计算机组成原理课件.pptx

1、第9章 输入输出接口 第10章 常用输入输出设备目录退出退出第9章输入输出接口9.1概述9.2数据传送方式9.3并行输入输出接口9.4串行输入输出接口9.5DMA控制器9.1概述(1)按数据传送方式分类有串行接口和并行接口。(2)按主机访问I/O设备的控制方式分类可分为程序查询式接口、中断接口、DMA接口，以及更复杂一些的通道控制器、I/O处理机。(3)按功能选择的灵活性分类有可编程接口和不可编程接口。(4)按通用性分类有通用接口和专用接口。(5)按输入输出的信号分类有数字接口和模拟接口。9.1概述9.1.1外设接口的功能接口种类繁多，功能各异，主要的功能可以概括为以下几个方面：(1)数据缓冲

2、功能在计算机与外部设备之间的信息传送过程中，被传送数据可在接口中缓冲，以匹配两者之间速度上的差异。(2)数据转换功能在串行通信中，接口可将数据进行并/串和串/并转换。(3)识别设备正像存储器中每个单元有一个地址一样，每个I/O设备也有地址。(4)输入输出功能接口能按照读写信号从总线上接收CPU送来的数据和控制信息，或把数据和状态信息发送到总线上。9.1概述(5)传送主机命令这样能反映设备的状态。(6)启停控制功能接口应能根据CPU的要求，对所选定的外部设备实现启动和停止的功能。(7)其他除上述功能外，接口还应具有检错纠错功能、中断功能、时序控制功能等。9.1概述9.1.2外设接口的一般结构接口

3、与CPU之间传送的信息分为数据信息、控制信息和状态信息。一个简单的外设接口如图9 1所示。图9-1CPU与外设之间的接口9.1概述(1)数据信息是I/O设备与CPU交换的信息，一般有8位、16位、32位。1)数字量。2)模拟量。3)开关量。(2)状态信息这类信息是有关I/O设备本身工作状态信息。(3)控制信息是CPU向I/O接口输出控制I/O设备的信息。9.1概述9.1.3I/O端口编址方式(1)统一编址法统一编址是指把输入/输出设备中的控制寄存器、数据寄存器、状态寄存器等也和内存单元一样看待，将它们和内存单元联合在一起编写地址。(2)单独编址法在这种编址方式中，内存地址空间和I/O端口地址空

4、间是相对独立的，分别单独编址。9.1概述图9-3单独编址法的硬件结构示意图9.2数据传送方式1.程序控制传送方式2.中断方式3.直接存储器存取(DMA)方式4.I/O通道控制方式5.外围处理机方式9.2数据传送方式9.2.1程序控制传送方式1.无条件传送方式2.查询传送方式(1)程序查询传送方式接口组成程序查询方式的接口一般由设备选择电路、数据缓冲寄存器和设备状态标志(标志位)组成，如图9-4所示9.2数据传送方式图9-4查询方式接口组成示意图9.2数据传送方式图9-5程序查询方式工作过程(2)程序查询方式的工作过程程序查询方式的工作过程按如下步骤进行，如图9-5所示。1)CPU先向I/O设备

5、发出命令，表示要进行数据传送。9.2数据传送方式2)CPU从I/O接口中读入状态字。3)CPU检查状态字中的状态，看看数据交换是否可以进行。4)如果设备未就绪，则CPU重复执行2)、3)步，直到该设备准备好并发出“READY”信号为止。5)CPU执行I/O指令，从I/O设备读出数据或把数据传送到I/O设备端口寄存器中，同时把I/O设备状态字复位。6)修改内存地址，计数值减1。7)计数值为0，结束I/O程序，继续执行其他程序，否则返回2)步进行循环。9.2数据传送方式9.2.2DMA传送方式直接存储器存取DMA(Direct Memory Access)是由硬件来控制外设与内存直接进行数据交换，

