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1、计算机组成原理教学课件计算机组成原理教学课件王王 诚诚 宋佳兴宋佳兴清华大学计算机系清华大学计算机系2012年1月第第10章章 输入输入/输出设备输出设备第第11章章 输入输入/输出系统输出系统 基本输入基本输入/输出设备输出设备 计算机总线和接口计算机总线和接口 常用的输入常用的输入/输出方式输出方式 计算机基本组成计算机基本组成Datapath:即运算器，完成即运算器，完成算术和逻辑运算，通常包括算术和逻辑运算，通常包括其中的寄存器。其中的寄存器。Control:CPU的重要组成部的重要组成部分，它根据程序指令来指挥分，它根据程序指令来指挥datapath，memory以及以及I/O运行，
2、共同完成程序功能。运行，共同完成程序功能。Memory:是存放运行时程序是存放运行时程序及其所需要的数据的场所。及其所需要的数据的场所。Input:信息进入计算机的设信息进入计算机的设备，如键盘、鼠标等。备，如键盘、鼠标等。Output:将计算结果展示给将计算结果展示给用户的设备，如显示器、打用户的设备，如显示器、打印机等。印机等。ComputerMemoryInputOutputDatapathControl1、输入输出设备概述输入输出设备概述计算机输入输出设备计算机输入输出设备概念概念：具有一定操作功能的比较完整和相对：具有一定操作功能的比较完整和相对独立的精密机械电子装置；独立的精密机械
3、电子装置；功能功能：进行人机交互，完成输入输出功能；：进行人机交互，完成输入输出功能；特点特点：种类繁多，功能多样，组成与运行原：种类繁多，功能多样，组成与运行原理各不相同；理各不相同；发展发展：智能化、高可靠性、小型廉价。：智能化、高可靠性、小型廉价。输入输出设备输入输出设备2、常用的输入输出设备常用的输入输出设备输输入入设备设备输输出出设备设备键盘键盘图图形形输输入入设备设备：鼠：鼠标标器，器，图图形板，操形板，操纵纵杆，光笔杆，光笔图图象象输输入入设备设备：扫扫描描仪仪，传传真机，真机，摄摄像机，数像机，数码码相机相机条形条形码阅读码阅读器器语语音与文字音与文字输输入入显显示器（字符、示
4、器（字符、图图形、形、图图像）像）打印机（打印机（针针式、式、喷喷墨、激光）墨、激光）绘图仪绘图仪语语音音输输出出点阵式设备运行原理点阵式设备运行原理 把把字形字形、图形图形、图像图像等信息以等信息以不同的点阵不同的点阵布局布局方式表现出来，在计算机显示器屏幕上，方式表现出来，在计算机显示器屏幕上，这些被显示的内容，是以可见光形式表现出来这些被显示的内容，是以可见光形式表现出来的；而在打印纸上，通常是以的；而在打印纸上，通常是以“印刷印刷”（染色）（染色）的效果表现出来的。的效果表现出来的。显示器或者打印机等设备它们共同的特点显示器或者打印机等设备它们共同的特点是，要表示的信息，最终要以平面上
5、的各种可是，要表示的信息，最终要以平面上的各种可见的见的“形状形状”体现出来，而这些体现出来，而这些“形状形状”原理原理上又都是以许多上又都是以许多断续的点的不同布局断续的点的不同布局表示出来表示出来的。的。点阵式表示举例点阵式表示举例以十六进制数的形式把平面上点阵布局写出来以十六进制数的形式把平面上点阵布局写出来点阵式设备需要解决的问题点阵式设备需要解决的问题点阵布局规律点阵布局规律确定形状的对象（保存对象的布局）确定形状的对象（保存对象的布局）无确定规律对象（保存所有点信息）无确定规律对象（保存所有点信息）点阵的密度点阵的密度更密的点阵可以把要表示的形状呈现得更精细准确更密的点阵可以把要表
6、示的形状呈现得更精细准确表示同样大小的形状，点阵密则所用数据数量更多表示同样大小的形状，点阵密则所用数据数量更多点阵越密则对输入输出设备的处理精度要求也越高点阵越密则对输入输出设备的处理精度要求也越高 点阵中点的属性点阵中点的属性二值表示（二值表示（0、1表示点的有、无）表示点的有、无）单色表示（灰度级表示不同亮度）单色表示（灰度级表示不同亮度）彩色表示（彩色表示（RGB三基色混和表示彩色）三基色混和表示彩色）键盘的运行原理键盘的运行原理键盘功能键盘功能计算机的键盘是通过手工输入字符，用于向计算机计算机的键盘是通过手工输入字符，用于向计算机送入操作命令、源程序语句、运行程序所使用的数送入操作命
