计算机组成原理-第10章

1、本章导读本章导读 输入输入/输出系统是计算机重要的组成部分输出系统是计算机重要的组成部分之一，其主要功能是完成程序和数据的输之一，其主要功能是完成程序和数据的输入及机器运行结果的输出。本章首先介绍入及机器运行结果的输出。本章首先介绍输入输出系统的基本概念，主要内容包括输入输出系统的基本概念，主要内容包括输入输出系统发展的概况和输入输出系统发展的概况和I/O系统的组系统的组成，成，I/O与主机间信息传送的基本方式。与主机间信息传送的基本方式。 本章导读本章导读 然后对计算机常用的输入然后对计算机常用的输入/输出设备进行输出设备进行了简单介绍。接着对了简单介绍。接着对I/O接口的功能与接口的功能与

2、结构，接口类型，结构，接口类型，I/O端口及其编址方端口及其编址方式进行介绍，进一步详细讨论计算机输式进行介绍，进一步详细讨论计算机输入输出的控制方式，包括程序查询方式、入输出的控制方式，包括程序查询方式、程序中断方式、程序中断方式、DMA方式、通道方式等。方式、通道方式等。最后简单介绍常用的一些外设接口标准。最后简单介绍常用的一些外设接口标准。 本章要点本章要点 I/O系统基本概念系统基本概念 常用输入常用输入/输出外部设备输出外部设备 I/O接口的功能和基本结构接口的功能和基本结构 I/O端口及其编址端口及其编址 程序查询程序查询I/O方式方式 程序中断程序中断I/O方式方式 DMA方式与

3、通道方式方式与通道方式10.1 输入输出系统基本概念输入输出系统基本概念10.1.1 输入输出系统的发展概况输入输出系统的发展概况10.1.2 输入输出系统的组成输入输出系统的组成10.1.3 I/O设备与主机的联系方式设备与主机的联系方式10.1.4 I/O与主机信息传送的控制方式与主机信息传送的控制方式10.1.1 输入输出系统的发展概况输入输出系统的发展概况 计算机系统的输入输出子系统是计算机计算机系统的输入输出子系统是计算机对外部世界的接口。它提供了控制计算对外部世界的接口。它提供了控制计算机与外部交互的系统化方式，并向操作机与外部交互的系统化方式，并向操作系统提供必要的信息以使其能够

4、有效地系统提供必要的信息以使其能够有效地管理输入输出操作。管理输入输出操作。 输入输入/输出系统的发展大致经历了以下输出系统的发展大致经历了以下几个阶段：几个阶段：、直接相连阶段、直接相连阶段 在计算机发展的早期，使用的在计算机发展的早期，使用的I/O设备比设备比较少，它们与主机交换信息时都直接通过较少，它们与主机交换信息时都直接通过CPU进行。如图进行。如图10-1所示。所示。图图10-1 I/O直接与直接与CPU相连相连 在这一时期，在这一时期，I/O设备具有以下特点：首设备具有以下特点：首先，每个先，每个I/O设备都必须配有一套独立的设备都必须配有一套独立的逻辑电路与逻辑电路与CPU相连

5、，用来实现信息的交相连，用来实现信息的交换。第二，输入输出过程是穿插在换。第二，输入输出过程是穿插在CPU执执行程序之中进行的。第三，每个行程序之中进行的。第三，每个I/O设备设备的逻辑控制电路与的逻辑控制电路与CPU的控制器构成一个的控制器构成一个不可分割的整体，彼此倚赖，因此欲增添不可分割的整体，彼此倚赖，因此欲增添或删减、更换或删减、更换I/O设备比较困难。设备比较困难。 、接口模块阶段、接口模块阶段 这一阶段的这一阶段的I/O设备通过接口模块与主设备通过接口模块与主机连接，常在中间使用总线结构。如图机连接，常在中间使用总线结构。如图10-2所示。所示。图图10-2 I/O通过接口与主机

6、相连通过接口与主机相连 通常在接口中设有数据通路和控制通路，通常在接口中设有数据通路和控制通路，数据通路完成数据格式的转换及缓冲，数据通路完成数据格式的转换及缓冲，控制通路用以传送控制通路用以传送CPU对对I/O设备发出设备发出的各种控制命令或送给的各种控制命令或送给CPU各种各种I/O设设备的反馈信息。由于中间有控制通路，备的反馈信息。由于中间有控制通路，CPU和和I/O设备间能采用中断或设备间能采用中断或DMA方方式作到一定程度的并行工作，提高了系式作到一定程度的并行工作，提高了系统的工作效率。统的工作效率。、通道及、通道及I/O处理机阶段处理机阶段 通道是用来负责管理通道是用来负责管理I

7、/O设备及实现主设备及实现主存与存与I/O设备间交换信息的部件，它可设备间交换信息的部件，它可视为一种具有特殊功能的处理器。视为一种具有特殊功能的处理器。I/O处理机更接近一般处理机，但是它主要处理机更接近一般处理机，但是它主要用来完成用来完成I/O控制，具有比通道更强的控制，具有比通道更强的功能，基本独立于主机工作。功能，基本独立于主机工作。 在这一阶段，在这一阶段，CPU可基本不直接参与输可基本不直接参与输入输出的管理，具有更高的资源利用率。入输出的管理，具有更高的资源利用率。10.1.2 输入输出系统的组成输入输出系统的组成 输入输出系统作为计算机系统的子系统，输入输出系统作为计算机系统

