输入输出设备

第六章输入/输出设备调用I/O设备的层次：用户界面：操作系统为用户调用I/O设备所提供的操作界面。设备驱动程序：CPU执行设备驱动程序，送出针对具体设备的命令字，取回设备状态字。设备控制程序：设备控制器执行设备控制程序，控制设备操作。设备具体操作：涉及到设备的逻辑组成，工作原理。6.1概述•I/O设备的功能•完成信息的转换•实现人机交互•储存信息资源•促进计算机应用领域的拓展6.1概述•I/O设备的类型•输入设备•输出设备•外存储器•过程控制设备•数据终端设备•数据通讯设备6.2键盘及接口需解决：采用硬件扫描方法查找按键位置，并转换为相应代码。按键的定位、转换。6.2.2硬件扫描键盘1.定义2.组成列译码振荡器计数器ROM接口键盘8行×16列比较器行译码锁定信号(1)键盘矩阵128键8行×16列每键7位位置码扫描码列译码振荡器计数器ROM接口键盘8行×16列比较器行译码锁定信号(2)计数器（7位）在振荡器控制下对所有字键轮流扫描查询，查找按键。(3)符合比较器键盘矩阵列线输出与列译码输出比较，以确定按键位置。(4)ROM实现代码转换：ROM单元地址：字键位置码ROM单元内容：字键ASCII码3.转换过程计数器计数计数值等于按键位置码比较器送出锁定信号计数器停止计数按计数值（扫描码）访问ROM获得按键ASCII码接口通过键盘扫描程序识别按键位置，并转换为相应代码。6.2.3软件扫描键盘1.定义2.扫描方法(1)逐行扫描法例.简易扫描式键盘1）键盘矩阵+5V012301232）扫描流程按键后产生中断请求，CPU响应，执行扫描子程序：行线送全0列线中有0？i=0第i行送0，其余行送1列线中有0？获得按键行列位置位置码ASCII码转显示程序YNYNi=i+1(2)行列扫描法例.IBMPC键盘1）键盘结构（送译码器）列译码键盘16行×8列行译码8048计数信号扫描码（送接口）初始化2）工作过程扫描键盘8048控制行列扫描：判哪列有按键判哪行有按键先逐列为1步进扫描，再逐行为1步进扫描，获得按键位置码（扫描码）串行传送扫描码8048串行扫描码接口移位R并行扫描码接口申请中断中断处理CPU执行键盘中断子程序,从接口取扫描码ASCII码存入键盘缓冲区。硬件组成6.3显示设备及接口显示器适配器显示器件（控制器、接口）（CRT、LED、PDP、LCD…）本节主要讨论：CRT显示器成象原理、屏幕显示与显示缓存的对应关系显示方式、屏幕显示与显示缓存的对应关系控制器接口显示器适配器显示器件CPU6.3.1CRT显示器的显示方式与常见显示规格•相关术语图形-用摄像机输入，数字化后逐点存储，占用空间大；图像-存储绘图命令和坐标分辨率-显示器所能表示的像素个数；灰度级-黑白显示器中所显示的像素点的亮暗差别分辨率和灰度级决定了图的质量6.3.1CRT显示器的显示方式与常见显示规格•相关术语刷新-为了得到稳定的图像显示，电子束必须不断重复扫描整个屏幕；刷新/视频存储器-为了不断提供刷新图像的信号，必须把一帧图像信息存储在刷新存储器中。帧--1秒钟时间里传输的图片的帧数，也可以理解为图形处理器每秒钟能够刷新几次。随机扫描-电子束只在需要作图的地方扫描，不必全屏扫描；光栅扫描-TV中，要求图像充满整个画面，全屏扫描6.3.1CRT显示器的显示方式与常见显示规格显示方式字符/数字(A/N)方式：图形(APA)方式：以字符为显示单位以点(象素)为显示单位显示规格显示方式分辨率颜色A/N：一帧画面显示的字符数（字符行数×列数）APA：一帧画面显示的象点数（每线点数×线数）分辨率25×80640×200适配器提供显示规格如VGA卡：A/N：APA：25×40、25×80，320×200、∼2色、4色800×600，2色、256色显示器本身的分辨率应满足显卡提供的分辨率。1.CRT结构6.3.2光栅扫描成象原理荧光屏电子枪聚焦系统水平偏转垂直偏转显示头视频放大扫描控制视频信号水平同步信号垂直同步信号2.