7、令、源程序语句、运行程序所使用的数据等内容的输入设备。据等内容的输入设备。基本组成基本组成机械部分：按键（导电件）弹簧金属件（由导机械部分：按键（导电件）弹簧金属件（由导电件控制实现电信号连通与断开）电件控制实现电信号连通与断开）电子线路部分：识别按键，给出编码；通过串行接电子线路部分：识别按键，给出编码；通过串行接口把编码送给主机。由键盘上专门的芯片完成。口把编码送给主机。由键盘上专门的芯片完成。键盘接口键盘接口串口、串口、USB接口接口键盘的运行原理键盘的运行原理识别闭合键的具体实现识别闭合键的具体实现：是用行列扫描的方法，即把每个键分配在一个是用行列扫描的方法，即把每个键分配在一个 m
8、列列*n 行矩阵的一个交叉点上，通过并行接口向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行依次送出仅有一行为 0、其余各行均为、其余各行均为 1 的值，的值，再用并行接口读入再用并行接口读入 m 列上的取值。当该值不为列上的取值。当该值不为 FFH（全（全 1 码）时，表明有键按下，若该值仅含码）时，表明有键按下，若该值仅含一位零，表明取值为一位零，表明取值为 0 的行、列的交叉点的键被的行、列的交叉点的键被按下，用一个对照表即可得到相应键的编码。按下，用一个对照表即可得到相应键的编码。尚需解决如下的一些问题尚需解决如下的一些问题：抖动：按下和松开按键时按键在接通和断开位置
9、之抖动：按下和松开按键时按键在接通和断开位置之间跳动几次才能稳定下来。间跳动几次才能稳定下来。重键：多键同时被按下，如何处理。重键：多键同时被按下，如何处理。1 1 0 1.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 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，并行并行接口接收接口接收 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 电源送出经电阻、电源送出经电阻、A键键、二极管到、二极管到 0 信号处的电流，从而在信号处
10、的电流，从而在 第第 2列产生列产生 0 电平（红线所示）电平（红线所示）,其他各列都给出高电平（其他各列都给出高电平（黑线黑线所示所示），故），故并行接口接收到的是并行接口接收到的是 1 1 0 1 这样的这样的 m 位数据。位数据。110.。1 1 0 1.二极管二极管鼠标的运行原理鼠标的运行原理鼠标的产生鼠标的产生图形界面的出现，需要鼠标来进行拖动等操作图形界面的出现，需要鼠标来进行拖动等操作鼠标的功能鼠标的功能根据鼠标的移动，在屏幕上移动位置根据鼠标的移动，在屏幕上移动位置选中某个对象，进而执行某些操作选中某个对象，进而执行某些操作鼠标的种类鼠标的种类机械式鼠标机械式鼠标光电式鼠标光电
11、式鼠标鼠标的接口鼠标的接口串口、串口、USB接口接口机械式鼠标机械式鼠标 鼠标内部有一个橡胶球，橡胶球紧贴着两个鼠标内部有一个橡胶球，橡胶球紧贴着两个互相垂直的轴（互相垂直的轴（X、Y轴），每个轴上有一个光轴），每个轴上有一个光栅轮，光栅轮两边对应着有发光二极管和光敏三栅轮，光栅轮两边对应着有发光二极管和光敏三极管。极管。鼠标在移动的时候，橡胶球便带动两个轴旋鼠标在移动的时候，橡胶球便带动两个轴旋转，同时光栅轮也就开始旋转，光敏三极管在接转，同时光栅轮也就开始旋转，光敏三极管在接收发光二极管发出的光时被光栅轮间断地阻挡，收发光二极管发出的光时被光栅轮间断地阻挡，从而产生脉冲信号，通过鼠标内部的
12、芯片处理之从而产生脉冲信号，通过鼠标内部的芯片处理之后被后被CPU接受。接受。脉冲信号的频率和数量，经过脉冲信号的频率和数量，经过CPU计算后则计算后则表示为屏幕上的距离和速度。表示为屏幕上的距离和速度。光电式鼠标光电式鼠标 光电鼠标光电鼠标的工作原理是，在光电鼠标内部有的工作原理是，在光电鼠标内部有一个发光二极管，二极管发光照亮鼠标底部的表一个发光二极管，二极管发光照亮鼠标底部的表面。同时表面会反射回一部分光线，反射光通过面。同时表面会反射回一部分光线，反射光通过一组光学透镜后，在一个微成像器内成像。一组光学透镜后，在一个微成像器内成像。当鼠标移动的时候，移动轨迹便会被记录为当鼠标移动的时候
