输入输出设备与输入输出系统.doc

1、第6章 输入输出设备与输入输出系统概述本章学习内容主要有输入/输出设备，计算机总线、输入输出接口和输入输出方式等方面的知识。输入/输出设备，又称计算机的外围设备，是有一定操作功能的比较完整、相对独立的精密机械电子装置，用于完成面向计算机操作人员的输入/输出功能。主要要求了解显示器、打印机的组成及工作原理。总线用于连接计算机的各个部件为一体，构成完整的整机系统，在这些部件之间实现信息的相互沟通与传送。学习中需要掌握总线组成的一般性知识，总线使用中遇到的基本概念。输入/输出接口，则是插接在计算机总线插槽中的电子逻辑线路板，用于在计算机主机和输入/输出设备之间实现正常接口和信息的传送配合。学习时要求

2、了解接口的有关概念。输入输出方式，是指设备以什么样的方式和计算机主机进行数据交换。要求掌握常用的输入/输出方式，重点是程序中断和直接内存访问（DMA）方式。本章的教学内容，将围绕计算机输入/输出子系统的组成、功能、运行方式、具体使用方法等为主线索来进行组织。正像我们一直强调的，所给出的各种（各项）实例，是为了深入地理解有关原理知识，并不要求在学习中强行记忆这些实例本身的具体组成细节、完成的具体功能、技术指标、具体使用方法等详细内容。把握住上述所学知识的主线索，才是正确的学习方法。学习目标1要求了解显示器、打印机的组成及工作原理。2掌握总线组成的一般性知识，总线使用中遇到的基本概念。3了解接口的

3、有关概念。4掌握输入/输出方式中程序中断的有关概念。5掌握输入/输出方式中直接内存访问（DMA）方式的概念。学习指导1 对本章的学习内容，应该围绕计算机输入/输出子系统的组成、功能、运行方式、具体使用方法等为主线索来进行。由于输入/输出设备种类繁多，功能多样，组成和运行原理各不相同，学习时应重点了解点阵方式运行的设备的组成及其工作原理进行。包括阴极射线管显示器、液晶显示器，针式打印机、喷墨式打印机和激光印字机。要求了解计算机中的总线类型、功能、总线仲裁、数据传送协议等基本概念和现实总线的线路。对常用的输入/输出方式学习，重点是掌握程序直接控制方式、程序中断方式和直接内存访问（DMA）方式的概念

4、和术语。尤其对程序中断方式，更是要求掌握的重点。2 认真了解本章要求达到的学习目标有哪些。3 本章在“视频课堂”中安排了4讲视频教学内容，包括：输入/输出总线概述，常用的I/O方式、中断控制方式，DMA控制方式，通用接口概述、可编程接口概述。同学们可以根据需要观看。4本章在“自我测试”中还安排了一些测试内容，同学们学完后应该进行相关的自我测试，以便了解自己对知识点掌握的程度。5利用网络课程学习，不同于我们一般的课堂教学。因为网络课程的学习内容是按各章知识点安排的，所以在学习中，我们特别强调要掌握本章的知识结构知识树，如图所示。而且要学会利用“课程索引”寻找相关的内容。单元1输入/输出设备概述学

5、习目标1要求了解显示器组成及工作原理。2要求了解打印机的组成及工作原理。知识点1 输入/输出设备概述在计算机系统中与人们联系最直接的就是输入/输出设备（I/O设备），它是计算机系统与外界交换信息的装置。从计算机系统的整体结构来讲，CPU和主存贮器合称为主机，而输入/输出设备独立于主机这外，所以又称为外部设备。目前，I/O设备在计算机系统中的地位已越来越重要。尤其是在微型计算机中，用很少量的集成电路芯片，就可以构成包含CPU和主存储器的主机；而I/O设备则往往包括一些相当精密的机、电、磁、光装置，以及一些复杂的控制电路。所以在整机价格的组成比例方面，I/O设备所占的比重越来越大。众多的输入/输出

