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第 8 章 输入输出设备 及系统

第 8 章 输入输出设备 及系统. 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 ；

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第 8 章 输入输出设备 及系统

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  1. 第8章 输入输出设备及系统

  2. 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。

  3. 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

  4. 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。

  5. 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。

  6. 图8-1 主机与外设之间的连接

  7. 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

  8. 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

  9. 8.2.2 CRT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

  10. 图8-3 CRT的结构

  11. CRT是显示器的核心器件。 • （1）电子枪 • （2）偏转系统 • （3）荧光屏

  12. 图8-4 3枪3束荫罩式彩色CRT

  13. 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

  14. 点距（dot pitch） • 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 • 3．主要技术指标

  15. 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。

  16. 图8-5“A”在字符窗口中的点阵格式

  17. 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

  18. 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）。

  19. 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。

  20. 图8-9 典型液晶显示器件的基本结构

  21. 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

  22. 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。

  23. 识别器 分类学习 信息获取 （话筒） 预处理 特征提取 分类决策 计算机系统 8.3.3 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之一。 图8-11 语音输入系统的系统构成

  24. 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。

  25. 8.4.2 点阵针式打印机 图8-12 针式打印机的结构

  26. 电子扫描部分 激光器 电子照相部分 接口部分 光扫描与 偏转器 光调制器 感光体 打印纸 主 机 接 口 字形发生器 高频驱动器 同步器 电子照相机构 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

  27. 2．激光打印机的工作原理 图8-14 激光打印机的工作原理

  28. 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

  29. 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。

  30. 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。

  31. & 数据 数据总线 输入设备 锁存器 三态缓冲器 选通 地址 译码 地址 总线 R D Q READY 三态缓冲器 +5V & M/ 图8-15 查询方式输入的接口电路图

  32. 数据总线 数据锁存器 输出数据 OBF 数据 选通信号 端 口 译 码 R CP Q D M/ +5V BUSY 三态缓冲器 图8-16 查询方式输出的接口电路图

  33. 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。

  34. 数据 输入设备 三态缓冲器 锁存器 D7～D0 地址 译码 地址总线 中断 请求 D Q R +5V 中断 屏蔽 — 触发 器 选通 图8-18 中断方式输入的接口电路图

  35. 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。

  36. 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。

  37. 图8-19 按照中断优先级响应中断请求实例

  38. 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

  39. 设备控制器或其它 设备发出中断请求 保存其余的 处理机状态信息 处理器结束 当前执行的指令 处理中断 恢复处理机 状态信息 处理器发出中断 确认信号 恢复原 PSW和PC的值 处理器将 PSW和PC压栈 中断返回 处理器装入新的PC值（中断入口） 图8-20 中断处理过程

  40. port 键盘中断 打印中断 显示终端 DMA中断 其它中断 或门 处理机 中断请求 中断应答 • 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

  41. 001010 001011 001000 数 据 总 线 编码器 INTA IR1 IS1 IR2 IS2 IR3 IS3 1 2 3 （2）硬件菊花链式法 2 3 1 图8-22 一种单级链式的中断优先级判断示意图

  42. 主程序 中断服务程序 I1 I2 I3 I4 中断请求 I1，I2，I3，I4 时间t • 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

  43. （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

  44. 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：

  45. （1）当外设准备就绪，希望进行DMA操作时，能（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。

  46. （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。

  47. （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。

  48. 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。

  49. 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。

  50. 通道通过使用通道指令控制设备控制器进行数据传送操作，并以通道状态字接收设备控制器反映的外围设备的状态。 （3）通道对设备控制器的管理 • 2．通道的类型 根据工作方式的不同划分。 （1）字节多路通道 主要用于连接大量的低速设备，如键盘、打印 机等。

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