第 8章 输入输出设备及系统本章主要内容：
输入输出设备也称为外部设备 。 本章讲述输入输出设备的分类,具体的输入输出设备以及 CPU对外部设备的管理 。 外部设备大体分为输入设备,输出设备,外存设备,数据通信设备,过程控制设备 5大类 。 每一种设备,都是在各自的设备控制器控制下进行工作,
而设备控制器则通过适配器 （ 接口 ） 和主机相连,并受主机控制 。 在计算机系统中,CPU对外部设备的管理有以下 5种方式,（ 1） 程序查询方式； （ 2） 程序中断方式； （ 3） 直接存储器访问 （ DMA） 方式； （ 4）
通道方式； （ 5） 外围处理机 （ PPU） 方式 。 其中第一种对 CPU的资源浪费最大,而第 5种使 CPU的效率得到最大发挥,但是需要更多的硬件支持 。 本章将对这些外部设备和输入输出方式给出详细的阐述 。
8.1 输入输出设备的概述
8.2 显 示 设 备
8.3 输 入 设 备
8.4 打 印 设 备
8.5 输入输出系统
8.6 总 线
8.1 输入输出设备的概述
8.1.1 输入输出设备的作用
输入输出设备的作用就是指在计算机和其他机器之间，以及计算机与用户之间提供的联系。
8.1.2 输入输出设备的分类
根据设备完成任务的性质，输入输出设备一般可分为 5类，即输入设备、输出设备、
外存设备、数据通信设备和过程控制设备。
图 8-1 主机与外设之间的连接总线主机
（ C P U,主存）
接口输入设备 1
输入设备 2
输出设备 n
…
8.2 显 示 设 备
8.2.1 显示设备的概念与分类
1,分辨率和灰度级
2,刷新和刷新存储器
3,随机扫描和光栅扫描
8.2.2 CRT显示器
1,结构与工作原理
CRT也称为显像管，是一种玻璃壳封装的电真空显示器件。它主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成，如图 8-3所示。
图 8-3 CRT的结构电子枪 偏转线圈电子束阴极控制栅极 加速极 阳极 聚集极 阳极荧光屏
（ 1） 电子枪
（ 2） 偏转系统
（ 3） 荧光屏图 8-4 3枪 3束荫罩式彩色 CRT
多孔荫罩管三色荧光屏荫罩小孔荫罩小孔绿枪蓝枪红枪荫罩板
3 色电子枪
3 条电子束
（ a ） （ b ）
玻璃屏面上的荧光粉
2,扫描原理
（ 1） 光栅扫描
（ 2） 随机扫描
3,主要技术指标
（ 1） 点距 （ dot pitch）
（ 2） 水平扫描频率
（ 3） 垂直扫描频率
（ 4） 带宽
（ 5） 分辨率
（ 6） 数字信号输入和模拟信号输入
（ 7） 扫描方式
（ 8） 屏幕尺寸,可视区尺寸和可视面积
（ 9） 屏幕形状
（ 10） 能源消耗
（ 11） 屏幕控制
8.2.3 字符 /图形显示设备
1,字符显示原理
显示字符的方法以点阵为基础。点阵是由
mn个点组成的阵列，并以此来构造字符。
图 8-5,A”在字符窗口中的点阵格式
7 6 5 4 3 2 1 0
0000
10H
0001
28H
0010
44H
0011
82H
0100
82H
0101
82H
0110
FEH
0111
82H
1000
82H
1001
00H
1010
00H
1011
00H
1100
00H
1101
00H
2,字符显示器的构成图 8-8 字符显示器结构框图接口视频存储器
V R A M
字符发生器移位寄存器控制电路显示头主机
8.2.4 图像显示设备
8.2.5 液晶显示器
1,液晶显示器特点
2,液晶显示原理
3,液晶显示器件图 8-9 典型液晶显示器件的基本结构偏光片 前玻璃 前电极 定向层液晶封接边背电极 偏光片 反射层 背玻璃过渡电极定向层
8.3 输 入 设 备