13、，移动轨迹便会被记录为一组高速拍摄的连贯图象，鼠标内部有一块专用一组高速拍摄的连贯图象，鼠标内部有一块专用的图象分析芯片（的图象分析芯片（DSP），对移动轨迹上摄取的），对移动轨迹上摄取的一系列图象进行分析处理，通过对这些图象上特一系列图象进行分析处理，通过对这些图象上特征点位置的变化进行分析，来判断鼠标的移动方征点位置的变化进行分析，来判断鼠标的移动方向和移动距离，从而完成光标的定位。向和移动距离，从而完成光标的定位。常用输出设备常用输出设备显示器显示器阴极射线管显示器阴极射线管显示器液晶显示器液晶显示器等离子显示器等离子显示器打印机打印机针式打印机针式打印机喷墨打印机喷墨打印机激光打印机激
14、光打印机阴极射线管显示器阴极射线管显示器成像原理成像原理电子束撞击荧光板上的荧光粉电子束撞击荧光板上的荧光粉受撞击的荧光粉发光产生亮点受撞击的荧光粉发光产生亮点基本组成基本组成电子枪电子枪显示屏显示屏偏转控制装置偏转控制装置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的构成和工作原理阴极射线管的构成和工作原理一些相关概念一些相关概念分辨率分辨率 沿水平和垂直两个方向把屏幕分成许多小的区域，一个小沿水平和垂直两个方向把屏幕分成许多小的区域，一个小的区域对应一个发光点（称为象素），一个屏幕上所提供的全
15、的区域对应一个发光点（称为象素），一个屏幕上所提供的全部象素的数目被称为分辨率部象素的数目被称为分辨率 扫描扫描 电子束在显示屏上按某种轨迹运动被称为扫描，控制电子电子束在显示屏上按某种轨迹运动被称为扫描，控制电子束扫描轨迹的电路被称为扫描控制逻辑部件束扫描轨迹的电路被称为扫描控制逻辑部件,有有2种扫描方式种扫描方式:光栅扫描光栅扫描：电子束从左到右，从上到下扫描整个屏幕（：电子束从左到右，从上到下扫描整个屏幕（隔隔行扫描行扫描和和逐行扫描逐行扫描）随机扫描随机扫描：电子束只扫描需要显示的点，而不是整个屏幕：电子束只扫描需要显示的点，而不是整个屏幕刷新刷新 余辉时间：电子束打在荧光粉上发出的光
16、的所持续时间余辉时间：电子束打在荧光粉上发出的光的所持续时间 为了得到稳定的图象，需要重复扫描整个屏幕（每秒为了得到稳定的图象，需要重复扫描整个屏幕（每秒50场）场）帧存储器：为了重复扫描，需要存储屏幕字符或者图象信息帧存储器：为了重复扫描，需要存储屏幕字符或者图象信息字符显示的一般原理字符显示的一般原理 为有效地提供屏幕上要显示的内容，字符显示器内为有效地提供屏幕上要显示的内容，字符显示器内有一个有一个显示存储器显示存储器VRAM，用于保存将显示在整个屏幕，用于保存将显示在整个屏幕的全部字符，显示存储器中保存的是这些字符的的全部字符，显示存储器中保存的是这些字符的ASCII码和显示属性（即字
17、符的颜色、亮度、是否显示等）。码和显示属性（即字符的颜色、亮度、是否显示等）。VRAM 是一个可读写的存储器，被显示的字符将由计是一个可读写的存储器，被显示的字符将由计算机主机以两个字节（算机主机以两个字节（ASCII码码和和显示属性显示属性）的方式提）的方式提供并写进该存储器中，由显示器的控制逻辑按需要从中供并写进该存储器中，由显示器的控制逻辑按需要从中读出准备显示的一个字符的读出准备显示的一个字符的ASCII码的字节值和显示属码的字节值和显示属性的字节值。性的字节值。字符发生器字符发生器，就是用于保存每个可显示字符字形的，就是用于保存每个可显示字符字形的点阵数据的逻辑部件，通常是一个只读存
18、储器点阵数据的逻辑部件，通常是一个只读存储器 ROM，如果每个字符的字形用如果每个字符的字形用 7（横向）（横向）9（纵向）的点阵表示，则（纵向）的点阵表示，则每个字符字形的点阵数据要占用每个字符字形的点阵数据要占用 9个存储器字节（横向的个存储器字节（横向的7个点个点的布局用一个字节表示）。的布局用一个字节表示）。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 110H28H44H82H82HFEH82H82H00H字符字符发生器发生器(R O M)ASCII字符代码字符代码84RA3
