第五章输入输出系统.

第５章输入输出系统5.6DMA方式5.5程序中断方式5.4程序查询方式5.3I/O接口5.2外部设备5.1概述系统总线存储器运算器控制器接口与通信输入/输出设备Cache一、I/O系统的发展1.早期分散连接阶段2.接口模块和DMA阶段I/O设备间独立；CPU与I/O串行工作；增减困难主存CPUI/O设备总线连接;接口(查询\中断\DMA)管理;CPU和I/O并行工作主存CPUI/O设备1接口I/O设备2接口I/O设备n接口…总线BUS5.1概述3.通道结构的阶段通道作为辅助处理器代替CPU管理I/O设备主存CPU通道I/O设备1……设备控制器I/O设备2设备控制器I/O设备n设备控制器4.I/O处理机的阶段I/O处理机与CPU并列地位主存主CPUI/OCPU1I/O设备1…设备控制器1I/O设备2I/O设备1I/OCPU2I/OCPU3存控…设备控制器mI/O设备2…………二、I/O系统的组成I/O软件I/O硬件通道指令（CCW,ChannelControlWordI/O指令接口式：接口+设备自身指令，指出数组首地址、传送字节数、设备码、操作命令属于CPU指令,用来启停设备、查询状态和操作操作码命令码设备码通道式：通道(处理机)+控制器+设备接口数据与CPU交换设备状态测试设备操作与其它指令的区别代码设备地址码内存空间FFFFFH供I/O接口使用00000HI/O端口NI/O端口2I/O端口0I/O端口1系统各I/O端口配置地址64KBI/O空间…三、I/O设备与主机的联系方式1.I/O设备编址方式统一编址——存储器映射编址把每个I/O设备地址都当作一个存储器单元看待，I/O设备与存储器单元在同一地址空间中进行统一编址。常常在整个地址空间中划分出一小块连续的地址分配给I/O设备。被分配给I/O设备的地址，存储器不能再使用。统一编址的优缺点优点：（1）不需要专门的I/O指令（2）外设寻址方式就是内存寻址方式，利于I/O程序设计缺点：（1）I/O设备占用一部分存储器的地址空间（2）在程序中不容易区分哪些指令是访问存储器、哪些指令是访问外设，所以程序不易阅读。I/O端口NI/O端口2I/O端口0I/O端口1系统各I/O设备配置地址64KB内存空间FFFFFH00000H1MBFFFFHI/O空间…独立编址——I/O映射编址将存储器和I/O设备建立两个完全独立的地址空间。CPU使用专门的控制信号来区分是对存储器访问还是对I/O设备进行访问。这些控制信号的产生是由指令来控制。独立编址的优缺点优点：（1）使用专门的I/O指令，程序清晰易读；（2）I/O设备的地址空间独立，不占用存储器的存储空间，且地址译码电路相对简单。缺点：（1）访问外设的指令没有访问存储器的指令多（2）CPU需设置专门的控制信号，区分对存储器的访问和对外设地址的访问。2.设备寻址I/O指令设备码段指出设备号，通过接口电路中的设备选择电路SEL选中需要的外设。3.信息传送方式串行：速度慢，需要1数据线1地址线，适合远距离并行：速度快，数据线多根，适合快速传送CPUI/O地址数据CPUI/O地址数据4.连接方式辐射式：用于分散连接的外设总线式：用于现代计算机外设主机外设外设外设主机外设外设外设5.联络方式(1)立即响应：CPU指令到，低速设备立即动作(2)异步工作采用应答信号：速度不匹配，信号联络(3)同步工作采用同步时标：专用电路产生同步信号并行串行“Ready”“Strobe”I/O接口I/O设备CPU并行数据字命令字命令字011010009.09ms2×9.09ms起始位终止位9.09ms2×9.09ms一、程序查询方式工作原理：CPU查询外设已准备好后，才传送数据。特点：CPU与外设间通过程序同步，CPU被外设独占，CPU效率低下。要求：不需要增加额外的硬件电路。应用：适用于CPU不太忙且传送速度要求不高时。