8、的子系统，也有硬件和软件两部分组成。也有硬件和软件两部分组成。 I/O系统的硬件比较多样化，在带接口的系统的硬件比较多样化，在带接口的I/O系统中，系统中，I/O硬件包括硬件包括I/O设备和与设备和与CPU相连接的接口模块两部分。相连接的接口模块两部分。 其中接口模块电路实际包含许多数据传其中接口模块电路实际包含许多数据传输线、数据缓冲器和寄存器，同时还有输线、数据缓冲器和寄存器，同时还有控制信号通路和相应的逻辑电路。而在控制信号通路和相应的逻辑电路。而在通道方式的通道方式的I/O系统中，每个通道可以系统中，每个通道可以与多个设备控制器相连，而且一个设备与多个设备控制器相连，而且一个设备控制器

9、还可以连接多台同一类型的设备。控制器还可以连接多台同一类型的设备。 I/O系统的软件在不同结构的系统中也系统的软件在不同结构的系统中也是不一样的。如果采用的是接口模块方是不一样的。如果采用的是接口模块方式，应用机器指令系统中的式，应用机器指令系统中的I/O指令和指令和系统软件中的管理程序就可以使系统软件中的管理程序就可以使I/O与与主机协调工作。如果采用的是通道管理主机协调工作。如果采用的是通道管理方式，除了方式，除了I/O指令之外，还必须要有指令之外，还必须要有通道指令和相应的操作系统。通道指令和相应的操作系统。 虽然软件的差异较大，但它们在系统中完虽然软件的差异较大，但它们在系统中完成的任

10、务是一致的。它们的任务主要是：成的任务是一致的。它们的任务主要是：、将用户的程序或数据输入到计算机主机、将用户的程序或数据输入到计算机主机内。内。、将运算结果输出给用户。、将运算结果输出给用户。、协调、协调I/O系统与主机的工作。系统与主机的工作。10.1.3 I/O设备与主机的联系方式设备与主机的联系方式 I/O设备与主机的联系方式包括很多方面。设备与主机的联系方式包括很多方面。、I/O编址方式编址方式 为了便于为了便于CPU对对I/O设备进行寻址和选择，设备进行寻址和选择，必须给众多的必须给众多的I/O设备进行编址，也就是设备进行编址，也就是给每一台设备规定一些地址码，称为设备给每一台设备

11、规定一些地址码，称为设备号或设备代码。号或设备代码。 随着随着CPU对对I/O设备下达命令方式的不设备下达命令方式的不同而有两种寻址方法。一种是统一编址同而有两种寻址方法。一种是统一编址（或叫存储器映像寻址方式）。另一种（或叫存储器映像寻址方式）。另一种是不统一编址（或叫是不统一编址（或叫I/O单独编址方单独编址方式）。式）。、传送方式、传送方式 在同一时间，有在同一时间，有n位信息通过位信息通过n根连线在根连线在CPU和和I/O设备间进行传送的方式叫做设备间进行传送的方式叫做并行传送。并行传送。 若在某一时间只通过一根线传送一位信若在某一时间只通过一根线传送一位信息，要传送多位信息时需在时间

12、上分开息，要传送多位信息时需在时间上分开逐位进行，这种方式叫做串行传送。逐位进行，这种方式叫做串行传送。、定时方式、定时方式 输入输出设备本身在速度上有很大差异，输入输出设备本身在速度上有很大差异，而它们与主机在速度上的差异更大。因此，而它们与主机在速度上的差异更大。因此，要考虑主机与外设在时间上的同步。这种要考虑主机与外设在时间上的同步。这种同步的定时有三种情况。同步的定时有三种情况。 第一，速度极慢的第一，速度极慢的I/O设备。如机械开关、设备。如机械开关、显示二极管等，中央处理器总是能够快捷显示二极管等，中央处理器总是能够快捷地应对它们的动作的响应，而由于它们的地应对它们的动作的响应，而

13、由于它们的动作是这样的慢，中央处理器可以认为它动作是这样的慢，中央处理器可以认为它们在它的一个工作周期内的数据传送是有们在它的一个工作周期内的数据传送是有效的。因此，中央处理器可以随时接收或效的。因此，中央处理器可以随时接收或发送数据。发送数据。 第二，慢速或中速的第二，慢速或中速的I/O设备。由于这设备。由于这些设备的速度特性，因此中央处理器与些设备的速度特性，因此中央处理器与这类设备之间的数据交换通常是以异步这类设备之间的数据交换通常是以异步方式进行的。方式进行的。 如果中央处理器要从某个输入设备接收如果中央处理器要从某个输入设备接收一个字，则它首先要询问外设的当前状一个字，则它首先要询问

14、外设的当前状态。如果该外设的状态标志表明它已态。如果该外设的状态标志表明它已“准备就绪准备就绪”，那么中央处理器就可以，那么中央处理器就可以通过总线从该设备接收数据。而后，如通过总线从该设备接收数据。而后，如果中央处理器还需要数据，则还须查询果中央处理器还需要数据，则还须查询外设的状态，总要等外设的状态，总要等“就绪就绪”后才能实后才能实现接收。现接收。 中央处理器发送数据的情况和上述情况中央处理器发送数据的情况和上述情况类似。类似。 第三，高速的第三，高速的I/O设备。这类设备与设备。这类设备与CPU间可采用同步工作方式，即以相同的时间可采用同步工作方式，即以相同的时间间隔来执行操作。间间隔

15、来执行操作。 当两种设备涉及到这样的数据传输过程当两种设备涉及到这样的数据传输过程时，很自然地出现对于缓冲区的需要。时，很自然地出现对于缓冲区的需要。它可以使得任何一方的操作都不受另一它可以使得任何一方的操作都不受另一方的制约。方的制约。10.1.4 I/O与主机信息传送的控制方式与主机信息传送的控制方式1、程序直接控制方式、程序直接控制方式2、程序中断传送方式、程序中断传送方式3、直接存储器存取方式、直接存储器存取方式 4、I/O通道控制方式通道控制方式5、外围处理机方式、外围处理机方式10.2 外部设备举例外部设备举例10.2.1 输入设备输入设备10.2.2 输出设备输出设备 中央处理器

