输入输出系统课件

第五章输入输出系统

-

□概述

□外部设备

□I/O接口

□程序查询方式

□程序中断方式

□DMA方式

I/OSVRMI

5.1概述

、输入输出系统的发展概况心经历4个阶

＞早期阶段

＞接口模块和DMA阶段

＞通道阶段

＞I/O处理机阶段

i/lswtrai

1、--早-期阶段

□CPU和外设分散连接、串行工作、耦合性

强，机器速度慢、价格高。

主存CPUL^>i/o设备

外设工作在查询模式下。

while(busy==1);

Dosomething

Ssmm

2、接口模块与DMA阶段

□具有总线模式，主机通过各种接口连接外

还具有仲断或DMAW闹—

设备寻址

速度匹配

格式转换

IZtsymni电平转换

2、接口模块与DMA阶段

l/lsymni电平转换

3、通道结构

□通）是用来负责管理I/O设备以及实现主存

与1/Q设备"或交换信息的而TFW?从

属于CP而专用处理器L

□通道具有专门指令，能独立执行由通道指

令编写的输入输出程序。

1/1amm

3、通道结构

□通道是用来负责管理I/O设备以及实现主存

与I/O设备之间交换信息的部件，可视为从

属于CPU的专用处理器。

□通道具有专门指令，能独立执行由通道指

令编写的输入输出程序。

通道并不能完全把CPU解放出来，

CPU还要进行诸如码制转换之类的工作。

1/11syatenr

4、外围处理机

□外围处理机又称为I/O处理机，独立于主机

工作，除了具备通道功能之外，还具备码

制转换、格式处理、数据校验等功能。

1/lsNtm

查询

i/lsvnm

外设外设

外设

DMA

外设

i/lsvnm

通道

i/lsmr

外围处理机

1/•smiw

二、输入输出系统的组成

操作码地址码

□!/0软件，人＞(—

丁两旨令:CPU指令操作码命令码设备码

/操作码：I/O指令标志

/命令码：指令功能，读、写、检测、控制命令

/设备码：地址码

＞通道指令：

通道自身的指令，用于执行I/O操作，存放于主

存，由通道执行，完成输入输出功能

＞在具有通道的计算机中，I/O指令不负责数

、据输入输出，而主要完成启停设备、通道控

制，实际数据传输由通道完成。

UISMStUT

:、输入输出系统的组成

□I/O硬件：通--道--。-设-备--控制_-器-。_设备

CPU一一十—一：-«^右^

［-I一存储总线

<A|数।墨j———^提一:一'］［^数=据>

选择通道1数向多路通道|--1--字萩多路病至

磁

设

设

盘

备

磁盘外设备外设

控

控

控

制

制

制―|外设

器

器

磁盘外设器

磁

设

设

盘

备

磁盘T外设I备—|外设

控

控

控

制

制

制

器

器

磁盘外设器外设

三、I/O设备与主机的联系方式

□I/O设备编址方式

＞统一编址：I/O占用存储器地址空间，无须

专门的I/O指令。减少了存储器最大容量。

＞独立编址：I/O地址与存储器地址分开，采

用专门指令来访问I/O。不占用主存容量。

□设备寻址

A每百做备都有设备号,启动设备时，由I/O

指令的设备码字段直接指出设备号，经接口

中的设备选择电路选中设备。

I/O操作码命令码设备码

三、I/O设备与主机的联系方式

□传送方式

＞并行：多位同时传送，需要多条数据线，速

度快。

＞串行：一条数据线和一条地线，逐位传送，

速度慢，适用于远距离传送。

□联络方式

＞立即响应式：简单的外设，例如指示灯、继

电器等设备，随时处在待命状态，只要收到

CPU的信号，立刻做出响应。

!♦l/BSWtHT

三、I/O设备与主机的联系方式

□联络方式

＞异步工作采用应答信号联络

__——

＞同步工隹采用同步时标岭：要求外设与

CPU的工作速度完全一致

三、I/O设备与主机的联系方式

□I/O设备与主机的连接方式

＞辐射式：每台设备都配有一套控制线路和

一组信号线

＞总线式：

便于增删设备

ssmn

四、I/O设备与主机信息传送控制方式

□I/O设备与主机信息传jg的控制方式如下:

