计算机组成原理-第9章-输入输出分析课件.ppt

1、第第章章 输入输出系统输入输出系统5.6 DMA方式方式5.5 程序中断方式程序中断方式5.4 程序查询方式程序查询方式5.3 I/O接口接口5.2 外部设备外部设备5.1 概述概述5.1 5.1 概概 述述一、输入输出系统的发展概况一、输入输出系统的发展概况1.早期早期分散连接分散连接CPU 和和 I/O设备设备 串行串行 工作工作程序查询方式程序查询方式2.接口模块和接口模块和 DMA 阶段阶段总线连接总线连接CPU 和和 I/O设备设备 并行并行 工作工作3.具有通道结构的阶段具有通道结构的阶段4.具有具有 I/O 处理机的阶段处理机的阶段中断方式中断方式DMA 方式方式二、输入输出系统

2、的组成二、输入输出系统的组成1.I/O 软件软件(1)I/O 指令指令(2)通道指令通道指令CPU 指令的一部分指令的一部分通道自身的指令通道自身的指令指出数组的首地址、传送字数、操作命令指出数组的首地址、传送字数、操作命令如如 IBM/370 通道指令为通道指令为 64 位位2.I/O 硬件硬件设备设备I/O 接口接口设备设备设备控制器设备控制器通道通道操作码操作码命令码命令码设备码设备码三、三、I/O 设备与主机的联系方式设备与主机的联系方式1.I/O 设备编址方式设备编址方式(1)统一编址统一编址(2)不统一编址不统一编址用取数、存数指令用取数、存数指令有专门的有专门的 I/O 指令指令

3、2.设备选择设备选择用设备选择电路识别是否被选中用设备选择电路识别是否被选中3.传送方式传送方式(1)串行串行(2)并行并行数据字数据字命令字命令字命令字命令字0 1 1 0 1 0 0 0起始位起始位终止位终止位9.09 ms2 9.09 ms4.联络方式联络方式(1)立即响应立即响应(2)异步工作采用应答信号异步工作采用应答信号“Ready”“Strobe”I/O 接接 口口I/O 设设 备备CPU(3)同步工作采用同步时标同步工作采用同步时标并行并行串行串行起始位起始位终止位终止位9.09 ms2 9.09 ms5.I/O 设备与主机的连接方式设备与主机的连接方式(1)辐射式连接辐射式连

4、接(2)总线连接总线连接 外设外设 外设外设 外设外设 主主机机不便于增删设备不便于增删设备每台设备都配有一套每台设备都配有一套控制线路和一组信号线控制线路和一组信号线便于增删设备便于增删设备四、四、I/O设备与主机信息传送的控制方式设备与主机信息传送的控制方式1.程序查询方式程序查询方式CPU 和和 I/O 串行工作串行工作踏步等待踏步等待CPU读读I/O状态状态检查状态检查状态未准备就绪未准备就绪出错出错从从I/O接口中读接口中读 一个字到一个字到CPU从从CPU向主存向主存 写入一个字写入一个字CPU向向I/O发发 读指令读指令CPU读读I/O状态状态检查状态检查状态 完成否完成否未准备

5、就绪未准备就绪现行程序现行程序是是出错出错已准备就绪已准备就绪否否n优点优点：简单，经济简单，经济；n缺点缺点：CPUCPU和外设只能串行工作，和外设只能串行工作，CPUCPU利用利用率和系统效率很低率和系统效率很低（CPU的速度比I/O设备的速度快得多，CPU大量时间都处于等待、空闲状态）。n适用于传送率高的外设适用于传送率高的外设或一些简单的场合。2.程序中断方式程序中断方式I/O 工作工作CPU 不查询不查询CPU 暂停现行程序暂停现行程序自身准备自身准备与主机交换信息与主机交换信息CPU 和和 I/O 并行工作并行工作 启动启动 I/O设备设备现行程序现行程序 中断服务程序中断服务程序

6、KK+1没有踏步等待现象没有踏步等待现象中断现行程序中断现行程序程序中断方式流程程序中断方式流程CPU 向向 I/O 发读指令发读指令CPU 读读 I/O 状态状态检查状态检查状态完成否？完成否？CPU 做其他事情做其他事情I/O 设备工作设备工作准备就绪准备就绪CPU I/O从从 CPU 向主存写入一个字向主存写入一个字CPU 主存主存从从 I/O 接口中读一个字到接口中读一个字到CPUI/O CPU中断请求中断请求I/O CPU出错出错是是否否未错未错n优点优点：可大大提高计算机系统的工作效率。在一定程度上实现了CPU和外设的并行工作；可以实现外设之间的并行工作。n缺点缺点：接口逻辑相对复

