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1、计算机组成原理本讲稿第一页，共三十七页第第 6 章章 输入输入/输出系统和输入输出系统和输入/输出设备输出设备1.输入输入/输出设备概述输出设备概述2.常用输入设备组成与运行原理：常用输入设备组成与运行原理：终端终端 键盘键盘 鼠标鼠标3.常用输出设备组成与运行原理：常用输出设备组成与运行原理：终端终端 显示器显示器 打印机：针式打印机：针式 喷墨式喷墨式 激光激光4.输入输入/输出系统概述输出系统概述5.计算机的总线：计算机的总线：总线构成总线构成 总线周期总线周期 运行方式运行方式 等待状态等待状态6.接口电路：接口电路：接口电路功能、一般组成，串行口实例接口电路功能、一般组成，串行口实例
2、7.常用的输入常用的输入/输出方式输出方式8.中断中断 和和 DMA的的 处理过程处理过程9.本单元内容复习与小结本单元内容复习与小结返回返回本讲稿第二页，共三十七页作业和思考题作业和思考题1.计算机终端计算机终端 和和 PC机的机的 键盘、显示器有何区别？图形显键盘、显示器有何区别？图形显示器与字符显示器示器与字符显示器 有何区别？说明显示存储器的作用。有何区别？说明显示存储器的作用。2.说明以点阵方式打印出字形的几种打印机的基本工作原说明以点阵方式打印出字形的几种打印机的基本工作原理理.3.说明当前说明当前PC机中广泛采用的二总线与三总线的组成机中广泛采用的二总线与三总线的组成,它们的宽度
3、及大体运行速度它们的宽度及大体运行速度,它们之间的连接关系它们之间的连接关系.4.列出通用可编程入出接口电路的基本组成内容与各自的功列出通用可编程入出接口电路的基本组成内容与各自的功能能.5.简要叙述简要叙述 INTEL 8251接口芯片内部组成和使用方法接口芯片内部组成和使用方法 返回返回本讲稿第三页，共三十七页作业和思考题作业和思考题(续续)6.说明中断的分类说明中断的分类,中断在计算机系统中的作用中断在计算机系统中的作用.7.为什么要划分中断优先级为什么要划分中断优先级?为何要有开中断和为何要有开中断和关中断指令关中断指令?8.说明中断的产生说明中断的产生,响应和处理过程响应和处理过程.
4、9.说明说明 DMA 接口卡上比一般接口卡上要多些什接口卡上比一般接口卡上要多些什么功能的线路么功能的线路?10.说明一次完整的说明一次完整的 DMA 处理过程处理过程.返回返回本讲稿第四页，共三十七页输入输入/输出设备输出设备字符显示器的组成与运行原理字符显示器的组成与运行原理CRT的工作原理的工作原理显示卡的组成与控制作用显示卡的组成与控制作用激光打字机的组成与运行原理激光打字机的组成与运行原理返回返回本讲稿第五页，共三十七页灯丝灯丝阴极阴极聚焦极聚焦极石墨层石墨层荧光屏荧光屏显示屏显示屏阳极帽阳极帽偏转线圈偏转线圈栅极栅极阳极阳极电子枪电子枪电子束电子束 阴极射线管（阴极射线管（CRT）
5、的构成和工作原理）的构成和工作原理返回返回本讲稿第六页，共三十七页阴极射线管的性能阴极射线管的性能电子束有足够的强度和速度电子束有足够的强度和速度电子束要足够细电子束要足够细电子束运动方向要高度可控电子束运动方向要高度可控荧光粉的颗粒要足够精细和均匀荧光粉的颗粒要足够精细和均匀有关术语：有关术语：单色和彩色单色和彩色 灰度级和颜色灰度级和颜色,分辨率分辨率 随极扫描和光珊扫描随极扫描和光珊扫描 刷新和刷新存储器刷新和刷新存储器 字符，图形，字符，图形，图象图象返回返回本讲稿第七页，共三十七页字符显示的一般原理字符显示的一般原理移位移位寄存器寄存器S L字符字符发生器发生器(ROM)加载控制加载
6、控制水平消隐水平消隐行间消隐行间消隐垂直消隐垂直消隐水平同步电路水平同步电路垂直同步电路垂直同步电路点振荡器点振荡器点计数器点计数器水平地址计数器水平地址计数器光栅地址计数器光栅地址计数器垂直地址计数器垂直地址计数器定时控制电定时控制电路路垂直同步信号垂直同步信号水平同步信号水平同步信号字符时钟字符时钟代码代码控制控制OSCVRAM19180+1819+5125+1视频视频信号信号RA3-RA0返回返回本讲稿第八页，共三十七页字形的产生过程字形的产生过程0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 00 1 0 00 1 0 10 1 1 01 1 1 10 1 1 10 0 1 110H28H