8.3.1 图形输入设备
（ 1） 键盘输入
（ 2） 光笔输入
（ 3） 图形板和游动标输入
（ 4） 鼠标器输入
8.3.2 图像输入设备
最理想的图像输入设备是数字摄像机。
8.3.3 语音输入设备识别器信息获取
（话筒）
预处理 特征提取分类学习分类决策 计算机系统图 8-11 语音输入系统的系统构成
8.4 打 印 设 备
8.4.1 打印设备的分类
8.4.2 点阵针式打印机图 8-12 针式打印机的结构色带色带保护片打印纸导轨 打印针永磁铁铁芯衔铁滚筒线圈
8.4.3 激光打印机
1,激光打印机的组成图 8-13 激光打印机的组成电子扫描部分接口字形发生器口高频驱动器口光调制器激光器同步器口光扫描与偏转器口感光体口电子照相机构主机接口部分电子照相部分打印纸
2,激光打印机的工作原理图 8-14 激光打印机的工作原理
8.5 输入输出系统
8.5.1 输入输出系统的概述
1,接口的概念
接口技术是把由处理器等组成的基本系统与外部设备连接起来，从而实现计算机与外设通信的一门技术。
2,CPU和外设之间必须通过接口电路来连接
3,接口的功能
4,接口的构成
8.5.2 程序查询方式数据总线
REA D Y 三态缓冲器三态缓冲器
&
地址译码
&
R
D Q
+ 5V
选通数据输入设备锁存器地址总线
M /
IO
RD
RD
图 8-15 查询方式输入的接口电路图选通信号
RD
数据
R
数据总线
ACK
输出数据
OBF
数据锁存器
BUS Y
三态缓冲器
+ 5V
CP
Q D
W R
端 口译 码
M/ IO
图 8-16 查询方式输出的接口电路图
8.5.3 程序中断方式初始化是开始测试数据是否准备好处理缓冲区中数据对数据进行处理送到内存缓冲区输入一个字节或字到 CPU
操作完成否否否是后续处理
1
．
中断方式的提出图
8-
17
查询式输入的操作流程图图 8-18 中断方式输入的接口电路图
D
7
～ D
0
地址总线三态缓冲器地址译码器数据输入设备锁存器
R
中断请求
D
R
Q + 5V
中断屏蔽 Q
触发器
IN T
选通
RD
2,中断源
（ 1） 重新启动中断 。
（ 2） 机器检验出错中断 。
（ 3） 程序性错误引起的中断 。
（ 4） 访问管理程序中断 。
（ 5） 外部事件中断 。
（ 6） 输入输出中断 。
3．中断优先级
（ 1）中断源的紧急程度。
（ 2）设备的工作速度。
（ 3）数据恢复的难易程度。
4．中断处理过程图 8-19 按照中断优先级响应中断请求实例中断请求
3 级,2 级
4 级
1 级主程序 中断服务程序
1 级 2 级 3 级 4 级时间 t
设备控制器或其他设备发出中断请求处理器结束当前执行的指令处理器发出中断确认信号当前执行的指令处理器将
PSW 和 PC 压栈处理器装入新的
PC 值（中断入口）
保存其余的处理机状态信息处理中断恢复处理机状态信息恢复原
PSW 和 PC 的值中断返回图 8-20 中断处理过程
5．中断源的识别方法
（ 1） 软件查询法
图 8-21 软件查询法识别中断源
port
或门处理机中断请求中断应答键盘中断打印中断显示终端
D M A 中断其他中断
（ 2） 硬件菊花链式法图 8-22 一种单级链式的中断优先级判断示意图
IN T A
IN T O
001010
0 0 1 0 1 1
001000
IR
1
IR
2
IR
3
IN T I
数据总线编码器
IN T A
IR
2
IS
2
IR
3
IS
3
IS
1
IR
1
1
2
3
6,中断屏蔽
（ 1） 为每个或每级中断源设置一个中断屏蔽位图 8-23 改变屏蔽码后处理机响应各个中断源的中断请求和实际中断服务的先后次序中断请求
I 1,I 2,I 3,I 4
