第9章 輸入輸出系統(tǒng)及外圍設(shè)備

第9章輸入輸出系統(tǒng)及外圍設(shè)備

計(jì)算機(jī)組成與匯編語(yǔ)言9.1

概述

9.2

程序查詢方式9.3

程序中斷方式

第9

章輸入輸出系統(tǒng)及外圍設(shè)備

9.4DMA方式

9.5

可編程I/O接口及其應(yīng)用

9.6

輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展

9.7

外圍設(shè)備

本章要點(diǎn)輸入輸出系統(tǒng)的特點(diǎn)，I/O接口的基本組成和功能，I／O端口的訪問

程序查詢方式

程序中斷方式

DMA方式

鼠標(biāo)、顯示器、激光打印機(jī)、光盤驅(qū)動(dòng)器和閃存的分類及主要參數(shù)硬盤的工作原理、存儲(chǔ)地址格式和主要技術(shù)指標(biāo)9.1概述9.1.1

輸入輸出系統(tǒng)的特點(diǎn)9.1.3I／O端口的訪問9.1.2I/O接口的基本組成和功能輸入輸出設(shè)備種類繁雜，各種設(shè)備的性能各式各樣，各有自己獨(dú)立的控制和數(shù)據(jù)處理方式。各種外設(shè)不能直接與CPU或系統(tǒng)總線連接，而必須通過某個(gè)中間電路，將不同外設(shè)與CPU交換的數(shù)據(jù)進(jìn)行變換，統(tǒng)一為系統(tǒng)總線能接受的標(biāo)準(zhǔn)。解決這一系列的問題的中間電路及其控制程序（接口驅(qū)動(dòng)程序）就是外設(shè)接口或者輸入／輸出接口(Input/OutputInterface，簡(jiǎn)稱I／O接口)。

9.1.1

輸入輸出系統(tǒng)的特點(diǎn)對(duì)用戶而言，輸入輸出系統(tǒng)的復(fù)雜性一般隱藏在操作系統(tǒng)之中。用戶無需了解各種外設(shè)的具體工作細(xì)節(jié)，只要通過簡(jiǎn)單的命令或程序調(diào)用就能使用有關(guān)設(shè)備了。I/O系統(tǒng)的復(fù)雜性還表現(xiàn)在處理機(jī)本身和操作系統(tǒng)所產(chǎn)生的一系列隨機(jī)事件的處理上，比如實(shí)時(shí)響應(yīng)問題、數(shù)據(jù)傳輸出錯(cuò)問題、網(wǎng)絡(luò)防范問題、系統(tǒng)保護(hù)問題、中斷和自陷問題等等。因此，輸入輸出系統(tǒng)應(yīng)具備的特點(diǎn)集中反映在異步性、實(shí)時(shí)性和與設(shè)備無關(guān)性上。9.1.1

輸入輸出系統(tǒng)的特點(diǎn)CPU的各種操作都是在統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)作用下完成的，各種操作都有自己的總線周期。而不同的外部設(shè)備也有各自不同的定時(shí)與控制邏輯，且大都與CPU時(shí)序不一致。各個(gè)設(shè)備按照自己的時(shí)鐘工作，它們相對(duì)于主機(jī)通常是異步工作的，但在某些時(shí)刻又必須接受處理機(jī)的控制。為此，必須考慮以下因素：①數(shù)據(jù)緩沖。在外設(shè)接口中應(yīng)有相關(guān)數(shù)據(jù)寄存器或緩沖器。9.1.1

輸入輸出系統(tǒng)的特點(diǎn)（1）異步性

②數(shù)據(jù)傳輸?shù)呐浜?。外設(shè)與處理機(jī)之間直接傳輸一般是不可行的。當(dāng)某個(gè)輸入設(shè)備有準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)需要向CPU傳送或輸出設(shè)備接口的數(shù)據(jù)寄存器空可以接收數(shù)據(jù)時(shí)，一般要先向CPU提出服務(wù)請(qǐng)求，如果CPU響應(yīng)請(qǐng)求，就轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的服務(wù)。對(duì)CPU來講，這種請(qǐng)求可能是隨機(jī)的。如此，輸入／輸出系統(tǒng)相對(duì)于CPU就存在操作上的異步性和時(shí)間上的任意性。一般來講，一個(gè)微處理器要管理多臺(tái)外部設(shè)備，要求在任意兩次CPU與外設(shè)交往的時(shí)刻之間，CPU要能夠全速運(yùn)行它自己的程序，或管理其他外部設(shè)備，以保證CPU與外設(shè)之間及各外部設(shè)備自身之間都能并行工作，不必相互等待，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，需要采用中斷輸人／輸出方式或直接存儲(chǔ)器存取(DMA)方式。9.1.1

輸入輸出系統(tǒng)的特點(diǎn)（1）異步性

處理機(jī)必須實(shí)時(shí)地按照不同設(shè)備所要求的傳送方式和傳送速率為輸入輸出設(shè)備服務(wù)，包括從外設(shè)接收數(shù)據(jù)、向設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)和有關(guān)控制信息，及時(shí)地處理數(shù)據(jù)傳送中的錯(cuò)誤，以及處理機(jī)本身的硬件和軟件錯(cuò)誤，如電源故障、數(shù)據(jù)校驗(yàn)錯(cuò)、頁(yè)面失效等。在I/O設(shè)備提出中斷、DMA等請(qǐng)求時(shí)，CPU要及時(shí)響應(yīng)，完成必要的I/O操作或控制。

9.1.1

輸入輸出系統(tǒng)的特點(diǎn)（2）實(shí)時(shí)性

為了能夠適應(yīng)各種外設(shè)的不同要求，通過制定統(tǒng)一的獨(dú)立于具體設(shè)備的接口標(biāo)準(zhǔn)，包括物理接口和軟件接口，使得應(yīng)用程序依據(jù)這一接口可以訪問或支持各種I/O設(shè)備。不同型號(hào)的外設(shè)可根據(jù)自己的特點(diǎn)和要求，選擇一種標(biāo)準(zhǔn)接口與處理器相連。對(duì)連接到同一種接口上的外設(shè)，它們之間的差異由設(shè)備本身的控制器通過軟件和硬件來填補(bǔ)。這樣，CPU能夠通過統(tǒng)一的軟件和硬件來管理各種各樣的外部設(shè)備，而不需要了解各種外設(shè)的具體細(xì)節(jié)。9.1.1

輸入輸出系統(tǒng)的特點(diǎn)（3）與設(shè)備無關(guān)性

9.1.2I/O接口的基本組成和功能

I／O接口是外部設(shè)備和處理器之間的連接“橋梁”，又稱外設(shè)適配器。I／O接口與系統(tǒng)總線的聯(lián)系信息有數(shù)據(jù)、地址及控制或狀態(tài)信號(hào)。

要使各種各樣的輸入／輸出設(shè)備與處理器之間實(shí)現(xiàn)正常的信息傳送，I／O接口必須具備的基本組成。

CPU數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)寄存器圖9.1I／O接口連接處理器和外部設(shè)備I/O接口狀態(tài)寄存器命令寄存器外設(shè)地址控制/狀態(tài)信號(hào)控制狀態(tài)數(shù)據(jù)地址與讀/寫控制邏輯9.1.2I/O接口的基本組成和功能

（1）數(shù)據(jù)寄存器。數(shù)據(jù)寄存器實(shí)現(xiàn)CPU和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)緩沖。一般緩沖來自CPU的輸出數(shù)據(jù)，和暫存來自外設(shè)的輸入數(shù)據(jù)。（2）狀態(tài)寄存器。狀態(tài)寄存器反映和保持外設(shè)的工作狀態(tài)。如外設(shè)是否處于“忙”或“閑”的狀態(tài)，是否準(zhǔn)備好與CPU的通信，外設(shè)處理數(shù)據(jù)是否出錯(cuò)等。（3）命令寄存器。命令寄存器保存來自CPU對(duì)接口寫入的控制命令?？刂泼钔荂PU對(duì)接口的工作模式、數(shù)據(jù)傳送方式、操作方式等進(jìn)行規(guī)定或設(shè)置。9.1.2I/O接口的基本組成和功能

（4）地址與讀/寫控制邏輯。這部分電路實(shí)現(xiàn)CPU對(duì)外設(shè)端口的尋址和I/O接口內(nèi)部的端口地址譯碼。一般I/O接口具有多個(gè)端口地址。因?yàn)镃PU對(duì)接口的訪問，可能是傳送數(shù)據(jù)，則要訪問接口中的數(shù)據(jù)寄存器，即數(shù)據(jù)口地址；也可能是對(duì)接口寫入控制命令，訪問的是命令寄存器，即控制口地址等。此外有關(guān)讀寫控制、接口中斷方式工作的控制等也由這部分完成。

9.1.2I/O接口的基本組成和功能

I/O接口必須具備以下幾項(xiàng)基本功能：（1）I／O地址譯碼與設(shè)備選擇。所有外部設(shè)備都是通過I／O接口掛接在系統(tǒng)總線上的，地址譯碼功能可使得在任一時(shí)刻只允許一個(gè)外設(shè)與CPU通過總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，而其它未被選中的I／O接口則呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，與總線隔離。（2）信息的輸入／輸出。CPU通過I／O接口與外部設(shè)備進(jìn)行信息交換，并可通過向接口寫入命令的方式控制、監(jiān)測(cè)與管理I／O接口和外設(shè)的工作狀態(tài)。另外，外設(shè)也通過接口向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求。9.1.2I/O接口的基本組成和功能

（3）命令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)的緩沖與鎖存。為了確保計(jì)算機(jī)和外設(shè)之間可靠地進(jìn)行信息傳送，要求接口電路應(yīng)具有信息緩沖存儲(chǔ)能力。不僅要緩存CPU傳送給外部設(shè)備的信息，以使CPU能及時(shí)地執(zhí)行自身的程序，還要緩存外設(shè)傳送給CPU的信息，以實(shí)現(xiàn)CPU與外設(shè)之間信息的同步交換。（4）信息轉(zhuǎn)換，包括信號(hào)形式、信息格式、時(shí)序等的匹配。CPU只能處理數(shù)字信號(hào)，而外設(shè)的信號(hào)形式多種多樣。因此，I／O接口還要實(shí)現(xiàn)信息格式的轉(zhuǎn)換、電平轉(zhuǎn)換、碼制轉(zhuǎn)換、傳送管理以及聯(lián)絡(luò)控制等功能。

