计算机组成原理(唐朔飞)输出系统1 PPT.ppt

1、第五章 输入输出系统 5.1 概述 一、I/O系统的发展 二、I/O系统的组成 三、I/O设备与主机的联系方式 四、I/O设备与主机信息传送的控制方式 5.2 I/O设备 5.3 I/O接口 5.4 程序查询方式 5.5 程序中断方式 5.6 DMA方式,重点：I/O设备编址、接口、端口、指令、通道、 DMA 、中断及相关概念；I/O 设备与主机交换信息方式,难点：中断过程、DMA与主存交换数据的方法,5.1 概述,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,3. 通道结构的阶段,4. I/O处理机的阶段,二、I/O系统的组成,通道指令（CCW,Channel C

2、ontrol Word,I/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,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,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

3、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。,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）

4、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,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,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,方式：一种程序直接控制方式，输入输出完全通过CPU执行程序来完成。当外设

5、启动后，外设整个工作过程均在CPU监控下。,特点：控制简单，外设和主机串行工作，各外设间不能同时工作，系统效率很低。,程序流程：右图,四、I/O设备与主机信息传送的控制方式,1、程序查询方式：,2、程序中断方式：,方式：主机启动外设后，继续执行原来的程序。外设做好输入输出准备后向主机发送中断请求，主机接到请求后暂时中止原来执行的程序，转而执行中断服务程序，中断处理完毕后返回原来的程序继续执行。,特点：CPU和外设并行操作，提高了系统效率和随机事件的处理能力，目前计算机普遍采用该方式。,程序流程：下图,CPU 向 I/O 发读指令,CPU 读 I/O 状态,检查状态,完成否？,准备就绪,程序中断

6、方式流程,方式：主存与外设的数据传送直接由专用DMA数据硬件实现，传送期间不需要CPU干预。,特点：能保证CPU的高效率工作和高速外设在大量数据传输时的需要，但需要专用硬件，在传送的起始和结束时还需要CPU及中断系统进行预处理和后处理。,3、DMA方式：,三种方式的 CPU 工作效率比较,程序 查询 方式,程序 中断 方式,DMA 方式,第五章 输入输出系统 5.1 概述 5.2 I/O设备 一、外设概述 二、输入设备 三、输出设备 四、其它I/O设备 五、多媒体技术 5.3 I/O接口 5.4 程序查询方式 5.5 程序中断方式 5.6 DMA方式,数据的输入(输出)：完成信号转换和数据采样

7、 与接口进行连接：确定接口信号、电平标准等 与主机进行通信：设置总线速度和通信方式,一、外设概述,1、定义：,2、作用：,3、分类：,人机交互设备：键盘、鼠标、打印机、显示器 计算机信息驻留设备：磁盘、光盘、磁带 机机通信设备：调制解调器、A/D和D/A转换,除主机以外的硬件设备统称I/O设备，即外设,常见I/O设备,二、输入设备,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

8、 （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,+5V,10K,0列,1列,m-1列,0行,1行,n-1行,键盘,键,.,.,.,.,.,。,。,。,。,。,。,。,。,。,。,。,。,。,。,。,。,。,。,。,。,A键,并行接口送来 1 0 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

9、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 1 1 0 1 这样的 m 位数据,。,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,触摸屏,写字板： 直接

10、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,三、输出设备,显示器,CRT显示器,LCD显示器,PDP显示器,液晶定义： Liquid Crystal 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

11、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

12、100-200m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，Plasma Display Panel ),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 VRA

13、M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，直接控制电子束在屏幕上的移动。分辨率高，曲线平滑，复杂图形会有闪烁感。,光栅扫描图形显示器 把对应于屏幕上每个像素的信息都用存储器存起来，然后按需要显示图形的地址顺序逐个地刷新显示，屏幕上相邻像素串接而成曲线。 通用性强，灰度层次多，色

14、调丰富，显示复杂图形时无闪烁现象；产生图形有阴影效应、隐藏面消除、涂色等功能。成为目前流行的显示器。,图形显示方式：显示由点、线、面组合的平面、立体图像,图像显示方式： 显示由摄像机摄取下来的数字化逐点存储客观图像,图像输入板信号转换。它接收摄像机模拟视频信号，经A/D变为数字量存入刷存用于显示，并可传送到主机进行图像处理。处理结果送回刷存，经D/A变成模拟信号，监视器（或电视机）显示输出。采用光栅扫描方式，有显像、灰度变换、窗口技术、真彩色、伪彩色等功能,四、其它外设,1、终端设备,2、A/D转换器 D/A转换器,原理图,产品,芯片,3、汉字处理设备,汉字输入：输入码 数字码GB2313 拼音码搜狗拼音 字形码王码五笔,汉字存储： 内码存储 三字节内码 字形码存储字模点阵库