第8章输入输出设备及系统

计算机网络数字逻辑与计算机组成原理第8章输入输出设备及系统计算机网络数字逻辑与计算机组成原理本章主要内容：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。本章将对这些外部设备和输入输出方式给出详细的阐述。计算机网络数字逻辑与计算机组成原理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总线计算机网络数字逻辑与计算机组成原理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。计算机网络数字逻辑与计算机组成原理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。计算机网络数字逻辑与计算机组成原理图8-1主机与外设之间的连接总线主机（CPU、主存）接口输入设备1输入设备2输出设备n…计算机网络数字逻辑与计算机组成原理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：阴极射线管（CRT）显示器、液晶显示器（LCD）、离子显示器（PD）按所显示的信息内容分类：字符显示器、图形显示器、图像显示器计算机网络数字逻辑与计算机组成原理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计算机网络数字逻辑与计算机组成原理8.2.2CRT显示器1．结构与工作原理CRT，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。也称为显像管计算机网络数字逻辑与计算机组成原理图8-3CRT的结构电子枪偏转线圈电子束阴极控制栅极加速极阳极聚集极阳极荧光屏计算机网络数字逻辑与计算机组成原理CRT是显示器的核心器件。（1）电子枪（2）偏转系统（3）荧光屏计算机网络数字逻辑与计算机组成原理图8-43枪3束荫罩式彩色CRT多孔荫罩管三色荧光屏荫罩小孔荫罩小孔绿枪蓝枪红枪荫罩板3色电子枪3条电子束（a）（b）玻璃屏面上的荧光粉计算机网络数字逻辑与计算机组成原理2．扫描原理CRT显示器有如下两种扫描方式：（1）光栅扫描（2）随机扫描在CRT上显示字符或图形，是通过控电子束在屏幕上的扫描来实现的计算机网络数字逻辑与计算机组成原理3．主要技术指标点距（dotpitch）水平扫描频率垂直扫描频率带宽分辨率数字信号输入和模拟信号输入扫描方式屏幕尺寸、可视区尺寸和可视面积屏幕形状能源消耗屏幕控制计算机网络数字逻辑与计算机组成原理8.2.3字符/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m×n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。计算机网络数字逻辑与计算机组成原理图8-5“A”在字符窗口中的点阵格式76543210000010H000128H001044H001182H010082H010182H0110FEH011182H100082H100100H101000H101100H110000H110100H计算机网络数字逻辑与计算机组成原理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接口视频存储器VRAM字符发生器移位寄存器控制电路显示头主机计算机网络数字逻辑与计算机组成原理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256×256或512×512个香色，与图形显示器兼容的图像显示器可达1024×1024，有的甚至达到更高。灰度级也可达24位真彩（224）。计算机网络数字逻辑与计算机组成原理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。计算机网络数字逻辑与计算机组成原理图8-9典型液晶显示器件的基本结构偏光片前玻璃前电极定向层液晶封接边背电极偏光片反射层背玻璃过渡电极定向层计算机网络数字逻辑与计算机组成原理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.鼠标器输入计算机网络数字逻辑与计算机组成原理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。计算机网络数字逻辑与计算机组成原理8.3.3语音输入设备图8-11语音输入系统的系统构成识别器信息获取（话筒）预处理特征提取分类学习分类决策计算机系统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。计算机网络数字逻辑与计算机组成原理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。计算机网络数字逻辑与计算机组成原理8.4.2点阵针式打印机图8-12针式打印机的结构色带色带保护片打印纸导轨打印针永磁铁铁芯衔铁滚筒线圈计算机网络数字逻辑与计算机组成原理8.4.3激光打印机1．激光打印机的组成图8-13激光打印机的组成电子扫描部分接口字形发生器高频驱动器光调制器激光器同步器光扫描与偏转器感光体电子照相机构主机接口部分电子照相部分打印纸计算机网络数字逻辑与计算机组成原理2．激光打印机的工作原理图8-14激光打印机的工作原理计算机网络数字逻辑与计算机组成原理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。2．CPU和外设之间必须通过接口电路来连接计算机网络数字逻辑与计算机组成原理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、状态存储和设置电路、数据存储与缓冲电路三部分组成。计算机网络数字逻辑与计算机组成原理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。计算机网络数字逻辑与计算机组成原理图8-15查询方式输入的接口电路图RDRDIOM/数据总线READY三态缓冲器三态缓冲器&地址译码&RDQ+5V选通数据输入设备锁存器地址总线计算机网络数字逻辑与计算机组成原理图8-16查询方式输出的接口电路图选通信号数据R数据总线输出数据OBF数据锁存器BUSY三态缓冲器+5VCPQD端口译码M/ACKWRRDIO计算机网络数字逻辑与计算机组成原理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。计算机网络数字逻辑与计算机组成原理图8-18中断方式输入的接口电路图D7～D0地址总线三态缓冲器地址译码数据输入设备锁存器中断请求DQR+5V中断屏蔽—触发器选通INTRDQ计算机网络数字逻辑与计算机组成原理2．中断源重新启动中断机器检验出错中断。程序性错误引起的中断。访问管理程序中断。外部事件中断。输入输出中断。计算机网络数字逻辑与计算机组成原理3．中断优先级一般来讲，中断优先级考虑以下一些因素：中断源的紧急程度。设备的工作速度。数据恢复的难易程度。计算机网络数字逻辑与计算机组成原理中断请求3级，2级4级1级主程序中断服务程序1级2级3级4级时间t图8-19按照中断优先级响应中断请求实例计算机网络数字逻辑与计算机组成原理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其处理过程如下图所示计算机网络数字逻辑与计算机组成原理图8-20中断处理过程设备控制器或其它设备发出中断请求处理器结束当前执行的指令处理器发出中断确认信号处理器将PSW和PC压栈处理器装入新的PC值（中断入口）保存其余的处理机状态信息处理中断恢复处理机状态信息恢复原PSW和PC的值中断返回计算机网络数字逻辑与计算机组成原理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port或门处理机中断请求中断应答键盘中断打印中断显示终端DMA中断其它中断计算机网络数字逻辑与计算机组成原理（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INTA001010001011001000数据总线编码器IR2IS2IR3IS3IS1IR1123INTOINTIIRIRIR123计算机网络数字逻辑与计算机组成原理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中断请求I1，I2，I3，I4主程序中断服务程序I1I2I3I4时间t计算机网络数字逻辑与计算机组成原理（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中断请求I1，I2，I3，I4主程序中断服务程序I4I3I2I1时间t计算机网络数字逻辑与计算机组成原理8.5.4直接存储器存取（DMA）方式1．DMA方式的提出2．DMA控制器的功能和DMA传送的原理DMA控制器应具有以下功能：计算机网络数字逻辑与计算机组成原理（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。计算机网络数字逻辑与计算机组成原理（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。计算机网络数字逻辑与计算机组成原理（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。计算机网络数字逻辑与计算机组成原理3．DMA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。计算机网络数字逻辑与计算机组成原理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。计算机网络数字逻辑与计算机组成原理（3）通道对设备控制器的管理