9.1.3I／O端口的訪問

在微機(jī)系統(tǒng)中，端口的編址通常有兩種方式。一是內(nèi)存統(tǒng)一編址，二是獨(dú)立編址。（1）內(nèi)存統(tǒng)一編址，又稱存儲(chǔ)器映射編址。即把每個(gè)I／O端口都當(dāng)做一個(gè)存儲(chǔ)單元看待，I／O端口與存儲(chǔ)器單元在同一個(gè)地址空間中進(jìn)行編址。通常是在整個(gè)地址空間中劃分出一小塊連續(xù)的地址分配給I／O端口。被端口占用了的地址，存儲(chǔ)器不能再使用。統(tǒng)一編址方式的優(yōu)點(diǎn)是可以用訪問內(nèi)存的方法來訪問I／O端口，不需再設(shè)專門的I／O指令。由于訪問內(nèi)存的指令種類豐富、尋址方式多樣，因此這種編址方式為訪問外設(shè)帶來了很大的靈活性。缺點(diǎn)是外設(shè)占用了一部分地址空間，減少了內(nèi)存的實(shí)際容量。此外，從指令上不易區(qū)分當(dāng)前是對(duì)內(nèi)存進(jìn)行操作還是對(duì)外設(shè)進(jìn)行操作。

1.I／O端口編址方式

9.1.3I／O端口的訪問

（2）I／O端口獨(dú)立編址，又稱I／O專門編址。此時(shí)，內(nèi)存地址空間和外設(shè)地址空間是相互獨(dú)立的，各有自己的零地址空間。但是系統(tǒng)必須有專門的I／O操作指令，由指令的操作數(shù)部分直接或間接地給出輸入／輸出端口地址。這種獨(dú)立編址方式在80X86系列CPU中得到廣泛采用。例如，8086就有專門的IN和OUT指令來完成對(duì)接口I／O操作。CPU使用地址總線的低16位作為尋址I／O端口的地址線(此時(shí)地址總線的高4位為0)，故8086最多可以尋址64K個(gè)8位或16位信息碼端口。

1.I／O端口編址方式

9.1.3I／O端口的訪問

（1）IN輸入指令長(zhǎng)格式：INAL，PORT;字節(jié)操作

INAX，PORT;字操作其中PORT為端口地址，范圍00～FFH。功能：（AL）←（PORT），或（AX）←（PORT+1，PORT）。即將端口地址為PORT的端口的內(nèi)容送AL或AX。短格式：INAL，DX;字節(jié)操作

INAX，DX;字操作其中寄存器DX的內(nèi)容為端口地址，范圍0000～FFFFH。功能：（AL）←（DX），或（AX）←（DX+1，DX）。即將DX的內(nèi)容為端口地址的端口的內(nèi)容送AL或AX。2.8086輸入/輸出指令

9.1.3I／O端口的訪問

（2）OUT輸出指令長(zhǎng)格式：OUTPORT，AL;字節(jié)操作

OUTPORT，AX;字操作其中PORT為端口地址，范圍00～FFH。功能：（PORT）←（AL），（PORT+1，PORT）←（AX）。即將AL或AX的內(nèi)容送端口地址為PORT的端口中。短格式：OUTDX，AL;字節(jié)操作

OUTDX，AX;字操作其中寄存器DX的內(nèi)容為端口地址，范圍0000～FFFFH。功能：（DX）←（AL），或（DX+1，DX）←（AX）。即將AL或AX的內(nèi)容送以DX的內(nèi)容為端口地址的端口中。2.8086輸入/輸出指令

舉例9.2.1

無條件傳送方式9.2.2

查詢傳送方式

9.2程序查詢方式

常見的輸入輸出方式有：程序控制方式、中斷控制方式、DMA（直接存儲(chǔ)器訪問）方式和I/O處理機(jī)方式。

程序控制（查詢）方式就是在程序中加入一段包括輸入／輸出指令在內(nèi)的程序段，直接控制CPU與輸入／輸出設(shè)備之間的信息傳送。程序控制方式又可分為無條件傳送方式和查詢傳送方式。

9.2.1無條件傳送方式

這種數(shù)據(jù)傳送方式是在程序執(zhí)行輸入／輸出指令時(shí)，無條件地執(zhí)行指令相應(yīng)的操作。也就是說，在這些設(shè)備工作時(shí)，隨時(shí)都可以接收CPU輸出的數(shù)據(jù)，或者它們的數(shù)據(jù)隨時(shí)都可以被CPU讀出，即CPU不需要了解外部設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)就可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入／輸出操作。

...……D0~D7地址譯碼A0~A7圖9.2CPU直接控制一組LED管IOW...8位反向數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)器 MOV AL,0FEH ;初始讓D0位為0SHLED: OUT 88H,AL ;讓某位LED管亮

CALL DELAY2S ;調(diào)用延時(shí)2S程序

ROL AL,1 ;循環(huán)左移一位。

JMP SHLED

這種方式主要用于外部控制過程的各種動(dòng)作時(shí)間是固定的而且是已知的情況，針對(duì)的是一些簡(jiǎn)單的、隨時(shí)“準(zhǔn)備好”的外設(shè)。直接傳送方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的過程中，CPU與外部設(shè)備數(shù)據(jù)交換與指令的執(zhí)行是同步的。

+5V數(shù)據(jù)線端口PORT圖9.3開關(guān)信號(hào)的直接讀入K9.2.2

查詢傳送方式

查詢傳送方式也稱為應(yīng)答式傳送方式。CPU在傳送數(shù)據(jù)之前，必須先檢查外設(shè)的狀態(tài)，若外設(shè)已做好收發(fā)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備，則處理器啟動(dòng)數(shù)據(jù)的接收或發(fā)送，否則CPU就要等待，直到外設(shè)準(zhǔn)備好為止。

輸入一個(gè)字節(jié)或字接口數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好？測(cè)試接口狀態(tài)處理輸入數(shù)據(jù)YN圖9.4查詢式輸入數(shù)據(jù)流程WAIT:INAL,S_PORT ;讀狀態(tài)口

TESTAL,01H

;測(cè)試D0位JZWAIT

;為0，即未準(zhǔn)備好，繼續(xù)查詢

INAL,D_PORT ;為1，即準(zhǔn)備好，輸入數(shù)據(jù)

MOV BUF, AL ;數(shù)據(jù)送輸入緩沖區(qū)BUF

9.2.2

查詢傳送方式

如果有多個(gè)外設(shè)需要與CPU交換數(shù)據(jù)，CPU可輪流查詢外設(shè)的工作狀態(tài)，根據(jù)外設(shè)的情況進(jìn)行相應(yīng)的操作，其流程如圖9.5所示。顯然，這種查詢順序體現(xiàn)了系統(tǒng)對(duì)外設(shè)服務(wù)優(yōu)先級(jí)的安排。輪流測(cè)試各接口狀態(tài)……數(shù)據(jù)傳送操作接口2準(zhǔn)備好？YN圖9.5對(duì)多個(gè)外設(shè)進(jìn)行查詢式傳送數(shù)據(jù)流程數(shù)據(jù)傳送操作接口1準(zhǔn)備好？YN數(shù)據(jù)傳送操作接口n準(zhǔn)備好？YN9.3程序中斷方式9.3.1

程序中斷方式的基本原理9.3.3

中斷控制接口例9.3.2I/O中斷的處理過程9.3.1程序中斷方式的基本原理

所謂中斷，是指外設(shè)做好數(shù)據(jù)傳送準(zhǔn)備后，主動(dòng)要求CPU中斷當(dāng)前執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)去為外設(shè)服務(wù)，當(dāng)CPU對(duì)外設(shè)的服務(wù)完成后又可繼續(xù)執(zhí)行自己原來的程序的方式。這個(gè)過程就是中斷。中斷方式使得CPU和外設(shè)并行工作，提高了計(jì)算機(jī)的效率；又能使外設(shè)的服務(wù)請(qǐng)求得到及時(shí)滿足。1.中斷的概念

9.3.1程序中斷方式的基本原理

引起中斷的事件稱為中斷源。中斷源分為內(nèi)部中斷和外部中斷兩部分。內(nèi)部中斷來自于處理器內(nèi)部的事件，比如除數(shù)為0、計(jì)算結(jié)果溢出、指令單步運(yùn)行、程序運(yùn)行到斷點(diǎn)處、執(zhí)行特定的軟中斷指令，內(nèi)部中斷通常稱為自陷。由處理器外部設(shè)備產(chǎn)生的中斷事件稱為外部中斷。外部中斷又可分為可屏蔽中斷和不可屏蔽中斷兩類。凡是CPU內(nèi)部通過對(duì)控制標(biāo)志進(jìn)行設(shè)置可以屏蔽外部中斷，使得CPU不受理的中斷就是可屏蔽中斷，反之，CPU內(nèi)部不能夠屏蔽，使得CPU必須受理的外部中斷就是不可屏蔽中斷。2.中斷源

9.3.1程序中斷方式的基本原理

識(shí)別各種中斷源的有效方法是為中斷源編號(hào)，這就是中斷類型號(hào)。在8086系統(tǒng)中，中斷類型號(hào)的長(zhǎng)度為一個(gè)字節(jié)，所以8086最多允許處理256種中斷，其中斷類型號(hào)從0至255。3.中斷類型號(hào)

9.3.1程序中斷方式的基本原理

所謂中斷向量，是指中斷處理程序的入口地址。中斷向量表就是中斷處理程序入口地址的集合。一般系統(tǒng)中會(huì)安排針對(duì)各種中斷源的中斷處理程序。CPU如果響應(yīng)某個(gè)中斷源的中斷請(qǐng)求，必須轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的中斷處理程序，這意味著必須給出中斷處理程序的入口地址。8086系統(tǒng)在內(nèi)存的最低端安排了1KB的空間存放中斷向量表。對(duì)8086處理器而言，中斷向量長(zhǎng)度是4個(gè)字節(jié)，分別是段地址和段內(nèi)偏移地址。其中段地址占據(jù)高位兩個(gè)字節(jié)，段內(nèi)偏移地址占據(jù)低位兩個(gè)字節(jié)，這樣256個(gè)中斷向量共占據(jù)4×256=1024個(gè)字節(jié)。表9-1列出了8086中斷向量表。4.中斷向量表