＞程序查询方/一

＞中断方式

＞DMA方式

＞通道方式

＞外围处理机方式

1/1SIMM

1、程序查询方式

□CPU和I/O串行

工作，I/O工作

时CPU原地踏步。

否

完成否

l/lsymni

2、中断方式■

□CPU和I/O部分并行工作，在中断服务子

程序中完成数据的传送。

中断服继续执行中断服

CPU—>1/0

I/O一CPU

I/O—CPU

CPU一主存

CPU向I/O发读指令CPU一I/O

I/O设备工作

ICPU做其他事情I

准备就绪

中断程序消除了CPU原地踏步的情况，但

是，CPU在响应中断请求后，必须暂停现程

序，转而去执行中断服务子程序，消耗了

CPU资源，并且，中断处理过程是有开销的。

T是

i/.syrasor

3、DMA方式

□在主存和i/o之间建立数据传送的直接通道,

由BMA控制器来莞成信息传送F需要中

断CPU的运行。进一步提高了CPU和I/O

的并行程度。

□CPU周期窃取

|/1sm

CPU执行CPU执行

程序现行程序-CPU查询等待并传输I/O数据―现行程序

查询

方式启动I/O、,

I/O准备及传送

间

CPU执行现行程序断CPU执行现行程序

程序指令执行周期结束I

中断

启动I/OI中断请求

方式

1I/O准备DO准备

cp/^b理中断服务程序

实现I/O与主机之间的传送

一个存取周期

CPU执行现行程序CPU执行现行程序

DMA存取周期结束

启动I/O1

方式DMA请求

J实现I/O与主存

I/O准备卜1/0准备/之间的传送

5.2I/O设备

□计算机中罐匝E的其余部分,称为外部

设备（I/O覆器、外设）

机

I/O电

、

光

设备磁

、

接部

mr^仁F控制器分

口

外部设备

1I

外设分类

□分为三类

＞人机交互设备：键盘、鼠标、打印机、显示

—OoO

＞信息存储设备：磁盘、光盘、磁带。。。

＞机■■机通信设备：调制解调器、A/D、

D/Aooo

i/ismBMi

鼠标器激光

输

输打印机

入

语音输入出

设

设行式

备

光笔备打印机

控

控

制

制点阵

器

扫描仪器

打印机

图像输入彩色

设备打印机

其他音箱

键盘

□键盘输入信息流程：按键、判断按下哪个

键、得到按键ASCII码

□按键确认：

＞图5.15,带有只读存储器的编码键盘原理

＞软件判断按键：行列反转法

□按键去抖

＞软件方法

才硬件方法

i/lsymr

显示器

□按显示设备所用的显示器件分类

CRT-阴极射线管(cathoderaytube)显示器

LCD-液晶显示器(liquidcrystaldisplay)

PDP-等离子显示器(PlasmadisplayPanel)o

□按所显示的信息内容分类

字符显示器、图形显示器和图像显示器。

□按显示设备的功能分类

普通显示器、显示终端两大类

阴极射线管（CRT）显示器

1/1smi

CRT显示器参数

15寸

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□SRCI

比较尺寸：15寸/带宽:带宽80MHM最高分辨率及刷新率：最高分辨率1024*768

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□850

比较尺寸：15寸/带宽:带宽75MHz/最高分辨率及刷新率:最高分辨率1024X768@60Hz

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□840

比较尺寸：15寸/带宽:带宽75M也/最高分辨率及刷新率:最高分辨率1。24X768X60

17寸

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□1099—

比较尺寸：17寸/带宽:带宽185MHz/最高分辨率及刷新率:最高分辨率最大分辨率1600

X1200

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n1180_

b破尺寸：17寸/带宽:带宽108MHz/最高分辨率及刷新率:最高分辨率1280*1024

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□1139—

比较尺寸:17寸/带宽:带宽120MH〃最高分辨率及刷新率:最高分辨率最大分辨率1280

X1024X60

—1

I/Osystem'

