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1、 计算机组成原理(第五讲)厦门大学软件学院 曾文华 2012年3月19日第2篇 计算机系统的硬件结构第2篇 计算机系统的硬件结构第3章 系统总线第4章 存储器第5章 输入输出系统第5章 输入输出系统5.6 DMA方式5.5 程序中断方式5.4 程序查询方式5.3 I/O接口5.2 外部设备5.1 概述5.1 概述一、输入输出系统的发展概况二、输入输出系统的组成三、I/O 设备与主机的联系方式四、I/O设备与主机信息传送的控制方式一、输入输出系统的发展概况1. 早期阶段分散连接CPU 和 I/O设备 串行 工作程序查询方式2. 接口模块和 DMA 阶段 本章重点介绍 总线连接CPU 和 I/O设
2、备 并行 工作3. 具有通道结构的阶段4. 具有 I/O 处理机的阶段中断方式DMA 方式图5.1图5.2图5.3Peripheral Processor通道是一种具有特 殊功能的处理器二、输入输出系统的组成1. I/O 软件(1) I/O 指令(2) 通道指令CPU 指令的一部分通道自身的指令指出数组的首地址、传送字数、操作命令如 IBM/370 通道指令为 64 位2. I/O 硬件设备I/O 接口设备设备控制器通道操作码命令码设备码用于具有通 道结构的 I/O系统图5.5显示器 显卡 一个通道可以和一个以上的设备控 制器相连，一个设备控制器又可以 控制若干台同一类型的设备CCW：Chan
3、nel Control Word1台计算机可以有几个通 道，1个通道可以和一个 以上的设备控制器连接， 1个设备控制器可以控制 若干个同一类型的设备三、I/O 设备与主机的联系方式1. I/O 设备编址方式(1) 统一编址(2) 不统一编址用取数、存数指令有专门的 I/O 指令2. 设备寻址用设备选择电路识别是否被选中3. 传送方式(1) 串行 鼠标(2) 并行 打印机I/O地址与存储器地址一样，访 问I/O与访问存储器一样数据字命令字命令字0 1 1 0 1 0 0 0起始位终止位9.09 ms2 9.09 ms4. 联络方式 (1) 立即响应方式 (2) 异步工作采用应答信号联络 “Rea
4、dy”“Strobe”I/O接口I/O设备CPU(3) 同步工作采用同步时标联络并行串行起始位终止位9.09 ms2 9.09 msStrobe：闸门， 选通5. I/O 设备与主机的连接方式(1) 辐射式连接(2) 总线式连接 图5.2外设 外设 外设 主机不便于增删设备每台设备都配有一套控制线路和一组信号线便于增删设备四、I/O设备与主机信息传送的控制方式1. 程序查询方式CPU 和 I/O 串行工作踏步等待CPU读I/O状态检查状态 未准备就绪出错从I/O接口中读一个字到CPU从CPU向主存写入一个字CPU向I/O发读指令CPU读I/O状态检查状态完成否未准备就绪现行程序是出错已准备就绪
5、否已准备就绪2. 程序中断方式I/O 工作CPU 不查询CPU 暂停现行程序自身准备与主机交换信息CPU 和 I/O 并行工作启动 I/O设备现行程序中断服务程序K K+1没有踏步等待现象中断现行程序程序中断方式流程CPU 向 I/O 发读指令CPU 读 I/O 状态检查状态完成否？CPU 做其他事情I/O 设备工作准备就绪CPU I/O从 CPU 向主存写入一个字CPU 主存从 I/O 接口中读一个字到CPUI/O CPU中断请求 I/O CPU出错是否未错I/O向CPU发 中断请求3. 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挪用周期（窃取周期）CPU 和 I/O