19、-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)加载控制加载控制水平消隐水平消隐行间消隐行间消隐垂直垂直消隐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定时控制电路电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
20、代码代码控制控制OSCVRAM19180+1819+5125+1视频视频信号信号RA3-RA0字符显示的一般原理字符显示的一般原理CRT图形图像显示器图形图像显示器大的大的VRAM存储点阵属性存储点阵属性分辨率：分辨率：1024*768，真彩色，真彩色，1024*768*3Byte=2.3MB高速总线高速总线50场场/秒，带宽为秒，带宽为2.3*50MB/s=115MB/s需要连接需要连接PCI总线总线专用接口专用接口分辨率更高的图形设备将采用专用接口分辨率更高的图形设备将采用专用接口液晶显示器液晶显示器显示原理显示原理利用液晶的光学特性利用液晶的光学特性平板后面设置光源平板后面设置光源通过液
21、晶改变透射光的偏振性（从水平到垂直）通过液晶改变透射光的偏振性（从水平到垂直）电场控制电场控制特点特点平板显示，不需要高压电，移动方便平板显示，不需要高压电，移动方便无辐射无辐射价格较高价格较高液晶显示器液晶显示器等离子显示器等离子显示器成像原理成像原理利用惰性气体在一定电压作用下产生气体放电利用惰性气体在一定电压作用下产生气体放电的特性的特性产生紫外线，紫外线激发荧光粉发光产生紫外线，紫外线激发荧光粉发光在玻璃板之间隔开成象素，每个象素点内有惰在玻璃板之间隔开成象素，每个象素点内有惰性气体和三色荧光粉，用电极控制性气体和三色荧光粉，用电极控制特点特点易于实现大画面显示易于实现大画面显示全色显
22、示，色纯度与全色显示，色纯度与CRT相当相当视角达视角达160度度寿命长寿命长功耗大、成本高。功耗大、成本高。打印机打印机 计算机最基本的输出形式之一计算机最基本的输出形式之一，可将打印在纸上，可将打印在纸上的信息长期保存。打印设备种类繁多，性能各异，结的信息长期保存。打印设备种类繁多，性能各异，结构上差别也较大，按印字方式分类：构上差别也较大，按印字方式分类：击打式击打式：通过印字的机械装置撞击色带以便把字：通过印字的机械装置撞击色带以便把字形染印在纸上，速度慢，噪声大，打印质量一般。形染印在纸上，速度慢，噪声大，打印质量一般。点阵针式、字模式点阵针式、字模式非击打式非击打式：通过静电、喷墨
23、等非机械撞击方式完：通过静电、喷墨等非机械撞击方式完成在纸上着色，打印速度快，噪声低，印字质量成在纸上着色，打印速度快，噪声低，印字质量高高 喷墨、激光、热转印喷墨、激光、热转印打印设备与计算机主机的连接方式打印设备与计算机主机的连接方式串行接口、并行接口、串行接口、并行接口、USB接口接口针式打印机针式打印机打印原理打印原理用钢针或钨铼合金针撞击色带，将色带的颜色印到打印纸用钢针或钨铼合金针撞击色带，将色带的颜色印到打印纸上，完成一个点的输出，完成全部点阵后输出完毕上，完成一个点的输出，完成全部点阵后输出完毕基本组成基本组成打印头、输纸机构、色带机构及打印控制器打印头、输纸机构、色带机构及打
24、印控制器打印控制器包括字符缓冲存储器、字型发生器、时序控制打印控制器包括字符缓冲存储器、字型发生器、时序控制电路和接口电路等部分电路和接口电路等部分输出过程输出过程字车将打印头横向移动到打印起始位置字车将打印头横向移动到打印起始位置取出输出对象点阵的第一列，驱动打印针撞击色带取出输出对象点阵的第一列，驱动打印针撞击色带字车移动一小格，输出下一列，直到本行输出完毕字车移动一小格，输出下一列，直到本行输出完毕回车回车输纸机构进纸输纸机构进纸输出下一行输出下一行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筒针式