16、（中央处理器（CPU）和主存储器（）和主存储器（MM）构成计算机的主体，称为主机。主机以构成计算机的主体，称为主机。主机以外的大部分硬设备都称为外部设备或外外的大部分硬设备都称为外部设备或外围设备，简称外设。它是计算机系统与围设备，简称外设。它是计算机系统与人或与其他机器之间进行信息交换的装人或与其他机器之间进行信息交换的装置，主要包括常用的输入输出设备、外置，主要包括常用的输入输出设备、外存储器、脱机输入输出设备等。存储器、脱机输入输出设备等。 随着计算机技术的发展，外部设备在计随着计算机技术的发展，外部设备在计算机系统中的地位越来越重要，它在整算机系统中的地位越来越重要，它在整个系统中所占

17、的价格比也越来越大。早个系统中所占的价格比也越来越大。早期的计算机系统主机结构简单、速度慢、期的计算机系统主机结构简单、速度慢、应用范围窄，配置的外部设备种类有限，应用范围窄，配置的外部设备种类有限，数量不多。现代计算机系统的外部设备数量不多。现代计算机系统的外部设备向多样化、智能化方向发展，性能各异，向多样化、智能化方向发展，性能各异，但归纳起来有以下几个工作特点。但归纳起来有以下几个工作特点。（1）异步性。）异步性。 输入输入/输出设备相对于输出设备相对于CPU来说是异步工来说是异步工作的，两者之间无统一的时钟。且各类作的，两者之间无统一的时钟。且各类外设之间工作的速度又相差很大，它们外设

18、之间工作的速度又相差很大，它们的操作在很大程度上独立于的操作在很大程度上独立于CPU之外，之外，但又要在某个时刻接受但又要在某个时刻接受CPU的控制，这的控制，这就势必造成输入就势必造成输入/输出操作相对输出操作相对CPU的时的时间的任意性与异步性。间的任意性与异步性。 （2）实时性。）实时性。 一个计算机系统中，可能连接各种各样一个计算机系统中，可能连接各种各样类型的外设，且这些外设中有慢速设备，类型的外设，且这些外设中有慢速设备，也有快速设备，也有快速设备，CPU必须及时按传输速必须及时按传输速率和传输方式接收来自多个外设的信息率和传输方式接收来自多个外设的信息或向外设发送信息，否则高速设

19、备可能或向外设发送信息，否则高速设备可能有丢失信息的危险。有丢失信息的危险。（3）多样性。）多样性。 由于外设的多样性，它们的物理特性差异由于外设的多样性，它们的物理特性差异很大，信息类型与结构格式多种多样，这很大，信息类型与结构格式多种多样，这就造成了主机与外设之间连接的复杂性。就造成了主机与外设之间连接的复杂性。但为简化控制，计算机系统中往往提供一但为简化控制，计算机系统中往往提供一些标准接口，以便各类外设通过自己的设些标准接口，以便各类外设通过自己的设备控制器与标准接口相连，而主机无需了备控制器与标准接口相连，而主机无需了解各特定外设的具体要求，可以通过统一解各特定外设的具体要求，可以通

20、过统一的命令控制程序来实现对外设的控制。的命令控制程序来实现对外设的控制。 10.2.1 输入设备输入设备 在计算机中，输入设备主要完成输入程在计算机中，输入设备主要完成输入程序、数据和操作命令等功能，它也是人序、数据和操作命令等功能，它也是人机对话的主要部件。当实现人工输入时，机对话的主要部件。当实现人工输入时，往往与显示器（输出设备）联用，以便往往与显示器（输出设备）联用，以便及时检验并修正输入时的错误。及时检验并修正输入时的错误。1、键盘、键盘 键盘是目前应用最普遍的一种输入设备，键盘是目前应用最普遍的一种输入设备，与显示器组成终端设备。它主要由一组排与显示器组成终端设备。它主要由一组排

21、列成阵列形式的按键开关组成，用户通过列成阵列形式的按键开关组成，用户通过键盘可发出指令，输入数字、字符、文字键盘可发出指令，输入数字、字符、文字等信息。等信息。 根据开关的接触方式，键盘可分为机械式、根据开关的接触方式，键盘可分为机械式、薄膜式、电容式和霍尔效应式等薄膜式、电容式和霍尔效应式等4种。种。 按照键盘的插头可分成标准插头键盘、按照键盘的插头可分成标准插头键盘、PS/2插头键盘和插头键盘和USB插头键盘；按照键插头键盘；按照键码识别方式可分为编码和非编码键盘。码识别方式可分为编码和非编码键盘。 键盘主要由面板、按键开关、扫描电路、键盘主要由面板、按键开关、扫描电路、键盘控制器和电缆线

22、构成。键盘控制器和电缆线构成。 键盘的接口电路一般设在主机系统板上，键盘的接口电路一般设在主机系统板上，通过一根电缆线与主机相连接。标准键盘通过一根电缆线与主机相连接。标准键盘接口内有接口内有5根信号线，分别是键盘时钟根信号线，分别是键盘时钟（1号插针）、接地线（号插针）、接地线（4号插针）、号插针）、+5V电源（电源（5号插针）、双向的键盘数据号插针）、双向的键盘数据线（线（2号插针）及未被使用的复位信号线号插针）及未被使用的复位信号线（3号插针）。号插针）。 图图10-3 键盘插座布局图键盘插座布局图2、鼠标器、鼠标器 鼠标器（鼠标器（Mouse）是一种手持式的坐标定）是一种手持式的坐标定

