要求与指定的外部设备通信 （2）从内存选取属于该通道的通道指令，译 码后向设备控制器和I/O设备发送命令 （3）控制外部设备和内存之间的信息传送， 根据需要给数据提供缓冲寄存器，并指出数据 存放在主存或I/O设备中的地址，同时给出传 送数据的字数 （4）将外部设备和通道本身的中断请求进行 排队，按优先次序及时通知主机。
7. 4. 2 通道的类型 n n n 字节多路通道 选择通道 数组多路通道。
7. 5 外部设备 n 7. 5. 1 外部设备的分类 n 7. 5. 2 输入设备 n 7. 5. 3 输出设备
7. 5. 1 外部设备的分类 n 外部设备的分类 1. 输入设备 2. 输出设备 3. 外存设备 4. 数字通信与控制设备
7. 5. 2 输入设备 n 键盘 是一种最常用的输入设备。这是一个由 若干按键组成的开关矩阵，人们通过按下不 同的按键，输入字符和数据，通过键盘可实 现简单的人机通讯。 键盘接口则将按键这一的机械动作转化 为可被计算机识别的电信号，供CPU读取。
7. 5. 2 输入设备 n 鼠标 是一种手持的定位部件，也是计算机 最常用的输入设备。鼠标输入的是一个 相对坐标，所以应和CRT显示器配合使用。 与键盘输入器相比，鼠标移动位置 更快，更方便。
7. 5. 2 输入设备 n 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。 语音输入设备具有语音的识别功能， 可将人的语言声音转换成计算机能够识 别的信息，存入计算机。
7. 5. 2 输入设备 n 图象输入设备 摄像机 摄取自然景物和物体 ，经数字量化成数 字图象后存入磁带或磁盘 扫描仪 用于将各种图形、照片、图纸、文稿输 入到计算机中，这样计算机即可对这些 图形图象信息进行存储、处理和传送。
7. 5. 3 输出设备 n n 7. 5. 3. 1 显示设备 分类 · 阴极射线管（CRT）显示器 · 液晶（LCD）显示器 · 等离子体显示器
7. 5. 3. 1 显示设备 字符显示器 n 待显示的字符以ASCII编码形式存放在 VRAM中。 n 字符点阵码存放在字符发生器ROM中 n 从VRAM读出待显示字符的ASCII码， 寻址字符发生器ROM ，逐行读出相应的 字符点阵码 ，送移位寄存器， 逐位移出 点阵信号，显示。
7. 5. 3. 1 显示设备 液晶显示器 作原理 LCD由两块玻璃板构成，厚约 1 mm，其间由包 含有液晶(LC)材料的5μm均匀间隔隔开。因为 液晶材料本身并不发光，所以在显示屏两边都 设有作为光源的灯管，而在液晶显示屏背面有 一块背光板（或称匀光板）和反光膜，背光板 是由荧光物质组成的可以发射光线，其作用主 要是提供均匀的背景光源。 n
7. 5. 3. 1 显示设备 n 背光板发出的光线在穿过第一层偏振过 滤层之后进入包含成千上万水晶液滴的 液晶层。液晶层中的水晶液滴都被包含 在细小的单元格结构中，一个或多个单 元格构成屏幕上的一个像素。在玻璃板 与液晶材料之间是透明的电极，电极分 为行和列，在行与列的交叉点上，通过 改变电压而改变液晶的旋光状态，液晶 材料的作用类似于一个个小的光阀。
7. 5. 3. 1 显示设备 n n 在液晶材料周边是控制电路部分和驱动 电路部分。当LCD中的电极产生电场时， 液晶分子就会产生扭曲，从而将穿越其 中的光线进行有规则的折射，然后经过 第二层过滤层的过滤在屏幕上显示出来。 液晶显示器的缺点在于亮度、画面均匀 度、可视角度和反应时间上与CRT显示 器有比较明显的差距。
7. 5. 3. 2 打印设备 打印设备又称硬拷贝设备。 n 种类 · 击打式： 点阵针式打印机 · 非击打式：喷墨打印机、激光打印机
7. 5. 3. 2 打印设备 点阵针式打印机 由打印针选择n×m个点阵组成的字符图形，采用 击打方式打印，价格最便宜，打印质量较 差； n 喷墨打印机(Ink Jet Printer) 采用非接触打印方式，以相对较低的价格获得高 质量的打印文件； n 激光打印机(Laser Printer) 是一种利用激光光束在纸上形成图象的高速打印 机，能打印出高质量的文件。 n
针式打印机组成原理
喷墨打印机 作原理
激光打印机 作原理
7. 6 外存储器 n n 7. 6. 1 7. 6. 2 7. 6. 3 7. 6. 4 磁记录原理与记录方式 磁盘存储器 光盘存储器 USB闪存盘
7. 6. 1 磁记录原理与记录方式 磁记录原理 利用磁性材料的磁滞回线记录二进制信息。 n 磁记录方式 归零制（RZ） 不归零制（NRZ 0、NRZ 1） 调相制（PM） 调频制（FM） 改进调频制（MFM） n
常用编码方式及写入电流波形
磁记录方式 n 评价标准 编码效率：指位密度与最大磁化翻 转密度之比； 自同步能力：最小磁化翻转间隔与 最大磁化翻转间隔的比值（R），R越大， 自同步能力越高； 可靠性问题：好的编码方案应对提 高外存储设备的可靠性有所体现。
7. 6. 2 磁盘存储器 n 种类 ① 可移动磁头固定盘片的磁盘机； ② 固定磁头磁盘机； ③ 可移动磁头可换盘片的磁盘机； ④ 温彻斯特磁盘机（简称温盘） 为可移动磁头固定盘片的磁盘机，采用 密封组合的方式，将磁头、盘片、电机 等驱动部件，乃至读写电路都组装成一 个整体，是最具代表性的硬磁盘存储器。
7. 6. 2 磁盘存储器 硬磁盘驱动器的组成 主轴及其驱动系统 磁头及其定位系统 数据读写控制逻辑部分 磁记录介质－－磁盘片（组） n
硬磁盘驱动器的组成结构
7. 6. 2 磁盘存储器 技术指标 ① 存储密度： 道密度：沿磁盘半径方向单位长度上的 磁道数，单位为 道/英寸； 位密度：磁道单位长度上能记录的二进 制代码位数 ，单位为 位/英寸； ② 存储容量=盘面数 每面磁道数 每道扇 区数 每扇区存储容量 n
7. 6. 2 磁盘存储器 ③ 平均存取时间： 存取时间包括寻道时间、等待时间和读 写时间。寻道时间和等待时间都是随机 的，所以取平均时间； 平均存取时间 = 控制延迟 + 寻道时间 + 旋转延迟 + 传输延迟 n
7. 6. 2 磁盘存储器 ④ 数据传输率： 指磁盘存储器在单位 时间内向主机传送数据的字节数。 Dr=r. N=Dv（字节/秒） 其中：r为磁盘转速； N为每个磁道的容量； D为位密度； V为磁盘旋转的线速度。 n
7. 6. 3 光盘存储器 光盘采用聚焦激光束在盘式介质上非接触地记 录高密度信息，以介质材料的光学性质的变化 来表示所存储信息的“ 1”和“ 0”。 n 优点：存储容量大、耐用、易保存等。 n 类型 只读型光盘 写一次型光盘WORM光盘 n 可擦写型光盘
光盘设备的组成与 作原理
7. 6. 4 USB闪存盘 n USB闪存盘又可称为USB移动存储盘， 或简称U盘 组成： USB端口 n 主控芯片 FLASH（也称闪存） PCB底板。
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