08计算机原理3-1.ppt

1、第3章输入输出及其控制,xchen_,输入输出系统：计算机主机与外界交换信息时需要的硬、软件设备的总称，简称I/O系统。 硬件组成：外部设备、设备控制器与接口、I/O总线,外部设备 输入输出中的数据传输控制 接口 I/O设备管理,本章概要,外部设备分类及发展 字符设备 图形与图像设备 语音处理设备,3.1 外部设备,3.1.1 外部设备分类,1、人-机交互设备 输入设备：键盘、鼠标、扫描仪、语音输入设备等。 输出设备：显示器、打印机等。 2、机-机通信设备 调制解调器、数/模和模/数转换设备等。 3、辅助存储器 硬磁盘、软磁盘、磁带、光盘、闪存等,人- 机界面技术的进步,符号界面技术 图形界面

2、技术 多媒体界面技术 虚拟现实界面技术：交互性、幻觉性、沉浸感 虚拟驾驶,绿色计算机,节能 低污染 易回收 符合人体工程学,3.1.2 字符设备,键盘 字符发生器 打印设备 字符显示设备,功能：向计算机输入字符，将输入字符转换成相应的0、1码。 问题：如何由按键动作产生相应的按键编码？ 键开关：触点式、无触点式（电容式键） 按照键码的识别方法，键盘分为： 全编码键盘：用硬件电路来识别按键代码。 非编码键盘（扫描式键盘）：用较简单的硬件和专门的键盘扫描程序识别按键代码。可编程。 微型机键盘：101、102、104、105、108、109键等。,1、键盘,功能：将字符的字形数字化，即将字符字形分割

3、成mn点阵图像，用点阵码描述。 字符发生器：所有字符的点阵码组成的字库。不同的字体组成不同的字库。,2、字符发生器,（1）按打印原理分类 击打式：如爱普生针式打印机。主要应用于票据打印。 非击打式：如激光打印机、喷墨打印机。,3、打印设备,（2）按工作方式分类： 串行打印机：逐字打印。 行式打印机：一次输出一行。 页式打印机：一次输出一页。 （3）按印字结构分类： 固定字模（活字）打印。 点阵式打印。主流。,（4）打印机的主要性能指标 分辨率DPI：每英寸打印多少个点。 打印速度： 打印幅面：如A4、A5。 接口方式：大多为标准配置接口。 缓冲区：单位为KB或MB。,功能：将各种电信号变为视觉

4、信号。 显示方法：点阵法、向量法。,4、字符显示设备,显示设备：,阴极射线管（CRT） 等离子显示板（PDP） 发光二极管（LED） 液晶显示（LCD）,阴极射线管（CRT）,原理：用一个电子束密集地对荧光屏高速逐行扫描，通过对电子束的扼制，控制荧光屏上的各点的隐或现，在荧光屏上显示字符或图形。,点距：屏幕上两个相邻的荧光点之间的距离。 行频：前者是电子枪每秒在屏幕上扫描过的水平线条数。 视频带宽：每秒钟扫描的像素个数。 最高分辨率：水平显示的像素个数水平扫描线数。如800600 刷新率：显示器每秒钟重画屏幕的次数。如60HZ、75HZ、85HZ。 屏幕尺寸：指屏幕对角线长度。,CRT显示器的

5、主要技术指标,液晶显示器（LCD）,原理：基于液晶电光效应的显示器件，利用液晶的物理特性，通电时导通，排列变的有秩序，使光线容易透过；不通电时排列混乱，阻止光线透过。用偏光器控制光线的透过率，色彩则由与每个像素点对应的红、绿、蓝三个色彩过滤器过滤控制。 优点：耗电小、体积小、重量小、辐射小等 缺点：在亮度、可视角度、反应时间、寿命方面与CRT显示器有明显的差距。,灰度（黑白）：像素的的明暗程度，可用灰度级表示明暗变化的数量。 如256级灰度。 颜色（彩色）：用多位二进制表示不同颜色。如16色位图、24色位图（真彩色）、32位色图（同样是224种颜色，但增加了256阶颜色的灰度，） 显示存储器（