7、杂；服务开销时间较大，每次中断仅传送一个数据，需要保护断点、现场，恢复断点、现场。若外设工作频率较高，容易造成信息丢失。n适用于中慢速设备适用于中慢速设备。3.DMA 方式方式主存和主存和 I/O 之间有一条直接数据通道之间有一条直接数据通道不中断现行程序不中断现行程序周期挪用（周期窃取）周期挪用（周期窃取）CPU 和和 I/O 并行工作并行工作存取周期结束存取周期结束CPU 执行现行程序执行现行程序CPU 执行现行程序执行现行程序DMA请求请求启动启动I/OI/O准备准备I/O准备准备一个存取周期一个存取周期实现实现I/O与主存之间的传送与主存之间的传送中断服务程序中断服务程序DMACCPU

8、启动设备启动设备(准备准备)就绪就绪申请总线申请总线让出总线让出总线(传送传送1个数据个数据)归还总线归还总线(保持：保持：1个总线周期个总线周期)(准备准备)就绪就绪申请总线申请总线让出总线让出总线(传送传送1个数据个数据)归还总线归还总线(准备准备)(前处理：初始化前处理：初始化)INT(数据块传送结束数据块传送结束)(后处理后处理:校验校验)(保持：保持：1个总线周期个总线周期)n优点优点：除了在数据块的开始和结束时需要CPU进行前处理和后处理外,无需CPU的频繁干预。进一步减轻了CPU的负担，提高了CPU与外设并行工作程度。n缺点缺点：DMAC只能完成简单的数据传送，对外设的管理和某些

9、操作的控制仍需由CPU承担。n适用于高速外设适用于高速外设。如磁盘、磁带等。三种方式的三种方式的 CPU 工作效率比较工作效率比较存取周期结束存取周期结束CPU 执行现行程序执行现行程序CPU 执行现行程序执行现行程序DMA请求请求启动启动I/OI/O准备准备I/O准备准备一个存取周期一个存取周期实现实现I/O与主存与主存之间的传送之间的传送CPU 执行执行现行程序现行程序CPU查询等待并传输查询等待并传输I/O数据数据CPU 执行执行现行程序现行程序启动启动I/OI/O 准备及传送准备及传送指令执行周期结束指令执行周期结束CPU 执行现行程序执行现行程序CPU 执行现行程序执行现行程序启动启

10、动I/O中断请求中断请求I/O准备准备I/O准备准备CPU 处理中断服务程序处理中断服务程序实现实现 I/O 与主机之间的传送与主机之间的传送间间断断启动启动I/O启动启动I/OI/O准备准备中断请求中断请求启动启动I/OI/O准备准备一个存取周期一个存取周期DMA请求请求程序程序查询查询方式方式程序程序中断中断方式方式DMA 方式方式I/O 准备及传送准备及传送间间断断I/O准备准备I/O准备准备5.3 I/O 5.3 I/O 接接 口口一、概述一、概述为什么要设置接口？为什么要设置接口？1.实现设备的选择实现设备的选择2.实现数据缓冲达到速度匹配实现数据缓冲达到速度匹配4.实现电平转换实现

11、电平转换5.传送控制命令传送控制命令6.反映设备的状态（反映设备的状态（“忙忙”、“就绪就绪”、“中断中断请求请求”）3.实现数据串实现数据串 并格式转换并格式转换二、接口的功能和组成二、接口的功能和组成(1)设备选择线设备选择线(2)数据线数据线(3)命令线命令线(4)状态线状态线I/O 接口接口设备设备I/O 接口接口设备设备数据线数据线命令线命令线状态线状态线I/O总线总线设备选择线设备选择线1.总线连接方式的总线连接方式的 I/O 接口电路接口电路2.接口的功能和组成接口的功能和组成功能功能组成组成选址功能选址功能传送命令的功能传送命令的功能传送数据的功能传送数据的功能反映设备状态的功

12、能反映设备状态的功能设备选择电路设备选择电路命令寄存器、命令译码器命令寄存器、命令译码器数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器设备状态标记设备状态标记完成触发器完成触发器 D工作触发器工作触发器 B中断请求触发器中断请求触发器 INTR屏蔽触发器屏蔽触发器 MASK3.I/O 接口的基本组成接口的基本组成 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 寄存器寄存器DBR 控制逻辑电路控制逻辑电路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地址线地址线三、接口类型三、接口

13、类型并行接口并行接口串行接口串行接口可编程接口可编程接口不可编程接口不可编程接口通用接口通用接口专用接口专用接口1.按数据按数据 传送方式传送方式 分类分类2.按功能按功能 选择的灵活性选择的灵活性 分类分类3.按按 通用性通用性 分类分类4.按数据传送的按数据传送的 控制方式控制方式 分类分类中断接口中断接口DMA 接口接口Intel 8255Intel 8251Intel 8255、Intel 8251Intel 8212Intel 8255、Intel 8251Intel 8279、Intel 8275Intel 8259Intel 82575.4 5.4 程序查询方式程序查询方式一、程