扫描方式电子束无固定扫描路径，随机扫描：控制电路复杂。光栅扫描：电子束扫描路径固定（自上而下，从左向右全屏扫描），控制电路简单。3.光栅的形成水平正扫水平回扫垂直回扫水平偏转线圈加锯齿波电流,形成水平扫描线（行扫描）垂直偏转线圈加锯齿波电流,使水平线垂直移动（场扫描）行扫描电流：场扫描电流：4.扫描频率fx=fy行频fx：fy：场频s：一帧线数s×帧频不低于25HZ扫描顺序逐行扫描：隔行扫描：水平、垂直同步分别控制电子束X向与Y向偏转IRGB颜色5.象点存在的因素视频=0，点暗红象点一帧一遍扫完位置：（一帧一场）场频=帧频一帧两遍扫完（一帧两场）场频=2帧频亮度：颜色：视频信号控制电子束通、断视频=1，点亮红、绿、蓝三基色控制红点绿点蓝点01001100淡红0010绿1010淡绿0111白一帧画面-由一定数量的平行的扫描线形成，这些扫描线在一个垂直的场扫描控制下均匀地、自上而下地分布于整个画面。例.2513字符发生器，6.字符点阵的形成与屏幕组织可提供64种字符点阵字符点阵图形：（1）字符发生器产生字符点阵代码。（7×9）（5×8点阵）…….……..字符点阵代码：111111100010000001000000100000010000001000000100000010000001000ROM字符译码64×8单元行译码字符编码（ROM高6位地址）扫描线序号（ROM低3位地址）输出例.ABCDEF（2）屏幕组织每行字符逐线扫描。字符7×9，字符区9×141）扫描顺序2）间隔横向间隔2点（消隐）纵向间隔5线（消隐）横向间隔-为使屏幕上显示的字符不挤在一起，一排的各字符之间留出若干点的位置。纵向间隔：排与排之间留出若干条扫描线作为排间的纵向间隔。6.3.3屏幕显示与显示器缓存(VRAM)的对应关系显存功能数据缓冲屏幕刷新对显存的操作直接影响屏幕显示。对应关系表现在：显存内容和容量的确定、显存地址组织、信息转换、同步控制。若显示规格为25行×80列，（1）A/N方式VRAM内容：基本容量=25×80=2KB1.显存内容和容量字符的编码（ASCII码）VRAM容量：（一字节存放一字符编码）若考虑字符属性，显存容量增加。分辨率：C列*L行，一个字符的编码与属性、颜色占n字节则VRAM的总容量≥C*L*n字节（2）APA方式图形的象点代码VRAM内容：（一位存放一点，单色）VRAM容量：若显示规格为640点×200线，基本容量=8640×200=16KB若考虑颜色分辨率不变：颜色容量容量不变：颜色分辨率分辨率：C列*L行像素，每个像素的颜色用n位2进制代码表示则VRAM的总容量≥C*L*n位屏幕显示从左向右，自上而下，显存地址从低到高安排。2.显存地址组织P3303.信息转换能实现将A从屏幕左上角逐渐移向屏幕右下角吗？显存单元的地址由屏幕显示的行、列号决定。0127901224ABGF行号决定高位地址列号决定低位地址AAAAAA能实现在屏幕上将一行字符自下而上地滚动吗？能实现让一个图形在屏幕上旋转吗？如何将显存中的信息（字符编码/图形点代码）转换为字符/图形显示在屏幕上。（1）A/NVRAMA编码N编码D编码VRAMA点阵B点阵C点阵D点阵N点阵ROM屏幕移位寄存器并行串行AND字符编码字符发生器扫描时序一行点阵代码(并)移位器视频信号(串)显示头（2）APAVRAM屏幕移位寄存器并行串行一字节点代码(并)移位器视频信号(串)显示头0000111100000000000010010VRAM000000000000100100001111视频的发送与电子束扫描严格同步：4.同步控制P331电子束扫描到某点位置，相应视频应同时送到，控制点亮或不亮。需解决：何时访问显存，取字符编码或图形点代码？以控制产生视频信号。何时发水平同步信号？何时发垂直同步信号？以控制电子束扫描。在显示器中设置若干级计数器，对显示器点频进行若干级分频，产生相应控制信号。例.