6、设备在计算机系统中，各自担负着不同的职责。有的是专门负责输入的设备，而有些是专门的输出设备；还有些设备集这两种功能于一身。如果将这些外部设备在系统中的作用进行归纳，可大致分为三种。1外部设备是人机对话的传递工具人们在操作计算机时必须借助外设输送程序和数据；获取计算机处理结果必须借助外设送回信息；了解计算机运行状态必须通过外设传达参数。所以外部设备是人机对话的传递工具。2外部设备是信息转换工具人们与计算机打交道所使用的信息形式是图形、文字、声音、图像。但计算机只能运行二进制数据，因此，外部设备必须将本身的信息形式变成计算机能够识别的数据，才能够进行加工、处理。所以外部设备是将一种数据形式转换成为

7、另一种数据形式的信息转换工具。3外部设备是程序和数据的驻存地计算机要对浩瀚的信息进行管理和组织，就必须由外存储器设备来装载程序和数据，如数据库、程序库等，供计算机随时读写。因此，外部设备具有保存、承载程序和数据的功用。知识点2 显示器组成及工作原理1显示器组成显示器设备是以可见光形式显示信息的输出设备。当前使用最多的是以阴极射线管（Cathode Ray Tube，简称CRT）为主体的显示器，其次是液晶显示器（Liquid Crystal Display，简称 LCD）。从它们显示的内容区分，有以显示字符为主的字符显示器，通常也兼有显示一般质量的图形、图像的功能，也有以显示高质量的图形为主的图

8、形显示器。显示器设备，是属于以点阵方式运行的典型设备。显示的内容以可见光形式呈现在显示器的显示屏幕上。为实现显示，沿水平和垂直两个方向把屏幕分成许多小的区域，一个小的区域对应一个发光点（称为象素），一个屏幕上所提供的全部象素的数目被称为分辨率，常用的有800600，1024768等多种分辨率。对字符显示器而言，是由扫描控制逻辑、显示存储器VRAM和字符发生器等组成。这些都是用各种数字电路实现的。用在PC机中的显示器，显示存储器和字符发生器被放置到插在主机中的显示卡上。不以字符为显示单位而以象素为显示单位的显示器叫位图显示器，又称图形显示器。现在，所有的显卡都能在软件的控制下，分别以字符显示器或

9、图形显示器的方式工作。2显示器的工作原理电子束在显示屏上按某种轨迹运动被称为扫描，常用的扫描方式有光栅扫描（Raster Scan）和随机扫描（Random Scan）两种。在光栅扫描方式下，电子束要从左到右、从上到下扫描整个屏幕，扫描控制本身不必区分什么位置上有点要显示，什么位置上的点不显示，它只是控制电子束在整个屏幕上重复移动，显示的具体内容则通过另外的逻辑线路提供。在这一扫描方式下，有逐行扫描和隔行扫描两种方案，逐行扫描是从屏幕顶端开始，依次连续扫描所有各行（这里的行，指的是点阵中的由点形成的行），隔行扫描是这次只扫描行号为奇数的全部各行，下次再扫描行号为偶数的全部各行。电视中普遍采用的

10、是隔行扫描。如图61所示。图61 在随机扫描方式下，电子束只扫描在屏幕上有显示内容的位置，而不是整个屏幕，所以这种扫描方式画图速度快，分辨率高，故主要用于高质量的图形显示器。电子束打在荧光粉上发出的光的所持续时间，被称为余辉时间，为了在屏幕上有稳定的、至少人们看上去无明显闪烁感的画面，就要把显示的内容不断重复显示，每秒重复显示的次数，用“场”来说明，电子束扫描完整个屏幕一遍为一场，在我国，电视和计算机中一般选用每秒50场来显示画面。这就是说，光栅扫描方式的显示器，电子束每一秒要重复扫描整个显示屏幕50次，这正是扫描控制逻辑应完成的控制功能。为有效地提供屏幕上要显示的内容，字符显示器内有一个显示