7、44H82H82HFEH82H82H00H字符字符发生器发生器(R O M)ASCII字符代码字符代码84RA3-RA0(a)“A”的点阵表示的点阵表示(b)字符发生器的结构字符发生器的结构(来自来自VRAM)(来自光栅地址来自光栅地址计数器输出计数器输出)RA3-RA0D7D0D7D0ASCII代码代码(41H)指向这个字形指向这个字形返回返回本讲稿第九页，共三十七页 激光打印机的组成激光打印机的组成激激光光部部分分印字机印字机控制部分控制部分(微处理机汉字字形库微处理机汉字字形库)记录鼓记录鼓(硒鼓硒鼓)显象显象部分部分+.定形部分定形部分 加热辊加热辊预预热热板板输输纸纸用用辊辊转写转写
8、清扫辊清扫辊带带电电器器印写部分印写部分清扫部分清扫部分转写部分转写部分接纸接纸 部分部分纸纸激光激光返回返回本讲稿第十页，共三十七页输入输入/输出总线输出总线总线：连接计算机各功能部件的逻辑电路，包总线：连接计算机各功能部件的逻辑电路，包括管理信息传输规则的电路被称为总线。在任括管理信息传输规则的电路被称为总线。在任何时刻，只可以有一个部件向总线上发送信息，何时刻，只可以有一个部件向总线上发送信息，但却可以有一个或多个部件同时接收信息。但却可以有一个或多个部件同时接收信息。控制向总线发控制向总线发送信息通常用带有送信息通常用带有高阻态输出的选通高阻态输出的选通门实现。门实现。返回返回本讲稿第
9、十一页，共三十七页几个概念及术语几个概念及术语三种总线三种总线：数据总线数据总线：传输数据，速度与位数正比于吞吐量传输数据，速度与位数正比于吞吐量地址总线地址总线：传输地址，位数决定内存可寻址空间传输地址，位数决定内存可寻址空间控制总线控制总线：指明总线周期的类型和一次入指明总线周期的类型和一次入/出操作完成的时刻等信息出操作完成的时刻等信息总线周期的类型总线周期的类型:内存读内存读 内存写内存写 外设读外设读 外设写外设写返回返回本讲稿第十二页，共三十七页几个概念及术语几个概念及术语(续续)总线周期总线周期：正常总线周期：正常总线周期：由一次地址时间和一次数据时间组成由一次地址时间和一次数据
10、时间组成 BURST总线周期：总线周期：由一次地址时间和多次数据时间组成由一次地址时间和多次数据时间组成总线的等待状态总线的等待状态：正常总线周期正常总线周期:地址时间地址时间 跟跟 一次数据时间，若由一次数据时间，若由于被读写的部件或设备速度慢，一次数据时间内不能完成于被读写的部件或设备速度慢，一次数据时间内不能完成读写操作，就要增加一或多次数据时间，这增加的数据时读写操作，就要增加一或多次数据时间，这增加的数据时间被称为总线的等待状态。它影响系统的运行效率。间被称为总线的等待状态。它影响系统的运行效率。返回返回本讲稿第十三页，共三十七页单总线和多总线结构单总线和多总线结构 早期的计算机，如
11、常早期的计算机，如常 美国美国 DEC 公司公司PDP-11 机只使用一组总线，所有的部件和设备都接机只使用一组总线，所有的部件和设备都接在这唯一的总线上在这唯一的总线上,包括数据总线，地址总线，包括数据总线，地址总线，控制总线，其优点是结构简单，成本低廉，缺控制总线，其优点是结构简单，成本低廉，缺点是运行效率低。点是运行效率低。CPU主存主存输入输入设备设备输出输出设备设备总线总线返回返回本讲稿第十四页，共三十七页多多(2 或或 3)总线结构总线结构当前计算机通常采用多总线结构当前计算机通常采用多总线结构CPU主存主存扩展总线扩展总线控制线路控制线路I/O设备设备1I/O设备设备2处理机总线
12、处理机总线32MHz4B8BISA/EISA8.33MHz 1,2,4 B 二二总总线线结结构构.返回返回本讲稿第十五页，共三十七页多多(2 或或 3)总线结构总线结构CPU主存主存PCI桥桥I/O设备设备1I/O设备设备2处理机总线处理机总线66MHz4B8BISA/EISA8.33MHz 1,2,4 B 三三总总线线结结构构.PCI BUS 33MHz 4B扩展总线扩展总线控制线路控制线路I/O设备设备3I/O设备设备4接快速设备接快速设备接慢速设备接慢速设备返回返回本讲稿第十六页，共三十七页常用的输入常用的输入/输出方式输出方式程序直接控制方式程序直接控制方式(状态循环查询状态循环查询)