6、不通过CPU而直接对存储器进行访问，它是由专门的硬件装置DMA控制器(DMAC)来完成。1.DMA的三种传送方式(1)单字节传送方式(2)成组传送方式(3)请求传送方式9.2数据传送方式2.DMA方式的处理过程(1)DMA处理过程DMAC对存储器的访问与CPU类似，一般利用系统总线来进行。图9-6DMA传送示意图9.2数据传送方式1)CPU应先把DMAC的某些参数，包括它的工作方式、要写入的存储单元的首地址以及传送字节数预先写入内部寄存器。2)一旦外设有传送要求，将向DMA控制器发出DMA请求信号DMAREQ，该信号应维持到DMAC响应为止。3)传送开始，DMAC向外部设备送读控制信号或写控制

7、信号，同时向存储器送存储单元地址的写控制信号或读控制信号，完成一个字节的传送。4)DMAC具有自动增减内部地址和计数的功能，从而判断任务是否完成，如果传送未完成，则重复3)继续进行传送，如果传送完成，DMAC将使HOLD信号无效，释放总线，使CPU恢复正常工作。9.2数据传送方式(2)DMA的操作方法在不同的系统当中，DMA有三种基本的操作方法：1)周期挪用。2)周期扩展。3)CPU停机方式。9.3并行输入输出接口9.3.1概述并行输入输出就是把一个字符的几个位同时进行传输，它具有传输速度快、效率高的优点，但由于并行通信所用的电缆较多，不适合长距离传输。所以，并行通信总是用在数据传输率要求较高

8、，而传输的距离较短的场合。9.3并行输入输出接口图9-7并行接口与外设连接示意图9.3并行输入输出接口9.3.2并行口的应用EPP(Enhanced Parallel Port)是一种通用的并口通信标准，采用这种标准可使并口的通信速度大大提高。1)STROBE：数据选通信号。2)DATA07：数据信号。3)ACKNLG：响应信号。4)BUSY：忙信号。5)PE：纸尽信号。9.3并行输入输出接口表9-1EPP并行口插口的针脚功能9.3并行输入输出接口6)SLCT：选中信号。7)INIT：初始化信号。8)ERROR：出错信号。9)AUTO FEED：自动换行信号，主机向打印机送出的控制信号，有效时

9、(低电平)表示打印完一行，打印机自动走纸一行。9.4串行输入输出接口9.4.1概述1.串行通信的基本方式串行通信方式分为同步通信方式和异步通信方式两种：(1)同步通信方式同步通信方式数据格式如图9-8所示。图9-8同步通信方式9.4串行输入输出接口(2)异步通信方式异步通信方式数据格式如图9-9所示。图9-9异步通信方式a)低于最高数据传输率的异步通信b)与最高数据传输率相同的异步通信9.4串行输入输出接口2.串行通信的数据传输方向(1)单工通信单工通信如图9-10a所示。(2)半双工通信半双工通信如图9-10b所示。(3)全双工通信全双工通信如图9-10c所示。图9-10单工、半双工、全双工

10、通信9.4串行输入输出接口9.4.2串行口的应用RS 232C是使用最广泛的串行接口标准。RS 232C规定采用一对物理连接器(但对连接器本身的物理特性没有任何定义，实际应用多为DB 25连接器和DB 9连接器)。RS 232C的物理连接如图9 11所示。图9-11RS-232C的物理连接9.4串行输入输出接口表9-2RS-232C串行口DB-25信号说明9.4串行输入输出接口表9-3RS-232C串行口DB-9信号说明1)保护地：该引脚一般与设备的底板或外壳连接，提供可靠的接地信号。2)TXD：发送数据。3)RXD：接收数据。4)RTS：请求发送。5)CTS：允许发送。6)DSR：数据设备就

11、绪。9.4串行输入输出接口7)SG：信号地。8)DCD：载波检测。9)DTR：数据终端就绪。10)RI：振铃指示。11)DSRD：数据信号速率选择。9.5DMA控制器9.5.1DMA控制器的基本概念习惯上，将DMA方式的接口电路称为DMA控制器。DMA控制器大都集成在一块大规模集成电路上，如Intel 8237等。DMA控制器一般具有以下一些硬件电路：1)源端口和目标端口地址寄存器。2)字节计数器。3)控制与状态寄存器。4)其他电路。9.5DMA控制器图9-12DMA控制器框图9.5DMA控制器9.5.2DMA传送过程DMA的数据传送过程可分为三个阶段：DMA传送前预处理，数据传送，传送后处理