6、并行工作存取周期结束CPU 执行现行程序CPU 执行现行程序DMA请求启动I/O I/O准备I/O准备一个存取周期实现I/O与主存之间的传送若出现DMA和CPU同 时访问主存，CPU总 是将总线占有权让给 DMADirect Memory Access，直接存储器存取三种方式的 CPU 工作效率比较存取周期结束CPU 执行现行程序CPU 执行现行程序DMA请求启动I/O I/O准备I/O准备一个存取周期实现I/O与主存 之间的传送CPU 执行 现行程序CPU查询等待并传输I/O数据CPU 执行 现行程序启动I/O I/O 准备及传送指令执行周期结束CPU 执行现行程序CPU 执行现行程序启动I
7、/O中断请求I/O准备I/O准备 CPU 处理中断服务程序 实现 I/O 与主机之间的传送间 断启动I/O启动I/OI/O准备中断请求启动I/O I/O准备一个存取周期DMA请求程序 查询 方式程序 中断 方式DMA 方式I/O 准备及传送间 断I/O准备I/O准备5.2 I/O设备一、概述二、输入设备三、输出设备四、其他I/O设备五、多媒体技术一、概述主机设备 控制器机、电 磁、光 部分I/O接口 外部设备外部设备大致分三类键盘、鼠标、打印机、显示器 磁盘、光盘、磁带1. 人机交互设备 2. 计算机信息的存储设备 3. 机 机通信设备调制解调器等HDC HDD显卡 显示器表5.1二、输入设备
8、1. 键盘2. 鼠标3. 触摸屏 电阻式、电容式、表面超声波式、扫描红外线式、压感式按键判断哪个键按下将此键翻译成 ASCII 码 （编码键盘法）机械式 金属球 电位器光电式 光电转换器编码键盘法：采用硬件确 认哪个键被按下非编码键盘法：采用软件 判断键是否被按下图5.14、图5.15轨迹球8279：可编程键盘/显示接口8048：单片机编码键盘n 机械滚轮鼠标（半光电鼠标）：它是一种光电和机械相结 合的鼠标。它的原理是紧贴着滚动橡胶球有两个互相垂直 的传动轴，轴上有一个光栅轮，光栅轮的两边对应着有发 光二极管和光敏三极管。当鼠标移动时，橡胶球带动两个 传动轴旋转，而这时光栅轮也在旋转，光敏三极
9、管在接收 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，通过鼠标内部的芯片处理之后被CPU接收，信号 的数量和频率对应着屏幕上的距离和速度。n轨迹球鼠标：轨迹球鼠标工作原理和内部结构其实与普通 鼠标类似，只是改变了滚轮的运动方式，其球座固定不动 ，直接用手拨动轨迹球来控制鼠标箭头的移动。轨迹球外 观新颖，可随意放置，用惯后手感也不错。而且即使在光 电鼠标的冲击下，仍有许多设计人员更垂青与轨迹球鼠标 的精准定位。n光电式鼠标：光电鼠标产品按照其年代和使用的技术可以 分为两代产品，其共同的特点是没有机械鼠标必须使用的 鼠标滚球。第一代光电鼠标由光断续器来判断信号，最显 著特点就是需要
10、使用一块特殊的反光板作为鼠标移动时的 垫。目前市场上的光电鼠标产品都是第二代光电鼠标。第 二代光电鼠标的原理其实很简单：其使用的是光眼技术， 这是一种数字光电技术，较之以往机械鼠标完全是一种全 新的技术突破。4.其它输入设备 光笔：Lighe Pen，用于在屏幕上画出图形或修改图 形画笔(Stylus)与图形板(Tablet，数字化板、数字化 仪)：用于输入工程图，例如将图纸贴在图形板上， 画笔沿着图纸上的图形移动，即可输入工程图图像输入设备：摄像机、扫描仪三、输出设备1. 显示器(1) 字符显示(2) 图形显示(3) 图像显示字符发生器主观图像客观图像2. 打印机(1) 击打式(2) 非击打
11、式点阵式（逐字、逐行）喷墨（逐字）激光（逐页）CRT：阴极射线管LCD：液晶显示器PD：等离子显示器LED：发光二极管显示标准：MDA、 CGA、EGA、VGA 、SVGA、XGA、 SXGA、UXGA、 WXGA、WUXGAVideo RAMC字符Digital Difference Analyses( 数字差分分析器)衔铁四、其他I/O设备1. A/D、D/A2. 终端设备3. 汉字处理五、多媒体技术完成显示控制与存储、键盘管理及通信控制模拟/数字（数字/模拟）转换器汉字输入、汉字存储、汉字输出1. 什么是多媒体2. 多媒体计算机的关键技术由键盘和显示器组成视频和音频数据的压缩与解 压缩技
