輸入輸出系統(tǒng)大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨第五章輸入輸出系統(tǒng)概述外部設(shè)備I/O接口程序查詢方式程序中斷方式DMA方式第2頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨5.1概述一、輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展概況，共經(jīng)歷4個(gè)階段：早期階段接口模塊和DMA階段通道階段I/O處理機(jī)階段第3頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨1、早期階段CPU和外設(shè)分散連接、串行工作、耦合性強(qiáng)，機(jī)器速度慢、價(jià)格高。while(busy==1);Dosomething主存CPUI/O設(shè)備外設(shè)工作在查詢模式下。第4頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨2、接口模塊與DMA階段具有總線模式，主機(jī)通過各種接口連接外設(shè)，具有中斷或DMA功能。主機(jī)接口I/O設(shè)備接口I/O設(shè)備接口I/O設(shè)備設(shè)備尋址速度匹配格式轉(zhuǎn)換電平轉(zhuǎn)換內(nèi)存第5頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨2、接口模塊與DMA階段具有總線模式，主機(jī)通過各種接口連接外設(shè)，具有中斷或DMA功能。主機(jī)接口I/O設(shè)備接口I/O設(shè)備接口I/O設(shè)備設(shè)備尋址速度匹配格式轉(zhuǎn)換電平轉(zhuǎn)換內(nèi)存多個(gè)DMA控制器同時(shí)訪問主存可能沖突；CPU管理眾多DMA控制器，任務(wù)繁重。第6頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨3、通道結(jié)構(gòu)通道是用來負(fù)責(zé)管理I/O設(shè)備以及實(shí)現(xiàn)主存與I/O設(shè)備之間交換信息的部件，可視為從屬于CPU的專用處理器。通道具有專門指令，能獨(dú)立執(zhí)行由通道指令編寫的輸入輸出程序。第7頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨3、通道結(jié)構(gòu)通道是用來負(fù)責(zé)管理I/O設(shè)備以及實(shí)現(xiàn)主存與I/O設(shè)備之間交換信息的部件，可視為從屬于CPU的專用處理器。通道具有專門指令，能獨(dú)立執(zhí)行由通道指令編寫的輸入輸出程序。通道并不能完全把CPU解放出來，CPU還要進(jìn)行諸如碼制轉(zhuǎn)換之類的工作。第8頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨4、外圍處理機(jī)外圍處理機(jī)又稱為I/O處理機(jī)，獨(dú)立于主機(jī)工作，除了具備通道功能之外，還具備碼制轉(zhuǎn)換、格式處理、數(shù)據(jù)校驗(yàn)等功能。第9頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨查詢外設(shè)外設(shè)外設(shè)第10頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨中斷外設(shè)外設(shè)外設(shè)第11頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨DMA外設(shè)外設(shè)外設(shè)DMA第12頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨通道外設(shè)外設(shè)DMA通道第13頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨外圍處理機(jī)外設(shè)外設(shè)DMA外圍處理機(jī)第14頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨二、輸入輸出系統(tǒng)的組成I/O軟件I/O指令：CPU指令操作碼：I/O指令標(biāo)志命令碼：指令功能，讀、寫、檢測、控制命令設(shè)備碼：地址碼通道指令：通道自身的指令，用于執(zhí)行I/O操作，存放于主存，由通道執(zhí)行，完成輸入輸出功能在具有通道的計(jì)算機(jī)中，I/O指令不負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)輸入輸出，而主要完成啟停設(shè)備、通道控制，實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸由通道完成。操作碼命令碼設(shè)備碼操作碼地址碼第15頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨二、輸入輸出系統(tǒng)的組成I/O硬件：通道->設(shè)備控制器->設(shè)備第16頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨三、I/O設(shè)備與主機(jī)的聯(lián)系方式I/O設(shè)備編址方式統(tǒng)一編址：I/O占用存儲器地址空間，無須專門的I/O指令。減少了存儲器最大容量。獨(dú)立編址：I/O地址與存儲器地址分開，采用專門指令來訪問I/O。不占用主存容量。設(shè)備尋址每臺設(shè)備都有設(shè)備號，啟動(dòng)設(shè)備時(shí)，由I/O指令的設(shè)備碼字段直接指出設(shè)備號，經(jīng)接口中的設(shè)備選擇電路選中設(shè)備。操作碼命令碼設(shè)備碼第17頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨三、I/O設(shè)備與主機(jī)的聯(lián)系方式傳送方式并行：多位同時(shí)傳送，需要多條數(shù)據(jù)線，速度快。串行：一條數(shù)據(jù)線和一條地線，逐位傳送，速度慢，適用于遠(yuǎn)距離傳送。聯(lián)絡(luò)方式立即響應(yīng)式：簡單的外設(shè)，例如指示燈、繼電器等設(shè)備，隨時(shí)處在待命狀態(tài)，只要收到CPU的信號，立刻做出響應(yīng)。第18頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨三、I/O設(shè)備與主機(jī)的聯(lián)系方式聯(lián)絡(luò)方式異步工作采用應(yīng)答信號聯(lián)絡(luò)同步工作采用同步時(shí)標(biāo)聯(lián)絡(luò)：要求外設(shè)與