25、打印机打印字符针式打印机打印字符“E”的过程的过程针式打印机和针式打印机和CRT字符显示器字符显示器工作原理比较工作原理比较 CRT字符显示器使用电子束撞击荧光粉产生发光字符显示器使用电子束撞击荧光粉产生发光点，针式打印机是用打印针撞击色带产生印染点；点，针式打印机是用打印针撞击色带产生印染点；CRT字符显示器以整屏信息为单位连续扫描以维字符显示器以整屏信息为单位连续扫描以维持稳定的显示画面，故它需要有显示存储器持稳定的显示画面，故它需要有显示存储器VRAM，而针式打印机接收到要打印的一纵列点阵信息并完成而针式打印机接收到要打印的一纵列点阵信息并完成打印之后，这些点阵信息就不再有用了；打印之后
26、，这些点阵信息就不再有用了；光栅扫描的光栅扫描的CRT字符显示器，电子束在整个屏幕字符显示器，电子束在整个屏幕上按逐个横行的扫描方式重复，扫描完多个横行才完上按逐个横行的扫描方式重复，扫描完多个横行才完整显示出一行字符，针式打印机则是按逐列打印方式整显示出一行字符，针式打印机则是按逐列打印方式依此打印出字符的点阵列，几次后打印出一个完整字依此打印出字符的点阵列，几次后打印出一个完整字符，打印完一行回车后开始打印下一行。符，打印完一行回车后开始打印下一行。激光打印机打印原理激光打印机打印原理 激光技术激光技术和电子照相技术电子照相技术相结合的产物，它由走相结合的产物，它由走纸机构、激光扫描系统、
27、电子照相部分和打印机控制纸机构、激光扫描系统、电子照相部分和打印机控制器等几部分组成。器等几部分组成。激光扫描系统激光扫描系统的功能，是控制激光束能扫描到光的功能，是控制激光束能扫描到光导鼓柱面的任何位置，它由激光器，偏转调制器，扫导鼓柱面的任何位置，它由激光器，偏转调制器，扫描器和光路系统组成。描器和光路系统组成。电子照相部分电子照相部分的核心部件是字形鼓，又称光导鼓，的核心部件是字形鼓，又称光导鼓，这是一个圆柱型的物体，柱面高度光洁，镀有一层由这是一个圆柱型的物体，柱面高度光洁，镀有一层由硒硒碲合金组成的具有良好光导特性（光线照射后电碲合金组成的具有良好光导特性（光线照射后电阻率降为原来的
28、阻率降为原来的1/100到到1/1000）的材料，用于完成对）的材料，用于完成对打印内容的照相、显影和转印。打印内容的照相、显影和转印。激光打印机激光打印机输出过程输出过程准备阶段准备阶段：电晕放电装置使光导鼓表面充电，对光导：电晕放电装置使光导鼓表面充电，对光导 鼓表面均匀的充上一层正电荷；鼓表面均匀的充上一层正电荷；照相阶段照相阶段：激光束使光导鼓表面被照射部分放电，未：激光束使光导鼓表面被照射部分放电，未 照射到部分的带电情况不变；照射到部分的带电情况不变；显影阶段显影阶段：光导鼓表面带电部分吸附墨粉，从而形成：光导鼓表面带电部分吸附墨粉，从而形成 由墨粉显示出来的字形；由墨粉显示出来的
29、字形；转印阶段转印阶段：光导鼓表面墨粉转移到打印纸上；：光导鼓表面墨粉转移到打印纸上；定影阶段定影阶段：通过红外光加热或辐射加热办法，高温将：通过红外光加热或辐射加热办法，高温将 墨粉固定在打印纸上；墨粉固定在打印纸上；清除阶段清除阶段：清扫器清除光导鼓表面剩余墨粉，消电灯：清扫器清除光导鼓表面剩余墨粉，消电灯 消除光导鼓上残存电荷。消除光导鼓上残存电荷。激激光光部部分分打印机打印机控制部分控制部分光导鼓光导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
30、喷墨打印机喷墨打印机打印原理打印原理通过把很小的墨水滴利用喷嘴喷射到打印纸上形通过把很小的墨水滴利用喷嘴喷射到打印纸上形成打印点来完成打印输出功能。成打印点来完成打印输出功能。主要问题集中到如何提供出很小的墨水滴，又如主要问题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落到打印纸上的位置，如何处理墨水的循环流动和过滤。和过滤。输出过程输出过程压电陶瓷受振荡电脉冲激励产生电致伸缩，喷射压电陶瓷受振荡电脉冲激励产生电致伸缩，喷射出墨滴出墨滴充电电极给墨滴充电，电量多少决定了偏转距离充
31、电电极给墨滴充电，电量多少决定了偏转距离利用电场控制墨滴的垂直偏转方向，喷墨头移动利用电场控制墨滴的垂直偏转方向，喷墨头移动控制墨滴水平方向控制墨滴水平方向墨水槽墨水槽喷墨头喷墨头过滤器过滤器收集槽收集槽高压高压电源电源振荡振荡发生器发生器字形字形发生器发生器打打印印纸纸充电电极充电电极压电陶瓷压电陶瓷偏转电极偏转电极墨水泵墨水泵回收器回收器墨墨 滴滴 偏偏 转转 方方 向向喷墨头移动方向喷墨头移动方向组成与打印原理组成与打印原理字符打印过程字符打印过程（充了电的墨滴偏转射向打印纸，（充了电的墨滴偏转射向打印纸，不带电的墨滴射入回收器被回收）不带电的墨滴射入回收器被回收）(以以 7*5 点阵为