23、位部件，由于它拖着一根长线与接口相连，位部件，由于它拖着一根长线与接口相连，外形有点像老鼠，故取名为鼠标器。鼠标外形有点像老鼠，故取名为鼠标器。鼠标是计算机引入图形操作系统后使用最频繁是计算机引入图形操作系统后使用最频繁的输入和控制设备。它用来控制屏幕上的的输入和控制设备。它用来控制屏幕上的光标快速移动，在系统软件的支持下可实光标快速移动，在系统软件的支持下可实现屏幕编辑、菜单选择、图形绘制等功能。现屏幕编辑、菜单选择、图形绘制等功能。 按工作原理来分，鼠标器可分为机械式鼠按工作原理来分，鼠标器可分为机械式鼠标和光电式鼠标。按鼠标器的按键数分类，标和光电式鼠标。按鼠标器的按键数分类，鼠标有两键

24、、三键甚至四键鼠标。按鼠标鼠标有两键、三键甚至四键鼠标。按鼠标器所用的接口分类，分为串行鼠标器、器所用的接口分类，分为串行鼠标器、PS/2鼠标器、鼠标器、USB鼠标器或无线鼠标器鼠标器或无线鼠标器等。等。 3、触摸屏、触摸屏 触摸屏是一种对物体的接触或靠近能产生触摸屏是一种对物体的接触或靠近能产生反映的定位设备。它一般是透明的，可安反映的定位设备。它一般是透明的，可安装在任何一种显示器屏幕的表面。使用时，装在任何一种显示器屏幕的表面。使用时，显示器屏幕上根据实际应用的需要显示出显示器屏幕上根据实际应用的需要显示出用户所需控制的项目或查询的内容标题供用户所需控制的项目或查询的内容标题供用户选择。

25、用户只要用手指或其他东西点用户选择。用户只要用手指或其他东西点一下所选择的项目，即可由触摸屏将此信一下所选择的项目，即可由触摸屏将此信息送到计算机中。息送到计算机中。 实际上触摸屏只是负责定位，用户通过实际上触摸屏只是负责定位，用户通过与触摸屏的直接接触，向计算机输入的与触摸屏的直接接触，向计算机输入的是接触点的坐标位置，以后的工作（选是接触点的坐标位置，以后的工作（选择项的判断、后继的操作处理）要由程择项的判断、后继的操作处理）要由程序去执行。序去执行。 按触摸原理的不同，触摸屏大致可分为按触摸原理的不同，触摸屏大致可分为五类：电阻式、电容式、表面超声波式、五类：电阻式、电容式、表面超声波式

26、、扫描红外线式和压感式。扫描红外线式和压感式。 10.2.2 输出设备输出设备1、显示设备、显示设备（1）显示设备简介）显示设备简介 显示设备种类繁多，按显示设备所用的显示设备种类繁多，按显示设备所用的显示器件分类，有阴极射线管（显示器件分类，有阴极射线管（cathode ray tube，简称，简称CRT）显示器，液晶显）显示器，液晶显示器（示器（liquid crystal display，简称，简称LCD），等离子显示器等。），等离子显示器等。 按所显示的信息内容分类，有字符显示按所显示的信息内容分类，有字符显示器，图形显示器和图象显示器三类。按器，图形显示器和图象显示器三类。按显示设备

27、的功能分类，有普通显示器和显示设备的功能分类，有普通显示器和显示终端两类。显示终端两类。 显示器和终端是两个不同的概念。显示显示器和终端是两个不同的概念。显示器的功能简单，它只能用于接收视频信器的功能简单，它只能用于接收视频信号，显示器的控制逻辑和存储逻辑都在号，显示器的控制逻辑和存储逻辑都在主机接口板中，目前使用的个人计算机主机接口板中，目前使用的个人计算机系统就是这种结构。这种显示器也称作系统就是这种结构。这种显示器也称作监视器（监视器（monitor）。）。 终端是由显示器和键盘组成的一套独立终端是由显示器和键盘组成的一套独立完整的输入完整的输入/输出设备，它可以通过标准输出设备，它可以

28、通过标准通信接口接到远离主机的地方使用。终通信接口接到远离主机的地方使用。终端的结构比显示器的结构复杂得多，它端的结构比显示器的结构复杂得多，它能够完成显示控制与存储，键盘管理以能够完成显示控制与存储，键盘管理以及通信控制等功能。及通信控制等功能。 液晶显示器（液晶显示器（LCD）是最近使用最为广）是最近使用最为广泛的显示器，液晶是液态晶体的简称，泛的显示器，液晶是液态晶体的简称，它是一种有机化合物，在一定范围内，它是一种有机化合物，在一定范围内，既具有液体的流动性，又具有分子排列既具有液体的流动性，又具有分子排列有序的晶体特性。液晶分子是棒状结构，有序的晶体特性。液晶分子是棒状结构，具有明显

29、的光学各向异性，它本身不发具有明显的光学各向异性，它本身不发光，但能够调制外照光实现信息显示，光，但能够调制外照光实现信息显示，因此使用时需要背光源。因此使用时需要背光源。（2）显示技术中的有关术语）显示技术中的有关术语 图形：图形（图形：图形（graphics）最初指没有亮）最初指没有亮暗层次变化的线条图，它只用线条的有暗层次变化的线条图，它只用线条的有无来表示形状。无来表示形状。 图像：图像（图像：图像（image）最初指具有亮暗）最初指具有亮暗层次的图。层次的图。 分辨率（分辨率（resolution）指的是显示设备）指的是显示设备所能表示的像素个数。像素越密，分辨所能表示的像素个数。像

30、素越密，分辨率越高，图像越清晰。对于率越高，图像越清晰。对于CRT显示器，显示器，分辨率取决于荧光粉的粒度、屏的尺寸分辨率取决于荧光粉的粒度、屏的尺寸和电子束的聚焦能力。和电子束的聚焦能力。 例如：例如：12英寸彩色英寸彩色CRT的分辨率为的分辨率为640480个像素，因为对角线为个像素，因为对角线为12英英寸寸=30.48cm，长和宽分别为，长和宽分别为24.384cm和和18.288cm。每个像素的。每个像素的间距为间距为0.31mm，水平方向的，水平方向的640个像个像素占显示长度为素占显示长度为198.4mm。它的显示。它的显示比例为比例为4：3（640：480）。）。 灰度级（灰度级