CPU的工作速度完全一致“Ready”“Strobe”I/O接口I/O設(shè)備CPU第19頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨三、I/O設(shè)備與主機(jī)的聯(lián)系方式I/O設(shè)備與主機(jī)的連接方式輻射式：每臺設(shè)備都配有一套控制線路和 一組信號線總線式： 便于增刪設(shè)備外設(shè)Ⅰ外設(shè)Ⅱ外設(shè)Ⅲ主機(jī)第20頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨四、I/O設(shè)備與主機(jī)信息傳送控制方式I/O設(shè)備與主機(jī)信息傳送的控制方式如下：程序查詢方式中斷方式DMA方式通道方式外圍處理機(jī)方式第21頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨1、程序查詢方式CPU和I/O串行 工作，I/O工作 時(shí)CPU原地踏步。從I/O接口中讀一個(gè)字到CPU從CPU向主存寫入一個(gè)字CPU讀I/O狀態(tài)檢查狀態(tài)完成否未準(zhǔn)備就緒是出錯(cuò)已準(zhǔn)備就緒否第22頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨2、中斷方式CPU和I/O部分并行工作，在中斷服務(wù)子程序中完成數(shù)據(jù)的傳送。第23頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨CPU向I/O發(fā)讀指令CPU讀I/O狀態(tài)檢查狀態(tài)完成否？CPU做其他事情I/O設(shè)備工作準(zhǔn)備就緒CPUI/O從CPU向主存寫入一個(gè)字CPU主存從I/O接口中讀一個(gè)字到CPUI/OCPU中斷請求I/OCPU出錯(cuò)是否未錯(cuò)第24頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨CPU向I/O發(fā)讀指令CPU讀I/O狀態(tài)檢查狀態(tài)完成否？CPU做其他事情I/O設(shè)備工作準(zhǔn)備就緒CPUI/O從CPU向主存寫入一個(gè)字CPU主存從I/O接口中讀一個(gè)字到CPUI/OCPU中斷請求I/OCPU出錯(cuò)是否未錯(cuò)中斷程序消除了CPU原地踏步的情況，但是，CPU在響應(yīng)中斷請求后，必須暫?，F(xiàn)程序，轉(zhuǎn)而去執(zhí)行中斷服務(wù)子程序，消耗了CPU資源，并且，中斷處理過程是有開銷的。第25頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨3、DMA方式在主存和I/O之間建立數(shù)據(jù)傳送的直接通道，由DMA控制器來完成信息傳送，不需要中斷CPU的運(yùn)行。進(jìn)一步提高了CPU和I/O的并行程度。CPU周期竊取第26頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨存取周期結(jié)束CPU執(zhí)行現(xiàn)行程序CPU執(zhí)行現(xiàn)行程序DMA請求啟動(dòng)I/OI/O準(zhǔn)備I/O準(zhǔn)備一個(gè)存取周期實(shí)現(xiàn)I/O與主存之間的傳送CPU