13、简单，简单，CPU效率低，效率低，CPU、各外设要串行、各外设要串行程序中断传送方式程序中断传送方式 CPU利用效率略高，利用效率略高，CPU、各外设可并行、各外设可并行直接内存访问方式直接内存访问方式(DMA)外设直接访问内存，外设直接访问内存，CPU利用效率更高利用效率更高 I/O 通道控制方式通道控制方式 用于用于 I/O 设备数据传送的专用处理机设备数据传送的专用处理机 字节多路通道字节多路通道 选择通道选择通道 数组多路通道数组多路通道外围处理机方式外围处理机方式 一般使用小型、微型计算机，独立于主机完来成一般使用小型、微型计算机，独立于主机完来成 I/O 控控制、通信、系统维护、诊
14、断等任务，确保制、通信、系统维护、诊断等任务，确保 CPU 主要用于执主要用于执行程序。行程序。返回返回本讲稿第十七页，共三十七页程序中断输入程序中断输入/输出方式输出方式中断的作用中断的作用:CPU 与与 I/O 设备并行工作设备并行工作硬件故障报警与处理硬件故障报警与处理实现人机交互联系实现人机交互联系实现多道程序分时运行实现多道程序分时运行实现实时控制与实时处理实现实时控制与实时处理实现多处理机和多计算机间的联系实现多处理机和多计算机间的联系实现用户程序和操作系统程序间的转换实现用户程序和操作系统程序间的转换返回返回本讲稿第十八页，共三十七页有关中断的概念与术语有关中断的概念与术语中断源
15、及分类中断源及分类:内内/外中断外中断 软件中断软件中断中断优先级中断优先级 中断请求中断请求 中断响应中断响应禁止禁止(开开/关关)中断中断 中断屏蔽中断屏蔽 中断嵌套中断嵌套中段处理过程中段处理过程:关中断关中断 保存断点和现场保存断点和现场判中断源并转入中断服务程序判中断源并转入中断服务程序 开中断开中断执行中断服务程序执行中断服务程序 关中断关中断恢复现场和断点恢复现场和断点 开中断开中断 返回断点返回断点返回返回本讲稿第十九页，共三十七页DMA 的概念与处理的概念与处理 DMA 是在高速外设和主存储器间自动是在高速外设和主存储器间自动成批传送信息而尽量减少成批传送信息而尽量减少 CP
16、U 干预的入干预的入/出出方式方式.DMA 卡上应包括通用接口卡的全部组卡上应包括通用接口卡的全部组成部分成部分,并多出如下内容并多出如下内容:主存地址寄存器主存地址寄存器 传送字数计数器传送字数计数器 DMA 控制逻辑控制逻辑:DMA 请求请求 DMA响应响应 DMA工作方式工作方式 DMA优先级及排队优先级及排队 等等返回返回本讲稿第二十页，共三十七页一次完整的一次完整的 DMA 传送过程传送过程DMA 预处理预处理 CPU 向向 DMA 送命令送命令,如如 DMA 方式方式,主存地主存地址址,传送的字数传送的字数,之后之后 CPU 执行原来的程序执行原来的程序DMA 控制在控制在 I/O
17、 设备与主存间交换数据设备与主存间交换数据 准备好一个数据，准备好一个数据，向向 CPU 发发 DMA 请求，请求，取得总线控制权，进行数据传送取得总线控制权，进行数据传送,修改卡上主存地址，修改卡上主存地址，修改字数计数器内容且检查其值是否为零，修改字数计数器内容且检查其值是否为零，不为零则继续传送，不为零则继续传送，若已为零若已为零,则向则向CPU发中断请求。发中断请求。返回返回本讲稿第二十一页，共三十七页通用可编程接口电路通用可编程接口电路通用：通用：能有多种用法与入能有多种用法与入/出功能出功能可编程：可编程：能通过指令指定接口的功能和运行控制参数等能通过指令指定接口的功能和运行控制参