12、。其传送过程如图9 13所示。图9-13DMA的数据传送流程图a)CPU流程图b)DMA操作过程9.5DMA控制器1.DMA预处理2.DMA的数据传送9.5DMA控制器DMA的数据传送是以数据块为基本单位进行的，因此，每次DMA占用总线后的数据传送操作都是通过一个循环过程来实现的。(1)输入操作DMA控制器首先将访问内存地址送往地址总线，然后将数据缓冲寄存器中的数据送往内存，完成一次数据输入。(2)输出操作基本过程和输入操作相同，不同之处是将内存的数据读入DMA的数据缓冲寄存器中。3.DMA后处理一旦DMA的中断请求得到响应，CPU停止原程序的执行转去执行中断服务程序，做一些DMA的结束处理工

13、作。这些工作常常包括是否继续使用DMA方式传送，测试在传送过程中是否发生了错误等。9.5DMA控制器思考题1.什么是接口？什么是端口？两者有何联系？2.I/O端口有几种编址方式？在每种编址方式中通过什么指令来访问I/O端口？3.I/O接口的基本功能是什么？4.在程序控制传送方式中，无条件传送方式和查询传送方式如何工作的？5.DMA有几种传送方式？分别是什么？6.写出DMA方式的工作流程。9.5DMA控制器7.写出DMA传送过程。8.DMA方式能够提高成批交换数据效率的主要原因是什么？9.RS-232C采用何种数据传送方式？该方式有何特点？10.通常CPU不介入DMA传输过程，但为何DMA成批数

14、据传输完，I/O设备却向CPU提出中断请求？第10章常用输入输出设备10.1概述10.2键盘10.3鼠标10.4扫描仪10.5数码相机10.6其他输入设备10.7显示器10.8打印机10.9刻录机10.1概述10.1.1什么是外围设备一套完整的计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分。10.1.2外围设备的分类和功能1.外围设备的分类外围设备分类如图10 1所示。10.1概述图10-1计算机外围设备分类10.1概述(1)输入设备输入设备是人和计算机交流的最重要的接口。(2)输出设备输出设备同样是十分重要的人机接口，它的功能是用来输出人们所需要的计算机处理结果。(3)外存储器设备在计算机系统中除

15、了计算机主机中的内存储器(包括主存和高速缓存)外，还应有外存储器，简称“外存”。(4)多媒体设备现代社会是信息爆炸的时代，文字、图形、图像、语音等各种信息大量产生，人类要利用各种各样的信息，要求计算机能够处理各种不同形式的信息，多媒体设备就应运而生。(5)网络与通信设备21世纪人类已进入信息社会。(6)输入输出处理机输入输出处理机通常称作外围处理机(PPU)，用于分布式计算机系统中。2.外围设备的功能10.1概述外围设备的功能归纳起来有以下几方面。(1)提供人机对话(2)完成数据媒体的变换(3)存储系统软件和大型应用软件(4)为各类计算机应用领域提供应用手段10.1概述10.1.3外围设备与主

16、机系统的联系图10-2外围设备与计算机连接的一般模式10.2键盘1.键盘的工作原理由于按键操作是人工进行的，因此在键盘按下与释放时都会产生机械抖动，有抖动的按键信号如图10 3a所示。消除抖动可采用硬件方法，也可采用软件方法来解决。硬件消抖电路采用RS触发器，如图10 3b所示；软件消抖则采用延迟程序来解决。下面以编码键盘和智能键盘为例，来说明键盘的编码原理。图10-3键盘抖动及消抖电路a)键盘抖动b)消抖电路10.2键盘(1)编码键盘编码键盘采用硬件线路来实现键盘编码。图10-4编码键盘原理框图(2)智能键盘智能键盘是随着微处理器特别是单片机的发展而出现的一种多功能键盘。10.2键盘图10-