9.3.1程序中斷方式的基本原理

只要知道中斷類型號(hào)n，按照4×n得到的地址就可以查到中斷向量表中的中斷向量。例如中斷類型號(hào)21H的中斷，其中斷向量在中斷向量表的地址為0000:0084H（4×21H=84H）。其中，0000:0084H和0000:0085H兩個(gè)字節(jié)為中斷處理程序入口的段內(nèi)偏移地址，0000:0086H和0000:0087H兩個(gè)字節(jié)為中斷處理程序入口的段地址。4.中斷向量表

9.3.1程序中斷方式的基本原理

不同的中斷源，或者不同的事件發(fā)生，需要CPU來處理的緊迫性是不一樣的，因此有必要依據(jù)緊急情況程度對(duì)中斷事件進(jìn)行排隊(duì)。也就是給每一個(gè)中斷事件確定一個(gè)中斷響應(yīng)的優(yōu)先等級(jí)，這就是中斷優(yōu)先級(jí)。有了中斷優(yōu)先級(jí)，在多個(gè)中斷請(qǐng)求發(fā)生時(shí)，CPU就能夠進(jìn)行中斷判優(yōu)，決定優(yōu)先響應(yīng)和處理哪一個(gè)中斷請(qǐng)求。5.中斷優(yōu)先級(jí)和中斷判優(yōu)

9.3.1程序中斷方式的基本原理

中斷判優(yōu)的規(guī)則如下：（1）只有一個(gè)中斷請(qǐng)求時(shí)，不管其優(yōu)先等級(jí)如何，CPU總是響應(yīng)此中斷。（2）當(dāng)有兩個(gè)及以上的中斷請(qǐng)求時(shí)，CPU總是響應(yīng)其中優(yōu)先級(jí)最高的，待此最高優(yōu)先級(jí)中斷事件處理后，才響應(yīng)優(yōu)先級(jí)次之的中斷請(qǐng)求。對(duì)于同級(jí)優(yōu)先級(jí)，自然是先提出中斷請(qǐng)求的先響應(yīng)。（3）中斷嵌套也是按中斷事件的優(yōu)先級(jí)來處理的。5.中斷優(yōu)先級(jí)和中斷判優(yōu)

9.3.1程序中斷方式的基本原理

中斷判優(yōu)的方法有軟件查詢法、硬件電路法及二者相結(jié)合的軟硬件中斷控制法。軟件查詢法就是CPU依次查詢中斷請(qǐng)求，其查詢順序體現(xiàn)了優(yōu)先級(jí)的安排，簡(jiǎn)單但效率低。硬件電路法有固定優(yōu)先級(jí)的鏈?zhǔn)街袛囗憫?yīng)電路，如菊花鏈電路；也有專用判優(yōu)邏輯電路。此法成本高，速度快，但不靈活。軟硬件中斷控制法，使用專門的可編程中斷控制器，通過程序較靈活的控制優(yōu)先級(jí)及中斷嵌套，常為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所采用。5.中斷優(yōu)先級(jí)和中斷判優(yōu)

9.3.1程序中斷方式的基本原理

中斷嵌套是指CPU當(dāng)前響應(yīng)某個(gè)中斷，正在執(zhí)行中斷處理程序時(shí)，又發(fā)生其他中斷源的中斷請(qǐng)求，若新的中斷請(qǐng)求優(yōu)先級(jí)別高于目前正在服務(wù)的中斷請(qǐng)求，則CPU會(huì)自動(dòng)中斷當(dāng)前執(zhí)行的中斷處理程序，轉(zhuǎn)而去響應(yīng)新的中斷請(qǐng)求，執(zhí)行新的中斷處理程序后，再返回執(zhí)行原中斷處理程序的過程。中斷嵌套體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)對(duì)更為緊急的事件的處理方式。

6.中斷嵌套

9.3.1程序中斷方式的基本原理

中斷屏蔽是在多個(gè)可屏蔽的外部中斷源和CPU之間再加一道可控制的屏障，使得多個(gè)中斷源的中斷請(qǐng)求信號(hào)可按預(yù)先設(shè)置屏蔽與否而決定中斷請(qǐng)求信號(hào)是否能向CPU發(fā)出。一般在中斷控制器中設(shè)有中斷屏蔽寄存器，該寄存器的每一位對(duì)應(yīng)一個(gè)中斷源，位值為1表示屏蔽，位值為0表示不屏蔽，其內(nèi)容構(gòu)成一個(gè)中斷屏蔽字。顯然，事先確定好中斷屏蔽字，或者在中斷服務(wù)程序中設(shè)置中斷屏蔽字，就能有意識(shí)地改變中斷處理優(yōu)先等級(jí)，給程序控制帶來更大的靈活性。

7.中斷屏蔽

中斷請(qǐng)求信號(hào)由中斷源提出。對(duì)內(nèi)部中斷源，中斷事件發(fā)生時(shí)自動(dòng)向CPU發(fā)出；對(duì)外部中斷，必須通過中斷請(qǐng)求線向CPU提出。

1.中斷請(qǐng)求

9.3.2I/O中斷的處理過程

I/O中斷的處理過程分為中斷請(qǐng)求、中斷響應(yīng)、中斷處理和中斷返回等4個(gè)階段。

CPU對(duì)內(nèi)部中斷源的中斷請(qǐng)求必須響應(yīng)，并自動(dòng)形成中斷類型號(hào)，轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的中斷處理程序。對(duì)外部中斷，CPU在現(xiàn)行指令執(zhí)行結(jié)束時(shí)查詢中斷請(qǐng)求引腳，如果有NMI請(qǐng)求（8086中斷類型號(hào)為2），轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的中斷處理程序。如果有INTR請(qǐng)求，且IF=1，則響應(yīng)。由于CPU只有一個(gè)INTR引腳，多個(gè)外部可屏蔽中斷源的中斷管理就由專門的中斷控制器來進(jìn)行處理。如果有多個(gè)中斷源提出中斷，中斷控制器會(huì)向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求，若得到CPU響應(yīng)，中斷控制器會(huì)進(jìn)行判優(yōu)處理，只有優(yōu)先級(jí)高的中斷源的中斷類型號(hào)才輸入給CPU，才會(huì)得到CPU相應(yīng)的中斷處理。2.中斷響應(yīng)

9.3.2I/O中斷的處理過程

8086CPU對(duì)中斷響應(yīng)的優(yōu)先級(jí)順序?yàn)椋簝?nèi)部中斷（單步中斷除外）NMI中斷INTR中斷單步中斷。CPU響應(yīng)中斷時(shí)，會(huì)進(jìn)行下述過程：（1）自動(dòng)關(guān)中斷，以免接受新的INTR中斷請(qǐng)求。（2）保護(hù)斷點(diǎn)和狀態(tài)標(biāo)志寄存器。一般是將斷點(diǎn)地址及狀態(tài)標(biāo)志寄存器的內(nèi)容壓入堆棧給以保護(hù)。（3）識(shí)別中斷源，對(duì)內(nèi)部中斷自動(dòng)識(shí)別；對(duì)外部中斷，CPU通過INTA引腳向提出請(qǐng)求的中斷控制器發(fā)出中斷響應(yīng)信號(hào)，要求中斷控制器輸入中斷類型號(hào)，得到中斷類型號(hào)后，CPU通過查詢中斷向量表，轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的中斷處理程序。2.中斷響應(yīng)

9.3.2I/O中斷的處理過程

中斷處理程序完成對(duì)相應(yīng)中斷源的功能性處理，這是整個(gè)中斷處理的核心。對(duì)于由系統(tǒng)管理的中斷事件，系統(tǒng)軟件中事先就安排有相應(yīng)的中斷處理程序；系統(tǒng)初始化時(shí)會(huì)填寫好相應(yīng)的中斷向量表。一般用戶編寫的應(yīng)用程序，如果采用中斷處理方式，大致可編寫兩類中斷處理程序。一是軟中斷，利用中斷向量表中保留給用戶使用的中斷類型號(hào)，設(shè)置軟中斷指令，完成相應(yīng)的軟中斷操作。另一類是用戶擴(kuò)充新的外設(shè)，除增加新的外設(shè)硬件接口外，此時(shí)需要編寫相應(yīng)的外設(shè)中斷處理程序。3.中斷處理

9.3.2I/O中斷的處理過程

中斷處理程序調(diào)用類似子程序調(diào)用，一般中斷處理程序的結(jié)構(gòu)是：首先應(yīng)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，即將程序中用到的所有寄存器內(nèi)容壓入堆棧。一般保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)前應(yīng)關(guān)中斷，使處理現(xiàn)場(chǎng)工作不至于被打斷。其次，如果考慮允許中斷嵌套，還要開中斷。然后才是中斷處理程序的具體工作內(nèi)容，比如和相應(yīng)的外設(shè)交換數(shù)據(jù)等。此后在中斷處理程序返回前，要恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)。還要開中斷，以便其他中斷請(qǐng)求能夠被CPU響應(yīng)。最后應(yīng)該有中斷返回指令I(lǐng)RET指令，以便中斷處理程序執(zhí)行后返回原調(diào)用處。3.中斷處理

9.3.2I/O中斷的處理過程

系統(tǒng)執(zhí)行IRET指令，其功能是將狀態(tài)標(biāo)志寄存器內(nèi)容出棧和恢復(fù)斷點(diǎn)。圖9.6表示了8086CPU處理中斷的流程。從圖中可知，8086對(duì)中斷的查詢順序是按照其規(guī)定的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行的。而一旦轉(zhuǎn)中斷處理程序后，若再發(fā)生NMI中斷，就會(huì)進(jìn)行中斷嵌套，轉(zhuǎn)去執(zhí)行NMI中斷處理。如果進(jìn)入單步中斷，此時(shí)TEMP=TF=1，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)一步步跟蹤程序的執(zhí)行。

3.中斷返回

9.3.2I/O中斷的處理過程

取指令類型號(hào)0~255內(nèi)部中斷？YN圖9.68086CPU處理中斷的流程保護(hù)FLAGS執(zhí)行完指令？YNIF=1?YN中斷響應(yīng)讀回類型號(hào)類型號(hào)=2

NMI？NY

INTR？NY類型號(hào)=1單步中斷？YTFTEMPTF=0斷點(diǎn)入棧查中斷向量轉(zhuǎn)中斷處理程序恢復(fù)斷點(diǎn)NMI?TEMP=1?執(zhí)行中斷處理程序恢復(fù)FLAGS返回被中斷的程序YYNNN早期的IBMPC計(jì)算機(jī)中的中斷控制器為專門的中小規(guī)模集成電路芯片，型號(hào)為Intel8259A，用于對(duì)可屏蔽中斷請(qǐng)求進(jìn)行管理?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)已將其集成到主板芯片組中。本節(jié)通過對(duì)8259A的介紹，使讀者能進(jìn)一步了解計(jì)算機(jī)中斷控制的工作原理和過程，并對(duì)可編程接口的使用有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)。