執(zhí)行現(xiàn)行程序CPU查詢等待并傳輸I/O數(shù)據(jù)CPU

執(zhí)行現(xiàn)行程序啟動(dòng)I/OI/O準(zhǔn)備及傳送指令執(zhí)行周期結(jié)束CPU執(zhí)行現(xiàn)行程序CPU執(zhí)行現(xiàn)行程序啟動(dòng)I/O中斷請求I/O準(zhǔn)備I/O準(zhǔn)備CPU處理中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)I/O與主機(jī)之間的傳送間斷啟動(dòng)I/O啟動(dòng)I/OI/O準(zhǔn)備中斷請求啟動(dòng)I/OI/O準(zhǔn)備一個(gè)存取周期DMA請求程序查詢方式程序中斷方式DMA方式I/O準(zhǔn)備及傳送間斷I/O準(zhǔn)備I/O準(zhǔn)備第27頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨5.2I/O設(shè)備計(jì)算機(jī)中除主機(jī)外的其余部分，稱為外部設(shè)備（I/O設(shè)備、外設(shè)）主機(jī)設(shè)備控制器機(jī)、電磁、光部分I/O接口外部設(shè)備第28頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨外設(shè)分類分為三類人機(jī)交互設(shè)備：鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)、顯示器。。。信息存儲設(shè)備：磁盤、光盤、磁帶。。。機(jī)--機(jī)通信設(shè)備：調(diào)制解調(diào)器、A/D、D/A。。。第29頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨第30頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨鍵盤鍵盤輸入信息流程：按鍵、判斷按下哪個(gè)鍵、得到按鍵ASCII碼按鍵確認(rèn)：圖5.15，帶有只讀存儲器的編碼鍵盤原理軟件判斷按鍵：行列反轉(zhuǎn)法按鍵去抖軟件方法硬件方法第31頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨顯示器按顯示設(shè)備所用的顯示器件分類

CRT-陰極射線管(cathoderaytube)顯示器

LCD-液晶顯示器(liquidcrystaldisplay)PDP-等離子顯示器(PlasmadisplayPanel)。按所顯示的信息內(nèi)容分類字符顯示器、圖形顯示器和圖像顯示器。按顯示設(shè)備的功能分類普通顯示器、顯示終端兩大類第32頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨陰極射線管（CRT）顯示器第33頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨CRT顯示器參數(shù)第34頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨平板顯示器平板顯示器(FPD)：一般是指顯示器的深度小于顯示屏幕對角線1/4長度的顯示器件。分類：有液晶顯示(LCD)、等離子體顯示(PDP)、場發(fā)射顯示(FED)、電致發(fā)光顯示(ELD)等。特點(diǎn)：LCD本身不發(fā)光，靠調(diào)制外光源實(shí)現(xiàn)顯示，其余各類顯示均自身發(fā)光。第35頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨液晶顯示器（LCD）液晶是液態(tài)晶體的簡稱，它是一種有機(jī)化合物。具有明顯的光學(xué)各向異性，它本身不發(fā)光，但能夠調(diào)制外照光實(shí)現(xiàn)信息顯示，使用時(shí)需要背光源。液晶顯示具有低工作電壓、微功耗、體積輕薄，易于實(shí)現(xiàn)大畫面顯示，顯示色彩優(yōu)良等特點(diǎn)。應(yīng)用領(lǐng)域薄膜晶體管液晶顯示器(TFT-LCD)發(fā)展方向－超薄、高亮、寬視角第36頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨LCD顯示器參數(shù)第37頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨等離子（PDP）顯示器等離子體顯示利用惰性氣體在一定電壓作用下產(chǎn)生氣體放電現(xiàn)象而實(shí)現(xiàn)的一種發(fā)光型平板顯示技術(shù)。彩色PDP技術(shù)與熒光燈顯示原理相同，利用氣體放電產(chǎn)生紫外線，紫外線激發(fā)光致熒光粉，熒光粉發(fā)射可見光，使用三基色熒光粉實(shí)現(xiàn)紅、綠、藍(lán)三色，并使每基色單元實(shí)現(xiàn)256級灰度，再進(jìn)行混色達(dá)到彩色顯示的目的。第38頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨PDP顯示器特點(diǎn)易于實(shí)現(xiàn)大面積顯示(可達(dá)70英寸)。全色顯示。利用紅、綠、藍(lán)三基色，可實(shí)現(xiàn)256級灰度和2563種顏色。色純度與CRT相當(dāng)。視角達(dá)160°，在所有顯示技術(shù)中最佳。壽命長(3萬小時(shí))。需要在功耗、發(fā)光效率、對比度方面進(jìn)行改進(jìn)，像素的間距有待進(jìn)一步縮小。價(jià)格高第39頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨第40頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨路明經(jīng)典案例第41頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨顯示技術(shù)中的相關(guān)概念圖形(graphics)