6、即显示缓冲区VRAM）：存放要显示的字符或图形信息，容量由空间分辨率和颜色分辨率决定。如：对1024768的空间分辨率，用3位二进制码表示的颜色等级，需要的显示存储器为10247683=230.4 KB。,灰度、颜色、显示存储器,P101,MDA 单色显示适配器 CGA 彩色图形适配器 EGA 增强的图形适配器 VGA 视频图形阵列 TVGA 超级VGA标准,视频显示标准 P100,3.1.3 图形与图像设备3.1.4 语音处理设备,该部分将来多媒体技术课程有详细介绍，暂不讨论。,3.3 接口,主机和外设之间的交接界面，通过接口可以实现主机和外设之间的信息交换。,主 机,外设识别电路,数据/命

7、令 /状态寄存器,控制电路,地址信息,控制状态信息,数据（并）,外设,控制状态,接口,数据（并/串）,端口是指接口电路中可以被CPU直接访问的寄存器，若干个端口加上相应的控制逻辑电路才组成接口。 通常，一个接口中包含有数据端口、命令端口和状态端口。 CPU通过输入指令可以从有关端口中读取信息，通过输出指令可以把信息写入有关端口。,接口与端口,端口地址：主机与外设直接通信地址。 端口地址编址方式： 独立编址：主存和I/O端口地址空间独立编址。须设置专门的I/O指令，如80X86结构的IN/OUT。 统一编址：主存和I/O端口地址空间统一编址，不设置专门的I/O指令。,I/O接口的寻址,（1）按数

8、据传送方式分类 串行接口（如鼠标接口） 并行接口（如光驱接口） （2）按功能选择的灵活性分类 可编程、不可编程接口 （3）按主机访问I/O设备的控制方式分类 程序控制、程序中断、DMA、通道接口,接口的类型,3.2 输入/输出中的数据传送控制,3.2.1 直接程序传送控制 3.2.2 程序中断控制 3.2.3 DMA控制 3.2.4 通道控制,3.2.1 直接程序传送控制,无条件传送方式： 程序查询方式：输入和输出完全是通过CPU执行程序来完成。一旦某一外设被选中并启动之后，主机将查询这个外设的某些状态位，看其是否准备就绪？若外设未准备就绪，主机将再次查询；若外设已准备就绪，则执行一次I/O操

9、作。,图3.18 程序查询方式的I/O控制器示意图,优点：简单、经济。 缺点：系统效率低。 主机和外部设备串行工作。 多个外部设备不能同时工作。 不能及时发现处理意外和异常。 适用：外设的数目不多，CPU速度不高的情况。,程序查询方式特点,3.2.2 程序中断控制,中断请求 中断响应 中断流程 中断系统组成,中断：计算机执行现行程序的过程中，出现某些急需处理的紧急情况，CPU应当暂停当前程序，先转去执行处理要紧事件的子程序；紧急事件处理完毕之后，恢复原来的状态，再继续执行原来的程序。 中断源：引起中断的事件。 中断子程序：处理要紧事件的服务子程序。,中断的基本概念,P113图3.22 CPU对

10、打印机的中断服务,1）中断源 包括：输入输出中断、数据通路中断、时钟中断、故障中断、系统中断、调试程序设置的中断。 分类1：外中断、内中断 分类2：强迫中断、自愿中断,1、 中断请求,2）中断请求的提出 P114,I / O1,I / O2,I / On,I NTR1,I NTR2,I NTRn,I NT,CPU,I / O1,I / O2,I / On,I NTR1,I NTR2,I NTRn,I NT,CPU,I NTA,1,(a) 多线中断,(b) 单线中断,原则： 不同级中断发生时，按级别高低依次处理。 高级别中断可以使低级别中断过程再中断，称为中断嵌套。但较低级中断不能使较高级中断过

11、程再中断；同级中断过程也不能被同级中断再中断。 同级中断源同时申请中断时，按事先约定的次序处理。 实现：硬件或软件。,3） 中断排队（判优）,思想： 实现方法：在I/O的各中断线路中设一个屏蔽触发器IM，CPU可用指令将它置1或置0。置0时封闭该设备的中断请求触发器INTR，使其不能将申请(“1”)发出。 作用：使同一级及低一级中断不能中断同一级及高一级的中断服务子程序。,4） 中断屏蔽,禁止中断：CPU拒绝任何中断。 实现：CPU设置了一个中断允许触发器IFF。 IFF=1 称中断开放，即CPU允许中断；指令EI IFF=0 称中断屏蔽，即CPU禁止中断，指令DI,5） 中断的禁止和开放,指