17、5智能键盘原理图2.键盘的类型10.2键盘图10-6人体工程学键盘10.2键盘3.键盘的接口键盘的接口有AT接口、PS/2接口、USB接口，现在的台式机多采用PS/2接口。大多数主板都提供PS/2接口，而出厂较早的主板常常提供AT接口，也被称为“大口”，现在已经不常见了。USB是新型的接口，愿意尝试且USB接口不紧张的用户可以选择USB接口的键盘。10.3鼠标1.鼠标的发展历史1968年12月9日，Engilehbart 博士在IEEE会议上展示了世界上第一只鼠标，如图10 7所示：一个木质的小盒子，盒子下面有两个互相垂直的轮子，每个轮子带动一个机械变阻器获得X、Y轴上的位移，在盒子的上面则有

18、一个按钮开关提供连通信号。这款鼠标与今天的鼠标结构大不相同，甚至还需要外置电源给它供电才能正常工作。图10-7世界上第一只鼠标10.3鼠标1)机械式鼠标价格便宜，维修方便。2)光机式鼠标，是一种光电和机械相结合的鼠标，是目前市场上最常见的一种鼠标。3)与机械式鼠标不同，光电式鼠标没有机械装置，内部只有两对互相垂直的光电检测器，光敏三极管通过接收发光二极管照射到光电板反射的光进行工作。图10-8光电式鼠标10.3鼠标2.鼠标的接口鼠标的接口可以分为串行口、PS2、USB三种，传统的鼠标都采用串行口，通常连接在主板的COM口上。由于丰富的外设不断涌现和主板频繁的升级，人们逐渐开始使用PS2鼠标，把

19、本来为数不多的串行通信口让给其他外设使用。PS2鼠标逐渐成为目前市场上的主流产品，而且种类繁多，造型多样。10.3鼠标3.鼠标的主要性能指标(1)分辨率dpi(像点/in)值越大，则鼠标越灵敏，定位也越精确。(2)使用寿命一般说来，光电式鼠标比机械式鼠标寿命长，而且机械式鼠标由于在使用时存在着机械球弄脏后影响内部光栅盘运动的问题，经常需要清理，使用起来比较麻烦。(3)响应速度鼠标响应速度越快，意味着在快速移动鼠标时，屏幕上的光标的反应越快。10.4扫描仪图10-9扫描仪1.扫描仪的分类扫描仪从整体设计上分为手提式、馈纸式、平台式、内置式、滚动式（鼓式）和底片扫描仪。10.4扫描仪图10-10扫

20、描仪的工作原理2.扫描仪的工作原理扫描仪内部基本组成部件是光源、光学透镜、感光元件，还有一个或多个的模拟-数字转换电路，如图10 10所示。10.4扫描仪3.扫描仪的主要技术指标(1)光学分辨率光学分辨率表示扫描仪对图像细节的表达能力，光学分辨率用每英寸点数dpi(dot per inch)表示。(2)灰度级灰度级表示扫描图像由暗到亮的层次范围，灰度级位数越多的扫描仪扫描的图像层次就越丰富，效果就越好。(3)色彩(深度)色彩深度表示彩色扫描仪所能产生的颜色范围，通常用每个像素点上颜色的数据位数(bit)表示。4.扫描仪的应用10.5数码相机图10-11数码相机的外观1.数码相机的类型10.5数

21、码相机数码相机的种类众多，大致可分成三种：普通数码相机、高档数码相机和专业数码相机。(1)普通数码相机(2)高档数码相机(3)专业数码相机10.5数码相机2.数码相机的结构和工作原理数码相机与传统相机极为接近，传统相机结构都可以在数码相机上看到，所不同的就是在传统相机的机身上安装了光敏器件后组成数码相机。图10-12数码相机结构示意图10.5数码相机3.数码相机的主要技术指标(1)分辨率分辨率是数码相机的最重要的性能指标。(2)颜色深度这一指标描述数码相机对色彩的分辨能力，它取决于“电子胶卷”的光电转换精度。(3)存储能力数码相机内存的存储能力以及是否具有扩充功能，已成为数码相机的重要指标，它