32、例点阵为例)3、计算机输入输出系统概述、计算机输入输出系统概述输入输出系统的功能与组成输入输出系统的功能与组成连通计算机的各个功能部件和设备，并在它们连通计算机的各个功能部件和设备，并在它们之间实现数据交换。之间实现数据交换。硬件部分主要由计算机总线和输入输出接口两硬件部分主要由计算机总线和输入输出接口两部分组成，软件方面需要操作系统的支持。部分组成，软件方面需要操作系统的支持。输入输出系统系统复杂多变输入输出系统系统复杂多变众多的众多的CPU系列和型号：运行速度、处理功能、系列和型号：运行速度、处理功能、接口逻辑等各不相同；接口逻辑等各不相同；更多的外围设备：运行原理、提供的功能、读更多的外
33、围设备：运行原理、提供的功能、读写速度、接口逻辑千差万别；写速度、接口逻辑千差万别；不同的用户、不同的应用场合提出众多不同的不同的用户、不同的应用场合提出众多不同的使用要求，无法使用一种方式、一套方法全面使用要求，无法使用一种方式、一套方法全面解决问题。解决问题。4、输入输出接口基本功能、输入输出接口基本功能 提供对主机识别（指定、找到）要用的提供对主机识别（指定、找到）要用的 I/O设备设备的支持，为每个设备规定几个地址码或者编号。的支持，为每个设备规定几个地址码或者编号。建立主机和设备之间的控制与通信机制，接收建立主机和设备之间的控制与通信机制，接收处理器（主设备）的命令，并提交给外部设备
34、，同处理器（主设备）的命令，并提交给外部设备，同时，为主设备提供外部设备的状态。时，为主设备提供外部设备的状态。提供主机和设备之间信息交换过程中的数据缓提供主机和设备之间信息交换过程中的数据缓冲机构，如输入数据缓冲寄存器和输出数据缓冲寄冲机构，如输入数据缓冲寄存器和输出数据缓冲寄存器等。存器等。提供主机和设备之间信息交换过程中的其他特提供主机和设备之间信息交换过程中的其他特别需求支持，屏蔽外部设备的差异。别需求支持，屏蔽外部设备的差异。输入输出接口结构输入输出接口结构 命令寄存器命令寄存器和命令译码器和命令译码器 设备选择设备选择 电路电路 设备状态设备状态 标记标记 数据缓冲数据缓冲 寄存器
35、寄存器DBR 控控制制逻逻辑辑电电路路I/O接口接口外外 部部 设设 备备数据线数据线命令命令状态状态数据线数据线命令线命令线状态线状态线CPU地址线地址线通用可编程接口通用可编程接口通用性通用性能有多种用法与输入输出功能，能适用于多种外设能有多种用法与输入输出功能，能适用于多种外设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能通过指令指定接口的功能和运行控制参数接口内部组成接口内部组成设备识别电路：对指令中给出的设备识别电路：对指令中给出的I/O端口地址译码端口地址译码命令寄存器：存命令寄存器：存CPU发送的控制命令发送的控制命令状态寄存器：设备设置其值，状态寄存器：设备设置其值，CP
36、U读取读取数据缓冲寄存器：数据缓冲寄存器：I/O数据缓冲，解决速度匹配数据缓冲，解决速度匹配中断电路：处理中断请求、屏蔽和判优等中断电路：处理中断请求、屏蔽和判优等其他电路：电平转换及串行其他电路：电平转换及串行/并行转换电路等并行转换电路等常用接口概述常用接口概述串行接口串行接口只需要一对信号线来传输数据，主要用于传输速度不高，传输只需要一对信号线来传输数据，主要用于传输速度不高，传输距离较长的场合。典型芯片距离较长的场合。典型芯片Intel 8251(详细介绍见教材详细介绍见教材)目前几乎所有的计算机都采用目前几乎所有的计算机都采用EIA RS-232C作为串行接口标作为串行接口标准，包括
37、按位串行传输的电气和机械方面的规定。准，包括按位串行传输的电气和机械方面的规定。RS-232C接接口有口有25根线，数据传输率在根线，数据传输率在50、75至至19200bps之间之间对串行接口的使用是通过对其命令寄存器和状态寄存器进行设对串行接口的使用是通过对其命令寄存器和状态寄存器进行设置工作的。工作时先对接口命令寄存器发命令，设置工作方式；置工作的。工作时先对接口命令寄存器发命令，设置工作方式；然后再发命令使之开始工作；工作期间通过状态寄存器了解串然后再发命令使之开始工作；工作期间通过状态寄存器了解串口工作状态。口工作状态。并行接口并行接口串行接口按位传送数据，速度慢，而且主机是按字或者