主程序 中断服务程序
I 1 I 2 I 3 I 4
时间 t
（ 2） 改变处理机优先级图 8-24 处理机优先级改变后响应中断的过程中断请求
I
1
,I
2
,I
3
,I
4
主程序 中断服务程序
I
4
I
3
I
2
I
1
时间 t
8.5.4 直接存储器存取（ DMA）方式
1,DMA方式的提出
2,DMA控制器的功能和 DMA传送的原理
3,DMA控制器工作的特点
8.5.5 通道控制方式
1,通道的功能
（ 1） 通道的功能
（ 2） CPU对通道的管理
（ 3） 通道对设备控制器的管理
2,通道的类型
（ 1） 字节多路通道
（ 2） 选择通道
（ 3） 数组多路通道
8.5.6 通道的流量分析
DS
b y t e TTf
1
m a x
DSDS
b l o c k TkTkTT
kf
/
1
m a x
DSDS
s e l e c t TnTnTT
nf
/
1
m a x
如果 I/O系统有 m个通道,其中 1至 m1为字节多路通道,m1+1至 m2为数组多路通道,
m2+1至 m为选择通道,则该 I/O系统工作时的极限流量将为：
（ 8-7）
必然会满足
1 2
1 21 1 1
m a xm a xm a xm a x
m
j
m
mj
m
mj
fs e l e c tfb l o c kjb y t e ffff
≥
1 2
1 21 1 1
11
1
m a xm a x m a xm a x
m
j
m
mj
m
mj
ji
p
iji
p
i
p
i
jb yt e ffff
jjj
8.6 总 线
8.6.1 总线的概念
总线（ BUS）是计算机系统中各个部件之间、主机系统与外围设备之间连接的和交换信息的通路。
（ 1） 内部总线
（ 2） 系统总线
（ 3） I/O总线
1,总线的特性
物理特性
功能特性
电气特性
时序特性
2,总线的标准化
8.6.2 总线的连接方式
单总线结构,双总线结构和三总线结构 。
图 8-28 双总线结构内存 C P U I/O 接口
I/O 接口系统总线内存总线
…
图 8-29 三总线结构内存 CPU
I/O 接口
I/O 接口系统总线内存总线
IOP
（通道）
I/O 总线
…
8.6.3 总线的内部结构
整个总线可分成如下 4部分 。
（ 1） 数据传送总线：由地址线,数据线,控制线组成 。
（ 2） 仲裁总线：包括总线请求线和总线授权线 。
（ 3） 中断和同步总线：用于处理带优先级的中断操作,包括中断请求线和中断认可线 。
（ 4） 公用线：包括时钟信号线,电源线,地线,
系统复位线以及加电或断电的时序信号线等 。
8.6.4 几种常用的总线结构
1,MultiBus总线
2,ISA,MCA和 EISA总线图 8-30 ISA总线结构
B1 B 31 D 18 D1
A1 A 31 C 18 C1
… …
…
…
…
图 8-31 ISA卡和 EISA卡的结构图
4,PCI总线图 8-32 PCI总线的系统结构示意图
CPU
存储控制器存储器
PCI 桥路标准总线桥路设备设备设备标准总线 （ ISA,EISA ）
CPU 总线
PCI 总线
5,USB总线
（ 1）易用性
（ 2）可扩展性
（ 3）快速性
（ 4）可靠性
（ 5）内置电源
输入输出设备也称为外部设备 。 本章讲述输入输出设备的分类,具体的输入输出设备以及 CPU对外部设备的管理 。 外部设备大体分为输入设备,输出设备,外存设备,数据通信设备,过程控制设备 5大类 。 每一种设备,都是在各自的设备控制器控制下进行工作,
而设备控制器则通过适配器 （ 接口 ） 和主机相连,并受主机控制 。 在计算机系统中,CPU对外部设备的管理有以下 5种方式,（ 1） 程序查询方式； （ 2） 程序中断方式； （ 3） 直接存储器访问 （ DMA） 方式； （ 4）