11、存储器VRAM，用于保存将显示在整个屏幕的全部字符，显示存储器中保存的是这些字符的ASCII码和显示属性，每个字符都配有一个属性字节，用来描述字符的显示属性，即字符的颜色、亮度、是否显示等等。显示存储器是一个可读写的存储器，被显示的字符将由计算机主机以两个字节（ASCII码和显示属性）的方式提供并写进该存储器中，由显示器的控制逻辑按需要从中读出准备显示的一个字符的ASCII码的字节值和显示属性的字节值。很显然，在显示屏幕上显示字符，显示的应该是字符的字形，而不是字符的ASCII码，故必须有办法从字符的ASCII码找出组成相应字符字形的点阵数据。字符发生器，就是用于保存每个可显示字符字形的点阵数

12、据的逻辑部件，通常是一个只读存储器（ROM），如果每个字符的字形用7（横向）9（纵向）的点阵表示，则每个字符字形的点阵数据要占用9个存储器字节（横向的7个点的布局用一个字节表示）。那么，为能显示ASCII码的95个（含空格字符）可显示字符，该字符发生器（ROM）应由995个字节组成（而实际上，也许会更多一些，以便还能快速地显示另外一些比较常用的符号）。若该存储器以8位字长（一个字节）为寻址单位来组织和访问，很容易以字符的ASCII码为地址找到保存每个字符点阵数据的那片存储区。从字符显示器的扫描过程看，每次只需从字符发生器中读出一个字符的一个点阵行的数据（一个字节），当先后9次读完字符发生器的9

13、个存储单元之后，就得到一个字符的全部点阵数据。知识点3 打印机的组成及工作原理打印机是最常用的输出设备，它把计算机输出的字形信息打印在纸上，可以较长时间保存，通常，许多点阵式打印机也能输出一般质量标准的图形、图像信息。目前常用的打印机有针式打印机，喷墨式打印机，激光式打印机等多种，其中大多数只以一种颜色打印，但也有一些支持彩色打印，他们都属于以点阵方式执行输出功能的设备。1喷墨印字机的组成和印字过程喷墨印字机，是通过把很小的墨水滴喷射到打印纸上形成打印点来完成打印输出功能的。如图62所示。图62在打印过程中，墨水滴是由喷墨头连续提供出来的。墨水在墨水泵的高压作用下进入喷墨头，可以通过喷嘴提供出

14、一束极细的高速射流，射流的速度取决于墨水泵的压力。在喷墨头后部有压电陶瓷，它会在高频震荡器的作用产生伸缩，从而可以使这束高速射流断裂成均匀的墨水滴射流。喷墨头喷射出来的墨水滴进入充电电极区，通过在充电电极板上施加的静电场使墨水滴充电，要不要充电，充上多少电荷，由充电电极上所加电压决定，充电电极上所加电压又受字符发生器的控制。充电电极之后是偏转电极板，其上接有恒定的高压，用于控制充上一定电荷量的墨水滴在垂直方向上的偏转距离，即墨水滴喷射到打印纸在垂直方向上的位置。水平方向的位置控制是通过移动喷墨头完成的。墨水滴在垂直方向上的偏转距离，取决于墨水滴的充电量，充电量越多，偏转的距离就越大，不充电则不

15、偏转，不偏转的墨水滴被回收槽档住，不会射到打印纸上。充电电极直接在字符发生器的控制下，依据要打印的点在纵向点阵列中的位置，或该位置上没有打印点，确定向充电电极提供多高的电压或0电压，以决定为墨水滴的充电量，从而控制该墨水滴射向打印纸上确定的位置。墨水循环流动系统由墨水泵、墨水容器、墨水过滤器、墨水回收器和管道等组成。喷墨印字机的主要技术指标是印字质量和印字速度，印字质量用分辨率表示，即单位长度上打印点的数目，例如70点/厘米，92点/厘米或140点/厘米，印字速度用每秒打印的字符数表示，例如250字符/秒到750字符/秒。喷墨印字机也有单色打印与彩色打印两种类型。彩色打印是通过3基色原理，即分