平板显示器

□平板显示器(FPD)：一般是指显示器的深

度小于显示屏幕对角线1/4长度的显示器件。

□分类：有液晶显示(LCD)、等离子体显示

(PDP)、场发射显示(FED)、电致发光显示

(ELD)等。

□特点：LCD本身不发光，靠调制外光源实

现显示，其余各类显示均自身发光。

I/O

液晶显示器(LCD)

□液晶是液态晶体的简称，它是一种有机化合物。

□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，使用时需要背光源。

□液晶显示具有低工作电压、微功耗、体积轻薄，

易于实现大画面显示，显示色彩优良等特点。

□应用领域

薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)

□发展方向一超薄、高亮、宽视角

i/|smeM

LCD显示器参数

IV寸

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比较尺寸：17寸/接口类型：15针D-Sub,24针DVI-D接口/亮度:300c»m2/对比度:70

01/分辩率:1280*1024/响应速度:8ms

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1849

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280*1024/响应速度:8ms

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比较17寸/。.264mm〃5针D-Sub,24针DVI-D接口/300c"m2/5。。：l/1280*1024/16m

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■1/«SVMM

等离子（PDP）显示器

□等离子体显示利用惰性气体在一定电压作

用下产生气体放电现象而实现的一种发光

型平板显示技术。

□彩色PDP技术与荧光灯显示原理相同，利

用气体放电产生紫外线，紫外线激发光致

荧光粉，荧光粉发射可见光，使用三基色

荧光粉实现红、绿、蓝三色，并使每基色

单元实现256级灰度，再进行混色达到彩

色显示的目的。

I/O

PDP显示器特点

□易于实现大面积显示（可达70英寸）。

□全色显示。利用红、绿、蓝三基色，可实

现256级灰度和2563种颜色。色纯度与CRT

相当。

□视角达160。，在所有显示技术中最佳。

□寿命长（3万小时）。

□需要在功耗、发光效率、对比度方面进行

改进，像素的间距有待进一步缩小。价格

・高

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路明经典案例

，Ulib：，

显示技术中的相关概念

□图形(graphics)

指由线和面构成的，没有亮暗层次变化的线条图，

如建筑、机械所用的工程设计图、电路图等。

早期的图形显示和处理只是局限在二值化的范围，

只能用线条的有无来表示简单的图形。

□图像(image)

指由象素描绘的，具有亮暗层次的图。

自然界的图像经计算机处理后显示的图像称作数字

图像，就是将图片上连续的亮暗变化变换为离散的

.▲一^薮字量,并以点阵列的形式显示输出。

・l/lswonr

photoshop

版本8,0,1b

构建TWAIN菜单项目,•.d

o

q

s

o

ThomasKnoll,SeetharamanNarayanan,RussellWilliams

)l

AndrewCoven,ScottByer〉MarcPawliger,CrisRys；SauTam,

StephanieSchaefer,DaveHowe,SandraAlves.,JoeAuk,o

VinodBalakrishnan,JeffChien>ChrisCox,AlanErickson,q

PaulFerguson,TodorGeorgie%JerryHarris,EdwardKandrot,d

SarahKong,TaiLuxon,JohnPennII,JohnPeterson,

TomPinkerton,TomRuark,DelSchneiderJohnWorthingtonju

MichaelScarafone,ShigOnira^JackieLincoln-Owyang^'q

KellyDavis,MarkKawano^DaveRau?GreggWilensky,

ScottCoherrRickWulff,KevinConnor,KarenGauthier.o

JohnNack,bwynWeisbergp

v

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trademarksortrademarksofAdobeSystemsIncorporatedin

theUnitedStatesand/orothercountries.