通道方式； （ 5） 外围处理机 （ PPU） 方式 。 其中第一种对 CPU的资源浪费最大,而第 5种使 CPU的效率得到最大发挥,但是需要更多的硬件支持 。 本章将对这些外部设备和输入输出方式给出详细的阐述 。
8.1 输入输出设备的概述
8.2 显 示 设 备
8.3 输 入 设 备
8.4 打 印 设 备
8.5 输入输出系统
8.6 总 线
8.1 输入输出设备的概述
8.1.1 输入输出设备的作用
输入输出设备的作用就是指在计算机和其他机器之间，以及计算机与用户之间提供的联系。
8.1.2 输入输出设备的分类
根据设备完成任务的性质，输入输出设备一般可分为 5类，即输入设备、输出设备、
外存设备、数据通信设备和过程控制设备。
图 8-1 主机与外设之间的连接总线主机
（ C P U,主存）
接口输入设备 1
输入设备 2
输出设备 n
…
8.2 显 示 设 备
8.2.1 显示设备的概念与分类
1,分辨率和灰度级
2,刷新和刷新存储器
3,随机扫描和光栅扫描
8.2.2 CRT显示器
1,结构与工作原理
CRT也称为显像管，是一种玻璃壳封装的电真空显示器件。它主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成，如图 8-3所示。
图 8-3 CRT的结构电子枪 偏转线圈电子束阴极控制栅极 加速极 阳极 聚集极 阳极荧光屏
（ 1） 电子枪
（ 2） 偏转系统
（ 3） 荧光屏图 8-4 3枪 3束荫罩式彩色 CRT
多孔荫罩管三色荧光屏荫罩小孔荫罩小孔绿枪蓝枪红枪荫罩板
3 色电子枪
3 条电子束
（ a ） （ b ）
玻璃屏面上的荧光粉
2,扫描原理
（ 1） 光栅扫描
（ 2） 随机扫描
3,主要技术指标
（ 1） 点距 （ dot pitch）
（ 2） 水平扫描频率
（ 3） 垂直扫描频率
（ 4） 带宽
（ 5） 分辨率
（ 6） 数字信号输入和模拟信号输入
（ 7） 扫描方式
（ 8） 屏幕尺寸,可视区尺寸和可视面积
（ 9） 屏幕形状
（ 10） 能源消耗
（ 11） 屏幕控制
8.2.3 字符 /图形显示设备
1,字符显示原理
显示字符的方法以点阵为基础。点阵是由
mn个点组成的阵列，并以此来构造字符。
图 8-5,A”在字符窗口中的点阵格式
7 6 5 4 3 2 1 0
0000
10H
0001
28H
0010
44H
0011
82H
0100
82H
0101
82H
0110
FEH
0111
82H
1000
82H
1001
00H
1010
00H
1011
00H
1100
00H
1101
00H
2,字符显示器的构成图 8-8 字符显示器结构框图接口视频存储器
V R A M
字符发生器移位寄存器控制电路显示头主机
8.2.4 图像显示设备
8.2.5 液晶显示器
1,液晶显示器特点
2,液晶显示原理
3,液晶显示器件图 8-9 典型液晶显示器件的基本结构偏光片 前玻璃 前电极 定向层液晶封接边背电极 偏光片 反射层 背玻璃过渡电极定向层
8.3 输 入 设 备
8.3.1 图形输入设备
（ 1） 键盘输入
（ 2） 光笔输入
（ 3） 图形板和游动标输入
（ 4） 鼠标器输入
8.3.2 图像输入设备
最理想的图像输入设备是数字摄像机。
8.3.3 语音输入设备识别器信息获取
（话筒）
预处理 特征提取分类学习分类决策 计算机系统图 8-11 语音输入系统的系统构成
8.4 打 印 设 备
8.4.1 打印设备的分类
8.4.2 点阵针式打印机图 8-12 针式打印机的结构色带色带保护片打印纸导轨 打印针永磁铁铁芯衔铁滚筒线圈