9.3.3中斷控制接口例

8259A除具有與CPU端聯(lián)系的數(shù)據(jù)總線緩沖器和讀寫控制邏輯外，還包括4個(gè)8位寄存器和控制邏輯電路、級(jí)聯(lián)緩沖比較器等。

1.8259A的結(jié)構(gòu)及功能

9.3.3中斷控制接口例

中斷請(qǐng)求寄存器IRR優(yōu)先權(quán)裁決器PR中斷服務(wù)寄存器ISR中斷屏蔽寄存器IMR數(shù)據(jù)總線緩沖器讀寫控制邏輯電路級(jí)聯(lián)緩沖比較器控制邏輯電路IR0IR6IR1IR2IR3IR4IR5IR7INTAINTD0~D7CSA0CSA1CSA2RDWRA0CSSP/EN圖9.78259A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1）中斷請(qǐng)求寄存器IRR(InterruptRequestRegister)該寄存器為8位，可鎖存來自8個(gè)中斷源的中斷請(qǐng)求信號(hào)IR0~IR7。2）中斷服務(wù)寄存器ISR(InterruptServiceRegister)該寄存器保存正在受到中斷服務(wù)（包括中斷嵌套的）的中斷請(qǐng)求。1.8259A的結(jié)構(gòu)及功能

9.3.3中斷控制接口例

3）優(yōu)先權(quán)裁決器PR(PriorityResole)該裁決器實(shí)現(xiàn)對(duì)同時(shí)提出的中斷請(qǐng)求信號(hào)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)選通。8259A對(duì)8個(gè)中斷源的優(yōu)先級(jí)安排有兩種方式：固定優(yōu)先級(jí)：默認(rèn)IR0級(jí)別最高，其次是IR1~IR7；也可以由初始化編程指定某一中斷請(qǐng)求為最高，如指定IR3最高，則優(yōu)先級(jí)由高至低依次為IR3~IR7，IR0~IR2；循環(huán)優(yōu)先級(jí)：當(dāng)一個(gè)中斷得到響應(yīng)后，其優(yōu)先級(jí)自動(dòng)降為最低。如IR0響應(yīng)后，IR1優(yōu)先級(jí)變?yōu)樽罡?，?yōu)先級(jí)的順序變?yōu)镮R1~IR7，IR0。循環(huán)初始時(shí)的最高優(yōu)先級(jí)既可默認(rèn)IR0，也可編程指定。優(yōu)先權(quán)裁決器還能對(duì)中斷嵌套進(jìn)行管理。其管理中斷嵌套方式有普通全嵌套方式，即只允許中斷優(yōu)先級(jí)別高于目前正在服務(wù)的中斷請(qǐng)求的新的中斷請(qǐng)求得到嵌套。還有用于級(jí)聯(lián)方式的特殊全嵌套方式。1.8259A的結(jié)構(gòu)及功能

4）中斷屏蔽寄存器IMR(InterruptMaskRegister)IMR的各位對(duì)應(yīng)于IRR的相應(yīng)位。當(dāng)IMR的某一位IMRi被置1時(shí)，表示IRi的中斷請(qǐng)求被屏蔽，只有IMR的相應(yīng)位置0時(shí)，對(duì)應(yīng)的中斷請(qǐng)求才可能被響應(yīng)。1.8259A的結(jié)構(gòu)及功能

9.3.3中斷控制接口例

5）控制邏輯電路此部分控制8259A按照接口編程的規(guī)定進(jìn)行工作。在8259A的控制邏輯電路中，有7個(gè)可編程的8位寄存器。這7個(gè)寄存器分為兩組。第一組為4個(gè)初始化命令字ICW寄存器(InitializationCommandWord)，分別為ICW1~ICW4。初始化命令字的各位都有其含義，由系統(tǒng)初始化程序設(shè)定，當(dāng)計(jì)算機(jī)啟動(dòng)時(shí)，即對(duì)8259A的中斷控制方式包括中斷請(qǐng)求觸發(fā)方式、中斷類型號(hào)設(shè)置、優(yōu)先級(jí)嵌套方式、級(jí)聯(lián)方式等進(jìn)行了設(shè)置。以后系統(tǒng)工作過程中一般不再改變。第二組為3個(gè)操作命令字OCW寄存器(OperationCommandWord)，分別為OCW1~OCW3。操作命令字由應(yīng)用程序設(shè)定，包括設(shè)置中斷屏蔽字、循環(huán)優(yōu)先級(jí)方式和中段結(jié)束方式等，用來對(duì)中斷處理過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。操作命令字可以多次改變。1.8259A的結(jié)構(gòu)及功能

6）數(shù)據(jù)總線緩沖器8位雙向三態(tài)緩沖器，為8259A與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的接口。通過它，8259A接收來自CPU的控制字，或者向CPU發(fā)送8259A的狀態(tài)信息。7）讀寫控制邏輯讀寫控制邏輯接收來自系統(tǒng)控制總線上的讀寫控制信號(hào)。另外還實(shí)現(xiàn)對(duì)片內(nèi)各個(gè)端口如命令字寄存器、操作字寄存器的尋址以及讀取IRR、ISR、IMR等寄存器的狀態(tài)端口尋址。8）級(jí)聯(lián)緩沖/比較器8259A通過級(jí)聯(lián)，即一個(gè)8259A的IR引腳又連接一個(gè)8259A，則最多能實(shí)現(xiàn)對(duì)64個(gè)中斷源的控制。此部分負(fù)責(zé)主片和從片的聯(lián)系。1.8259A的結(jié)構(gòu)及功能

9.3.3中斷控制接口例

下面是對(duì)8259A初始化的程序段例，設(shè)8259A的端口地址為20H和21H：

MOV AL, 13H

;設(shè)置ICW1：00010011，含義為設(shè)置ICW4，非級(jí)聯(lián)不設(shè)ICW3，邊沿觸發(fā)

OUT 20H, AL

;寫入ICW1（端口為偶數(shù)地址）

MOV AL, 08H

;設(shè)置ICW2，含義為設(shè)置中斷類型號(hào)，IR0~IR7依次為08H~0FH

OUT 21H, AL

;寫入ICW2（端口為奇數(shù)地址）

MOVAL, 0FH

;設(shè)置ICW4，含義為設(shè)置數(shù)據(jù)總線緩沖方式，自動(dòng)中斷結(jié)束

OUT21H, AL

;寫入ICW4（端口為奇數(shù)地址）2.8259A接口的編程例

D0：IC41:需要ICW4(8086模式時(shí)總是1)

0:不需要ICW4D1：SNGL1:單片82590:多片8259級(jí)聯(lián)D2：ADI對(duì)8086模式無用，一般取0D3：LTIM1:電平觸發(fā)0:邊沿觸發(fā)D4：1ICW1標(biāo)志位D5~D7：對(duì)8086模式無用，一般取000初始化命令字ICW1的含義

初始化程序執(zhí)行后，8259A即開始工作。在8259A啟動(dòng)后，可對(duì)8259A設(shè)置OCW。下面是對(duì)該8259A寫入OCW的程序段例：