38、字节处串行接口按位传送数据，速度慢，而且主机是按字或者字节处理数据，使用串行接口需要进行并串的转换。对速度较高的设理数据，使用串行接口需要进行并串的转换。对速度较高的设备，采用并行数据传输方式比较合适。典型芯片备，采用并行数据传输方式比较合适。典型芯片Intel 82558251 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，能自动插入同步字符可用内或外同步，能自动插入同步字符 异步传送时异步传送时，每字可为，每字可为bits,接收和发送时钟可为接收和发送时钟可为 1,16 或或 64 倍的波特率倍的波特率可产生
39、中止字符并自动检测和处理。可产生中止字符并自动检测和处理。可用、可用、1.或位停止位。能检测假启动或位停止位。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，数据丢失错和帧错的能力具有检测奇偶错，数据丢失错和帧错的能力全部入出信号为全部入出信号为 TTL 电平电平D7D0（接外部数据总线）（接外部数据总线）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读写读写控制逻辑控制逻辑调制解调制解调器控制调器控制发送器发送器P-S发送控制发送控制接收控制接收控制接收器接收器S-P缓缓冲冲器器xxTxCTxERxRDY/Rx
40、CRESETCLKC/D/RD/WR/CS/DTR/DSR/RTS/CTSTxRDY串行异步传送中的有关概念串行异步传送中的有关概念串行：串行：异步、同步：异步、同步：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：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：串口串口CPU终端终端(串口串口).数据位，如数据位，如 8 位位1位位1、1.5、2位位串串行行并并行行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串口串口串口串口CPUD7D6D5D4D3D2D1D0同步同步?Y(D1D0=0
41、0)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个个 停止位停止位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 8bitsTxC,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
42、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请请求求发发送送信信号号，使使出出 为为低低/RTS发发软软 信信号号RESETD7D6D5D4D3D2D1D0DSRSYNDETFEOEPETxERxRDYTxRDY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
43、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TEC-20008 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
44、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；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:IN81hSHRR0SHRR0JRNC,INCHIN80hPUSH R1MOV R1,00FFhANDR0,R1POPR1RETOUTCH:PUSH R0OUT1:IN 91h SHR R0 JRNC,OUT1 POP R0 OUT 90h RET对对 IN 指令而言，指令而言，80h 是读入数据是读入数据 81h 是读入
