计算机组成原理第七章输入输出系统

7.2 外部设备
一、概述
1.外设的基本组成
主要由两部分组成：
设备控制器——用来控制设备的具体动作，由电子线路实现。
设备的物理结构——大多由机、电、光、磁等原理实现，与主 机的结构原理（电子的）差距较大。
外设与主机的连接特点： 不直接相连，一般通过接口连接。
外设的结构框图如下
主 机
I/O 接 口
设备 控制器
二、输入输出系统的组成
I/O系统——计算机系统中完成输入/输出功能的子系统，由 I/O软件和I/O硬件两部分联合组成。
1. I/O硬件：
由计算机系统中所有I/O设备及其接口电路组成，是I/O系统 的基础。
2. I/O软件：
通常指用I/O指令编制的、对I/O接口及设备进行管理和访 问的程序，常称为I/O驱动程序。只有在I/O驱动程序的作用下， I/O硬件才能发挥相应的作用。
CPU 做其他事情
中断请求 CPU 读 I/O 状态
I/O
检查状态
出错
未错
从 I/O 接口中读一个字到CPU
I/O
I/O I/O 设备工作 准备就绪
CPU
CPU
从 CPU 向主存写入一个字
CPU 主存
否
完成否？
是ຫໍສະໝຸດ Baidu
4. DMA 方式
主存和 I/O 之间有一条直接数据通道 不中断现行程序
周期挪用（周期窃取）
5. 具有通道结构的阶段
CPU
M.M
通 道 I/O
特点： 1）通道可以看作是一个I/O处理器，有专用通道指令。
2） I/O通道受CPU控制：启动、停止
3）通道可以代替CPU来控制I/O设备以及控制I/O与主 机进行数据交换。
6. 具有 I/O 处理机的阶段
I/O 处理机又称外围处理机（PPU），基本独立于主机工作。 它即可以完成I/O控制，还可以完成码制转换、数据校验等功能。 使I/O系统对主机来说独立性更高。
第七章 输入输出系统
7.1 概述 7.2 外部设备 7.3 I/O接口 7.4 程序查询方式 7.5 程序中断方式 7.6 DMA方式
计算机I/O系统结构图
7.1 概 述
一、输入输出系统的发展概况
1. 无I/O技术 2. 程序查询I/O方式 3. 程序中断方式 4. 直接内存存取(Direct Memory Access, DMA)方式 5. 通道(Channel)方式 6. 外围处理机(Peripheral Processor Unit, PPU)方式
CPU 和 I/O 并行工作
一个存取周期
CPU 执行现行程序 存取周期结束
启动I/O
DMA请求 I/O准备
CPU 执行现行程序 I/O准备
实现I/O与主存之间的传送
三种方式的 CPU 工作效率比较
程序 查询 方式
CPU 执行 现行程序
启动I/O
CPU查询等待并传输I/O数据 I/O 准备及传送
CPU 执行 现行程序
1、无I/O技术
(1) 辐射式连接
外设 Ⅰ
主
外设 Ⅱ
机
外设 Ⅲ
特点
（1）每个I/O设备利用各自的逻辑控制电路与CPU相连
缺点：线路复杂
（2）I/O与CPU交换信息时，CPU必须停止其他工作
缺点：效率低下
（3）I/O设备控制电路与CPU控制器紧密结合不分隔
缺点：不易扩充设备
（2）总线及接口技术的引入
备等。
表5.1 常用的I/O设备
输 键盘 入 图形输入设备（鼠标器、图形板、跟踪球、操纵杆、光笔） 设 图像输入设备（摄像机、扫描仪、传真机）
输 备 条形码，光学字符识别，语言与文字输入
入 输 显示器（字符、汉字、图形、图像） 输 出 打印设备（点阵式打印机、激光打印机、喷墨打印机） 出 设 绘图仪（平板式、滚筒式）
主 机
接口
总线 接口
设 备 1 … … 设 备n
特点：1）总线连接，易于删减设备，故障率低 2）接口可以使不同的外设更方便的接入计算机系统
2、程序查询I/O方式
CPU主动去查询外设
CPU读I/O状态
N
检查状态 未准备就绪
Y
数据传送
踏步等待
在这种方式中．数据在CPU与外围设备之间的传送完全 靠计算机程序控制，是在CPU主动控制下进行的．当输入／ 输出时，CPU暂停执行本程序，转去执行输入／输出的服务 程序，根据服务程序中的I/O指令进行数据传送．
3）结构：键盘结构主要分为盘面、键开关、内部线路等
（1）盘面： 键盘盘面主要由面板和字母、数字键，编辑键，光标控制
键，数字小键盘，状态灯等部分组成。
（2）键开关： 键开关为键盘的主要输入元件，它可把按键动作转
变为相应的电信号。同一个键盘上的所有键开关都采 用同一类型的结构。
常见的键开关类型有：有触点式和无触点式。
程序 中断 方式
CPU 执行现行程序 指令执行周期结束
启动I/O
中断请求
I/O准备
一个存取周期
间 断 CPU 执行现行程序
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
DMA 方式
CPU 执行现行程序 存取周期结束
启动I/O
DMA请求 I/O准备
CPU 执行现行程序
I/O准备
实现I/O与主存 之间的传送
备 语音输出
设 终端设备（键盘+显示器） 备 汉字处理设备
A/D、D/A转换 多媒体 脱机输入/输出设备（软磁盘数据站）
二、输入设备
1. 键盘
1）分类： 按键类型可分为压按式和触摸式
编码方式可分为非编码键盘和编码键盘
2）键盘处理的基本要求：
（1）扫描键盘；
（2）去抖；
（3）防止串键；
（4）识别按键，形成键码
I、机械簧片式(有触点)： 结构示意：
键帽
复位弹簧
面板
触块
键杆 触点簧片
特点：
• 带有触觉反馈系统，夹子和 弹簧的配合设计，为键盘提供 卡嗒的感觉，手感良好； • 结构简单，价格低廉； • 最耐用，使用较广泛； • 容易产生键抖动，需消抖处 理（抖动引起一次击键产生多 个字符）。
设备物理 外部 结构部分 设备
2. 外设分类：
1）人机交互设备： 用来实现操作者与计算机之间交流信息的设备； 如：键盘、鼠标、打印机、显示器等。
2）信息驻留设备： 用来保存计算机中大批有用信息的设备； 如：磁盘、磁带、光盘等。
3）机—机通信设备： 用来实现计算机系统间通信的设备； 如：调制解调器（Modem）、D/A、A/D转换设
特点：简单，CPU效率低，CPU、各外设串行工作；
3. 程序中断方式
自身准备
CPU 不查询
I/O 工作
与主机交换信息 CPU 暂停现行程序
CPU 和 I/O 并行工作
现行程序
……
启动 I/O设备
K K+1
中 断
没有踏步等待现象
服
务 程
中断现行程序
序
…
程序中断方式流程
CPU 向 I/O 发读指令
CPU