MOVAL, 0F0H

;設(shè)置OCW1，含義為中斷屏蔽字，即屏蔽IR4~IR7

OUT 21H,AL

;寫入OCW1（端口為奇數(shù)地址）

MOVAL, 20H

;設(shè)置OCW2，含義為中斷結(jié)束命令

OUT 20H,AL

;寫入OCW2（端口為偶數(shù)地址）

2.8259A接口的編程例

9.4DMA方式9.4.1DMA控制器的功能和工作過程9.4.2DMA傳送的特點(diǎn)9.4.1DMA控制器的功能和工作過程CPU外設(shè)DMAC主存儲(chǔ)器系統(tǒng)總線圖9.8DMAC和CPU構(gòu)成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖HOLDHLDAI/O接口DRQDACKDMAC的工作過程如下：（1）當(dāng)能夠進(jìn)行DMA傳送的外設(shè)準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)時(shí)，外設(shè)通過接口向DMAC發(fā)出DMA請(qǐng)求信號(hào)DRQ。（2）DMAC收到請(qǐng)求后，即向CPU發(fā)出總線請(qǐng)求信號(hào)HOLD，表示要進(jìn)行DMA傳輸，此信號(hào)一直維持到DMA傳輸結(jié)束。（3）CPU在完成當(dāng)前總線周期后，查詢HOLD線，并立即對(duì)HOLD信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)，此時(shí)CPU將它與數(shù)據(jù)總線、地址總線和部分控制總線的連結(jié)均置于高阻態(tài)，也就是使CPU與系統(tǒng)總線隔離；同時(shí)CPU向DMAC發(fā)出總線請(qǐng)求響應(yīng)信號(hào)HLDA，表示已放棄總線控制權(quán)。9.4.1DMA控制器的功能和工作過程（4）DMAC收到HLDA信號(hào)后，開始對(duì)總線實(shí)施控制并向外設(shè)發(fā)出DMAC的應(yīng)答信號(hào)DACK。（5）DMAC送出地址信號(hào)和控制信號(hào)，包括源地址和目的地址，讀寫控制信號(hào)等，實(shí)現(xiàn)外設(shè)和內(nèi)存之間的直接數(shù)據(jù)傳送。（6）DMAC按地址增量或者減量方向自動(dòng)修改地址和字節(jié)計(jì)數(shù)器，并判斷是否需要重復(fù)傳送操作。在成組數(shù)據(jù)傳送方式下，DMA傳送直到字節(jié)計(jì)數(shù)器計(jì)滿設(shè)定值為止。（7）若DMA傳送結(jié)束，DMAC即撤銷向CPU發(fā)出的總線請(qǐng)求信號(hào)HOLD。CPU監(jiān)測(cè)到HOLD信號(hào)失效后，即撤銷總線請(qǐng)求響應(yīng)信號(hào)HLDA，表示CPU收回總線控制權(quán)，并繼續(xù)原來CPU執(zhí)行的程序。9.4.1DMA控制器的功能和工作過程（1）需要DMAC控制系統(tǒng)總線，直接實(shí)現(xiàn)外設(shè)與內(nèi)存之間、內(nèi)存與內(nèi)存之間的直接數(shù)據(jù)傳送。（2）在DMA傳送期間，CPU仍然可以執(zhí)行程序，只是不訪問內(nèi)存和外設(shè)而已，DMA傳送和CPU仍然可以并行工作。實(shí)際上，可采用周期挪用（DMAC挪用幾個(gè)CPU訪問內(nèi)存的工作周期）或者和CPU交替訪問內(nèi)存（在CPU不訪問系統(tǒng)總線時(shí)進(jìn)行DMA傳送）等方式來減輕或不影響CPU的并行工作。（3）DMA傳送無需程序控制，省去了取指、譯碼等操作；也不象中斷方式那樣，需要保護(hù)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)。它完全由硬件控制，速度快，效率高，很適合內(nèi)存和高速外設(shè)，如磁盤、光驅(qū)等之間的數(shù)據(jù)傳送，因此在計(jì)算機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用。9.4.2DMA傳送的特點(diǎn)9.5可編程I/O接口及其應(yīng)用所謂可編程，是指系統(tǒng)可通過軟件的方法，對(duì)I/O接口的工作模式、初始狀態(tài)等進(jìn)行設(shè)置。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)也可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)I/O接口的初始化。這樣，I/O接口工作時(shí)，就會(huì)按照系統(tǒng)的設(shè)置命令進(jìn)行該接口的正常工作，也可以接受CPU的操作命令，隨時(shí)對(duì)I/O接口的工作做出調(diào)整。例如，用戶程序可對(duì)8259A寫入中斷屏蔽字，不允許某些接口中斷，也可對(duì)8259A寫入中斷結(jié)束命令，來中止中斷服務(wù)程序的執(zhí)行。又如DMAC也是一個(gè)可編程接口，即Intel8237A。系統(tǒng)對(duì)8237A的初始化內(nèi)容包括設(shè)置8237A的工作方式、內(nèi)存緩沖區(qū)的首地址，DMA傳送的字節(jié)數(shù)等，CPU還可以通過命令來查詢8237A的工作狀態(tài)，如傳送的字節(jié)數(shù)、當(dāng)前內(nèi)存地址計(jì)數(shù)等。9.5可編程I/O接口及其應(yīng)用CPU有很多外圍可編程I/O接口，它們完成各種各樣的功能，配合CPU對(duì)外部事務(wù)進(jìn)行相關(guān)處理。除了8259A和8237A外，在IBMPC微機(jī)上常見的可編程I/O接口有：9.5可編程I/O接口及其應(yīng)用能完成定時(shí)功能，如定時(shí)時(shí)間到發(fā)出中斷；能對(duì)外部事件進(jìn)行計(jì)數(shù)，如計(jì)數(shù)次數(shù)到發(fā)出中斷，通知CPU作處理。其定時(shí)時(shí)間、計(jì)數(shù)范圍可通過程序來改變。8254具有3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器通道，可同時(shí)進(jìn)行3個(gè)獨(dú)立的定時(shí)/計(jì)數(shù)工作，也可以3個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的2個(gè)或3個(gè)結(jié)合工作，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)計(jì)數(shù)或長(zhǎng)延時(shí)。8254有6種工作方式（方式0~方式5），能實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)中斷、單穩(wěn)態(tài)發(fā)生器、頻率發(fā)生器、方波發(fā)生器、軟件觸發(fā)選通、硬件觸發(fā)等功能。這6種工作方式可通過編程確定。（1）可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器Intel82549.5可編程I/O接口及其應(yīng)用具有A、B、C三個(gè)數(shù)據(jù)端口，分為A、B兩組，能分別完成系統(tǒng)總線和并行工作的外設(shè)如打印機(jī)之間的8位數(shù)據(jù)的并行傳輸和中斷控制。8255A有三種工作方式可供編程選擇設(shè)置：即方式0（基本的輸入輸出方式）、方式1（帶選通的輸入輸出方式）、方式2（帶選通的雙向傳輸方式）。（2）可編程并行I/O接口Intel8255A9.5可編程I/O接口及其應(yīng)用如可編程異步串行通信接口Intel8250、數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代微型計(jì)算機(jī)可編程接口已向著高字長(zhǎng)、多功能、自治程度高的方向發(fā)展。（3）其他可編程I/O接口

9.6輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展9.6.1

通道9.6.2

外圍處理機(jī)通道是一個(gè)具有輸入輸出處理器控制的輸入輸出部件。通道控制器有自己的指令，即通道命令，能夠根據(jù)通道程序控制多個(gè)外部設(shè)備，并提供了DMA共享的功能。通道配合主機(jī)專門負(fù)責(zé)外圍設(shè)備的輸入輸出管理。通常，一臺(tái)大型計(jì)算機(jī)可有多個(gè)通道，一個(gè)通道可連接多個(gè)設(shè)備控制器，一個(gè)設(shè)備控制器可管理多臺(tái)I/O設(shè)備，形成典型的輸入輸出系統(tǒng)的四級(jí)層次結(jié)構(gòu)，如圖9.9所示，它包含了三種通道類型。1.通道的工作原理

9.6.1

通道IBM370的I/O結(jié)構(gòu)

通道的一般工作過程如下：（1）接受CPU的I/O指令（目態(tài)程序中含有訪管指令），選定外設(shè)與通道相連；（2）進(jìn)入管態(tài)，執(zhí)行CPU為通道組織的通道程序，啟動(dòng)通道進(jìn)行I/O操作。此時(shí)CPU返回目態(tài)程序；（3）計(jì)算并給出I/O設(shè)備的有關(guān)地址，如磁盤存儲(chǔ)器的物理地址和主存緩沖區(qū)的首地址，計(jì)算I/O設(shè)備和存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)交換數(shù)量，控制外設(shè)與主存之間的數(shù)據(jù)交換；（4）檢查外設(shè)的工作狀態(tài)，對(duì)部分異常進(jìn)行處理；（5）在數(shù)據(jù)傳送過程中完成必要的格式轉(zhuǎn)換；（6）指定I/O操作結(jié)束時(shí)，要執(zhí)行的善后操作，如以中斷方式要求CPU進(jìn)入管態(tài)處理后返回目態(tài)。1.通道的工作原理

9.6.1

通道根據(jù)多臺(tái)外設(shè)共享通道的不同情況，將通道分為三種類型。（1）字節(jié)多路通道（ByteMultiplexorChannel)這是一種簡(jiǎn)單的共享通道，依靠它與CPU之間的高速數(shù)據(jù)通路，采用分時(shí)工作方式為多臺(tái)低速或中速的外圍設(shè)備服務(wù)。字節(jié)多路通道工作方式有兩種：一種是字節(jié)交叉方式（byte-interleavemode)，各設(shè)備占用時(shí)間片很短，1次傳輸1個(gè)字節(jié)；還有一種是成組方式（blockmode)，即1次傳輸1組數(shù)據(jù)。通過一個(gè)超時(shí)控制機(jī)構(gòu)來自動(dòng)實(shí)現(xiàn)兩種工作方式的轉(zhuǎn)換。若在預(yù)置的時(shí)間內(nèi)，數(shù)據(jù)仍未傳送完畢，則自動(dòng)轉(zhuǎn)入成組方式，否則繼續(xù)采用字節(jié)交叉方式。2.通道種類

9.6.1

通道（2）選擇通道（SelectorChannel)針對(duì)高速外圍設(shè)備（如磁盤機(jī)），必須設(shè)置專門通道在一段時(shí)間內(nèi)單獨(dú)為一臺(tái)外圍設(shè)備服務(wù)，但在不同的時(shí)間內(nèi)仍可以選擇其它設(shè)備。選擇通道一旦選中某設(shè)備，就一直工作到數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束為止。（3）數(shù)組多路通道（BlockMultiplexorChannel)數(shù)組多路通道是前兩種通道工作方式的結(jié)合，它每次選擇一個(gè)高速設(shè)備后即傳送一個(gè)數(shù)據(jù)塊，這樣可以并發(fā)地輪流為多臺(tái)高速設(shè)備服務(wù)。2.通道種類

9.6.1

通道通道處理機(jī)并不是獨(dú)立的處理機(jī)，指令簡(jiǎn)單，存儲(chǔ)容量較小，輸入輸出時(shí)CPU要承擔(dān)大量的前處理和后處理等工作，用一般的通用機(jī)作外圍處理機(jī)可使CPU擺脫I/O操作的負(fù)擔(dān)。外圍處理機(jī)與主處理機(jī)異步并行工作，可有獨(dú)立的內(nèi)存，能自由選擇通道和設(shè)備進(jìn)行通信，非常靈活。能承擔(dān)主機(jī)外圍任務(wù)處理和操作控制，有利于整個(gè)系統(tǒng)的效率提高。外圍處理機(jī)的硬件利用率低，成本比通道處理機(jī)高。9.6.2外圍處理機(jī)PPU0圖4-7CYBER170的I/O結(jié)構(gòu)框圖主存儲(chǔ)器輸入輸出交叉開關(guān)網(wǎng)絡(luò)主存-I/O處理機(jī)總線DC···D中央處理機(jī)PPU1PPU9CH0DDCCH1DDCCHiDDCDDCD···DCCH11D······

外圍處理機(jī)子系統(tǒng)包括分時(shí)使用主存的10臺(tái)PPU，通過輸入輸出交叉開關(guān)網(wǎng)絡(luò)(I/OCrossbarSwitching)共享12個(gè)輸入輸出通道（CH0~CH11），每個(gè)PPU有一個(gè)容量為4K×13位(其中一位為奇偶位)的局部存儲(chǔ)器。系統(tǒng)監(jiān)督程序常駐在PPU0的局存中，操作臺(tái)顯示程序常駐在PPU1的局存中，其余均裝有各自的常駐程序。每臺(tái)PPU都能獨(dú)立執(zhí)行有關(guān)PPU的程序，都有相同的指令系統(tǒng)，完成算術(shù)/邏輯運(yùn)算、讀/寫主存、與外設(shè)交換信息等功能。用這些指令編制的PPU程序存放于系統(tǒng)主存的程序庫(kù)中，可以為管理外部設(shè)備隨時(shí)調(diào)用。圖中DC為設(shè)備控制器，D為外圍設(shè)備。中央處理機(jī)不能直接與外部設(shè)備交往。當(dāng)用戶程序需要輸入輸出時(shí)，中央處理機(jī)只需發(fā)調(diào)用PPU的請(qǐng)求，即可繼續(xù)執(zhí)行它的用戶程序，像通道處理機(jī)方式中那種前處理工作就不用做了。其后由外圍處理機(jī)就自己來與外部設(shè)備通信。所有10臺(tái)PPU分時(shí)循環(huán)使用同一個(gè)算術(shù)/邏輯部件，每臺(tái)PPU一次占用一個(gè)時(shí)間片，隔10個(gè)時(shí)間片之后又可再次占用一個(gè)時(shí)間片。因此，一條PPU指令可能要經(jīng)過多個(gè)大循環(huán)周期才能完成。由于主存字長(zhǎng)60位，PPU局存字長(zhǎng)12位，它們之間交換信息時(shí)，需要采用桶形移位器的方法進(jìn)行拆卸和裝配，這種拆卸和裝配所用的部件也是由10個(gè)PPU分時(shí)共享的。