16、别喷射3种颜色，按一定的比例混合出所要求的彩色出来。2激光印字机的组成和印字过程1)激光印字机的组成激光印字机是激光技术和电子照相技术相结合的产物。它由走纸机构、激光扫描系统、电子照相部分和印字字形发生器与控制器等几部分组成。如图63所示。图63激光扫描系统的功能，是控制激光束能扫描到字形鼓柱面的任何位置，它由激光器，偏转调制器，扫描器和光路系统组成。激光器大部分使用氦氖气体激光器，它提供印字机运行所使用的光源。偏转调制器通常用声光器件（在器件内，用超声波改变媒体对光的衍射特性来改变光线的传播方向）调制激光束的传播方向，扫描器实现激光束沿字形鼓的轴线重复做横向移动，激光束的纵向移动是靠字形鼓的

17、旋转完成的。这样，通过字形鼓的旋转和激光束的水平移动，就可以扫描到字形鼓柱面的任何位置。电子照相部分的核心部件是字形鼓，又称光导鼓，这是一个圆柱型（鼓形）的物体，柱面高度光洁，镀有一层由硒碲合金组成（P型光导材料）的具有良好光导特性（光线照射后电阻率降为原来的1/100到1/1000）的材料，用于完成对打印内容的照相、显影和转印。2激光印字机的印字过程准备阶段，开始时，通过电晕放电装置（用于使附近的空气电离）对光导鼓表面均匀的充上一层正电荷（离子化的空气分子），其表面电位可达几百伏，光导材料的内层感应出负电荷的电子，在没有光线照射的条件下，二者隔着光导层互相吸引，既不回中和也不会离去。照相阶段

18、，在由被打印信息控制而提供出来的激光束扫描光导鼓时，光导鼓的不同部位就会发生不同的变化，在激光束照射到的部分（称为明区）电阻率降低，该处的电荷将会放掉，激光束未照射到的部分（称为暗区）的带电情况不变，这些剩下来的静电区域就是被打印信息的潜像。显影阶段，用的是墨粉和表面涂有树脂薄膜、直径为几百微米的玻璃珠为载体的混合物，运动中他们互相摩擦产生静电，墨粉被吸附在载体表面，当这些载体流过正经过这里的带有静电潜象信息的光导体表面时，载体表面上的墨粉被潜像的静电电荷所吸引，离开载体而留到了光导体表面，从而形成了由墨粉显示出来的字形。转印阶段，完成把光导体表面的字形墨粉转移到打印纸上，多数采用在打印纸的背

19、面（打印纸的另一面靠贴到光导体表面）通过电晕放出与墨粉所带电荷极性相反，电位更高的电荷，通过强力磁场把墨粉抢到打印纸上来，这就在打印纸上有了静电吸附着的墨粉字形。定影阶段，是把墨粉牢靠永久固定在打印纸上的工作。这是通过红外光加热或辐射加热的办法，用100摄式度的温度把墨粉熔化并凝沾在打印纸上，从而完成完整的打印过程。激光印字机属于页式打印机，光导鼓每旋转一周打印一页内容。在开始下一页打印前，还要由清扫器清除光导鼓表面上剩余的墨粉，消电灯消除光导鼓上残存的电荷。激光印字机打印速度快（每分钟几页、十几页，几十页甚至更多），印字质量高，噪音低，有普及型和各种高档型产品，被广泛应用在许多场所。单元2

20、计算机输入/输出系统概述学习目标1要求掌握计算机总线的功能与组成。2要求了解总线仲裁和数据传送控制的概念。3了解教学计算机的总线系统。知识点1 计算机总线的功能与组成输入/输出系统是完整计算机系统的重要组成部分，对计算机系统的运行性能有巨大影响，它的主要作用是连通计算机的各个功能部件和设备，在他们之间实现数据交换。输入/输出系统的硬件部分主要由计算机总线和输入/输出接口两部分组成，软件方面则需要有操作系统软件的支持。计算机总线是在计算机的各部件之间传输信息的公共通路，包括传输数据（信息）信号的逻辑电路、管理信息传输协议的逻辑线路和物理连线。每次传输时，总线可以从多个信息来源中选择其一并传输到一