指由線和面構(gòu)成的，沒有亮暗層次變化的線條圖，如建筑、機(jī)械所用的工程設(shè)計(jì)圖、電路圖等。早期的圖形顯示和處理只是局限在二值化的范圍，只能用線條的有無來表示簡單的圖形。圖像(image)

指由象素描繪的，具有亮暗層次的圖。自然界的圖像經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后顯示的圖像稱作數(shù)字圖像，就是將圖片上連續(xù)的亮暗變化變換為離散的數(shù)字量，并以點(diǎn)陣列的形式顯示輸出。第42頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨photoshop第43頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨幾個(gè)研究熱門領(lǐng)域數(shù)字水印易損數(shù)字水印、魯棒數(shù)字水印圖像水印、音頻水印、視頻水印、文本水印以及用于三維網(wǎng)格模型的網(wǎng)格水印模式識別模式識別(PatternRecognition)是指對表征事物或現(xiàn)象的各種形式的(數(shù)值的、文字的和邏輯關(guān)系的)信息進(jìn)行處理和分析,以對事物或現(xiàn)象進(jìn)行描述、辨認(rèn)、分類和解釋的過程,是信息科學(xué)和人工智能的重要組成部分。指紋識別、人臉識別、虹膜識別、人耳識別第44頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨分辨率和灰度級分辨率和灰度級決定了所顯示圖的質(zhì)量象素pixels

在顯示屏幕上，圖形和圖像都是由稱作像素的光點(diǎn)組成的。分辨率resolution

顯示設(shè)備所能表示的像素個(gè)數(shù)，即光點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

取決于熒光粉的粒度，屏的尺寸和電子束的聚焦能力。灰度級graylevel

所顯示像素點(diǎn)的亮暗差別，在彩色顯示器中則表現(xiàn)為顏色的不同。第45頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨刷新和幀存儲器視覺暫留與余暉效應(yīng)刷新refresh

為了使人眼能看到穩(wěn)定的圖像，就必須在圖像消失之前使電子束不斷地重復(fù)掃描整個(gè)屏幕。每秒刷新的次數(shù)稱刷新頻率或掃描頻率。視頻存儲器VRAM