14、序查询流程一、程序查询流程检查状态标记检查状态标记1 设备设备1 准备就绪？准备就绪？检查状态标记检查状态标记N 设备设备N准备就绪？准备就绪？处理设备处理设备1是是否否否否处理设备处理设备N是是1.查询流程查询流程检查状态标记检查状态标记交换数据交换数据准备就绪准备就绪?是是否否单个设备单个设备多个设备多个设备测测试试指指令令转转移移指指令令传传送送指指令令2.程序流程程序流程设置主存缓冲区首址设置主存缓冲区首址设置计数值设置计数值启动外设启动外设传送一个数据传送一个数据修改主存地址修改主存地址修改计数值修改计数值结束结束I/O传送传送准备好？准备好？传送完？传送完？未完未完是是完完否否 保

15、存保存 寄存器内容寄存器内容 恢复恢复 寄存器内容寄存器内容设备选择电路设备选择电路DBRQQ&数据线数据线准备就绪准备就绪启动命令启动命令地址线地址线SEL输入数据输入数据启动设备启动设备设备工作设备工作 结束结束DB二、程序查询方式的接口电路二、程序查询方式的接口电路10 10以输入为例以输入为例5.5 5.5 程序中断方式程序中断方式一、中断的概念一、中断的概念KK+1QQ+1中断服务程序中断服务程序1中断服务程序中断服务程序2入口入口1入口入口25.5 5.5 程序中断方式程序中断方式一、中断的概念一、中断的概念l 为了实现中断功能而设置的各种硬件和软件所构成的子系统称为中断系统中断系

16、统。l 中断源中断源是指引起中断的事件，即发出中断请求的来源。外中断外中断：来自处理机外部设备如I/O设备、定时器等的中断。内中断内中断：由处理机内部的硬件故障或程序“出错”引起的中断。例如：电源故障中断、算术运算溢出、除数为零、用户程序执行非法指令或特权指令以及虚拟存储器页面失效等。软中断软中断：由“Trap”（陷阱）指令产生的中断。与前两种不同，软中断是在程序中预先安排好的，而前两种中断都是相应的硬件随机产生的。二、二、I/O 中断的产生中断的产生以打印机为例以打印机为例发中断请求发中断请求 空闲空闲接收接收数据数据接收接收数据数据准备准备发中断请求发中断请求打印打印打印打印打印机打印机执

17、行主程序执行主程序继续执行主程序继续执行主程序继续执行主程序继续执行主程序响应中断响应中断中断返回中断返回响应中断响应中断中断返回中断返回 启动启动打印机打印机传送传送数据数据传送传送数据数据CPUCPU 与打印机并行工作与打印机并行工作三、程序中断方式的接口电路三、程序中断方式的接口电路1.配置中断请求触发器和中断屏蔽触发器配置中断请求触发器和中断屏蔽触发器DQ&1INTR 中断请求触发器中断请求触发器INTR=1 有请求有请求MASK 中断屏蔽触发器中断屏蔽触发器MASK=1 被屏蔽被屏蔽来自来自 CPU 的的中断查询信号中断查询信号受设备本身控制受设备本身控制INTR D MASKQD

18、完成触发器完成触发器中断请求中断请求2.排队器排队器排队排队在在 CPU 内或在接口电路中（链式排队器）内或在接口电路中（链式排队器）硬件硬件软件软件 详见第八章详见第八章INTP1 INTP2 INTP3 INTP4 INTR1INTR2INTR3INTR4 1&1&1&1&INTR1设备设备 1#、2#、3#、4#优先级按优先级按 降序排列降序排列INTRi=1 有请求有请求 即即 INTRi=01INTP11INTP21INTP31INTP4&INTR1INTR2INTR3INTR4INTR1INTR2INTR3INTR4 1&1&1&1&INTP1 INTP2 INTP3 INTP4

19、INTR2INTR1INTR1INTR21&INTP22.排队器排队器排队排队在在 CPU 内或在接口电路中（链式排队器）内或在接口电路中（链式排队器）硬件硬件软件软件 详见第八章详见第八章3.中断向量地址形成部件中断向量地址形成部件入口地址入口地址向量地址向量地址排队器输出排队器输出由软件产生由软件产生硬件向量法硬件向量法 显示器服务程序显示器服务程序 打印机服务程序打印机服务程序JMP 400JMP 300JMP 200主存主存12H13H14H200300向量地址向量地址入口地址入口地址入口地址入口地址中断向量地址中断向量地址 形成部件形成部件 设备设备编码器编码器1 0 0 00001