ss

10450502971584715218

Adobe

几个研究热门领域

□数字水印

＞易损数字水印、鲁棒数字水印

＞图像水印、音频水印、视频水印、文本水印以及用

于三维网格模型的网格水印

□模式识别

＞模式识别(PatternRecogn币on)是指对表征事物或

现象的各种形式的(数值的、文字的和逻辑关系的)

信息进行处理和分析，以对事物或现象进行描述、

辨认、分类和解释的过程，是信息科学和人工智能

的重要组成部分。

＞指纹识别、人脸识别、虹膜识别、人耳识别

1/1usteim

分辨率和灰度级

分辨率和灰度级决定了所显示图的质量

□象素pixels

在显示屏幕上，图形和图像都是由称作像素的光点组成的。

口分辨率resolution

显示设备所能表示的像素个数，即光点的个数。

取决于荧光粉的粒度，屏的尺寸和电子束的聚焦能力。

□灰度级graylevel

所显示像素点的亮暗差别，在彩色显示器中则表现为颜色的不

同。

1/1SHStenH

刷新和帧存储器

□视觉暂留与余晖效应

□刷新refresh

为了使人眼能看到稳定的图像，就必须在图像消失之

前使电子束不断地重复扫描整个屏幕。

每秒刷新的次数称刷新频率或扫描频率。

□视频存储器VRAM

不断提供刷新图像的信号，必须把图像存储起来，

存储图像的存储器叫“帧存储器”或“视频存储器”。

VRAM的容量由图像分辨率和灰度级决定。

1/ISyMHI

随机扫描和光栅扫描

□电子束在荧光屏上按某种轨迹运动称为扫描，控

制电子束扫描轨迹的电路叫扫描偏转电路。

口扫描方式有两种，随机扫描和光栅扫描。

＞随机扫描是控制电子束在CRT屏幕上随机地运动，从

而产生图形和字符。电子束只在需要作图的地方扫描,

而不必扫描全屏幕，所以这种扫描方式画图速度快，

图象清晰。

＞光栅扫描是电视中采用的扫描方法。在电视中，要求

图像充满整个画面，因此要求电子束扫过整个屏幕。

、、光栅扫描是从上至下顺序扫描，采用逐行扫描和隔行

■1/1system^扫描两种方式。

汉字处理技术

汉字编码标准

□国家技术监督局公布国家标准：GB2312-80

《信息交换用汉字编码字符集—基本集》，

收集了常用汉字6763个，其中一级汉字3755个。

i/ismBMi

汉字的输入方法

□键盘输入方式

□汉字编码可归纳成音码、形码和音形码

□语音输入方式：

□手写输入方式

□印刷体扫描识别

1/eSVBfflMI

汉字的存储

口汉字内码

»用于汉字信息的存储、交换、检索等的机内代

码

»内码比字形点阵码占用空间少，一般用两个字

节就可以表示汉字。

»汉字内码表示有许多种，要考虑的因素：

码位尽量短；表示的汉字要足够多；码值要

连续有序，以便于操作运算。

i/|smem

字形码

□也称字模码，目前计算机显示器和打印机都用点

阵表示汉子字形代码，它是汉字的输出形式。根

据输出汉字的要求不同，点阵的多少也不同。

□字模点阵的信息量是很大的，所占存储空间也很

大。只能用来构成“字库”，而不能用于机内存

储。

□汉字字形最初就是采用上述的点阵字形，为了提

高字形质量，以后开始采用矢量表示，继而采用

轮廓曲线，或同时采用矢量和曲线来表示数字和

拼音字母

I/Osyatemi

字模举例

1/•smt

字模举例

1/•smt

输出设备一打印机

□打印输出是计算机系统最基本的输出形式,

可将打印在纸上的信息长期保存。人们将

一切可以产生永久性记录的设备统称为硬

拷贝设备，如打印机、绘图机、静电印刷

机以及纸带穿孔机、卡片穿孔机等。

□打印机的分类

A印字原理一击打式/非击打式

＞工作方式一串行打印机/行式打印机

/图形/图像打印机，黑白/彩色打印机

l/tsmmT打印机部分内容请大家自己阅读

针式打印机

□结构

/打印头

/字车

/输纸机构