不斷提供刷新圖像的信號，必須把圖像存儲起來，存儲圖像的存儲器叫“幀存儲器”或“視頻存儲器”。VRAM的容量由圖像分辨率和灰度級決定。第46頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨隨機(jī)掃描和光柵掃描電子束在熒光屏上按某種軌跡運(yùn)動(dòng)稱為掃描，控制電子束掃描軌跡的電路叫掃描偏轉(zhuǎn)電路。掃描方式有兩種，隨機(jī)掃描和光柵掃描。隨機(jī)掃描是控制電子束在CRT屏幕上隨機(jī)地運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生圖形和字符。電子束只在需要作圖的地方掃描，而不必掃描全屏幕，所以這種掃描方式畫圖速度快，圖象清晰。光柵掃描是電視中采用的掃描方法。在電視中，要求圖像充滿整個(gè)畫面，因此要求電子束掃過整個(gè)屏幕。光柵掃描是從上至下順序掃描，采用逐行掃描和隔行 掃描兩種方式。第47頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨漢字處理技術(shù)漢字編碼標(biāo)準(zhǔn)國家技術(shù)監(jiān)督局公布國家標(biāo)準(zhǔn)：GB2312-80《信息交換用漢字編碼字符集——基本集》，收集了常用漢字6763個(gè)，其中一級漢字3755個(gè)。第48頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨漢字的輸入方法鍵盤輸入方式漢字編碼可歸納成音碼、形碼和音形碼語音輸入方式：手寫輸入方式印刷體掃描識別第49頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨漢字內(nèi)碼用于漢字信息的存儲、交換、檢索等的機(jī)內(nèi)代碼內(nèi)碼比字形點(diǎn)陣碼占用空間少，一般用兩個(gè)字節(jié)就可以表示漢字。漢字內(nèi)碼表示有許多種，要考慮的因素： 碼位盡量短；表示的漢字要足夠多；碼值要連續(xù)有序，以便于操作運(yùn)算。漢字的存儲第50頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨字形碼也稱字模碼，目前計(jì)算機(jī)顯示器和打印機(jī)都用點(diǎn)陣表示漢字字形代碼，它是漢字的輸出形式。根據(jù)輸出漢字的要求不同，點(diǎn)陣的多少也不同。字模點(diǎn)陣的信息量是很大的，所占存儲空間也很大。只能用來構(gòu)成“字庫”，而不能用于機(jī)內(nèi)存儲。漢字字形最初就是采用上述的點(diǎn)陣字形，為了提高字形質(zhì)量，以后開始采用矢量表示，繼而采用輪廓曲線，或同時(shí)采用矢量和曲線來表示數(shù)字和拼音字母第51頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨字模舉例第52頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨字模舉例信息存儲量？第53頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨輸出設(shè)備——打印機(jī)打印輸出是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)最基本的輸出形式，可將打印在紙上的信息長期保存。人們將一切可以產(chǎn)生永久性記錄的設(shè)備統(tǒng)稱為硬拷貝設(shè)備，如打印機(jī)、繪圖機(jī)、靜電印刷機(jī)以及紙帶穿孔機(jī)、卡片穿孔機(jī)等。打印機(jī)的分類印字原理－擊打式/非擊打式工作方式－串行打印機(jī)/行式打印機(jī)圖形/圖像打印機(jī)，黑白/彩色打印機(jī)打印機(jī)部分內(nèi)容請大家自己閱讀第54頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨結(jié)構(gòu)打印頭字車輸紙機(jī)構(gòu)色帶機(jī)構(gòu)控制器

針式打印機(jī)第55頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨激光打印機(jī)激光打印機(jī)工作步驟帶電曝光顯影(顯像)轉(zhuǎn)印定影(固定)清除殘像打印速度：每分鐘輸出的頁數(shù)(pagesperminute，簡稱PPM)。