12、术多媒体专用芯片大容量存储器适用于多媒体技术的软件n假设：代表光强、色彩和色饱和度的YIQ色空间 中各分量的带宽分别为：4.2MHz、1.5MHz、 0.5MHz；采样频率为2，各分量被数字化为8位n1秒钟的电视信号的数据总量为：(4.2+1.5+0.5)X2X8=99.2Mbn1小时的电视信号的数据总量为：n3600X99.2Mb=348.75Gbn讲1秒钟话的数据量（人的语音的带宽为4kHz） ：4KX2X8=64Kbn讲1小时话的数据量：3600X64K=225MbYIQ色彩空间nYIQ色彩空间通常被北美的电视系统所采用，属于NTSC（ National Television Stand
13、ards Committee）系统。这里Y不 是指黄色，而是指颜色的明视度（Luminance），即亮度（ Brightness）。其实Y就是图像的灰度值（Gray value），而I 和Q则是指色调（Chrominance），即描述图像色彩及饱和度的 属性。在YIQ系统中，Y分量代表图像的亮度信息，I、Q两个分 量则携带颜色信息，I分量代表从橙色到青色的颜色变化，而Q分 量则代表从紫色到黄绿色的颜色变化。将彩色图像从RGB转换到 YIQ色彩空间，可以把彩色图像中的亮度信息与色度信息分开， 分别独立进行处理。nRGB和YIQ的对应关系用下面的方程式表示：n Y = 0.299R + 0.587
14、G + 0.114Bn I = 0.596R - 0.275G - 0.321Bn Q = 0.212R - 0.523G + 0.311BYUVnYUV是被欧洲电视系统所采用的一种颜色编码方法（属于PAL），是 PAL和SECAM模拟彩色电视制式采用的颜色空间。其中的Y,U,V几个字 母不是英文单词的组合词，Y代表亮度，uv代表色差，u和v是构成彩色 的两个分量。在现代彩色电视系统中，通常采用三管彩色摄影机或彩色 CCD摄影机进行取像，然后把取得的彩色图像信号经分色、分别放大校 正后得到RGB，再经过矩阵变换电路得到亮度信号Y和两个色差信号R Y（即U）、BY（即V），最后发送端将亮度和色差
15、三个信号分别进行 编码，用同一信道发送出去。这种色彩的表示方法就是所谓的YUV色彩 空间表示。采用YUV色彩空间的重要性是它的亮度信号Y和色度信号U、 V是分离的。如果只有 Y信号分量而没有U、V信号分量，那么这样表示 的图像就是黑白灰度图像。彩色电视采用YUV空间正是为了用亮度信号 Y解决彩色电视机与黑白电视机的相容问题，使黑白电视机也能接收彩色 电视信号。nYUV与RGB图象之间的变换关系: Y= 0.2990R+0.5870G+0.1140B U=-0.1687R-0.3313G+0.5000B + 128 V= 0.5000R-0.4187G-0.0813B + 128 反变换关系:
16、R= 1.0Y + 0 +1.402 (V-128) G= 1.0Y - 0.34413(U-128)-0.71414(V-128) B= 1.0Y + 1.772 (U-128)+0 5.3 I/O 接 口一、概述二、接口的功能和组成三、接口类型一、概述为什么要设置接口？1. 实现设备的选择2. 实现数据缓冲达到速度匹配4. 实现电平转换5. 传送控制命令6. 反映设备的状态（“忙”、“就绪”、“中断请求”）3. 实现数据串 并格式转换二、接口的功能和组成(1) 设备选择线(2) 数据线(3) 命令线(4) 状态线I/O 接口设备I/O 接口设备数据线命令线状态线I/O总线设备选择线（地址线）1. 总线连接方式的 I/O 接口电路相当于存储器的-CS（片 选信号），还包括地址线2. 接口的功能和组成功能组成选址功能传送命令的功能传送数据的功能反映设备状态的功能设备选择电路命令