CYBER170的通道比較簡(jiǎn)單，和通道處理機(jī)中的通道概念完全不同，它只起通路連接作用，使外圍處理機(jī)可以與12個(gè)通道中的任何一個(gè)相接。每個(gè)通道最多可接8臺(tái)外部設(shè)備，用設(shè)備號(hào)來選擇。在每個(gè)通道中有一個(gè)雙向13位(1位奇偶位)的通道寄存器及“忙/閑”、“滿/空”兩個(gè)狀態(tài)標(biāo)志觸發(fā)器。利用這兩個(gè)狀態(tài)標(biāo)志觸發(fā)器以及PPU執(zhí)行相關(guān)的I/O指令來控制PPU、通道與外設(shè)的通信。9.6.2外圍處理機(jī)

I/O處理機(jī)功能的進(jìn)一步擴(kuò)展，出現(xiàn)了各種前端機(jī)（如網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程終端控制前端機(jī)）以及后臺(tái)機(jī)（如數(shù)據(jù)庫(kù)機(jī)器等）。其功能不僅是完成I/O數(shù)據(jù)傳輸，還進(jìn)行某些智能前處理或后處理?？傊?，如何減少CPU對(duì)I/O系統(tǒng)的介入，提高I/O系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐率（即傳輸帶寬），增強(qiáng)I/O設(shè)備和控制器的智能是輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展方向。

9.7外圍設(shè)備計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備，簡(jiǎn)稱外設(shè)，是與計(jì)算機(jī)相連、受主機(jī)控制完成某種數(shù)據(jù)處理或控制操作的裝置。它為計(jì)算機(jī)和其它機(jī)器之間，計(jì)算機(jī)和用戶之間提供了聯(lián)系，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分。從外設(shè)和主機(jī)之間信息傳送的方向來看，外圍設(shè)備可分為輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和輸入輸出兼容設(shè)備。9.7.1

輸入設(shè)備9.7.3

外存儲(chǔ)器9.7.2

輸出設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)鍵盤由一組排列成陣列形式的按鍵組成，共有101個(gè)按鍵。鍵盤除了提供所按鍵的ASCII碼字符外，還有多個(gè)功能鍵、光標(biāo)控制鍵等。每個(gè)按鍵起一個(gè)開關(guān)的作用。通常按鍵采用非接觸式的開關(guān)，利用按鍵的動(dòng)作改變某些物理參數(shù)或利用某些物理效應(yīng)，來實(shí)現(xiàn)電路的通斷轉(zhuǎn)換。非接觸式開關(guān)有電容式、磁電式、壓電式、壓敏式和光電式等。常用的是電容式按鍵。1.鍵盤

9.7.1

輸入設(shè)備鍵盤輸入信息分為三步：（1）用戶按鍵。由于鍵按下和釋放都會(huì)產(chǎn)生機(jī)械抖動(dòng)，一般要有消除抖動(dòng)的措施。（2）按鍵識(shí)別。通過鍵盤掃描硬件電路配合鍵盤掃描軟件查找是哪一個(gè)鍵按下，或者是哪些鍵組合如Ctrl+C等按下。所謂鍵盤掃描，是指對(duì)鍵盤陣列逐行檢查，若某一行有鍵按下，則發(fā)出脈沖信號(hào)，然后再查該行是哪一列有鍵按下，從而得到該鍵在鍵盤陣列中的位置編碼。（3）將按鍵的位置編碼變換為該鍵的ASCII碼，送給主機(jī)?，F(xiàn)代鍵盤一般有專門的鍵盤接口芯片，有的裝有單片計(jì)算機(jī)，可以完成鍵盤掃描、鍵盤監(jiān)測(cè)、消除重鍵等，以及控制和主機(jī)之間的通信等任務(wù)。

1.鍵盤

9.7.1

輸入設(shè)備鼠標(biāo)能在屏幕上實(shí)現(xiàn)快速精確的光標(biāo)定位，可用于屏幕編輯、選擇和作圖等操作，是當(dāng)今圖形界面、可視化設(shè)計(jì)和操作不可缺少的輸入設(shè)備。鼠標(biāo)按照測(cè)量原理的不同可分為機(jī)械式、光電式和光機(jī)式三種。機(jī)械式鼠標(biāo)的底部中心有一個(gè)橡膠包裹的金屬球。鼠標(biāo)在桌面滾動(dòng)時(shí)，金屬球便帶動(dòng)緊靠著球的兩個(gè)相互垂直的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。與轉(zhuǎn)軸相聯(lián)的編碼器和相應(yīng)電路可分別計(jì)算水平方向和垂直方向的偏移量，從而定位屏幕上的坐標(biāo)點(diǎn)。機(jī)械式鼠標(biāo)簡(jiǎn)單成本低，但準(zhǔn)確度靈敏度較差，目前已很少用，將被淘汰。2.鼠標(biāo)器

9.7.1

輸入設(shè)備光機(jī)式鼠標(biāo)裝有滾動(dòng)橡膠球，帶動(dòng)兩個(gè)相互垂直的邊緣開槽的光柵輪。光柵輪隨著鼠標(biāo)的移動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，使其一邊的發(fā)光二極管發(fā)出的光線時(shí)而透光，時(shí)而不透光，使另一邊的光敏三極管產(chǎn)生反映鼠標(biāo)位移的電脈沖信號(hào)。光機(jī)式鼠標(biāo)用得較多。光電式鼠標(biāo)沒有機(jī)械滾動(dòng)部分，代之以兩對(duì)相互垂直的光電探測(cè)器，分別代表X、Y方向，用來檢測(cè)發(fā)光二極管照射到鼠標(biāo)下面的墊板上的反射光。該鼠標(biāo)板畫有黑白格子，鼠標(biāo)在板上移動(dòng)時(shí)，反射光便有強(qiáng)弱之分，光敏管依據(jù)有無反射光而產(chǎn)生表示位移的脈沖序列。光電式鼠標(biāo)傳送速率快，靈敏度和準(zhǔn)確度高。但需專用墊板，成本高。對(duì)光電式鼠標(biāo)的改進(jìn)是去掉專用墊板，在鼠標(biāo)底部安裝一個(gè)圖形識(shí)別芯片來檢視鼠標(biāo)與桌面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而發(fā)出位移信號(hào)。隨著成本的降低，這種新型的光電式鼠標(biāo)有逐步普及之勢(shì)。2.鼠標(biāo)器

9.7.1

輸入設(shè)備鼠標(biāo)器最重要的參數(shù)是分辨率，單位是dpi（像素/英寸）。一般鼠標(biāo)分辨率為200dpi左右，越高越好。如果屏幕分辨率較高，則相應(yīng)使用的鼠標(biāo)分辨率也應(yīng)該高。否則，較低分辨率的鼠標(biāo)移動(dòng)范圍要求較大。另外無線鼠標(biāo)因其使用方便價(jià)格適宜也開始得到廣泛使用。2.鼠標(biāo)器

9.7.1

輸入設(shè)備顯示系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)中最基本的輸出設(shè)備。它由顯示器和顯示適配器（又稱顯卡）兩部分組成。顯示適配器就是顯示器和主機(jī)之間的接口。顯示器的作用是將主機(jī)輸出的電信號(hào)經(jīng)過顯示技術(shù)處理后轉(zhuǎn)換成能直接觀察的文字、圖形、圖像等光信號(hào)。1.顯示系統(tǒng)

9.7.2輸出設(shè)備（1）顯示器顯示器的分類按顯示設(shè)備所用的顯示器件分類，有陰極射線管(CathodeRayTube，CRT)顯示器、液晶顯示器(LiquidCrystalDisplay，LCD)、等離子顯示器（PlasmaDisplayPanel，PDP）等；按顯示方式分類，有字符顯示器、圖形圖像顯示器等；按顯示的顏色分類，有彩色顯示器和單色顯示器。常用的PC計(jì)算機(jī)顯示器主要是彩色圖形圖像CRT顯示器和液晶顯示器兩種。1.顯示系統(tǒng)

9.7.2輸出設(shè)備CRT顯示器通過電子束轟擊熒光屏而發(fā)光，結(jié)構(gòu)類似帶顯像管的電視機(jī)。CRT顯示器具有成本低、亮度高、分辨率高、色彩鮮明等特點(diǎn)，但存在體積大、笨重、功耗大、有輻射等缺點(diǎn)，目前正在逐步被液晶顯示器所替代。液晶顯示器(LCD)出現(xiàn)于1971年，80年代開始用于計(jì)算機(jī)上。其工作原理是利用了液晶的物理特性：當(dāng)通電時(shí)導(dǎo)通，排列變得有秩序，使光線容易通過；當(dāng)不通電時(shí)排列混亂，光線不易通過。LCD具有體積小、重量輕、耗能少(1~10μW/cm2)、無輻射、無靜電感應(yīng)、工作電壓低(1.5~6V)、無污染等優(yōu)點(diǎn)，并且視域?qū)挕o閃爍，能直接與CMOS集成電路相匹配，是真正的“平板”式顯示設(shè)備。這些優(yōu)勢(shì)使得液晶顯示器在攜帶式設(shè)備中尤其應(yīng)用廣泛。1.顯示系統(tǒng)

9.7.2輸出設(shè)備目前用于筆記本電腦和臺(tái)式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的LCD顯示器主要是由薄膜晶體管有源陣列彩顯TFT-LCD構(gòu)成。TFT(ThinFilmTransistor)即薄膜晶體管，其每個(gè)液晶像素點(diǎn)都是由集成在像素點(diǎn)后面的紅、綠、藍(lán)三色薄膜晶體管來驅(qū)動(dòng)，其顯示效果可以做到高速度、高亮度、高對(duì)比度，從而接近CRT顯示器。1.顯示系統(tǒng)