20、00100 1 0 000010011详见第八章详见第八章由由 硬件硬件 产生产生 向量地址向量地址再由再由 向量地址向量地址 找到找到 入口地址入口地址设备选择电路设备选择电路DBR DQ&数据线数据线启动命令启动命令地址线地址线SEL输入数据输入数据启动设备启动设备设备工作设备工作 结束结束&1QQDINTR BQQMASK 设备编码器设备编码器排队器排队器中断查询中断查询来自高一级来自高一级 的排队器的排队器至低一级至低一级的排队器的排队器向量地址向量地址中断响应中断响应 INTA中断请求中断请求命令译码命令译码4.程序中断方式接口电路的基本组成程序中断方式接口电路的基本组成四、四、I/

21、O 中断处理过程中断处理过程1.CPU 响应中断的条件和时间响应中断的条件和时间(1)条件条件(2)时间时间允许中断触发器允许中断触发器 EINT=1用用 开中断开中断 指令将指令将 EINT 置置“1”用用 关中断关中断 指令将指令将 EINT 置置“0”或硬件或硬件 自动复位自动复位当当 D=1（随机）且（随机）且 MASK=0 时时在每条指令执行阶段的结束前在每条指令执行阶段的结束前CPU 发发 中断查询信号中断查询信号（将（将 INTR 置置“1”）设备选择电路设备选择电路DBR DQ&数据线数据线启动命令启动命令地址线地址线SEL输入数据输入数据启动设备启动设备设备工作设备工作 结束

22、结束&1QQDINTR BQQ MASK设备编码器设备编码器排队器排队器中断查询中断查询来自高一级来自高一级 的排队器的排队器至低一级至低一级的排队器的排队器向量地址向量地址中断响应中断响应 INTA中断请求中断请求命令译码命令译码2.I/O 中断处理过程中断处理过程10&DBR设备选择电路设备选择电路01以输入为例以输入为例五、中断服务程序流程五、中断服务程序流程1.中断服务程序的流程中断服务程序的流程(1)保护现场保护现场(2)中断服务中断服务(3)恢复现场恢复现场(4)中断返回中断返回对不同的对不同的 I/O 设备具有不同内容的设备服务设备具有不同内容的设备服务中断返回指令中断返回指令2

23、.单重中断和多重中断单重中断和多重中断不允许中断不允许中断 现行的现行的 中断服务程序中断服务程序单重单重 中断中断多重多重 中断中断允许级别更高允许级别更高 的中断源的中断源中断中断 现行的现行的 中断服务程序中断服务程序中断隐指令完成中断隐指令完成进栈指令进栈指令出栈指令出栈指令程序断点的保护程序断点的保护寄存器内容的保护寄存器内容的保护3.单重中断和多重中断的服务程序流程单重中断和多重中断的服务程序流程中断否？中断否？保护现场保护现场设备服务设备服务恢复现场恢复现场 开中断开中断中断返回中断返回取指令取指令执行指令执行指令中断服务程序中断服务程序 中断响应中断响应 程序断点进栈程序断点进

24、栈 关中断关中断 向量地址向量地址 PC中断周期中断周期是是中断返回中断返回保护现场保护现场设备服务设备服务恢复现场恢复现场开中断开中断开中断开中断开中断开中断中断隐指令中断隐指令中断隐指令中断隐指令否否取指令取指令执行指令执行指令中断否？中断否？否否 中断响应中断响应 程序断点进栈程序断点进栈 关中断关中断向量地址向量地址 PC中断周期中断周期是是中断服务程序中断服务程序单重单重 多重多重 主程序主程序中断处理程序中断处理程序1234中断请求中断请求t 程序中断接口芯片程序中断接口芯片 8259A 的内部结构的内部结构 内部总线内部总线 缓冲器缓冲器读读/写写逻逻 辑辑级联缓冲级联缓冲器器/

25、比较器比较器优先权优先权比较器比较器(PR)中断中断 服务服务 寄存寄存 器器(ISR)中断中断 请求请求 寄存寄存 器器(IRR)中断屏蔽寄存器中断屏蔽寄存器 （IMR）控制逻辑控制逻辑INTINTAD7D0A0RDWRCSCAS0CAS1CAS2SP/ENIR0IR1IR2IR3IR4IR5IR6IR7内部总线内部总线主程序和服务程序抢占主程序和服务程序抢占 CPU 示意图示意图准备工作准备工作准备工作准备工作准备工作准备工作传送数据传送数据传送数据传送数据发中断请求发中断请求发中断请求发中断请求I/O宏观宏观 上上 CPU 和和 I/O 并行并行 工作工作微观微观 上上 CPU 中断现行