21、（或多个）信息接受部件。计算机的总线，从各自承担的不同功能，可以被分成数据总线（data bus，DB ）、地址总线（address bus，AB）和控制总线（control bus，CB）3个部分。数据总线在计算机部件之间传输数据（数据，指令）信息，它的时钟频率和宽度（位数）的乘积正比于它支持的最大的数据输入/输出能力；地址总线在计算机部件之间传输地址（内存地址，IO设备地址）信息，它的宽度（位数）决定了系统可以寻址的最大内存空间；控制总线给出总线周期类型、IO操作完成的时刻、DMA周期、中断等有关的控制信号。知识点2 总线仲裁和数据传送控制总线仲裁，解决的是多个设备竞争使用总线的管理问题，

22、由总线仲裁逻辑线路完成。数据传输总要在计算机的两个部件之间进行，必须有一方首先启动这次传输过程，即申请总线使用权并发出命令控制总线运行，这一方被称为总线主设备，例如，CPU、动态存储器的刷新逻辑、DMA接口和其他一些智能接口卡等都可以是总线主设备；而另一方则只能响应由主设备发出的命令并执行读写操作，它被称为总线从设备，典型的是内存储器、普通的一些IO设备（计算机终端、打印机等）。当有多个总线主设备都发出申请总线的请求时，为了能决定哪一个申请者能取得总线的使用权，需要设置一个专用的部件来执行仲裁功能，这就是总线仲裁器，也可以叫总线控制器，它是通过判别主设备使用总线的优先级来完成的，即首先把总线分

23、配给优先级最高的主设备使用，以确保在任何时刻只会有一个总线主设备使用总线传输数据。比较常用的仲裁办法是查询方式、计数器定时查询方式和独立申请方式。数据传送控制，也称总线通信控制，解决的是通信双方交换数据过程中在时间上的配合关系，也就是同步问题。常用的有同步和异步通信两种方式。同步通信，是指在总线上传送数据时，通信双方使用同一个时钟信号进行同步，这个时钟信号通常可以由CPU的总线控制逻辑部件提供，称为总线时钟。可以用一或几个总线时钟构成一个总线周期，每个周期完成一次数据传输，总线周期的长短，需要与被读写部件的存取时间配合好。通信双方送出与接收地址信号、控制命令信号和数据信号，都是使用这一时钟信号

24、完成定时的，可以有比较高的数据传输率。异步通信，是指在总线上传送数据时，允许通信双方各自使用自己的时钟信号，采用“应答方式”（握手方式）解决数据传输过程中的时间配合关系，而不是共同使用同一个时钟信号进行同步。例如，CPU要把一个通用寄存器中的内容传输给某台输出设备，必须给出IO端口地址，把数据内容写进接口的输出数据寄存器（其输出端已与接收方设备的数据输入端接通），但相应的设备却无法知道数据送来的准确时刻，CPU就必须再提供出一个时钟信号，通知接受设备数据已发送过去，接受方设备还将用这一时钟信号作为自己接收数据的选通信号。接收设备在接收到数据之后，向发送方送出一个回答信号，表示数据已收到，发送方

25、将用这一回答信号结束传输过程，以便开始下一次传输。知识点3 教学计算机的总线系统教学计算机的总线系统由数据总线、地址总线和控制总线组成。数据总线的宽度是16位，由带有3态逻辑输出的门线路或触发器线路提供数据来源。数据总线通过双向3态逻辑门线路74LS245被划分成两段，分别被称为内部数据总线IB和外部数据总线OB。外部数据总线OB与静态主存储器16位的数据入/出管脚连接，和2路串行接口Intel 8251的8位的数据入/出管脚连接，串行接口使用外部数据总线的低8位。主存储器和2路串行接口向数据总线送数据，都是由他们的片选信号/CS为低来控制的。另外，可以向外部数据总线送数据的还有DIO部件（2