31、（gray level）指的是所显示像）指的是所显示像素点的亮暗差别，在彩色显示器中则表素点的亮暗差别，在彩色显示器中则表现为颜色的不同。灰度级越多，图像层现为颜色的不同。灰度级越多，图像层次越清楚逼真。灰度级取决于每个像素次越清楚逼真。灰度级取决于每个像素对应刷新存储器单元的位数和显示器本对应刷新存储器单元的位数和显示器本身的性能。身的性能。 如果用如果用4位表示一个像素，则只有位表示一个像素，则只有16级灰级灰度或颜色，如果用度或颜色，如果用8位表示一个像素，则位表示一个像素，则有有256级灰度或颜色。级灰度或颜色。 分辨率和灰度级是显示器的两个重要技术分辨率和灰度级是显示器的两个重要技术

32、指标，它们决定了显示器所能显示的质量。指标，它们决定了显示器所能显示的质量。 对对CRT器件来说，还有刷新（器件来说，还有刷新（refresh）的）的概念。每秒刷新的次数称刷新频率或扫描概念。每秒刷新的次数称刷新频率或扫描频率。结合人的视觉生理，刷新频率应大频率。结合人的视觉生理，刷新频率应大于于30次次/秒，人眼才不会感到明显的闪烁。秒，人眼才不会感到明显的闪烁。 为了不断提供刷新图像的信号，必须把图为了不断提供刷新图像的信号，必须把图像存储起来，存储屏幕图像信息的存储器像存储起来，存储屏幕图像信息的存储器叫叫“帧存储器帧存储器”或或“视频存储器视频存储器”（VRAM）。帧存储器的容量由图像

33、分辨率）。帧存储器的容量由图像分辨率和灰度级决定。和灰度级决定。 分辨率越高，灰度级越大，帧存储器需分辨率越高，灰度级越大，帧存储器需求的容量越大。如分辨率为求的容量越大。如分辨率为10241024，256级灰度的图像，存级灰度的图像，存储容量为储容量为102410248bit=1MB。帧。帧存储器的存取周期必须满足刷新频率的存储器的存取周期必须满足刷新频率的要求。容量和存取周期是帧存储器的两要求。容量和存取周期是帧存储器的两个重要技术指标。个重要技术指标。2、打印设备、打印设备 打印设备可将计算机运行结果打印输出打印设备可将计算机运行结果打印输出记录在纸上，并能长期保存。人们将一记录在纸上，

34、并能长期保存。人们将一切可以产生永久性记录的设备统称为硬切可以产生永久性记录的设备统称为硬拷贝设备。如打印机、绘图仪等。拷贝设备。如打印机、绘图仪等。 计算机的打印设备种类繁多，性能各异，计算机的打印设备种类繁多，性能各异，结构上的差别也很大。按印字原理分类，结构上的差别也很大。按印字原理分类，分为击打式和非击打式两大类。按工作分为击打式和非击打式两大类。按工作方式划分，可分为串行打印机和行式打方式划分，可分为串行打印机和行式打印机两种。所谓串行打印机，是逐字打印机两种。所谓串行打印机，是逐字打印的。行式打印机一次就可以输出一行。印的。行式打印机一次就可以输出一行。10.3 I/O接口接口10

35、.3.1 概述概述10.3.2 接口的功能和基本结构接口的功能和基本结构10.3.3 接口类型接口类型10.3.4 I/O端口及其编址端口及其编址10.3.1 概述概述 接口可以看作是两个系统或两个部件之接口可以看作是两个系统或两个部件之间的交接部分，间的交接部分，I/O接口通常是指主机接口通常是指主机与外部设备之间设置的一个硬件电路及与外部设备之间设置的一个硬件电路及其相应的控制软件。不同的设备都有其其相应的控制软件。不同的设备都有其相应的设备控制器，而它们往往都是通相应的设备控制器，而它们往往都是通过过I/O接口与主机取得联系的。主机与接口与主机取得联系的。主机与外设之间设置接口的原因有：

36、外设之间设置接口的原因有：（1）一台机器通常配有多台外设，它们）一台机器通常配有多台外设，它们各自有其设备号（地址），通过接口可各自有其设备号（地址），通过接口可实现设备的选择。实现设备的选择。（2）CPU的速度很高，而外设的速度要的速度很高，而外设的速度要低得多，并且不同的外设速度差异也较低得多，并且不同的外设速度差异也较大，通过接口可以实现数据缓冲，达到大，通过接口可以实现数据缓冲，达到速度匹配。速度匹配。（3）CPU系统总线上传送的是并行数据，系统总线上传送的是并行数据，而各种外设使用的信息格式各不相同。而各种外设使用的信息格式各不相同。有些设备上用的是模拟量，而有些是数有些设备上用的是

37、模拟量，而有些是数字量或开关量，还有些设备采用串行方字量或开关量，还有些设备采用串行方式传送数据，通过接口可实现信息格式式传送数据，通过接口可实现信息格式的转换。的转换。（4）CPU所使用的信号都是所使用的信号都是TTL电平，电平，而外设大多是复杂的机电设备，必须有而外设大多是复杂的机电设备，必须有自己的电源系统和信号电平，通过接口自己的电源系统和信号电平，通过接口可实现电平转换。可实现电平转换。（5）CPU启动外部设备工作，要向外设启动外部设备工作，要向外设发各种控制信号，外部设备也要将其工发各种控制信号，外部设备也要将其工作状态及时向作状态及时向CPU报告，通过接口可以报告，通过接口可以传