45、状态是读入状态对对OUT指令而言指令而言,90h 是输出数据是输出数据 91h 是输出命令是输出命令双串行口同时运行的例子双串行口同时运行的例子 Loop:in 81 loop1:in 91 shr r0 shr r0 shr r0 shr r0 jrnc loop1 jrnc loop in 80 in 90 out 80 out 80 out 90 jr loop ret 完成两台教学计算机的第完成两台教学计算机的第 2 个串行接口的初始化和输入输出操作，要把个串行接口的初始化和输入输出操作，要把两台教学机通过第个接口连接起来，都运行这个程序，则每个键盘的输入两台教学机通过第个接口连接起来
46、，都运行这个程序，则每个键盘的输入会同时显示在两个屏幕上，实现的是双机的双向通讯功能。会同时显示在两个屏幕上，实现的是双机的双向通讯功能。每台教学机都只能检查与操作自己的串行口，管不了另外那台教学机。每台教学机都只能检查与操作自己的串行口，管不了另外那台教学机。检查本机有检查本机有键盘输入否，键盘输入否，无输入则去无输入则去检查扩展接检查扩展接口中有输入口中有输入否；本机有否；本机有输入则接收、输入则接收、显示并经扩显示并经扩展接口送给展接口送给另外那台教另外那台教学计算机。学计算机。检查扩展接检查扩展接口中有输入口中有输入否否(来自另一来自另一台教学机台教学机)，有则接收并有则接收并显示，没
47、有显示，没有或有输入并或有输入并已经显示，已经显示，都要转去检都要转去检查本机的键查本机的键盘是否有输盘是否有输入。入。常用接口概述常用接口概述USB接口接口通用于串行总线通用于串行总线（Universal Serial Bus）USB由一个插在由一个插在PCI总线上的根集线器组成，它的电缆接口总线上的根集线器组成，它的电缆接口可以连接可以连接I/O设备或者扩展集线器。设备或者扩展集线器。USB中有中有4根导线，两根数据线，一根电源，一根地线。根导线，两根数据线，一根电源，一根地线。V1.1总线带宽总线带宽12Mbps，V2.0总线带宽总线带宽400Mbps。USB接口的一些特点接口的一些特点
48、不必打开机箱来安装新的输入输出设备不必打开机箱来安装新的输入输出设备只需要一根电缆线就可以将所有设备连接起来只需要一根电缆线就可以将所有设备连接起来输入输入/输出设备可以从电缆上得到电源输出设备可以从电缆上得到电源单台计算机最多可以连接单台计算机最多可以连接127个设备个设备系统能支持实时设备（声卡、电话）系统能支持实时设备（声卡、电话）可在计算机运行时安装设备，不必重新启动可在计算机运行时安装设备，不必重新启动常用接口概述常用接口概述IDE（Integrated Drive Electronics）、）、EIDE接口接口广泛应用于广泛应用于PC机中，机中，IDE最多连接最多连接2个个IDE设
49、备，设备，EIDE最多最多连接连接4个个IDE设备；设备；IDE读写磁盘的数据传输率一般不超过读写磁盘的数据传输率一般不超过1.5MB/s，EIDE可达可达1218MB/s；IDE接口连接的磁盘设备容量不超过接口连接的磁盘设备容量不超过528M，EIDE无此限制无此限制EIDE接口通常接在接口通常接在PCI总线上，数据传送带宽由总线上，数据传送带宽由IDE的的8位扩位扩展到展到32位。位。SCSI（Small Computer System Interface）接口）接口应用于工作站和应用于工作站和PC服务器中，成为主机和智能外设连接的服务器中，成为主机和智能外设连接的统一统一I/O接口，可以
50、控制磁盘驱动器、磁带机、光盘、打印机、接口，可以控制磁盘驱动器、磁带机、光盘、打印机、扫描仪等外设；扫描仪等外设；SCSI使用使用50芯或芯或68芯电缆，插座体积较大；芯电缆，插座体积较大；SCSI的发展以及相关标准见下页列表。的发展以及相关标准见下页列表。SCSI接口标准接口标准标准总线宽度最高数据传输率（MB/S）连接设备数量SCSI858Fast SCSI8108Wide SCSI16108Fast Wide SCSI162016Ultra SCSI8208Wide Ultra SCSI164016Ultra2 SCSI8408Wide Ultra2 SCSI168016Ultra3 S