9.7.2輸出設(shè)備液晶顯示器的主要參數(shù)有：1）可視角度可視角度指用戶可以從不同的方向清晰地觀察屏幕上所有內(nèi)容的角度。由于提供LCD顯示器顯示的光源經(jīng)折射和反射后輸出時(shí)已有一定的方向性，在超出這一范圍觀看就會(huì)產(chǎn)生色彩失真現(xiàn)象。一般可視角度越大越好。目前大多數(shù)液晶顯示器的可視角度在140度左右。2）亮度亮度是指畫面的明亮程度，單位是cd/m2，數(shù)字越大性能越好，色彩就艷麗。TFT-LCD的可接受亮度為150cd/m2，一般在200cd/m2以上，亮度太低會(huì)感覺暗淡。1.顯示系統(tǒng)

9.7.2輸出設(shè)備3）對(duì)比度對(duì)比度是指屏幕上同一點(diǎn)最亮?xí)r（白色）與最暗時(shí)（黑色）的亮度的比值，高的對(duì)比度意味著相對(duì)較高的亮度和呈現(xiàn)顏色的艷麗程度。如450:1、500:1、1500:1等。比值越高圖像的清晰度、飽和度、層次感就越好。4）分辨率或點(diǎn)距目前15英寸LCD顯示器的最佳分辨率為1024×768，17～19英寸的最佳分辨率為1280×1024，更大尺寸擁有更大的最佳分辨率。一般相同尺寸的液晶顯示器的最大分辨率通常是一致的。點(diǎn)距是指顯示屏相鄰兩個(gè)象素點(diǎn)之間的距離。它是從另一個(gè)角度說明顯示器分辯率的參數(shù)。分辨率越高，點(diǎn)距越小。分辨率為1024×768的15英寸LCD顯示器，其像素間距均為0.297mm，而17寸LCD顯示器的點(diǎn)距一般都為0.264mm。1.顯示系統(tǒng)

5）響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間反映了各像素點(diǎn)對(duì)輸入信號(hào)變化的明亮轉(zhuǎn)換速度。液晶顯示器響應(yīng)時(shí)間目前有16ms、12ms、8ms、4ms的。16ms=1/0.016=每秒鐘顯示63幀畫面；12ms=1/0.012=83幀/s。響應(yīng)時(shí)間越小越好，這樣看運(yùn)動(dòng)畫面時(shí)不會(huì)出現(xiàn)拖影的現(xiàn)象。6）顯示色彩數(shù)色彩數(shù)就是屏幕上最多顯示多少種顏色的總數(shù)。對(duì)屏幕上的每一個(gè)像素來說，256種顏色要用8位二進(jìn)制數(shù)表示，即2的8次方，因此把256色圖形叫做8位圖；如果每個(gè)像素的顏色用16位二進(jìn)制數(shù)表示，就是16位圖，它可以表達(dá)216=65536種顏色；還有24位彩色圖，可以表達(dá)16,777,216種顏色。液晶顯示器一般都支持24位真彩色。1.顯示系統(tǒng)

7）水平刷新率是指顯示器每秒鐘的掃描線數(shù)，單位為KHz。行頻=行數(shù)×場(chǎng)頻，例如在800×600的分辨率下，當(dāng)刷新率為85Hz時(shí)，行頻=600×85Hz=51KHz。8）垂直掃描頻率是顯示器每秒刷新屏幕的次數(shù)，單位為Hz。場(chǎng)頻越低，圖像的閃爍、抖動(dòng)越厲害，一般LCD顯示器有60Hz就足夠了。如果要求能夠以較快的頻率讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，則液晶的刷新率要能夠達(dá)到70Hz甚至85Hz。1.顯示系統(tǒng)

9.7.2輸出設(shè)備顯卡的作用是將CPU

送來的顯示數(shù)據(jù)經(jīng)過變換和處理為顯示器可顯示的文字、圖形、圖像等信號(hào)?，F(xiàn)代顯卡包括GPU、顯存、顯卡BIOS、顯卡電路板及顯示驅(qū)動(dòng)程序等五部分。1）GPU(Graphic

Processing

Unit)，即圖形處理器，實(shí)際上是一個(gè)專用的圖形處理器芯片，為顯卡的核心。GPU承擔(dān)了原由CPU完成的圖像處理的工作，特別是3D圖形處理功能，大大減少了CPU的負(fù)擔(dān)。GPU所采用的核心技術(shù)有硬件T&L(幾何轉(zhuǎn)換和光照處理)、立方環(huán)境材質(zhì)貼圖和頂點(diǎn)混合、紋理壓縮和凹凸映射貼圖、雙重紋理四像素256位渲染引擎等。GPU主要由nVidia與ATI兩家廠商生產(chǎn)。1.顯示系統(tǒng)

9.7.2輸出設(shè)備（2）顯示適配器或顯卡2）顯示內(nèi)存簡(jiǎn)稱顯存。其主要功能就是暫存GPU要處理的數(shù)據(jù)和處理完畢的數(shù)據(jù)。圖形核心的性能愈強(qiáng)，需要的顯存也就越多，一般容量都在數(shù)百兆甚至上千兆字節(jié)。目前顯存基本采用的都是DDR3內(nèi)存或性能更高的DDR4或DDR5內(nèi)存。3）顯卡BIOS顯卡BIOS

主要存放GPU與驅(qū)動(dòng)程序之間的控制程序，另外還存有顯卡的型號(hào)、規(guī)格、生產(chǎn)廠家及出廠時(shí)間等信息?，F(xiàn)在多數(shù)顯卡采用了大容量的EEPROM，可以通過專用的程序進(jìn)行改寫或升級(jí)。1.顯示系統(tǒng)

9.7.2輸出設(shè)備4）顯卡電路板顯卡電路板把顯卡上的其它部件連接起來，類似微機(jī)的主板?，F(xiàn)代顯卡的GPU上還裝有風(fēng)扇。5）顯示驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)CPU對(duì)顯卡和顯示器的管理和數(shù)據(jù)傳輸控制，由顯卡制造廠家提供。1.顯示系統(tǒng)

9.7.2輸出設(shè)備顯卡的工作過程是：從系統(tǒng)總線將

CPU

送來的數(shù)據(jù)送到顯存或GPU里面進(jìn)行處理。GPU處理完的數(shù)據(jù)也送到顯存。顯示時(shí)，從顯存取出數(shù)據(jù)送到

DAC中

進(jìn)

行數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的操作，最后將轉(zhuǎn)換完的模擬信號(hào)送到顯示屏顯示。1.顯示系統(tǒng)

9.7.2輸出設(shè)備（2）顯卡的工作過程例9.2

某LCD顯示器的分辨率為1024×768，響應(yīng)時(shí)間為8ms，顯示色彩24位圖，求顯示系統(tǒng)的幀緩存容量，顯卡到顯示屏的數(shù)據(jù)傳輸率。解：顯示系統(tǒng)的幀緩存容量=1024×768×24bit=2324KB=2.27MB顯示器的幀頻=響應(yīng)時(shí)間的倒數(shù)=1/8ms=125幀/s數(shù)據(jù)傳輸率=125幀/s×2.27MB/幀=283.75MB/s1.顯示系統(tǒng)

9.7.2輸出設(shè)備打印機(jī)是將計(jì)算機(jī)的輸出信息，包括文字、表格、圖片等以硬拷貝的形式打印在紙張上。按照打印原理，打印機(jī)可分為擊打式打印機(jī)和非擊打式打印機(jī)。擊打式打印機(jī)是用機(jī)械方法，讓打印針或字符錘擊打色帶，在打印紙上印出字符，常用的有針式打印機(jī)。非擊打式打印機(jī)是通過激光、噴墨、熱敏等方式在打印紙上印出字符。在各種打印機(jī)中，激光打印機(jī)以其打印分辨率高、速度快、低噪聲、性價(jià)比高而得到普遍應(yīng)用。2.打印機(jī)

9.7.2輸出設(shè)備激光打印機(jī)主要由激光掃描系統(tǒng)、電子照相系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分組成。

2.打印機(jī)

9.7.2輸出設(shè)備激光器偏轉(zhuǎn)裝置靜電潛像感光鼓電子照相系統(tǒng)紅外線熱輻射定影調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路激光束紙輸入紙輸出激光打印機(jī)的工作原理圖激光掃描系統(tǒng)將要打印的數(shù)據(jù)作為對(duì)激光器產(chǎn)生的激光進(jìn)行調(diào)制的數(shù)字信號(hào)，從而使激光器產(chǎn)生的激光變成載有字符或圖形信息的激光束。該激光束經(jīng)掃描偏轉(zhuǎn)裝置，對(duì)感光鼓掃描，并在感光鼓上形成“靜電潛像”。電子照相系統(tǒng)使帶有“靜電潛像”的感光鼓接觸帶有相同極性的干墨粉，鼓面原被激光照射的部分將吸附墨粉，便顯影出圖像。該圖像轉(zhuǎn)印到紙上，經(jīng)紅外線熱輻射定影后，使墨粉滲透到紙纖維中固定?？刂葡到y(tǒng)包括激光掃描控制、電子照相系統(tǒng)控制、緩沖存儲(chǔ)控制和接口控制等?？刂葡到y(tǒng)接收和處理來自主機(jī)的各種命令和數(shù)據(jù)，并向主機(jī)報(bào)告打印機(jī)狀態(tài)。2.打印機(jī)

9.7.2輸出設(shè)備激光打印機(jī)的主要性能指標(biāo)：（1）打印分辨率。打印分辨率是指打印機(jī)在指定打印區(qū)域中，可以打出的點(diǎn)數(shù)，單位是每英寸點(diǎn)數(shù)。激光打印機(jī)的主流打印分辨率為600×600dpi，更高的分辨率可以達(dá)到1200×1200dpi。（2）打印速度。表示打印機(jī)每分鐘可輸出多少頁(yè)面(ppm)，常用最高打印速度或者打印機(jī)持續(xù)工作時(shí)的平均輸出速度來說明。目前普通激光打印機(jī)的打印速度可以達(dá)到35ppm，高級(jí)激光打印機(jī)打印速度可以超過80ppm以上。2.打印機(jī)

9.7.2輸出設(shè)備激光打印機(jī)的其它指標(biāo)有：最大打印幅面（如A4或A3幅面）；紙匣容量；預(yù)熱時(shí)間；首頁(yè)輸出時(shí)間；內(nèi)置字庫(kù)；色彩數(shù)目；打印成本(紙張價(jià)格、墨盒價(jià)格等)等。