22、决定了在未下载信息之前相机可拍摄照片的数目。(4)连续拍摄由于“电子胶卷”从感光到数据记录再到内存的过程进行得并不是太快，故拍完一张照片之后，不能立即拍摄下一幅照片。10.6其他输入设备1.光学文字识别设备光学文字识别（OCR，Optical Character Recognition）系统是利用光学阅读装置，对己经印刷好或书写好的文字稿样进行扫描，获得文字图像信息，并通过计算机软件进行识别。光学文字识别的工作过程如图10 13所示。图10-13汉字光学文字识别流程10.6其他输入设备2.语音输入设备语音不仅是人类交流信息最自然、最有效的手段，而且是人机通信的最有效的一种方法。它摆脱了各种传统

23、输入方法的弱点，比先进的手写体联机识别方式更为优越。图10-14语音识别流程10.7显示器10.7.1显示器设备的组成与运行原理1.显示器设备概述2.CRT(阴极射线管)的组成和运行原理CRT显示器的核心组成部分是阴极射线管，这是一个漏斗形的电真空器件，由显示屏、电子枪和偏转控制装置三部分组成，如图10 15所示。10.7显示器3.CRT字符显示器的组成和运行原理前面已经说到，CRT显示器的最核心的组成部分是它的阴极射线管。在介绍完阴极射线管的组成和运行原理之后，接下来将说明CRT显示器的其他组成部件。对字符显示器而言，就是扫描控制逻辑、显示存储器和字符发生器，这些都是用各种数字电路实现的。用

24、在PC中的显示器，其显示存储器和字符发生器被放置到插在主机中的显示卡上，对用在支持多用户系统的小型计算机中的终端，扫描控制逻辑、显示存储器和字符发生器都被放置在终端设备本身的控制器里。10.7显示器图10-16字符显示器的显示控制过程10.7显示器4.CRT图形显示器在CRT显示器中，当其输出方式不是把屏幕看成2580个字符的数组，而是看成由像素组成的数组时，每个像素就都可以单独控制，可以显示，也可以不显示，它代表一位信息。个人计算机中少数显示器的分辨率为800600像素，大多数为1024768像素或更高。在工程工作站上，一般分辨率都是12801024像素或更高。不以字符为显示单位而以像素为显

25、示单位的显示器叫位图显示器，又称图形显示器。现在，所有的显卡都能在软件的控制下，分别以字符显示器或图形显示器的方式工作。10.7显示器10.7.2显示器的主要技术指标和术语(1)频率扫描分垂直扫描和水平扫描。(2)最大分辨率(3)像素分辨率由显示器的图像元素(即像素)的数目所决定。(4)标准(5)驱动程序(6)隔行扫描与非隔行扫描(7)点间距(8)显示器刷新速度(9)电磁辐射和功率消耗10.7显示器(10)视频带宽带宽是显示器所能接收信号的频率范围，反映了显示器的图像数据吞吐能力，是评价显示器性能的重要参数，一般应大于水平像素数、垂直像素数和场频三者的乘积，其单位为MHz。(11)即插即用功能

26、即插即用是为Windows 95及其以上版本的Windows系统而设计的。(12)控制调节方式显示器的调节方式有模拟式和数字式。(13)显像管显像管的性能决定整个显示器的性能，按显像管外观构造可将显像管分成五类，即：球面型、柱面型、平面直角型、超平型和纯平显像管。10.7显示器10.7.3液晶显示器液晶显示器（LCD）是平面显示设备，与CRT显示器相比，体积小，重量轻，多用作笔记本计算机中的显示设备。我们只对它进行简短介绍。10.8打印机10.8.1针式打印机的组成和它的打印过程针式打印机由走纸机构、色带机构、打印头和一些逻辑电路等几部分组成。图10-17针式打印机机构a)针式打印机机构与打字