26、片 74LS245），当控制信号/MIO和/WE都为低电平时，内部数据总线上的内容将传送到外部数据总线，提供出用于写主存储器或串行口的数据，此时主存储器或串行口必有一个处于写操作状态。内部数据总线IB，可以接收5路数据来源，包括：指令寄存器的低8位的内容，8位的程序状态字（P2，P1，P0，INTE，S，V，S，C），运算器ALU的输出，手拨开关的状态内容，中断向量。另外，向内部数据总线送数据的还有DIO部件（2片 74LS245），当控制信号/MIO为低电平和/WE为高电平时，外部数据总线上的内容将传送到内部数据总线，这是从主存储器或串行口读来的数据，此时主存储器或串行口二者必有一个处于读操

27、作状态。DIO部件的作用，主要是保护CPU部分的线路安全。它隔断内、外部数据总线的直接连接。可以从内部数据总线接收数据的部件共8个，包括：运算器（通过D输入端），指令寄存器（IR），控制存储器写入用到的4个16位的寄存器（LDR0，LDR1，LDR2，LDR3），8位的程序状态字（P2，P1，P0，INTE，S，V，S，C，中断返回时恢复现场），A m2910芯片（10位的微指令地址）。地址总线(记为AB15-AB0) 统一由地址寄存器AR驱动, 而地址寄存器只接收由ALU输出的信息。这是由教学计算机本身结构的特点所决定的。地址总线要提供读写内存用的16位的地址, 读写输入/输出接口用的8位(

28、地址总线低8位) 的入/出端囗地址。16位地址总线的内容, 其高位将送往产生主存芯片片选信号的译码器, 其低位送到每个内存芯片，用于选择芯片内的一个字节。8位入/出端口地址信息(在地址总线低8位) 中的几位将送到用于产生入/出接口芯片片选信号的译码器, 最低的几位将按接口芯片的要求送到芯片的相应引脚, 以选择接口内不同的寄存器。控制总线的信号主要是经一片双2-4的译码器器件74LS139给出的。控制总线的基本功能, 是用来指明总线周期的类型和本次入/出操作完成的时刻。教学机中的基本总线周期类型包括：内存写, 内存读, 外设(接口) 写, 外设(接口) 读四类。分别用/MMW,/ MMR, /I

29、OW, / IOR四个信号标记, 还用/MMREQ 和/IOREQ区分是内存工作还是外设工作。为支持动态微程序设计, 而设计了一个特别的用于写控存的总线周期, 用SWA标记。单元3输入/输出接口概述学习目标1要求掌握计算机输入输出接口的基本功能。2要求了解通用可编程接口的一般组成。3了解教学计算机的串行接口。知识点1 计算机输入输出接口（I/O接口）的基本功能 提供主机识别（指定、找到）要用的I/O设备的支持，这是通过为每个设备规定几个地址码或编号来实现的。常用的有两种编址方式：对主存储器与I/O设备按统一的格式和方法来分配与安排地址编码，设置并使用专用的输入（IN）输出（OUT）指令访问I/

30、O设备（执行输入/输出操作）。 建立主机和设备之间的控制与相互了解的机制，一方面，主机可以向设备发出操作命令，主机可以了解设备的运行状态；另一方面，设备也可以向主机提出自己的操作要求。这是通过在接口卡中设置命令寄存器、状态寄存器和中断逻辑线路来完成的。 提供主机和设备交换信息过程中的数据缓冲机构，为此，在接口卡中要设置输入数据缓冲寄存器、输出数据缓冲寄存器等部件。 提供主机和设备交换信息过程中的其他特别需求支持，例如，当主机和设备的信号幅度不同时的信号电平转换功能，数据传送中的格式（并行、串行）转换功能，直接内存访问中的额外需求等。 知识点2 通用可编程接口的一般组成为了尽量减少接口卡的种类（