12、令顺序,K,DI,EI,L,响应中断,不响应中断,响应中断,响应中断的条件：P116 响应中断步骤： A、断点和现场的保存与恢复 B、转中断服务子程序入口：向量中断,2、中断响应,3、中断处理流程,参见P118：图 3.28,4、中断系统组成,1）程序中断控制器： 中断请求电路 中断判优电路 向量地址形成部件 2）中断服务子程序,3.2.3 DMA控制,DMA：直接存储器存取。 思想：内存与设备之间开辟一条直接数据传送通路，并把传送过程交DMA控制器进行管理，形成以存储器为中心的体系结构。 优点：传送期间不需CPU干预，CPU与DMA各自能独立地工作，挖掘了系统部件级的并行性。,DMA方式传送

13、示意图,DMA控制器,CPU,内存,I/O设备,数据缓冲寄存器DR,控制/状态寄存器CR,启动位,中断位,传送字节数记数器DC,内存地址寄存器MAR,数据,预处理 数据传送 后处理,DMA传送过程P125,（1）成组连续传送方式 CPU暂停访问主存 （2）单字传送方式 周期挪用法,DMA传送方法 P122,图3.32(a) CPU停止访问主存法,CPU,控制并,使用主存,DMA,控制并,使用主存,主存工作时间,t,DMA,不访问,DMA,不访问,DMA,访问,图3.32(c) 周期挪用法,CPU,控制并,使用主存,DMA,控制并,使用主存,主存工作时间,t,中断方式是程序切换，需要保护和恢复现

14、场；而DMA方式除了开始和结尾时，不占用CPU的任何资源。 响应时间不同： （3）中断具有对异常事件的处理能力，DMA模式主要用于大批量数据传送。,DMA和中断的区别 P126,3.2.4 通道控制,通道是一个独立于CPU的专管I/O控制的处理机，通过执行通道程序来完成I/O，可由CPU执行相应指令来启动。 一条通道指令可传送一组数据，一个通道程序可传送多组数据。多组数据全部传送完毕（即一条通道程序执行完毕），才向处理机发出一次中断。 主要针对大型计算机系统。,3.4 I/O设备管理,缓冲区技术 设备驱动程序 I/O设备分配,3.4.1 缓冲区技术,1、作用：P139 2、实现： 硬件缓冲：通

15、常设在设备中，不需要操作系统的直接管理。 软件缓冲：由内存提供，需要操作系统管理。 3、组织方式：单缓冲、双缓冲、缓冲池,缓冲区管理：以缓冲池为例。P140,缓冲区组成：缓冲首部、缓冲体。 3个队列： 空闲缓冲队列： 输入缓冲队列： 输出缓冲队列： 缓冲池工作算法：,3.4.2 设备驱动程序,定义：与设备的具体操作关系密切的程序，其任务是接收用户I/O请求，对物理设备进行控制，以实现真正的I/O操作。 工作过程：P141 （1）将应用程序中的抽象要求转换为具体要求 （2）对I/O请求进行合法性检查 （3）读出并检查设备状态 （4）传送必要的参数 （5）设置工作方式 （6）启动I/O设备,I/O

16、系统的层次结构 142页,3.4.3 I/O设备分配,（1）分配方式：静态分配、动态分配 （2）独占设备的分配虚拟设备技术 SPOOL技术 （3）共享设备的分配磁盘调度策略 先来先服务FCFS 最短寻道时间优先 扫描SCAN,本章思考题,P144习题： 1、 3、 9、 10、 11、 12、 13、 14、17、 18、 20、 25、 26、 27、 31 、32,部分习题参考答案,3.9 （A）、 （B C） 3.10 （C） 3.11 （B） 3.12 （B） 3.13 （B） 3.17 （C） 3.18 （2）,习题3.14参考答案,（1）中断申请。中断源发出中断请求。 （2）排队判优。 （3）中断响应。 （4）中断处理：细节参照教材图3.28补充。,补充习题： 一个CRT显示器的分辨率为10241024，其灰度为256级，求显示存储器的最小容量。为什么要将显示器的荧光屏进行不断的刷新？,（1）显示存储器的最小容量为 102410248b=8Mb=1MB （2）显示器的图象是用CRT电子束扫描形成，电子束扫描光点亮度保持时间为几十毫秒，为了看到不闪烁的图象，每个光点必须在其亮度消失前重复显示一次，即刷新。,P89习题2.34参考答案,（1）磁盘容量=12