26、程序中断现行程序 为为 I/O 服务服务主程序主程序继续执行主程序继续执行主程序启动外设启动外设 服务程序服务程序（传送数据）（传送数据）服务程序服务程序（传送数据）（传送数据）继续执行主程序继续执行主程序CPU5.6 5.6 DMA DMA 方式方式一、一、DMA 方式的特点方式的特点1.DMA 和程序中断两种方式的数据通路和程序中断两种方式的数据通路CPU主主存存ACC 中断接口中断接口DMA 接口接口I/O 设设 备备中断方式数据传送通路中断方式数据传送通路输入指令输入指令输出指令输出指令DMA方式数据传送通路方式数据传送通路2.DMA 与主存交换数据的三种方式与主存交换数据的三种方式(

27、1)停止停止 CPU 访问主存访问主存控制简单控制简单CPU 处于不工作状态或保持状态处于不工作状态或保持状态未充分发挥未充分发挥 CPU 对主存的利用率对主存的利用率主存工作时间主存工作时间CPU不执行程序不执行程序DMA不工作不工作DMA不工作不工作DMA工作工作 CPU控制控制并使用主存并使用主存 DMA控制控制并使用主存并使用主存t(2)周期挪用（或周期窃取）周期挪用（或周期窃取）DMA 访问主存有三种可能访问主存有三种可能 CPU 此时不访存此时不访存 CPU 正在访存正在访存 CPU 与与 DMA 同时请求访存同时请求访存此时此时 CPU 将总线控制权让给将总线控制权让给 DMA主

28、存工作时间主存工作时间 CPU控制控制并使用主存并使用主存 DMA控制控制并使用主存并使用主存t(3)DMA 与与 CPU 交替访问交替访问主存工作时间主存工作时间DMA控制控制并使用主存并使用主存CPU控制控制并使用主存并使用主存tCPU 工作周期工作周期C1 专供专供 DMA 访存访存C2 专供专供 CPU 访存访存所有指令执行过程中的一个基准时间所有指令执行过程中的一个基准时间不需要不需要 申请建立和归还申请建立和归还 总线的使用权总线的使用权二、二、DMA 接口的功能和组成接口的功能和组成1.DMA 接口功能接口功能(1)向向 CPU 申请申请 DMA 传送传送(2)处理总线处理总线

29、控制权的转交控制权的转交(3)管理管理 系统总线、系统总线、控制控制 数据传送数据传送(4)保存保存 数据传送的数据传送的 首地址和长度首地址和长度(5)DMA 传送结束时，传送结束时，给出操作完成信号给出操作完成信号修正修正 传送过程中的数据传送过程中的数据 地址地址 和和 长度长度DMA接口接口主主存存CPU2.DMA 接口组成接口组成DMA 控控 制制 逻逻 辑辑 中中 断断 机机 构构设备设备HLDAARWCDARHRQ中断请求中断请求数据线数据线地址线地址线+1+1溢出信号溢出信号DREQDACKBR三、三、DMA 的工作过程的工作过程1.DMA 传送过程传送过程预处理、数据传送、后

30、处理预处理、数据传送、后处理(1)预处理预处理通过几条输入输出指令预置如下信息通过几条输入输出指令预置如下信息 通知通知 DMA 控制逻辑传送方向（入控制逻辑传送方向（入/出）出）设备地址设备地址 DMA 的的 DAR 主存地址主存地址 DMA 的的 AR 传送字数传送字数 DMA 的的 WC预处理预处理：主存起始地址主存起始地址设备地址设备地址 传送数据个数传送数据个数启动设备启动设备DMADMADMA数据传送数据传送：继续执行主程序继续执行主程序同时完成一批数据传送同时完成一批数据传送后处理后处理：中断服务程序中断服务程序做做 DMA 结束处理结束处理继续执行主程序继续执行主程序CPU(2

31、)DMA 传送过程示意传送过程示意允许传送？允许传送？主存地址送总线主存地址送总线数据送数据送I/O设备（或主存设备（或主存）修改修改 主存地址主存地址修改修改 字计数器字计数器 数据块数据块传送结束？传送结束？向向CPU申请申请 程序中断程序中断DMA请求请求否否否否是是是是数据传送数据传送BR设备设备DMA 控控 制制 逻逻 辑辑 中中 断断 机机 构构ARWCDARDMA接口接口主主存存CPU+1+1(3)数据传送过程（输入）数据传送过程（输入）DREQHRQHLDA地址线地址线DACK数据线数据线溢出信号溢出信号中断请求中断请求ARWC+1+1BRBRBRBRBRBR设备设备DMA 控

32、控 制制 逻逻 辑辑 中中 断断 机机 构构ARWCDARDMA接口接口主主存存CPU+1+1BRDREQHRQHLDA地址线地址线DACK数据线数据线溢出信号溢出信号中断请求中断请求ARWC+1+1(4)数据传送过程（输出）数据传送过程（输出）BRBRBRBR(5)后处理后处理校验送入主存的数是否正确校验送入主存的数是否正确是否继续用是否继续用 DMA测试传送过程是否正确，错则转诊断程序测试传送过程是否正确，错则转诊断程序由中断服务程序完成由中断服务程序完成例：例：一个一个DMADMA接口可采用周期窃取方式把字符传送到存储器，它支接口可采用周期窃取方式把字符传送到存储器，它支持的最大批量为持