印字分辨率：每英寸象素點(diǎn)個(gè)數(shù)表示

(DotsperInch,DPI)第56頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨第57頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨第58頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨噴墨打印機(jī)連續(xù)式噴墨打印機(jī) 墨水回收機(jī)制，圖5.25隨機(jī)式噴墨打印機(jī)工作原理 系統(tǒng)供給的墨滴只在需要印字時(shí)才噴出第59頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨5.3I/O接口接口可以看做兩個(gè)系統(tǒng)或部件之間的交接部分，它既是兩種硬件設(shè)備之間的連接電路，也可以看做兩個(gè)軟件之間的共同邏輯邊界。主機(jī)設(shè)備控制器機(jī)、電磁、光部分I/O接口外部設(shè)備第60頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨一、為什么要采用I/O接口實(shí)現(xiàn)設(shè)備的選擇實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖，達(dá)到速度匹配實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)串--并格式轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換傳送控制命令反映設(shè)備的狀態(tài)（“忙”、“就緒”、“中斷請求”）第61頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨二、接口的功能與組成總線連接方式的I/O接口電路設(shè)備選擇線數(shù)據(jù)線命令線狀態(tài)線I/O接口設(shè)備I/O接口設(shè)備數(shù)據(jù)線命令線狀態(tài)線I/O總線設(shè)備選擇線第62頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨I/O接口的基本組成命令寄存器和命令譯碼器設(shè)備選擇電路設(shè)備狀態(tài)標(biāo)記數(shù)據(jù)緩沖寄存器DBR控制邏輯電路I/O接口外部設(shè)備數(shù)據(jù)線命令狀態(tài)數(shù)據(jù)線命令線狀態(tài)線CPU地址線第63頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨三、接口類型按數(shù)據(jù)傳送方式并行接口：intel8255串行接口：intel8251按功能選擇的靈活性分類可編程接口：intel8255、intel8251不可編程接口：intel8212第64頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨三、接口類型按通用性分類通用接口：intel8255、intel8251專用接口：intel8279、intel8275按數(shù)據(jù)傳送的控制方式分類中斷接口：intel8259DMA接口：intel8257第65頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨5.4程序查詢方式一、程序查詢流程檢查狀態(tài)標(biāo)記1設(shè)備1準(zhǔn)備就緒？檢查狀態(tài)標(biāo)記N設(shè)備N準(zhǔn)備就緒？…處理設(shè)備1是否否處理設(shè)備N是1.查詢流程檢查狀態(tài)標(biāo)記交換數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒?是否單個(gè)設(shè)備多個(gè)設(shè)備測試指令轉(zhuǎn)移指令傳送指令第66頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨二、程序流程設(shè)置主存緩沖區(qū)首址設(shè)置計(jì)數(shù)值啟動(dòng)外設(shè)傳送一個(gè)數(shù)據(jù)修改主存地址修改計(jì)數(shù)值結(jié)束I/O傳送準(zhǔn)備好？傳送完？未完是完否傳送一個(gè)數(shù)據(jù)塊第67頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨②設(shè)備選擇電路DBRQQ&數(shù)據(jù)線準(zhǔn)備就緒啟動(dòng)命令地址線SEL輸入數(shù)據(jù)啟動(dòng)設(shè)備設(shè)備工作結(jié)束①③④⑤⑥D(zhuǎn)B①②③⑤1010④以輸入為例⑥三、查詢方式的接口電路CPU端外設(shè)端第68頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨5.5程序中斷方式計(jì)算機(jī)在執(zhí)行程序的過程中，當(dāng)出現(xiàn)異常情況或特殊請求時(shí)，計(jì)算機(jī)停止現(xiàn)行程序的運(yùn)行，轉(zhuǎn)向?qū)@些異常情況或特殊請求的處理，處理結(jié)束后再返回到現(xiàn)行程序的間斷處，繼續(xù)執(zhí)行原程序，這就是中斷。第69頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨二、中斷的產(chǎn)生發(fā)中斷請求空閑接收數(shù)據(jù)接收數(shù)據(jù)準(zhǔn)備發(fā)中斷請求打印打印打印機(jī)執(zhí)行主程序繼續(xù)執(zhí)行主程序繼續(xù)執(zhí)行主程序響應(yīng)中斷中斷返回響應(yīng)中斷中斷返回啟動(dòng)打印機(jī)傳送數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)CPU以打印機(jī)為例第70頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨三、中斷接口電路DQ&1INTR中斷請求觸發(fā)器INTR=1有請求MASK中斷屏蔽觸發(fā)器MASK=1被屏蔽來自CPU的中斷查詢信號受設(shè)備本身控制INTRDMASKQD完成觸發(fā)器中斷請求配置中斷請求觸發(fā)器和中斷屏蔽觸發(fā)器第71頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨三、中斷接口電路DQ&1INTR中斷請求觸發(fā)器INTR=1有請求MASK中斷屏蔽觸發(fā)器MASK=1被屏蔽來自CPU的中斷查詢信號受設(shè)備本身控制INTRDMASKQD完成觸發(fā)器中斷請求配置中斷請求觸發(fā)器和中斷屏蔽觸發(fā)器允許男同學(xué)提問：中斷屏蔽觸發(fā)器通過寫紙條提問：中斷請求觸發(fā)器講話間歇我會(huì)查看是否有紙條外設(shè)CPU某外設(shè)發(fā)出中斷請求我們開始上課啦~~~第72頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨INTP1′INTP2′INTP3′INTP4′INTR1INTR2INTR3INTR41&1&1&1&INTR1設(shè)備1#、2#、3#、4#

優(yōu)先級按降序排列INTRi

=1有請求即INTRi=0排隊(duì)器INTR1INTP1INTR2INTP2INTR3INTP3INTR4INTP4鏈?zhǔn)脚抨?duì)器010011第73頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨3、中斷向量地址形成部件入口地址…向量地址(中斷向量號)…排隊(duì)器輸出由軟件產(chǎn)生硬件向量法

顯示器服務(wù)程序

打印機(jī)服務(wù)程序JMP400JMP300JMP200…………主存121314200300向量地址入口地址入口地址中斷向量地址形成部件設(shè)備編碼器0100…00001100詳見第八章由硬件產(chǎn)生向量地址進(jìn)而找到入口地址第74頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨設(shè)備選擇電路DBR

