计算机组成原理PPT

计算机组成原理第五章输入输出系统Ⅰ1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§5.2I/O设备§5.3I/O接口§5.4程序查询方式§5.5程序中断方式§5.6DMA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计算机组成原理第五章输入输出系统Ⅰ2§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I/O设备间独立；CPU与I/O串行工作；增减困难主存CPUI/O设备总线连接;接口(查询\中断\DMA)管理;CPU和I/O并行工作主存CPUI/O设备1接口I/O设备2接口I/O设备n接口…总线BUS计算机组成原理第五章输入输出系统Ⅰ33.通道结构的阶段4.I/O处理机的阶段通道作为辅助处理器代替CPU管理I/O设备主存CPU通道I/O设备1……设备控制器I/O设备2设备控制器I/O设备n设备控制器I/O处理机与CPU并列地位主存主CPUI/OCPU1I/O设备1…设备控制器1I/O设备2I/O设备1I/OCPU2I/OCPU3存控…设备控制器mI/O设备2…………计算机组成原理第五章输入输出系统Ⅰ4二、I/O系统的组成I/O软件I/O硬件通道指令（CCW,ChannelControlWordI/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、查询状态和操作操作码命令码设备码通道式：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计算机组成原理第五章输入输出系统Ⅰ5内存空间FFFFFH供I/O接口使用00000HI/O端口NI/O端口2I/O端口0I/O端口1系统各I/O端口配置地址64KBI/O空间…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。计算机组成原理第五章输入输出系统Ⅰ6统一编址的优缺点优点：（1）不需要专门的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。计算机组成原理第五章输入输出系统Ⅰ7I/O端口NI/O端口2I/O端口0I/O端口1系统各I/O设备配置地址64KB内存空间FFFFFH00000H1MBFFFFHI/O空间…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。计算机组成原理第五章输入输出系统Ⅰ8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）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。计算机组成原理第五章输入输出系统Ⅰ92.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CPUI/O地址数据CPUI/O地址数据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主机外设外设外设主机外设外设外设计算机组成原理第五章输入输出系统Ⅰ105.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数据字命令字命令字01101000起始位终止位9.09ms2×9.09ms“Ready”“Strobe”I/O接口I/O设备CPU并行串行起始位终止位9.09ms2×9.09ms计算机组成原理第五章输入输出系统Ⅰ11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：从I/O接口中读一个字到CPU从CPU向主存写入一个字CPU向I/O发读指令CPU读I/O状态检查状态完成否未准备就绪现行程序是出错已准备就绪否计算机组成原理第五章输入输出系统Ⅰ122、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KK+1中断服务程序现行程序…启动I/O……计算机组成原理第五章输入输出系统Ⅰ13CPU向I/O发读指令CPU读I/O状态检查状态完成否？CPU做其他事情I/O设备工作准备就绪CPUI/O从CPU向主存写入一个字CPU主存从I/O接口中读一个字到CPUI/OCPU中断请求I/OCPU出错是否未错程序中断方式流程计算机组成原理第五章输入输出系统Ⅰ14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：计算机组成原理第五章输入输出系统Ⅰ15三种方式的CPU工作效率比较存取周期结束CPU执行现行程序CPU执行现行程序DMA请求启动I/OI/O准备I/O准备一个存取周期实现I/O与主存之间的传送CPU执行现行程序CPU查询等待并传输I/O数据CPU执行现行程序启动I/OI/O准备及传送指令执行周期结束CPU执行现行程序CPU执行现行程序启动I/O中断请求I/O准备I/O准备CPU处理中断服务程序实现I/O与主机之间的传送间断启动I/O启动I/OI/O准备中断请求启动I/OI/O准备一个存取周期DMA请求程序查询方式程序中断方式DMA方式I/O准备及传送计算机组成原理第五章输入输出系统Ⅰ16第五章输入输出系统§5.1概述§5.2I/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§5.3I/O接口§5.4程序查询方式§5.5程序中断方式§5.6DMA方式计算机组成原理第五章输入输出系统Ⅰ17数据的输入(输出)：完成信号转换和数据采样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，即外设计算机组成原理第五章输入输出系统Ⅰ18DeviceBehaviorPartnerDatarate(KB/sec)Keyboardinputhuman0.01Mouseinputhuman0.02Voiceinputinputhuman0.02Scannerinputhuman400.00Voiceoutputoutputhuman0.60Lineprinteroutputhuman1.00Laserprinteroutputhuman200.00Graphicsdisplayoutputhuman60,000.00Modeminputoroutputmachine2.00-8.00Network/LANinputoroutputmachine500.00-6000.00Floppydiskstoragemachine100.00Opticaldiskstoragemachine1000.00Magnetictapestoragemachine2000.00Magneticdiskstoragemachine2000.00-10,000.00计算机组成原理第五章输入输出系统Ⅰ19二、输入设备设备功能输入程序、数据、声音、文字、图形、图象输入方式键盘方式、指点方式、手写方式、扫描方式常用设备键盘、鼠标、写字板、扫描仪键盘鼠标写字板扫描仪计算机组成原理第五章输入输出系统Ⅰ20键盘是微机中不可缺少的输入设备，目前普遍使用的有101键、104键和108键等几种形式，101键的键盘没有Windows菜单快捷键。几种键盘的主要差别是Windows功能键的多少，不影响使用。[101标准键盘][104标准键盘][带托手板的104键盘][具有人体工程学的键盘]计算机组成原理第五章输入输出系统Ⅰ21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（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。计算机组成原理第五章输入输出系统Ⅰ22并行接口并行接口+5V10K0列1列m-1列0行1行n-1行键盘键.....。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。…...011A键1101...并行接口送来10…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110…1这样的m位数据110...。1101...二极管计算机组成原理第五章输入输出系统Ⅰ23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计算机组成原理第五章输入输出系统Ⅰ24触摸屏计算机组成原理第五章输入输出系统Ⅰ25写字板：直接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。摄像机扫描仪计算机组成原理第五章输入输出系统Ⅰ26三、输出设备设备功能将计算机处理结果信息按所要求形式展示输入方式文字、图形、图像、声音，常用设备显示器、打印机、绘图仪显示器打印机绘图仪计算机组成原理第五章输入输出系统Ⅰ27显示器显示器：显示计算机的输出信息输出设备。有不同的类别、显示方式和分辨率[类别]按显示颜色分类：有单色显示器和彩色显示器。按扫描方式分类：隔行扫描显示器和逐行扫描显示器按显像原理分类：CRT、LCD、PDP按显示器功能分类：普通显示器、显示终端[方式]显示器的显示方式:字符方式\图形方式\图像方式在字符方式下屏幕被划分为一个个固定的行和列，按行列方式将字符显示出来;在图形方式下屏幕上的每个像素都可以被设置成不同的色彩和亮度，并由像素组合成字符或图形。[分辨率]分辨率指屏幕有多少个发光点，由显卡、显示器决定。单色字符显示标准（MDA):像