27、原理b)一个打印针装置的组成10.8打印机10.8.2喷墨打印机的组成和它的印字过程喷墨打印机，是通过把很小的墨水滴喷射到打印纸上形成打印点来完成打印输出功能的。讨论喷墨印字机时，问题主要集中到如何提供出很小的墨水滴，又如何加速墨水滴的喷射速度，如何准确控制墨水滴落到打印纸上的位置，如何处理墨水的循环流动和过滤。解决4个问题有许多种不同的方案，从而也就有了以不同原理工作的喷墨打印机。下面我们将介绍其中常用的一种喷墨打印机，图10 18示意性地给出了这种喷墨打印机的组成和印字过程。10.8打印机图10-18喷墨打印机的组成和印字过程a)印刷原理b)字符形成过程10.8打印机10.8.3激光打印机

28、的组成和它的印字过程激光打印机是激光技术和电子照相技术相结合的产物。它由走纸机构、激光扫描系统、电子照相部分和印字字形发生器与控制器等几部分组成。图10 19给出激光印字机组成的示意图。图10-19激光打印机的组成10.8打印机10.8.3激光打印机的组成和它的印字过程激光打印机是激光技术和电子照相技术相结合的产物。它由走纸机构、激光扫描系统、电子照相部分和印字字形发生器与控制器等几部分组成。图10 19给出激光印字机组成的示意图。图10-19激光打印机的组成10.9刻录机图10-20刻录机1.刻录机的组成刻录机的内部主要由激光器、感光器、反射光束、光电装置、瞄准镜、目标镜、光栅、电动机以及一

29、些机械部件等组成，它们协同工作共同完成读盘和刻盘操作。10.9刻录机2.刻录机的工作原理刻录机的工作原理在刻录CD R（可刻录光盘）和CD RW（可重复刻录光盘）时是不同的。3.刻录机的性能参数(1)读写速度读写速度是标志刻录机性能的主要技术指标，因此，所有刻录机上都标有读写速度的大小，基本上都标出了三种倍速。(2)接口方式刻录机的接口主要分为IDE、SCSI和USB三种。(3)缓存容量缓存的大小也是刻录机的重要性能指标之一。10.9刻录机(4)固件刷新固件(Firmware)是集成在刻录机主电路板上的一个芯片，光盘驱动器(CD-ROM、DVDROM和 CD-RW等)都有这种芯片。(5)兼容性

30、刻录机的兼容性包括对盘片的兼容和对刻录方式的兼容两个方面。(6)放置方式和进盘方式刻录机的放置方式有内置和外置两种方式。10.9刻录机一、判断题1.不带汉字库的点阵式打印机不能打印汉字。2.显示刷新存储器由RAM组成。3.外围设备位于主机箱的外部。4.随着半导体集成电路的发展，外围设备在计算机系统硬件中的价格中所占的比重将越来越低。5.在计算机处理的图形和图像两种对象中，一般来讲图像的数据量要比图形大，因此编辑、修改图像要比编辑、修改图形复杂，并且难度高。10.9刻录机6.硬盘系统和软盘系统均可分为固定磁头和可移动磁头两种。7.CD-ROM的数据传输率高，驱动器的运行速度快，它要求很高的容错性

31、和纠错能力。8.灰度级是指黑白显示器中所显示的像素点的亮暗差别，在彩色显示器中则表现颜色数的不同，灰度级越高，图像层次越逼真清楚。10.9刻录机二、选择题1.主机从外部获取信息的设备称为。A外部存储器B外围设备C输入设备D输出设备2.在显示器的规格中，数据640480、1024768等表示。A显示器屏幕的大小B显示器显示字符的最大列数和行数3.下列外存中，属于顺序存取存储器的是。A软盘B磁带C硬盘D光盘4.有一种CRT显示器的分辨率为10241024像素，像素的颜色数为256色，则刷新存储器的容量是。A 1MBB512KBC2MBD256 KB10.9刻录机5.分辨率是显示器的主要性能参数之一，它的含义是。A显示屏幕的水平扫描率和垂直扫描率三、填空题1.外围设备按其功能分类，可分为A、B、C、D、E和F6类。2.字符显示器的控制逻辑电路的功能包括A、B、C和D等。3.按打印原理分类，打印机可分为A打印机和B打印机两类。附录ASCII码表10.9刻录机表格