31、型号）数目，人们总是希望用同一块接口卡能提供出更多的（而不是单独一种）功能，并且能灵活选择其运行功能和运行的控制参数，这样的接口卡被称为通用可编程接口。这里说的可编程，是指可以在程序中通过指令指定接口的功能，指定接口的运行控制参数等。指定（识别）一台设备，通常是通过对指令中给出的I/O端口地址进行译码产生片选信号（/CS）来完成的，把译码得到的信号提供到接口卡上的接口芯片的/CS（低电平有效）引脚，使其正常运行，而那些/CS引脚信号为高电平的芯片则不工作。接口将其与自己的地址编码进行比较，以检测CPU是否要与本设备交换信息，比较繁琐。接口卡设有有接口命令寄存器，存放CPU发来的控制命令；有状态

32、寄存器，由设备运行设置其值，供CPU通过读操作来了解设备（接口）的运行状态。接口卡还设有一到几个用于（输入、输出）数据缓冲的寄存器，以便适当降低CPU和设备直接偶合的程度，解决他们运行速度不匹配的矛盾。接口卡上还有处理中断请求、屏蔽和判优等逻辑线路，这是属于总线从设备类型的设备主动向CPU提出自己操作要求的重要机制。知识点3 教学计算机的串行接口教学计算机主板上装有两个Intel 8251串行接口芯片, 可以连结计算机终端或PC机的附加串行接口, 或其它的串行接口设备, 包括另外一台教学机。Intel 8251芯片通过8位数据入/出线与教学机的外部数据总线相接。8位的入/出端口地址经3-8译码

33、器74LS138 (DC4) 给出8个译码信号, 作为入/出接口芯片的片选信号, 来选择不同的接口芯片投入运行。Intel 8251为28条管脚双列直插封装的集成电路。它有5个组成部分, 即接收器、发送器、调制解调控制、读/写控制, 以及几个入/出缓冲器。这最后一部分又可细划为状态缓冲器, 发送数据/命令缓冲器, 和接收数据缓冲器3部分。如图64所示图64 8251的基本性能主要包括：可用于同步或异步传送、可产生中止字符 (Break Chaaracter) 并能自动检测和处理、指定发送与接收数据的波特率、完全双工、检错能力（具有奇偶错、数据丢失错和帧错误的检测能力）、全部入/出信号均为正常T

34、TL电平。单元4常用的输入/输出方式学习目标1要求了解计算机输入输出方式的基本概念。2要求掌握中断的概念和中断处理过程。3要求掌握DMA的概念和DMA处理过程。知识点1 常用的输入输出方式概述在计算机主机和I/O设备之间，可以采用不同的控制方式进行数据传送。通常分为程序直接控制方式，程序中断传送方式，直接存储器存取方式，I/O通道控制方式和外围处理机入出方式。它们在性能、价格、致力解决问题的着重点等各方面都不一样。 程序直接控制方式，是指在用户程序中直接使用I/O指令完成输入/输出操作，它是由CPU通过查询设备的运行状态，来控制数据传送过程。 程序中断传送方式，是由被读写的设备主动“报告”CP

35、U它是否已进入准备好状态，这样CPU就不必花费时间去循环测试，大大解脱了CPU在执行输入/输出操作过程中的负担，从而提高了系统的总体运行性能。 直接存储器存取方式，主要用于快速设备和主存储器成批交换数据的场合。在这种应用中，可以通过把一批数据的传输过程交由一块专用的接口卡（DMA接口）来控制，让DMA卡代替CPU控制在快速设备与主存储器之间直接传输数据，此时每传输一个数据只需一个总线周期即可。 I/O通道控制方式，是使用从属于CPU的、专用于处理I/O操作的处理器（通道）协助CPU完成输入/输出操作的运行方式。 外围处理机入出方式，主要用于大型高性能的计算机系统中，是使用微小型通用计算机作为外