显示规格25行×80列，（1）A/N方式字符7×9,字符区9×147299点514线80字符25行设置4级计数器1）点计数器：点计数器字符计数器线计数器行计数器对一个字符的一行点计数。点频9：1一次点计数循环访问一次VRAM、ROM。2）字符计数器：对一帧的字符列计数。(80+l)：1一次字符计数循环发一次水平同步信号。3）线计数器：对一行字符的扫描线计数。14：1线计数值提供ROM行地址。4）行计数器：对一帧的字符行计数。(25+m)：1帧频一次行计数循环发一次垂直同步信号。字符计数值提供VRAM列地址（低地址）。行计数值提供VRAM行地址（高地址）。例.显示规格800点×200线、单色（1）APA方式8点200线100字节设置几级计数器？何时访问VRAM？何时发水平、垂直同步信号？如何提供VRAM行、列地址？8点点计数器字节计数器线计数器点频8：1(640/8+l)：1480+m：1设彩色图形显示器的分辨率：640*480，可显示16种颜色则VRAM总容量=640*480*4=150KB6.4打印设备及接口P3366.4.1打印机分类工作方式串行打印：并行打印：逐字打印逐行打印（每次打印一行字符或一行中的相同字符。）印字方式击打式：非击打式：通过机械击打将字符打印在纸上。通过非机械方式印字。字符产生方式字模式：点阵式：用固定字模表示字符。用点的矩阵表示字符。6.3.2点阵针式打印机1.打印方式字符方式：字符编码2.基本结构字符发生器（按列组织）一列点阵代码(并行)打印针图形方式：图形点代码(并行)打印针控制器打印头印字机械装置打印机子系统接口（1）打印头电磁铁导向管打印针导板衔铁弹簧纸色带滚筒印字原理：在电磁铁线圈中加电流，驱动打印针移动。（2）打印机控制器微处理器：局部存储器执行打印机主控程序。RAM：入/出端口：字符缓冲区(存放一行打印字符)字符发生器代码=1,加电流,针移动。3.打印过程（字符方式）ROM：输入数据，输出状态。数据锁存：将一列点阵代码送打印头，控制打印针的移动代码=0,不加电流,针不动。电机驱动：控制打印头横移，走纸。（1）初始化设置入/出端口工作状态，检测某些关键部件是否正常。（2）接收代码主控程序调用打印中断子程序，完成打印。（3）打印处理初始化完成，打印机申请中断。主机执行中断处理程序，向打印机传送字符代码。控制字符：转功能码处理程序。字符打印字符：送RAM，满一行(或收到一个字符)转入打印。打印完一行字符(或一个字符)，打印机申请中断。主机响应，继续向打印机传送字符代码。6.5磁盘P349记录信息分布在盘片的两个记录面上，每道分为若干磁道，每道分为若干扇区•相关术语磁道：读/写时，盘片旋转而磁头固定不动。盘片旋转一周，磁头的磁化区域形成一个磁道。道密度：沿径向，单位距离的磁道数。扇区：一个磁道沿圆周划分为若干扇区。位密度：沿磁道圆周，单位距离可记录的位数。各道位密度不同，道容量相同•磁盘存储器技术指标非格式化容量=面数*（道数/面）*内圈周长*最大位密度格式化容量=面数*（道数/面）*（扇区/道）*（字节数/扇区）•寻道对磁道进行数据读写时，磁盘控制器发出命令使磁头臂移动到指定位置。•寻道时间•平均寻道时间各种可能的寻道所需时间的平均值。•旋转延迟磁头移动到指定磁道上后，读写数据等待磁盘旋转到指定的扇区所需的时间。•平均旋转延迟磁盘旋转半周的时间。•数据传输率•廉价冗余磁盘阵列（RAID）并行处理原理引入磁盘系统；采用温盘，多台磁盘构成同步化的磁盘阵列，数据展开存储在多台磁盘上，数据传输带宽↑，冗余技术提高可靠性；对多台磁盘机同步控制，缓冲器使数据同步。RAID容量大、数据传输率高、功耗低、体积小、成本低、便于维护。•磁盘阵列组成控制CPU控制存储器串行口数据通路主机接口主机…磁盘接口磁盘接口磁盘接口磁盘接口1磁盘接口2磁盘接口N磁盘阵列的控制中心，由微处理器实现接收和分析主机操作命令，调度和管理磁盘阵列数据通路，组织和执行设备命令直接连接磁盘驱动器的接口数据的分配与集中，缓冲，奇偶校