18、数等接口内的组成部分接口内的组成部分:设备识别线路设备识别线路 数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器(输入输入/输出输出)控制寄存器控制寄存器 状态寄存器状态寄存器 中断电路中断电路(中断触发器中断触发器,中断屏蔽触发器中断屏蔽触发器 等等)其它组成部分：例如，电平转换及串行其它组成部分：例如，电平转换及串行/并行转换电并行转换电路等路等返回返回本讲稿第二十二页，共三十七页8251的基本功能的基本功能可用于同步或异步传送可用于同步或异步传送同步传送时同步传送时 每字可为每字可为bits，可用内或外同步，能自动插，可用内或外同步，能自动插入同步字符。入同步字符。异步传送时异步传送时 每字可为每字可为bi
19、ts，接收和发送时钟可为，接收和发送时钟可为1，16或或64倍的波特率。可产生中止字符并自动检测和处理。可倍的波特率。可产生中止字符并自动检测和处理。可用用1，1.或位停止位。能检测假启动完全双工，双缓或位停止位。能检测假启动完全双工，双缓冲的发送器和接受器。具有检测奇偶错，数据丢失错和冲的发送器和接受器。具有检测奇偶错，数据丢失错和帧错的能力。全部入出信号为帧错的能力。全部入出信号为 TTL 电平电平返回返回本讲稿第二十三页，共三十七页缓缓冲冲器器D7D0（外部数据总线（外部数据总线）状态状态缓冲器缓冲器接受数据接受数据缓冲器缓冲器发送数据命令发送数据命令缓冲器缓冲器接收控制接收控制接收器接
20、收器S-PxRxRDY/RxCx发送器发送器P-S发送控制发送控制TxCTxETxRDY读写读写控制控制逻辑逻辑RESETCLKC/D/RD/WR/CS调制解调制解调器控制调器控制/DTR/DSR/RTS/CTS返回返回本讲稿第二十四页，共三十七页串行异步传送中的有关概念串行异步传送中的有关概念奇偶校验：奇偶校验：传送的波特率：传送的波特率：波特率因子：波特率因子：数据采样：数据采样：接口接口CPU终端终端串串行行并并行行.数据位，如数据位，如 8 位位1位位1、1.5、2位位标标识识态态一次完整的数据传送时间一次完整的数据传送时间CPU接口接口接口接口CPU串行：串行：异步、同步：异步、同步
21、：单工，半双工，全双工：单工，半双工，全双工：停止位：停止位：数据位：数据位：起始位：起始位：返回返回本讲稿第二十五页，共三十七页D7D6D5D4D3D2D1D0同步同步?Y(D1D0=00)N(D1 D0 0 0)D6:外同步检测外同步检测1 外同步外同步SYNDET为输入为输入0 内同步内同步SYNDET为输出为输出D7:同步字符同步字符1 单同步字符单同步字符 0 双同步字符双同步字符规定帧控制规定帧控制00 无效无效01 1个个 停止位停止位10 1.5个停止位个停止位11 2个个 停止位停止位确定字符长度确定字符长度00 5bits01 6bits10 7bits11 8bitsTx
22、C,RxC 波特率因子波特率因子00 同步方式同步方式 01 异步异步1倍倍10 异步异步16倍倍11 异步异步64倍倍对奇偶校验的规定对奇偶校验的规定 X0 不校验不校验11 偶校验偶校验01 奇校验奇校验方式命令字的格式方式命令字的格式返回返回本讲稿第二十六页，共三十七页EHIRERSBBKRxEDTRTxENRTSD7D6D5D4D3D2D1D0工作命令字的格式工作命令字的格式发发送送器器使使能能信信号号，1有有效效接接收收器器使使能能信信号号，1有有效效数数据据终终端端就就绪绪，使使出出 为为低低/DTR使使三三个个出出错错标标志志位位复复位位发发包包 信信号号BREAK请请求求发发送
23、送信信号号，使使出出 为为低低/RTS发发软软 信信号号RESET返回返回本讲稿第二十七页，共三十七页D7D6D5D4D3D2D1D0DSRSYNDETFEOEPETxERxRDYTxRDY接口状态寄存器的内容格式接口状态寄存器的内容格式发发送送器器就就绪绪信信号号，1有有效效并并到到串串的的发发送送器器空空，1有有效效接接收收器器就就绪绪信信号号，1有有效效奇奇偶偶错错溢溢出出错错数数据据帧帧挫挫数数据据设设备备就就绪绪，1有有效效返回返回本讲稿第二十八页，共三十七页INTEL 8251 串行接口芯片串行接口芯片 1 D2 D1 28 2 D3 D0 27 3 RXD VCC 26 4GRD