38、送这些控制命令及状态信息。传送这些控制命令及状态信息。10.3.2 接口的功能和基本结构接口的功能和基本结构1、接口的功能、接口的功能 I/O接口的主要功能包括以下几种：接口的主要功能包括以下几种：、控制和定时。控制和定时。、处理器通信。、处理器通信。、设、设备通信。备通信。、数据缓冲。、数据缓冲。、检错。、检错。 在任何一段时间内，处理器根据程序对在任何一段时间内，处理器根据程序对I/O的要求，以非预期的方式与一个或的要求，以非预期的方式与一个或几个外设进行通信。内部资源，如主存几个外设进行通信。内部资源，如主存和系统总线等，必须被包含数据输入输和系统总线等，必须被包含数据输入输出的一系列功

39、能操作所共享。因此，出的一系列功能操作所共享。因此，I/O接口的功能包含控制和定时的要求，接口的功能包含控制和定时的要求，用以协调内部资源和外设间的信息流动。用以协调内部资源和外设间的信息流动。 I/O接口必须有能力从事与处理器和与外接口必须有能力从事与处理器和与外设间的通信，处理器通信包括：设间的通信，处理器通信包括：（1）命令译码：）命令译码： （2）数据：）数据： （3）状态报告：）状态报告： （4）地址识别：）地址识别： 另一方面，另一方面，I/O接口的基本功能是数据缓接口的基本功能是数据缓冲。由于传入和传出主存或处理器的传送冲。由于传入和传出主存或处理器的传送速度很高，而许多外设速度

40、较低，所以来速度很高，而许多外设速度较低，所以来自主存的数据通常以高速发送到自主存的数据通常以高速发送到I/O接口，接口，数据保存在数据保存在I/O接口的缓冲器中，然后以接口的缓冲器中，然后以外设的数据传送速度发送到外设。当反方外设的数据传送速度发送到外设。当反方向传送时，由于数据被缓冲，内存能以高向传送时，由于数据被缓冲，内存能以高速操作。因此，速操作。因此，I/O接口必须既能以设备，接口必须既能以设备，又能以存储器速度传送。又能以存储器速度传送。 I/O接口经常负责检错，随后将差错信息接口经常负责检错，随后将差错信息报告给处理器。一类差错是设备机构和电报告给处理器。一类差错是设备机构和电路

41、故障。另一类差错是在信息从设备到路故障。另一类差错是在信息从设备到I/O接口传送时，数据位发生变化。对于接口传送时，数据位发生变化。对于传输中的差错，经常用一些校验码进行检传输中的差错，经常用一些校验码进行检测。测。2、接口的基本结构、接口的基本结构 从从I/O接口的内部结构看，在大多数接口的内部结构看，在大多数I/O接口中都包含有一些数据寄存器、地址寄接口中都包含有一些数据寄存器、地址寄存器、状态寄存器、控制寄存器和相应的存器、状态寄存器、控制寄存器和相应的控制电路。而且，为了控制的灵活性和适控制电路。而且，为了控制的灵活性和适应性，很多应性，很多I/O接口中的寄存器往往是可接口中的寄存器往

42、往是可编程的，即可以对编程的，即可以对I/O接口的功能、工作接口的功能、工作方式、操作方式、数据格式等进行预设置，方式、操作方式、数据格式等进行预设置，以满足应用场合的要求。以满足应用场合的要求。 图图10-4 接口的组成结构及连接图接口的组成结构及连接图（1）数据寄存器）数据寄存器（2）状态寄存器）状态寄存器（3）控制寄存器）控制寄存器（4）地址寄存器）地址寄存器10.3.3 接口类型接口类型 输入输出接口的分类可以从不同的角度来输入输出接口的分类可以从不同的角度来考虑。考虑。、按数据传送方式分类、按数据传送方式分类 有串行接口和并行接口。这里所说的数据有串行接口和并行接口。这里所说的数据传

43、送方式指的是外设和接口一侧的传送方传送方式指的是外设和接口一侧的传送方式，而在主机和接口一侧，数据总是并行式，而在主机和接口一侧，数据总是并行传送的。传送的。 、按功能选择的灵活性分类：有可编程、按功能选择的灵活性分类：有可编程接口和不可编程接口。接口和不可编程接口。 、按通用性分类：有通用接口和专用接、按通用性分类：有通用接口和专用接口。口。 、按数据传送的控制方式分类：有程序、按数据传送的控制方式分类：有程序控制式接口和控制式接口和DMA式接口。式接口。、按输入输出的信号分类：有数字接口、按输入输出的信号分类：有数字接口和模拟接口。和模拟接口。 10.3.4 I/O端口及其编址端口及其编址

44、 CPU与外设通信时，传送的信息主要包括与外设通信时，传送的信息主要包括数据信息、状态信息和控制信息。在接口数据信息、状态信息和控制信息。在接口电路里，这些信息分别进入不同的寄存器，电路里，这些信息分别进入不同的寄存器，通常将接口电路中的这些寄存器称为通常将接口电路中的这些寄存器称为I/O端口（端口（port）。在一般的接口电路中都要）。在一般的接口电路中都要设置以下几种端口：数据端口、状态端口设置以下几种端口：数据端口、状态端口和命令端口。和命令端口。 CPU对对I/O端口的访问采用的是与访存类端口的访问采用的是与访存类似的按地址访问方式，即为每一个似的按地址访问方式，即为每一个I/O端端口

45、分配一个地址，又称为口分配一个地址，又称为I/O地址或地址或I/O端口号，端口号，CPU通过给出通过给出I/O端口地址访问端口地址访问相应的相应的I/O端口，也即访问相应的设备。端口，也即访问相应的设备。 CPU对对I/O端口的编址方式主要有两种：端口的编址方式主要有两种：一是单独编址方式，二是统一编址方式。一是单独编址方式，二是统一编址方式。 （1）单独编址方式）单独编址方式 单独编址方式是指系统使用一个不同于主单独编址方式是指系统使用一个不同于主存地址空间之外的单独的一个地址空间，存地址空间之外的单独的一个地址空间，为外围设备及接口中的所有为外围设备及接口中的所有I/O端口分配端口分配I/