DQ&數(shù)據(jù)線啟動(dòng)命令地址線SEL輸入數(shù)據(jù)啟動(dòng)設(shè)備設(shè)備工作結(jié)束&1QQDINTRBQQMASK

設(shè)備編碼器排隊(duì)器中斷查詢來自高一級的排隊(duì)器至低一級的排隊(duì)器向量地址中斷響應(yīng)INTA中斷請求命令譯碼4.程序中斷方式接口電路的基本組成第75頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨設(shè)備選擇電路DBR

DQ&數(shù)據(jù)線啟動(dòng)命令地址線SEL輸入數(shù)據(jù)啟動(dòng)設(shè)備設(shè)備工作結(jié)束&1QQDINTRBQQMASK

設(shè)備編碼器排隊(duì)器中斷查詢來自高一級的排隊(duì)器至低一級的排隊(duì)器向量地址中斷響應(yīng)INTA中斷請求命令譯碼4.程序中斷方式接口電路的基本組成第76頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨四、中斷處理過程1、CPU響應(yīng)中斷的條件和時(shí)間條件：CPU允許中斷：中斷允許觸發(fā)器EINT=1。（開中斷、關(guān)中斷指令可以改變EINT）相關(guān)中斷的掩碼（MASK）為0時(shí)間每條指令執(zhí)行結(jié)束（CPU發(fā)出中斷查詢信號INTA（將INTR置1））。第77頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨設(shè)備選擇電路DBRDQ&數(shù)據(jù)線啟動(dòng)命令地址線SEL輸入數(shù)據(jù)啟動(dòng)設(shè)備設(shè)備工作結(jié)束&1QQDINTRBQQMASK設(shè)備編碼器排隊(duì)器中斷查詢來自高一級的排隊(duì)器至低一級的排隊(duì)器向量地址中斷響應(yīng)INTA中斷請求命令譯碼①②③④⑤⑥⑦⑧2.I/O中斷處理過程①10&DBR④⑤⑦⑧設(shè)備選擇電路01以輸入為例②③⑥第78頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨3、中斷處理的五個(gè)階段中斷請求：INTR中斷判優(yōu)：鏈?zhǔn)脚抨?duì)中斷響應(yīng)：INTA，得到中斷號中斷服務(wù)：根據(jù)中斷號查中斷向量表，得到中斷入口地址，跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序中斷返回：從中斷服務(wù)程序中返回到源程序繼續(xù)執(zhí)行第79頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨五、中斷服務(wù)程序流程保護(hù)現(xiàn)場斷點(diǎn)保護(hù)：中斷隱指令完成保存寄存器值：進(jìn)棧指令中斷服務(wù)：（視情形開中斷）恢復(fù)現(xiàn)場出棧指令中斷返回中斷返回指令第80頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨單重中斷與多重中斷單重中斷：不允許中斷現(xiàn)行的中斷服務(wù)程序多重中斷（中斷嵌套）：允許更高級別的中斷源中斷現(xiàn)行的中斷服務(wù)程序第81頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨3.單重中斷和多重中斷（中斷嵌套）服務(wù)程序流程中斷否？保護(hù)現(xiàn)場設(shè)備服務(wù)恢復(fù)現(xiàn)場開中斷中斷返回取指令執(zhí)行指令中斷服務(wù)程序

中斷響應(yīng)程序斷點(diǎn)進(jìn)棧關(guān)中斷向量地址PC中斷周期是中斷返回保護(hù)現(xiàn)場設(shè)備服務(wù)恢復(fù)現(xiàn)場開中斷開中斷開中斷中斷隱指令中斷隱指令否取指令執(zhí)行指令中斷否？否

中斷響應(yīng)程序斷點(diǎn)進(jìn)棧關(guān)中斷向量地址PC中斷周期是中斷服務(wù)程序單重多重第82頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨內(nèi)部總線緩沖器讀/寫邏輯級聯(lián)緩沖器/比較器優(yōu)先權(quán)比較器(PR)中斷服務(wù)寄存器(ISR)