36、围处理机协助主处理机完成输入/输出操作的运行方式。 知识点2 中断的概念和中断处理过程1中断的概念CPU在执行程序的过程中，因出现某种随机事件而收到中断请求，则暂时停止现行程序的执行，转去执行一段中断服务程序，以处理该事件，并在处理完毕后返回被中断的程序继续执行。2中断处理过程一次完整的中断过程由中断请求、中断响应和中断处理个阶段组成。 中断请求是由中断源发出并送给CPU的控制信号，由中断源设备通过置“”设置在接口卡上的中断触发器完成。只有当中断源的中断屏蔽触发器为“0”状态时（未屏蔽中断），引发中断的事件到来时才能置“”中断触发器。 中断响应。当CPU接到中断请求信号（可能多个）时，如果此时

37、允许中断（允许中断触发器为“1”状态），CPU结束一条指令的执行过程，新请求的中断的优先级（比CPU此时刻正处理的任务）更高，这些条件具备时CPU才会响应中断请求。 中断处理。一次中断处理过程通常要经过如下几个步骤完成。 关中断，保证在此之后的一小段时间之内CPU不能响应新的中断请求； 保存断点（PC的内容，也许还包括程序状态字的内容），还要保存被停下来的程序的其他现场信息。这是中断处理完成后，保证被停下来的程序得以继续正常运行所必须的。 判别中断源，找到中断服务程序的入口地址。 接下来应执行一条开中断指令，以便尽快地进入可以响应更高级别中断请求的运行状态。 若有更高级别中断请求来到，则可以进

38、入新的中断的响应过程，否则执行中断服务程序。 执行完中断服务程序，就要准备返回主程序，为此，执行关中断。 接下来恢复现场信息，恢复断点。 执行开中断。这里的关中断和开中断是为了保证能完整地恢复现场的操作。 开中断之后，若有更高级别中断请求来到，则可以进入新的中断的响应过程，否则，返回断点进入主程序的执行过程。 知识点3 DMA的概念和DMA处理过程1DMA的概念DMA是在专门的硬件（DMA接口卡）控制下，实现高速I/O设备与主存储器之间成批交换数据的输入/输出操作方式。在DMA运行方式下，高速I/O设备与主存储器每交换一个数据（例如一个字的内容）一般要占用一个总线周期。要交换一批数据，则可以有

39、不同的处理方式。一是独占总线方式，从传送第一个字开始直到这批数据传输完成的整个过程，DMA都把住总线不放，使总线只为本DMA使用。二是周期挪用方式，DMA占用总线周期传送一个字的期间，若CPU在此期间并不使用总线，它就继续执行指令，二者均可运行，互不干涉，若CPU也要使用总线，则发生了争用总线的矛盾，此时CPU要让出一个总线周期先给DMA使用，之后自己才能得到总线使用权并继续运行。2DMA的处理过程一次DMA传送过程由个阶段组成，传送前的预处理，数据传送，传送结束处理。 传送前的预处理是由CPU完成的。包括向DMA卡送入设备识别信号，启动设备，测试设备运行状态，送入内存地址初值，传送数据的数据

40、个数，DMA的功能控制信号等。 数据传送是在DMA卡控制下自动完成的。以读磁盘为例，当磁盘准备好一个数据，它就向DMA卡发出请求信号，DMA卡向CPU发出请求总线使用权的信号，若总线空闲，总线控制器将送响应回答信号给DMA卡，DMA卡就取得了总线使用权，清“” DMA请求触发器以撤消请求总线的信号，并启动数据传送过程，把内存地址计数器的内容送到地址总线，送一个回答信号给设备，设备就可以把准备好一个数据送到数据总线，DMA向内存发写命令，从而完成一次数据传送。 传送结束处理，是由数据数量计数器的值为引发出来的。数据数量计数器的值为时，DMA将向CPU发出中断请求信号，CPU响应这一请求后，转入中断服务程序，检查是结束数据传送（例如相应一个磁盘读的系统调用语句全部完成），或向DMA发去新的操作命令，以便继续执行该系统调用语句中尚未完成的部分的传送操作。 17