33、的最大批量为400400个字符。若存取周期为个字符。若存取周期为100ns100ns，每处理一次中，每处理一次中断需要断需要5 5 s s，现有的字符设备的传输率为，现有的字符设备的传输率为9600bps9600bps。假设字符之间。假设字符之间的传输是无间隙的，若忽略预处理所需时间，试问采用的传输是无间隙的，若忽略预处理所需时间，试问采用DMADMA方式每方式每秒因数据传输需占用处理器多少时间？如果完全采用中断方式，秒因数据传输需占用处理器多少时间？如果完全采用中断方式，又需占用处理器多少时间？又需占用处理器多少时间？解：解：根据字符设备的传输率为根据字符设备的传输率为9600bps9600

34、bps，则每秒能传输，则每秒能传输 9600/8=1200 B(12009600/8=1200 B(1200个字符）个字符）若采用若采用DMADMA方式方式，传送，传送12001200个字符共需个字符共需12001200个存取周期，考虑到个存取周期，考虑到每传每传400400个字符需中断处理一次，因此个字符需中断处理一次，因此DMADMA方式每秒因数据传输占方式每秒因数据传输占用处理器的时间是用处理器的时间是 0.1 0.1 s X 1200+s X 1200+5 5 s X(1200/400)=135 s X(1200/400)=135 s s 若采用中断方式若采用中断方式，每传，每传1 1

35、个字符需中断处理一次，因此每秒因数个字符需中断处理一次，因此每秒因数据传输占用处理器的时间是据传输占用处理器的时间是 5 5 s X 1200=6000 s X 1200=6000 s s例：例：假设磁盘采用假设磁盘采用DMADMA方式与主机交换信息，其传输速率为方式与主机交换信息，其传输速率为2MBps2MBps，而且，而且DMADMA的预处理需的预处理需10001000个时钟周期，个时钟周期，DMADMA完成传送后处完成传送后处理中断需理中断需500500个时钟周期。如果平均传输的数据长度为个时钟周期。如果平均传输的数据长度为4KB4KB，试，试问在硬盘工作时，问在硬盘工作时，50MHz5

36、0MHz的处理器需用多少时间比率进行的处理器需用多少时间比率进行DMADMA辅辅助操作（预处理和后处理）？助操作（预处理和后处理）？解：解：DMADMA传送过程包括传送过程包括预处理预处理、数据传送数据传送和和后处理后处理3 3个阶段。个阶段。传送传送4KB4KB的数据长度需要的数据长度需要 (4KB)/(2MBps)=0.002s(4KB)/(2MBps)=0.002s 若磁盘不断进行传输，若磁盘不断进行传输，每秒所需每秒所需DMADMA辅助操作的时钟周期数辅助操作的时钟周期数为为 (1000+500)/0.002=750000(1000+500)/0.002=750000 所以所以DMAD

37、MA辅助操作占用辅助操作占用CPUCPU的时间比率的时间比率为为 (750000/50 000000)X 100%=1.5%(750000/50 000000)X 100%=1.5%2.DMA 接口与系统的连接方式接口与系统的连接方式DMA接口接口1DMA接口接口2DMA接口接口nCPU主存主存DMA响应响应I/O总线总线数据线数据线地址线地址线DMA请求请求(1)具有公共请求线的具有公共请求线的 DMA 请求请求(2)独立的独立的 DMA 请求请求DMA接口接口1DMA接口接口2DMA接口接口3CPU主存主存DMA响应响应1DMA请求请求1DMA响应响应2DMA请求请求2DMA响应响应3DM

38、A请求请求3I/O总线总线数据线数据线地址线地址线3.DMA 方式与程序中断方式的比较方式与程序中断方式的比较(1)数据传送数据传送(2)响应时间响应时间(3)处理异常情况处理异常情况(4)中断请求中断请求(5)优先级优先级中断方式中断方式DMA 方式方式程序程序 硬件硬件指令执行结束指令执行结束 存取周期结束存取周期结束能能 不能不能低低 高高传送数据传送数据 后处理后处理 四、四、DMA 接口的类型接口的类型1.选择型选择型在在 物理上物理上 连接连接 多个多个 设备设备在在 逻辑上逻辑上 只允许连接只允许连接 一个一个 设备设备设备地址寄存器设备地址寄存器控制状态寄存器控制状态寄存器数据