中斷

請求

寄存

器(IRR)中斷屏蔽寄存器（IMR）控制邏輯INTINTAD7~D0A0RDWRCSCAS0CAS1CAS2SP/ENIR0IR1IR2IR3IR4IR5IR6IR7內(nèi)部總線中斷接口芯片8259A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)第83頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨中斷過程總結(jié)內(nèi)存中斷向量表1002001400主程序10020014000178259A中斷控制器INT設(shè)備1設(shè)備0設(shè)備7中斷服務(wù)程序INTA…cpuI數(shù)據(jù)緩沖器中斷請求寄存器中斷屏蔽寄存器中斷排隊(duì)邏輯flags第84頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨5.6DMA方式一、DMA方式的特點(diǎn)1、DMA和程序中斷兩種方式的數(shù)據(jù)通路比較CPU主存ACC中斷接口DMA接口I/O設(shè)備中斷方式數(shù)據(jù)傳送通路輸入輸出DMA方式數(shù)據(jù)傳送通路第85頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨2、DMA與主存交換數(shù)據(jù)的三種方式（1）停止CPU訪問主存控制簡單CPU處于不工作狀態(tài)或保持狀態(tài)主存工作時(shí)間CPU不執(zhí)行程序DMA不工作DMA不工作DMA工作CPU控制并使用主存DMA控制并使用主存t第86頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨2、DMA與主存交換數(shù)據(jù)的三種方式（1）停止CPU訪問主存控制簡單CPU處于不工作狀態(tài)或保持狀態(tài)主存工作時(shí)間CPU不執(zhí)行程序DMA不工作DMA不工作DMA工作CPU控制并使用主存DMA控制并使用主存t未充分發(fā)揮CPU對主存的利用率在DMA接口中增加高速緩存CPUDMA控制器設(shè)備高速緩存內(nèi)存第87頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨（2）周期挪用（或周期竊?。〥MA訪問主存有三種可能CPU此時(shí)不訪存：總線立刻交給DMACPU此時(shí)正訪存：CPU訪存結(jié)束后總線立刻交DMACPU與DMA同時(shí)請求訪存：總線交DMA

主存工作時(shí)間CPU控制并使用主存DMA控制并使用主存t第88頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨（3）DMA與CPU交替訪問CPU工作周期分為兩部分：C1：專供DMA訪存C2：專供CPU訪存主存工作時(shí)間DMA控制并使用主存CPU控制并使用主存t不需要申請建立和歸還總線的使用權(quán)第89頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨二、DMA接口的功能和組成1、DMA接口功能向CPU申請DMA傳送處理總線控制權(quán)的轉(zhuǎn)交管理系統(tǒng)總線、控制數(shù)據(jù)傳送確定數(shù)據(jù)傳送的首址和長度修正傳送過程中的數(shù)據(jù)地址和長度DMA傳送結(jié)束時(shí)，給出操作完成信號第90頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨2、DMA接口組成DMA接口主存CPUDMA控制邏輯

中斷機(jī)構(gòu)設(shè)備HLDAARWCDARHRQ中斷請求數(shù)據(jù)線地址線+1+1溢出信號DREQDACKBR第91頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨三、DMA的工作過程1、DMA傳送過程預(yù)處理、數(shù)據(jù)傳送、后處理（1）預(yù)處理通過幾條輸入輸出指令預(yù)置如下信息通知DMA控制邏輯傳送方向（入/出）設(shè)備地址->DMA的DAR

主存地址->DMA的AR

傳送字?jǐn)?shù)->DMA的WC第92頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨（2）DMA傳送過程示意預(yù)處理：主存起始地址設(shè)備地址傳送數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)啟動(dòng)設(shè)備DMADMADMA數(shù)據(jù)傳送：繼續(xù)執(zhí)行主程序同時(shí)完成一批數(shù)據(jù)傳送后處理：中斷服務(wù)程序做DMA結(jié)束處理繼續(xù)執(zhí)行主程序CPU允許傳送？主存地址送總線數(shù)據(jù)送I/O設(shè)備（或主存）修改主存地址修改字計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)塊傳送結(jié)束？向CPU申請程序中斷DMA請求否否是是數(shù)據(jù)傳送第93頁,共104頁，2024年2月25日，星期天大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨（3）數(shù)據(jù)傳送過程（輸入）BR設(shè)備DMA控制邏輯中斷機(jī)構(gòu)ARWCDARDMA接