四、I/O设备与主机信息传送的控制方式查询传送流程返回二、程序中断方式工作原理：在外设准备数据时，CPU执行与传送数据无关的工作，外设在准备好数据后，主动向CPU发送一个中断请求，当CPU执行完当前指令后，停止当前程序的执行，自动转向中断服务程序，在中断服务程序中，完成一个数据的传送，之后中断返回至原来的断点处，继续执行。特点：在外设准备数据时，CPU与外设并行工作，CPU效率有所提高，并且CPU可以同时被多个外设占用。要求：接口中需要中断控制逻辑支持。应用：适用于中低速设备。取指令执行指令中断？响应中断中断服务中断返回启动否是中断传送流程返回三、直接存储器访问（DMA）方式工作原理：将I/O过程中，与内存交换数据的操作交由DMA控制器来控制，简化了CPU对输入输出的控制，进一步提高了CPU的效率。特点：数据的传送不经过CPU（由DMAC控制），而I/O设备管理由CPU控制，简化了CPU对I/O的控制。硬件开销大，结构复杂，但CPU的效率高。要求：需要DMA控制器及相关逻辑支持。应用：适用与高速度大量数据传送时。DMA请求DMA响应发送内存地址传送一个数据字DMA结束修改地址指针修改字计数器检测传送是否结束否是DMA传送流程返回三种方式的CPU工作效率比较存取周期结束CPU执行现行程序CPU执行现行程序DMA请求启动I/OI/O准备I/O准备一个存取周期实现I/O与主存之间的传送CPU执行现行程序CPU查询等待并传输I/O数据CPU执行现行程序启动I/OI/O准备及传送指令执行周期结束CPU执行现行程序CPU执行现行程序启动I/O中断请求I/O准备I/O准备CPU处理中断服务程序实现I/O与主机之间的传送间断启动I/O启动I/OI/O准备中断请求启动I/OI/O准备一个存取周期DMA请求程序查询方式程序中断方式DMA方式I/O准备及传送5.2I/O设备输入设备：输入的数据计算机可以识别。输出设备：输出计算机中存储的数据。输入输出设备种类繁多，很难用一种结构形式加以描述，一般结构为接口输入设备输出设备接口例如：声卡、显示卡例如：显示器、打印机1、输入设备设备功能输入程序、数据、声音、文字、图形、图象输入方式键盘方式、指点方式、手写方式、扫描方式常用设备键盘、鼠标、写字板、扫描仪键盘鼠标写字板扫描仪键盘是微机中不可缺少的输入设备，目前普遍使用的有101键、104键和108键等几种形式，101键的键盘没有Windows菜单快捷键。几种键盘的主要差别是Windows功能键的多少，不影响使用。[101标准键盘][104标准键盘][带托手板的104键盘][具有人体工程学的键盘]键盘的运行原理把每个键在键盘上的位置对应为一个编码。具体实现：是用行列扫描的方法，即把每个键分配在一个m列*n行矩阵的一个交叉点上，通过并行接口向n行依次送出仅有一行为零、其余各行均为一的值，再用并行接口读入m列上的取值。当读入值不为FFH（全1码）时，表明有键按下，若该值仅含一位零，表明取值为0的行、列的交叉点的键被按下，用一个对照表即可得相应键编码。尚需解决如下的一些问题：键的抖动、多键同时按下、由哪个部件完成这些操作过程。并行接口并行接口+5V10K0列1列m-1列0行1行n-1行键盘键.....。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。…...011A键1101...并行接口送来10…1的n位数值到二极管的负极，并行接口接收键盘线路m列送出的m位数据。当A键按下去后，5V电源送出经电阻、A键、二极管到0信号处的电流，从而在第2列产生0电平（绿线），其他各列都给出高电平（黑线），故并行接口接收到的是110…1这样的m位数据110...。1101...二极管鼠标：是一种指点式设备，替代光标移动键进行光标定位操作和替代回车键操作；在软件支持下，其按钮可完成某种特定功能。有机械式、光电式和轨迹球式。机械式鼠标：摩擦底部可滚动的小球，小球滚动，与4个方位电位器接触，测得上下左右位移量轨迹球鼠标：将小球放在上面，鼠标不动，而用手转动小球来移动屏幕光标。