39、缓冲寄存器数据缓冲寄存器主存地址寄存器主存地址寄存器时序电路时序电路字计数器字计数器DMA接口接口CPU主存主存设备设备 1设备设备 2设备设备 n选选择择线线.系统总线系统总线2.多路型多路型在在 物理上物理上 连接连接 多个多个 设备设备在在 逻辑上逻辑上 允许允许 多个多个 设备同时工作设备同时工作设备设备设备设备设备设备DMA 接口接口CPU主存主存独立请求式独立请求式设备设备设备设备设备设备DMA 接口接口CPU主存主存链式链式3.多路型多路型 DMA 接口的工作原理接口的工作原理 T4T6 T7T2为磁盘为磁盘 服务服务T5T8T3为磁带为磁带 服务服务为打印为打印机服务机服务T1

40、5 s s DMA 请求请求打印机打印机tDMA 请求请求DMA 请求请求DMA 请求请求45 s s 磁带磁带tDMA 请求请求DMA 请求请求DMA 请求请求DMA 请求请求30 s s 磁盘磁盘t5.2 5.2 外部设备外部设备一、概述一、概述主机主机 设备设备控制器控制器机、电机、电磁、光磁、光部分部分I/O接接口口外部设备外部设备外部设备大致分三类外部设备大致分三类键盘、鼠标、打印机、显示器键盘、鼠标、打印机、显示器 磁盘、光盘、磁带磁盘、光盘、磁带1.人机交互设备人机交互设备2.计算机信息存储设备计算机信息存储设备3.机机 机通信设备机通信设备调制解调器等调制解调器等二、输入设备二

41、、输入设备1.键盘键盘2.鼠标鼠标3.触摸屏触摸屏按键按键判断哪个键按下判断哪个键按下将此键翻译成将此键翻译成 ASCII 码码（编码键盘法）（编码键盘法）机械式机械式 金属球金属球 电位器电位器光电式光电式 光电转换器光电转换器三、输出设备三、输出设备1.显示器显示器(1)字符显示字符显示(2)图形显示图形显示(3)图像显示图像显示字符发生器字符发生器主观图像主观图像客观图像客观图像2.打印机打印机(1)击打式击打式(2)非击打式非击打式点阵式（逐字、逐行）点阵式（逐字、逐行）喷墨（逐字）喷墨（逐字）激光（逐页）激光（逐页）四、其他四、其他1.A/D、D/A2.终端终端3.汉字处理汉字处理五

42、、多媒体技术五、多媒体技术完成显示控制与存储、键盘管理及通信控制完成显示控制与存储、键盘管理及通信控制模拟模拟/数字（数字数字（数字/模拟）转换器模拟）转换器汉字输入、汉字存储、汉字输出汉字输入、汉字存储、汉字输出1.什么是多媒体什么是多媒体2.多媒体计算机的关键技术多媒体计算机的关键技术由键盘和显示器组成由键盘和显示器组成键键 盘盘n 键盘由一组排列成阵列形式的键盘由一组排列成阵列形式的按键开关按键开关组成组成。每按下一个键，便产生一个相应的位置码）；将其转换成ASCII码或其他码，送主机。n 目前常用的标准键盘有目前常用的标准键盘有101个键个键：ASII码字符键、功能键（由软件定义其功能

43、）、光标控制键以及编辑键（插入、清除字符）等。n IBM PC机键盘内装机键盘内装Intel 8048单片机单片机来执行键盘扫描功能(确定按键的位置码)、键盘监测、消去重键、自动重发、扫描码缓冲以及与主机间通信等。显示器显示器n显示设备种类显示设备种类：按显示器件分类：阴极射线管阴极射线管(CRT)显示器、液晶液晶显示器(LCD)、等离子等离子显示器(PDP)等。按显示内容分类：字符字符显示器、图形图形显示器和图像图像显示器。按功能分类：普通显示器普通显示器：或称监视器监视器，功能简单，仅接收视频信号；显示控制逻辑和存储逻辑都在主机接口板中。显示终端显示终端：由显示器和键盘组成的一套独立完整的

44、输入/输出设备，其结构比普通显示器复杂得多，能完成显示控制与存储、键盘管理以及通信控制等功能，也可完成简单编辑操作；可远离主机，通过标准通信接口连接。阴极射线管（阴极射线管（CRTCRT）n CRT是一个电真空器件，由是一个电真空器件，由电子枪电子枪、偏转装置偏转装置和和荧光屏荧光屏构成构成。如图5.17所示（p172）。电子枪电子枪：包括灯丝、阴极、栅极、加速阳极和聚焦极。在加电后，灯丝发热，阴极受热便发射电子，电子束射到荧光屏上形成光点，由光点组成图像。(控制控制)栅极栅极：根据亮度信号来控制电子束的强弱。加速阳极加速阳极：对电子束加速，以保证电子束有足够的能量轰击荧光屏，使荧光屏发出相当