46、O地址。在这种方式下，地址。在这种方式下，CPU指令系统指令系统中有专门的用于与设备进行数据传输的输中有专门的用于与设备进行数据传输的输入入/输出指令，对设备的访问必须使用这输出指令，对设备的访问必须使用这些专用指令进行。些专用指令进行。 单独编址方式的优点：一是单独编址方式的优点：一是I/O端口的地端口的地址没有占用主存的地址空间；二是址没有占用主存的地址空间；二是I/O端端口的地址码较短，地址译码器设计及实现口的地址码较短，地址译码器设计及实现简单，译码时间也较短。其缺点是：只能简单，译码时间也较短。其缺点是：只能使用专用输入使用专用输入/输出指令访问输出指令访问I/O设备，设备，对对I/

47、O设备操作的程序设计灵活性较差。设备操作的程序设计灵活性较差。（2）统一编址方式）统一编址方式 统一编址方式是指统一编址方式是指I/O端口与主存单元使端口与主存单元使用同一个地址空间进行统一编址。在这种用同一个地址空间进行统一编址。在这种方式下，方式下，CPU指令系统中无需设置专门的指令系统中无需设置专门的与设备进行数据传输的输入与设备进行数据传输的输入/输出指令，输出指令，I/O端口被当成主存单元同样对待，对主端口被当成主存单元同样对待，对主存单元进行访问和操作的指令同样可以用存单元进行访问和操作的指令同样可以用于对于对I/O端口的访问和操作。端口的访问和操作。 统一编址的优点：可以使用访存

48、指令访问统一编址的优点：可以使用访存指令访问I/O，对，对I/O设备操作的程序设计灵活性设备操作的程序设计灵活性较好。其缺点是：较好。其缺点是：I/O端口的地址占用了端口的地址占用了主存的部分地址空间，对主存的部分地址空间，对I/O端口访问的端口访问的地址译码更复杂。地址译码更复杂。10.4 程序查询方式程序查询方式10.4.1 程序查询流程程序查询流程10.4.2 程序查询方式的接口电路程序查询方式的接口电路 程序查询方式中，数据在程序查询方式中，数据在CPU和和I/O模块模块之间交换，之间交换，CPU执行一个能直接控制执行一个能直接控制I/O操作的程序，这个程序包括检测设备的操作的程序，这

49、个程序包括检测设备的状态，发送读写命令和数据传送。当状态，发送读写命令和数据传送。当CPU发送一个命令到发送一个命令到I/O模块时，模块时，CPU必必须处于等待状态直到须处于等待状态直到I/O操作完成。如操作完成。如果果CPU的速度快于的速度快于I/O模块，则模块，则CPU必须必须等待。等待。10.4.1 程序查询流程程序查询流程 图图10-5（a）为单个设备的程序查询图。）为单个设备的程序查询图。从图中可以看出，程序查询方式的关键从图中可以看出，程序查询方式的关键在于不断查询在于不断查询I/O设备是否准备就绪，设备是否准备就绪，如果准备就绪才发送读如果准备就绪才发送读/写命令开始数据写命令开

50、始数据交换。如果有多个交换。如果有多个I/O设备时，设备时，CPU则则按照各个设备在系统中的优先级别逐级按照各个设备在系统中的优先级别逐级进行查询。其查询图如图进行查询。其查询图如图10-5（b）。）。 图图10-5 设备的程序查询图设备的程序查询图 完成这种查询通常需要执行三条指令：完成这种查询通常需要执行三条指令：测试指令：查询设备是否准备就绪。测试指令：查询设备是否准备就绪。传送指令：设备准备就绪时，执行传送指传送指令：设备准备就绪时，执行传送指令开始传送数据。令开始传送数据。转移指令：如果设备没有准备好，则执行转移指令：如果设备没有准备好，则执行转移指令，转移到继续测试设备状态处。转移

51、指令，转移到继续测试设备状态处。 程序查询方式的工作过程为：程序查询方式的工作过程为：（1）预置传送参数：在传送数据之前，）预置传送参数：在传送数据之前，由由CPU执行一段初始化程序，预置传送执行一段初始化程序，预置传送参数，传送参数有存取数据的主存缓冲参数，传送参数有存取数据的主存缓冲区首地址和传送数据的设备地址等。区首地址和传送数据的设备地址等。（2）向外设接口发出命令字：当）向外设接口发出命令字：当CPU选选中一台外设之后，执行输出指令向外设中一台外设之后，执行输出指令向外设接口发出命令字，启动外设，为接收数接口发出命令字，启动外设，为接收数据或者发送数据做好准备。据或者发送数据做好准备

52、。（3）从外设接口取回状态字：）从外设接口取回状态字：CPU执行输执行输入指令，从外设接口中取回状态字并进入指令，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。行测试，判断数据传送是否可以进行。（4）查询外设标志：）查询外设标志：CPU不断查询状态标不断查询状态标志，如果外设未准备就绪，则志，如果外设未准备就绪，则CPU继续继续等待，直到这个外设准备就绪，并且发等待，直到这个外设准备就绪，并且发出出“外设准备就绪外设准备就绪”信号为止。信号为止。（5）传送数据：只有在外设准备好的情）传送数据：只有在外设准备好的情况下，主机和外设之间才能开始数据传况下，主机和外设之间才能开始数据传