/色带机构

色带保护片色带

/拴制器

i/tswtmiii

激光打印机

□激光打印机工作步骤

＞带电

＞曝光

＞显影（显像）

＞转印

＞定影（固定）

＞清除残像

□打印速度：每分钟输出的页数（pagesperminute,简

称PPM）o

□印字分辨率：每英寸象素点个数表示（DotsperInch,

DPI）

激光发生器

栅极

擦除灯扫描反射镜

I」

初级电晕II

红光滤除器放电极

刮刀

新墨粉

橡胶刮刀显影轧辐

定影轧辐显影磁铁

、墨盒

清扫器定影灯感光鼓

清扫器•一取纸轧螺

打印纸用过的墨粉

/

宗影卜曲辑传送带鄢电清除器转换电晕进纸轧辐

ZE彩上札福放电极

定影下轧辐

激光照射

该处介质导电，

初级电晕栅极

放电极电压降至一100V

均匀充电

-600V混合电压一600V〜一I00V

（—I00V处是全黑墨点）

擦除灯泡

刮刀

鼓上均匀

新墨粉

分布的电荷

显影轧辑

光敏涂层将电荷引入地

磁铁

鼓上残留的一^铝制内鼓面

非均匀电荷

/接地

剩余墨粉直流电压

被刮刀刮去

打印纸

墨粉留在打印纸上

墨粉微粒被吸

D向T00V区域

静电消除器

墨粉微粒被吸向打印纸

转印电晕放电极

喷墨打印机

□连续式喷墨打印机

墨水回收机制，图5.25

□随机式喷墨打印机工作原理

系统供给的墨滴只在需要印字时才喷出

I/OSHtemi

5.3I/O接口

□接口可以看做两个系统或部件之间的交接

部分，它既是两种硬件设备之间的连接电

路，也可以看做两个软件之间的共同逻辑

边界。

机

I/O电

、

光

设备磁

、

接部

<^>控制器分

口

外部设备

i/|smem

•、为什么要采用I/O接口

□实现设备的选择

□实现数据缓冲，达到速度匹配

□实现数据串“并格式转换

□实现电平转换

□传送控制命令

□反映设备的状态（“忙”、“就绪”、

“中断请求”）

l/ISWOMr

:、接口的功能与组成

□总线连接方式的i/o接口电路

I/O总线

命

状

＞设备选择线设

令

态

数备

线

线

＞数据线据选

线择

＞命令线线

＞状态线I/O接口

设备

I/O接口

i/llsy-nr设备

I/O接口的基本组成

I/O接口

数据线

数据线

《数据缓冲设备选择

控外

地址线・寄存器DBR电路

制

=>命令部

逻

命令线;辑设

=>!电

备

路

状态线［设备状态命令寄存器状态

标记和命令译码器

1/lSHteffli

三、接口类型

□按数据传送方式

>并行接口：intel8255

>串行接口：intel8251

□按功能选择的灵活性分类

>可编程接口：intel8255、intel8251

>不可编程接口：intel8212

i/|smeM

三、接口类型

□按通用性分类

>通用接口：intel8255、intel8251

>专用接口：intel8279、intel8275

□按数据传送的控制方式分类

>中断接口：intel8259

>DMA接口：intel8257

i/lsvmifli

5.4程序查询方式

单

个

设

备

r

转

移

指

令

:、程序流程

传送一个数据块

ssmn

三、查询方式的接口电路

CPU端外设端

数据线⑥③输入数据

DBR

②

准备就％

B启动设备

0

启动命令「①j

□④

SEL设备工作

结束

设备选择电路

以输入为例

5.5程序中断方式

□计算机在执行程序的过程中，当出现异常

情况或特殊请求时，计算机停止现行程序

的运行，转向对这些异常情况或特殊请求

的处理，处理结束后再返回到现行程序的

间断处，继续执行原程序，这就是中断。

i/|smem

二、中断的产生

执行主程序继续执行主程序