45、强的光。聚焦极聚焦极：将激光束聚集得很细，确保图像清晰。偏转装置偏转装置：控制电子束的运动方向，使电子束能扫描到荧光屏的任何位置。n 荧光屏荧光屏：内壁涂有荧光粉内壁涂有荧光粉，其作用是将电子束的动能转换成光能将电子束的动能转换成光能，从而显示出光点。荧光粉由多种金属的化合物构成，不同材料维持亮度的时间不同，称为“余辉时间余辉时间”。要求要求荧光粉的颗粒精细荧光粉的颗粒精细，确保图像像素清晰。像素间距为0.31mm，0.28mm。荧光屏尺寸荧光屏尺寸：用对角线的长度表示。14、15、17、21英寸等。n 彩色彩色CRT有三个电子枪有三个电子枪，荧光屏内壁涂彩色荧光荧光屏内壁涂彩色荧光粉粉(红、

46、绿、蓝红、绿、蓝)，按三基色迭加原理形成彩色图像，按三基色迭加原理形成彩色图像。液晶显示器（液晶显示器（LCDLCD）n 液晶液晶：即液态晶体液态晶体(有机化合物)。具有液体的流动性，以及分子排列有序的晶体特性。本身不发光本身不发光，但能够调制外照光实现信息显示能够调制外照光实现信息显示，因此使用时需要背光源。n 液晶显示的特点液晶显示的特点:低电压、微功耗、体轻薄、适于LSI驱动、易实现大画面显示、显示色彩优良等。n 应用领域应用领域：便携式电子产品便携式电子产品：笔记本PC、PDA、手机等。监视器监视器。消费类电子产品消费类电子产品:数字电视、摄录机、数字相机。等离子体显示器（等离子体显示

47、器（PDPPDP）n利用惰性气体在一定电压作用下产生气体放电现象而实现显示。n 显示技术中的有关术语显示技术中的有关术语：分辨率分辨率：显示设备显示设备所能显示的像素个数所能显示的像素个数。分辨率取决于荧光粉的粒度、屏幕的尺寸和电子束的聚焦能力。如12、14、16英寸彩色CRT的分辨率分别为640480、800600、1024768。（4:3）灰度级灰度级（gray level）：所显示像素点的亮暗差别所显示像素点的亮暗差别，在，在彩显中则表现为彩显中则表现为不同的颜色不同的颜色。灰度级取决于每个像素对应刷新存储器单元的位数和CRT本身的性能。单色(黑白)、彩色、多灰度级黑白显示器。IBM针对

48、不同的分辨率，制定了不同的显示器接口标针对不同的分辨率，制定了不同的显示器接口标准（或适配器）准（或适配器）。见p177。刷新和帧存储器刷新和帧存储器：刷新刷新：电子束扫过之后，其发光亮度只能维持短暂一瞬(大约几十ms)便消失。为了使人眼能看到稳定的图像，为了使人眼能看到稳定的图像，就必须就必须在图像消失之前使电子束不断地重复扫描整个屏在图像消失之前使电子束不断地重复扫描整个屏幕幕。这个过程。这个过程称为刷新刷新（refresh）。刷新频率刷新频率或扫描频率扫描频率:每秒刷新的次数每秒刷新的次数。应大于30次/秒。选用电视中的标准，即每秒刷新50帧(frame).帧存储器帧存储器或视频存储器（

49、视频存储器（VRAM）：用于存储图像存储图像的存的存储器储器（即为了不断提供刷新图像的信号，必须把图像存储起来）。其容量容量由图像分辨率和灰度级决定；其存取存取周期周期必须满足刷新频率的要求。如1024*768，32位真彩色，需要1024*768*32/8=3MB。随机扫描和光栅扫描随机扫描和光栅扫描扫描扫描：电子束在荧光屏上按某种轨迹的运动电子束在荧光屏上按某种轨迹的运动，其控制电路称为扫描偏转电路扫描偏转电路。随机扫描随机扫描：随机运动，仅在需要作图的地方扫描，而仅在需要作图的地方扫描，而不必扫描全屏幕不必扫描全屏幕。画图速度快，图像清晰。驱动系统复杂，价格昂贵。光栅扫描光栅扫描：从上而下

50、顺序扫描整个屏幕从上而下顺序扫描整个屏幕。电视系统采用隔行扫描隔行扫描（一幅图像分为偶数场和奇数场），计算机中采用逐行扫描逐行扫描。易配套，易维修；显示冗余时间多，分辨率较低，线段和圆弧不够光滑。n字符显示设备：字符显示设备：p173-174n图形显示设备：图形显示设备：p175字符字符/图形显示器：图形显示器：1 1、字符显示器原理、字符显示器原理显示系统显示系统由显示卡和显示器组成显示字符的方法以点阵为基础 字符点阵存放于字符发生器（ROM）中见下图字符窗口：字符点阵和字符间隔80列*25行=2000个字符窗口每个字符窗口为9*14，字符点阵为7*9屏幕上所有字符窗口的ASCII均存放于V