53、送。输入时，送。输入时，CPU执行输入指令，从外执行输入指令，从外设接口的数据缓冲寄存器中接收数据；设接口的数据缓冲寄存器中接收数据；输出时，输出时，CPU执行输出指令，将数据写执行输出指令，将数据写入外设接口的数据缓冲寄存器中。入外设接口的数据缓冲寄存器中。（6）修改传送参数：在每次数据传送之）修改传送参数：在每次数据传送之后必须要修改传送参数，其中修改的内后必须要修改传送参数，其中修改的内容有：主存缓冲存储区的地址加容有：主存缓冲存储区的地址加1，传，传送个数计数器减送个数计数器减1。 （7）结束）结束I/O传送，继续执行其他程序。传送，继续执行其他程序。假如传送个数计数器的值不为假如传送

54、个数计数器的值不为0，则转到，则转到第三步继续传送，直到计数器的值为第三步继续传送，直到计数器的值为0，则表示传送结束。则表示传送结束。 程序查询流程图如图程序查询流程图如图10-6所示，其中真正所示，其中真正传送数据的操作由输入或输出指令完成。传送数据的操作由输入或输出指令完成。图图10-6 程序查询流程图程序查询流程图10.4.2 程序查询方式的接口电路程序查询方式的接口电路 程序查询方式的接口电路的组成如图程序查询方式的接口电路的组成如图10-7所示。所示。 图中的数据缓冲寄存器用来存放将要传图中的数据缓冲寄存器用来存放将要传送的数据。送的数据。D、B为两个反映设备工作状为两个反映设备工

55、作状态的标记触发器，态的标记触发器，B为工作触发器，为工作触发器，D为为完成触发器。其表示的状态为：完成触发器。其表示的状态为：图图10-7 程序查询接口电路程序查询接口电路 D=0，B=0，I/O设备处于暂停状态。设备处于暂停状态。 D=1，B=0，I/O设备已经准备就绪。设备已经准备就绪。 D=0，B=1，I/O设备正处于准备状态。设备正处于准备状态。 其中的设备选择电路用来识别本设备的其中的设备选择电路用来识别本设备的地址，当地址线上的设备号和本设备号地址，当地址线上的设备号和本设备号相符时，则相符时，则SEL有效，可以开始接收命有效，可以开始接收命令。令。 以输入设备为例，接口的工作过

56、程具体为：以输入设备为例，接口的工作过程具体为：（1）CPU发出启动外设的命令，将工作触发出启动外设的命令，将工作触发器发器B置为置为“1”态，完成触发器态，完成触发器D置为置为“0”状态。状态。（2）启动外设进入工作状态，输入设备将）启动外设进入工作状态，输入设备将数据送入数据缓冲器，数据送入数据缓冲器，CPU同时开始检测同时开始检测D触发器状态，看是否外设准备完成。触发器状态，看是否外设准备完成。（3）外设将数据传送结束后向接口发送）外设将数据传送结束后向接口发送“设备工作结束设备工作结束”信号，同时将信号，同时将D置为置为“1”，B置为置为“0”。（4）CPU检测到检测到D触发器状态变为

57、触发器状态变为 “准备准备就绪就绪”，知道数据缓冲器被输入数据占，知道数据缓冲器被输入数据占满。满。（5）CPU执行输入指令，将输入数据送至执行输入指令，将输入数据送至CPU通用寄存器，然后再存入主存的相关通用寄存器，然后再存入主存的相关存储单元。存储单元。10.5 程序中断方式程序中断方式10.5.1 中断的基本概念中断的基本概念10.5.2 中断的响应、处理过程中断的响应、处理过程10.5.3 多重中断处理多重中断处理10.5.4 程序中断方式的接口电路程序中断方式的接口电路10.5.5 中断控制器举例中断控制器举例10.5.1 中断的基本概念中断的基本概念1、中断的产生和作用、中断的产生

58、和作用 程序查询方式存在着下列明显的缺点：（程序查询方式存在着下列明显的缺点：（1）在查询过程中，在查询过程中，CPU长期处于踏步等待状态，长期处于踏步等待状态，使系统效率大大降低。（使系统效率大大降低。（2）CPU在一段时在一段时间内只能和一台外设交换信息，其他设备间内只能和一台外设交换信息，其他设备不能同时工作。（不能同时工作。（3）不能发现和处理预先）不能发现和处理预先无法估计的错误和异常情况。无法估计的错误和异常情况。 为了提高输入输出能力和为了提高输入输出能力和CPU的效率，的效率，程序中断方式被引进计算机系统。程序程序中断方式被引进计算机系统。程序中断方式的思想是：中断方式的思想是

59、：CPU在程序中安排在程序中安排好在某一时刻启动某一台外设，然后好在某一时刻启动某一台外设，然后CPU继续执行原来程序，不需要像查询继续执行原来程序，不需要像查询方式那样一直等待外设的准备就绪状态。方式那样一直等待外设的准备就绪状态。一旦外设完成数据传送的准备工作时，一旦外设完成数据传送的准备工作时，便主动向便主动向CPU发出一个中断请求，请求发出一个中断请求，请求CPU为自己服务。为自己服务。 在可以响应中断的条件下，在可以响应中断的条件下，CPU暂时中暂时中止正在执行的程序，转去执行中断服务止正在执行的程序，转去执行中断服务程序为中断请求者服务，在中断服务程程序为中断请求者服务，在中断服务

60、程序中完成一次序中完成一次CPU与外设之间的数据传与外设之间的数据传送，传送完成后，送，传送完成后，CPU仍返回原来的程仍返回原来的程序，从断点处继续执行。图序，从断点处继续执行。图10-8给出了给出了程序中断方式的示意图。程序中断方式的示意图。图图10-8 程序中断方式示意图程序中断方式示意图 从图中可以看到，中断方式在一定程度上从图中可以看到，中断方式在一定程度上实现了实现了CPU和外设的并行工作，使和外设的并行工作，使CPU的的效率得到充分的发挥。不仅如此，由于中效率得到充分的发挥。不仅如此，由于中断的引入，还能使多个外设并行工作，断的引入，还能使多个外设并行工作，CPU根据需要可以启动