24、 /RX C 25 5D4 /DTR 24 6D5 /RTS 23 7D6 /DSR 22 8D7 RESET 21 9/TXC CLK 20 10/WR TX D 19 11/CS TX EMPTY 18 12C/D /CTS 17 13/RD SYNDET/BD 16 14RXRDY TXRDY 15D7D0:I/O数据数据器器 件件 引引 脚脚 图图CLK：主时钟主时钟/RxC,RxD:接收时钟、数据接收时钟、数据/TxC,TxD:发送时钟、数据发送时钟、数据/WR、/RD:写、读命令写、读命令/CS:片选信号片选信号C/D：控制控制/数据信号数据信号RESET：总清信号总清信号RxRD
25、Y:接收准备就绪接收准备就绪TxRDY:发送准备就绪发送准备就绪TxEMPTY:发送寄存器空发送寄存器空/DTR、/DSR：/RTS、/CTS：返回返回本讲稿第二十九页，共三十七页EHIRERSBBKRxEDTRTxENRTSD7D6D5D4D3D2D1D0D7D6D5D4D3D2D1D0DSRSYNDETFEOEPETxERxRDYTxRDY工作命令字的格式工作命令字的格式接口状态寄存器的内容格式接口状态寄存器的内容格式返回返回本讲稿第三十页，共三十七页TEC-2 机串行口初始化的程序机串行口初始化的程序MOV R0，4EhOUT81hOUT83hMOV R0,37hOUT81hOUT83h
26、方式设置：方式设置：0 1 0 0 1 1 1 01个停止位个停止位无奇偶校验无奇偶校验字符为字符为 8 bits16*波特率波特率命令设置：命令设置：0 0 1 1 0 1 1 1 不用不用请请求求发发送送错错误误标标志志复复位位不不用用允允许许发发送送允允许许接接收收数数据据终终端端准准备备好好 对对 OUT 指令而言，指令而言，81h、83h 为控制寄存器地址；为控制寄存器地址；对对 IN 指令而言，指令而言，81h、83h 为状态寄存器地址；为状态寄存器地址；返回返回本讲稿第三十一页，共三十七页编程用串行口执行输入任务编程用串行口执行输入任务/输出操作输出操作INCH:IN81hSHR
27、R0SHRR0JRNC,INCHIN80hPUSHR1MOVR1,00FFhANDR0,R1POPR1RETOUTCH:PUSH R0OUT1:IN 83h SHR R0 JR NC,OUT1 POP R0 OUT 82h RET对对 IN 指令而言，指令而言，80h 是输入数据寄存器地址，是输入数据寄存器地址，对对 OUT 指令而言，指令而言，80h 是输出数据寄存器地址，是输出数据寄存器地址，返回返回本讲稿第三十二页，共三十七页双串行口同时运行的程序例子双串行口同时运行的程序例子 loop1:in 83 shr r0 shr r0 jr nc,loop in 82 out 82 out 8
28、0 jp loop ret Loop:in 81 shr r0 shr r0 jr nc,loop1 in 80 out 80 out 82 返回返回本讲稿第三十三页，共三十七页螺管式电磁铁螺管式电磁铁打印针打印针电磁铁线圈电磁铁线圈衔铁衔铁壳帽壳帽外壳外壳导轨导轨弹簧弹簧返回返回本讲稿第三十四页，共三十七页永磁式点阵式印字机构永磁式点阵式印字机构 色带色带弹簧弹簧打印针打印针永久磁铁永久磁铁电磁铁线圈电磁铁线圈 纸纸滚筒滚筒返回返回本讲稿第三十五页，共三十七页针式打印机构造针式打印机构造打印纸打印纸导轨导轨打印针打印针永磁铁永磁铁 铁芯铁芯衔铁衔铁 线圈线圈色带色带色带保护片色带保护片滚筒滚
29、筒返回返回本讲稿第三十六页，共三十七页并行接口并行接口并并行行接接口口+5V10K 0列列1列列m-1列列0行行1行行n-1行行键键盘盘键键.。.011A键键1 1 0 1.并行接口送来并行接口送来 1 0 1 的的 n 位数值到二极管的负极，位数值到二极管的负极，并行接口接收并行接口接收 键盘线路键盘线路 m 列送出的列送出的 m 位数据。当位数据。当A键键按下去后，按下去后，5V电源送出经电电源送出经电阻、阻、A键键、二极管到、二极管到 0 信号处的电流，从而在信号处的电流，从而在 第第 2列产生列产生 0 电平（红电平（红线所示），其他各列都给出高电平（兰线所示），故线所示），其他各列都给出高电平（兰线所示），故并行接口接收并行接口接收到的是到的是 1 1 0 1 这样的这样的 m 位数据位数据110.。1 1 0 1.二极管二极管返回返回本讲稿第三十七页，共三十七页