2.打印機(jī)

9.7.2輸出設(shè)備外存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)稱外存，處于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)的輔助存儲(chǔ)器層次。常用的外存有硬盤驅(qū)動(dòng)器、光盤驅(qū)動(dòng)器以及攜帶方便的各種各樣的存儲(chǔ)卡，如U盤、閃卡（Flash卡）等。

9.7.3外存儲(chǔ)器硬盤和其機(jī)械、電子控制裝置構(gòu)成一個(gè)整體，就是硬盤驅(qū)動(dòng)器，常簡(jiǎn)稱硬盤。

1.硬盤

9.7.3外存儲(chǔ)器（1）硬盤驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)

硬盤硬盤是由存儲(chǔ)體及其旋轉(zhuǎn)控制機(jī)構(gòu)，讀寫磁頭及其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換控制器，接口及其緩存等幾個(gè)部分組成。1）存儲(chǔ)體及其旋轉(zhuǎn)控制機(jī)構(gòu)硬盤存儲(chǔ)體為多張固定共軸的半徑相同的圓形磁盤片，由電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。

步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)磁頭統(tǒng)一沿盤片的半徑方向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)尋道主軸電機(jī)帶動(dòng)盤片組統(tǒng)一旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)尋扇區(qū)盤片磁頭圖9.12硬盤工作原理示意圖1.硬盤

9.7.3外存儲(chǔ)器盤片一般用鋁合金材料或玻璃做基片，基片表面涂上一層很薄的磁性材料。盤片的上、下兩個(gè)盤面（Side），都可以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，成為有效盤片。每一個(gè)這樣的有效盤面都有一個(gè)盤面號(hào)，按順序從上至下從“0”開始依次編號(hào)。在硬盤系統(tǒng)中，盤面號(hào)又叫磁頭號(hào)，因?yàn)槊恳粋€(gè)有效盤面都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的讀寫磁頭。磁頭通過隨數(shù)字信號(hào)變化的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)影響磁層的兩個(gè)磁化方向，從而存儲(chǔ)“0”“1”信號(hào)。

1.硬盤

9.7.3外存儲(chǔ)器2）讀寫磁頭及其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換控制器每個(gè)盤面的磁頭在機(jī)械上全部相連，在步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下統(tǒng)一沿盤片的半徑方向移動(dòng)，而盤片以每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn)到上萬轉(zhuǎn)的速度在高速旋轉(zhuǎn)，這樣磁頭就能對(duì)盤片上的指定位置進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫操作。

1.硬盤

3）接口及其緩存磁頭讀寫的數(shù)據(jù)通過緩存及接口與系統(tǒng)總線相連，實(shí)現(xiàn)與內(nèi)存或CPU之間的數(shù)據(jù)交換。硬盤存儲(chǔ)體密封在鑄鋁腔體中，外界空氣必須通過腔體的過濾裝置才能與腔體內(nèi)相通，保證了腔體中絕對(duì)無塵。盤片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流相當(dāng)強(qiáng)，足以使磁頭托起，并與盤面保持一個(gè)微小的距離。這個(gè)距離越小，磁頭讀寫數(shù)據(jù)的靈敏度就越高，盤面存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)密度就越高?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)使磁頭在盤面上的飛行高度降到0.005μm～0.01μm，這只是人類頭發(fā)直徑的千分之一。這就是采用溫徹斯特（Winchester）技術(shù)制造的硬盤，簡(jiǎn)稱為溫盤，目前絕大多數(shù)硬盤都采用此技術(shù)。

1.硬盤

9.7.3外存儲(chǔ)器（2）磁盤上信息存儲(chǔ)的格式

硬盤在邏輯上被劃分為磁道、柱面以及扇區(qū)

磁盤在格式化時(shí)被劃分成許多同心圓，這些同心圓軌跡叫做磁道（Track），信息以脈沖串的形式記錄在磁道中。磁道從外向內(nèi)從0開始順序編號(hào)。硬盤的每一個(gè)盤面約有1024~8192個(gè)磁道，新式大容量硬盤每面的磁道數(shù)可能更多。磁道磁盤磁頭扇區(qū)磁頭搖臂圖9.13磁盤盤面區(qū)域劃分圖1.硬盤

9.7.3外存儲(chǔ)器（2）磁盤上信息存儲(chǔ)的格式

所有盤面上的同一磁道構(gòu)成一個(gè)圓柱，通常稱做柱面（Cylinder），每個(gè)圓柱上的磁頭由上而下從“0”開始編號(hào)。數(shù)據(jù)的讀/寫按柱面進(jìn)行，即磁頭讀/寫數(shù)據(jù)時(shí)首先在同一柱面內(nèi)從“0”磁頭開始進(jìn)行操作，依次向下在同一柱面的不同盤面即磁頭上進(jìn)行操作，只有在同一柱面所有的磁頭全部讀/寫完畢后磁頭才轉(zhuǎn)移到下一柱面，這樣讀寫連續(xù)數(shù)據(jù)時(shí)無須移動(dòng)磁頭，提高了硬盤的讀/寫效率。1.硬盤

（2）磁盤上信息存儲(chǔ)的格式

每一個(gè)磁道被劃分為若干個(gè)扇區(qū)（Sector）。每個(gè)扇區(qū)的有效數(shù)據(jù)容量一般為512個(gè)字節(jié)的一倍或數(shù)倍。一個(gè)扇區(qū)有三個(gè)部分：扇區(qū)頭標(biāo)、存儲(chǔ)的有效數(shù)據(jù)和保護(hù)數(shù)據(jù)的糾錯(cuò)碼（ECC）。扇區(qū)由于是磁道的某一部分，又稱為扇段。扇區(qū)頭標(biāo)表示扇區(qū)的起始位置，記錄有扇區(qū)所在的磁頭（或盤面）、磁道（或柱面號(hào)）以及扇區(qū)在磁道上的位置即扇區(qū)號(hào)，還有扇區(qū)是否能可靠存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的標(biāo)記。扇區(qū)頭標(biāo)的最后部分是循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）值，以便控制器檢驗(yàn)扇區(qū)頭標(biāo)的讀出情況，確保準(zhǔn)確無誤。

1.硬盤

（2）磁盤上信息存儲(chǔ)的格式

系統(tǒng)以扇區(qū)（Sector）為單位讀寫信息。系統(tǒng)將文件存儲(chǔ)到磁盤上時(shí)，要按柱面、磁頭、扇區(qū)的順序方式進(jìn)行。即最先是0號(hào)磁頭所在盤面磁道中的所有扇區(qū)，然后，是同一柱面的下一磁頭，……，一個(gè)柱面存儲(chǔ)滿后就推進(jìn)到下一個(gè)柱面，直到把文件內(nèi)容全部寫入磁盤。讀出數(shù)據(jù)時(shí)，同樣要按讀出扇區(qū)所在的柱面號(hào)、磁頭號(hào)和扇區(qū)號(hào)的順序進(jìn)行。也就是磁頭讀寫數(shù)據(jù)有兩個(gè)過程，一是尋道，使所有磁頭步進(jìn)到相應(yīng)的柱面，二是尋扇區(qū)，讓所有盤片旋轉(zhuǎn)某一角度，使等待訪問的扇區(qū)移動(dòng)到磁頭下。1.硬盤

9.7.3外存儲(chǔ)器（2）磁盤上信息存儲(chǔ)的格式

對(duì)于由多臺(tái)硬磁盤機(jī)組成的磁盤系統(tǒng)，尋址用的磁盤地址應(yīng)由臺(tái)號(hào)、柱面號(hào)（磁道號(hào)）、盤面號(hào)（磁頭號(hào)）和扇區(qū)號(hào)（扇段號(hào)）等字段組成。

1.硬盤

9.7.3外存儲(chǔ)器（3）硬盤的主要技術(shù)指標(biāo)

1）硬盤容量如果已知一個(gè)硬盤的柱面數(shù)、磁頭數(shù)和扇區(qū)數(shù)，就能計(jì)算該硬盤的存儲(chǔ)容量。設(shè)某硬盤每個(gè)扇區(qū)包含1024個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，柱面數(shù)為8192，磁頭數(shù)為16，扇區(qū)數(shù)為64，則該硬盤容量為：16×8192×64×1024=8GB。隨著硬盤技術(shù)的提高，硬盤容量逐年大幅增加，現(xiàn)代硬盤容量常常高達(dá)數(shù)百GB。

1.硬盤

（3）硬盤的主要技術(shù)指標(biāo)

2）轉(zhuǎn)速即每分鐘轉(zhuǎn)速(RPM，RevolutionsPerMinute)。常見有5400RPM、7200RPM等。這一指標(biāo)雖然代表了硬盤主軸的轉(zhuǎn)速，實(shí)際上與硬盤的數(shù)據(jù)傳輸率密切相關(guān)，轉(zhuǎn)速高一般數(shù)據(jù)傳輸率也高。與轉(zhuǎn)速相關(guān)的一個(gè)技術(shù)指標(biāo)是平均等待時(shí)間，它指的是磁盤旋轉(zhuǎn)半周所需的時(shí)間。3）數(shù)據(jù)傳輸率數(shù)據(jù)傳輸率(DTR，DataTransferRate)單位為MB/s或Mbits/s，這是衡量硬盤系統(tǒng)速度的重要指標(biāo)。一般硬盤轉(zhuǎn)速快，平均尋道時(shí)間短，DTR就高。

（3）硬盤的主要技術(shù)指標(biāo)

4）平均尋道時(shí)間(AverageSeekTime)單位為ms(毫秒)。這一指標(biāo)的含義是指硬盤接到讀/寫指令后到磁頭移到指定的磁道(應(yīng)該是柱面，但對(duì)于具體磁頭來說就是磁道)上方所需要的平均時(shí)間。平均尋道時(shí)間越短，說明硬盤讀寫速度越快。5）緩沖區(qū)容量(BufferSize)即硬盤緩存(Cache)容量，單位為MB。為了減少主機(jī)的等待時(shí)間，硬盤會(huì)將讀取的數(shù)據(jù)先存入緩沖區(qū)，等全部讀完或緩沖區(qū)填滿后再以接口速率快速向主機(jī)發(fā)送。緩沖區(qū)大，可進(jìn)一步加快硬盤速度。目前主流的硬盤容量為500GB~1TB,轉(zhuǎn)速為7200RPM，