光电式鼠标：内部发光元件发射光经过透镜聚焦后从底部小孔向下射出，照在光栅板上再反射回。移动鼠标，将板上反射光强弱变化变成电脉冲进行计数即可测出鼠标器移动的距离写字板：直接用光笔在写字板上书写汉字，即可将汉字录入进计算机里，不用记忆各种输入法。写字板上的光笔代替鼠标作为指点设备。摄像机扫描仪2、输出设备设备功能将计算机处理结果信息按所要求形式展示输入方式文字、图形、图像、声音，常用设备显示器、打印机、绘图仪显示器打印机绘图仪显示器显示器：显示计算机的输出信息输出设备。有不同的类别、显示方式和分辨率[类别]按显示颜色分类：有单色显示器和彩色显示器。按扫描方式分类：隔行扫描显示器和逐行扫描显示器按显像原理分类：CRT、LCD、PDP按显示器功能分类：普通显示器、显示终端[方式]显示器的显示方式:字符方式\图形方式\图像方式在字符方式下屏幕被划分为一个个固定的行和列，按行列方式将字符显示出来;在图形方式下屏幕上的每个像素都可以被设置成不同的色彩和亮度，并由像素组合成字符或图形。[分辨率]分辨率指屏幕有多少个发光点，由显卡、显示器决定。单色字符显示标准（MDA):像素720×350左右彩色图形显示标准（CGA）：像素在320×200左右；中分辨率（EGA）：像素在640×350左右；高分辨率（VGA）：像素在640×480及以上(SVGA\XGA\UXGA)[显示卡]显示卡是显示器与主机连接的接口，由显示内存、寄存器组和控制电路三部分构成。其功能是控制显示器的显示分辨率、显示速度、颜色或灰度等级、图形显示能力等。CRT显示器LCD显示器PDP显示器灯丝阴极聚焦极石墨层荧光屏显示屏阳极帽偏转线圈栅极阳极电子枪电子束阴极射线管（CRT）构成工作原理液晶定义：LiquidCrystal一种白浊有粘性的液体，具有多种弯曲性质，是流动性结晶。显示棒状的分子形状，既有晶体各向异性，又有液体流动性，在分子长轴和短轴方向，折射率不同(双折射)液晶基本性质：自然光经过一偏振片后“过滤”为线性偏振光，由于液晶分子在盒子中的扭曲螺距远比可见光波长大得多，所以当沿取向膜表面的液晶分子排列方向一致或正交的线性偏振光入射后，其偏光方向在经过整个液晶层后会扭曲90°由另一侧射出，正交偏振片起到透光的作用;如果在液晶盒上施加一定值的电压，液晶长轴开始沿电场方向倾斜，当电压达到约2倍阈值电压后，除电极表面的液晶分子外，所有液晶盒内两电极之间的液晶分子都变成沿电场方向的再排列，这时90°旋光的功能消失，在正交片振片间失去了旋光作用，使器件不能透光。如果使用平行偏振片则相反。利用给液晶盒通电或断电的办法使光改变其透-遮住状态，从而实现显示。液晶显示原理：液晶显示原理：不加电，旋光通过显示加电，无旋光，不显示液晶显示器结构用气体放电激发荧光粉发光的显示装置，类似普通日光灯。相距几百微米的两块玻璃板，中间排列大量的等离管密封组成。每个等离子管是在两层间隔为100-200μm的玻璃衬板之间隔成的小室，每个小室内都充有氖氙气体(压力为几百托)。在等离子管电极间加上高压后，封在两层玻璃之间的等离子管小室中的气体会产生辉光放电，产生紫外光(147nm)，激励平板显示屏上的红绿蓝三基色磷光体荧光粉发出可见光。每个等离子腔体等效一个像素。由像素的明暗和颜色变化，合成各种灰度和色彩的电视图像。等离子体显示技术(PDP，PlasmaDisplayPanel)等离子体(Plasma)：指正负电荷共存,处于电中性的放电气体的状态等离子显示屏工作机理：等离子显示屏工作机理：VRAM的地址由水平地址计数器(列地址)和垂直地址计数器(行地址)决定VRAM输出ASCII代码作为ROM的高位地址，ROM的低位地址来自光栅地址计数器ROM输出在L控制下并行装入移位寄存器，再在S控制下移位输出形成视频信号视频信号输出到显示器显示器在水平同步、垂直同步和视频信号控制下，连续刷新呈现稳定字符图像字符显示方式•随机扫描图形显示器类似用笔作画，将需要显示图形文件存放在缓存中，送矢量(线段)产生器，产生相应模拟电压，直接控制