8.4.3 激光打印机
1,激光打印机的组成图 8-13 激光打印机的组成电子扫描部分接口字形发生器口高频驱动器口光调制器激光器同步器口光扫描与偏转器口感光体口电子照相机构主机接口部分电子照相部分打印纸
2,激光打印机的工作原理图 8-14 激光打印机的工作原理
8.5 输入输出系统
8.5.1 输入输出系统的概述
1,接口的概念
接口技术是把由处理器等组成的基本系统与外部设备连接起来，从而实现计算机与外设通信的一门技术。
2,CPU和外设之间必须通过接口电路来连接
3,接口的功能
4,接口的构成
8.5.2 程序查询方式数据总线
REA D Y 三态缓冲器三态缓冲器
&
地址译码
&
R
D Q
+ 5V
选通数据输入设备锁存器地址总线
M /
IO
RD
RD
图 8-15 查询方式输入的接口电路图选通信号
RD
数据
R
数据总线
ACK
输出数据
OBF
数据锁存器
BUS Y
三态缓冲器
+ 5V
CP
Q D
W R
端 口译 码
M/ IO
图 8-16 查询方式输出的接口电路图
8.5.3 程序中断方式初始化是开始测试数据是否准备好处理缓冲区中数据对数据进行处理送到内存缓冲区输入一个字节或字到 CPU
操作完成否否否是后续处理
1
．
中断方式的提出图
8-
17
查询式输入的操作流程图图 8-18 中断方式输入的接口电路图
D
7
～ D
0
地址总线三态缓冲器地址译码器数据输入设备锁存器
R
中断请求
D
R
Q + 5V
中断屏蔽 Q
触发器
IN T
选通
RD
2,中断源
（ 1） 重新启动中断 。
（ 2） 机器检验出错中断 。
（ 3） 程序性错误引起的中断 。
（ 4） 访问管理程序中断 。
（ 5） 外部事件中断 。
（ 6） 输入输出中断 。
3．中断优先级
（ 1）中断源的紧急程度。
（ 2）设备的工作速度。
（ 3）数据恢复的难易程度。
4．中断处理过程图 8-19 按照中断优先级响应中断请求实例中断请求
3 级,2 级
4 级
1 级主程序 中断服务程序
1 级 2 级 3 级 4 级时间 t
设备控制器或其他设备发出中断请求处理器结束当前执行的指令处理器发出中断确认信号当前执行的指令处理器将
PSW 和 PC 压栈处理器装入新的
PC 值（中断入口）
保存其余的处理机状态信息处理中断恢复处理机状态信息恢复原
PSW 和 PC 的值中断返回图 8-20 中断处理过程
5．中断源的识别方法
（ 1） 软件查询法
图 8-21 软件查询法识别中断源
port
或门处理机中断请求中断应答键盘中断打印中断显示终端
D M A 中断其他中断
（ 2） 硬件菊花链式法图 8-22 一种单级链式的中断优先级判断示意图
IN T A
IN T O
001010
0 0 1 0 1 1
001000
IR
1
IR
2
IR
3
IN T I
数据总线编码器
IN T A
IR
2
IS
2
IR
3
IS
3
IS
1
IR
1
1
2
3
6,中断屏蔽
（ 1） 为每个或每级中断源设置一个中断屏蔽位图 8-23 改变屏蔽码后处理机响应各个中断源的中断请求和实际中断服务的先后次序中断请求
I 1,I 2,I 3,I 4
主程序 中断服务程序
I 1 I 2 I 3 I 4
时间 t
（ 2） 改变处理机优先级图 8-24 处理机优先级改变后响应中断的过程中断请求
I
1
,I
2
,I
3
,I
4
主程序 中断服务程序
I
4
I
3
I
2
I
1
时间 t
8.5.4 直接存储器存取（ DMA）方式
1,DMA方式的提出
2,DMA控制器的功能和 DMA传送的原理
3,DMA控制器工作的特点
8.5.5 通道控制方式
1,通道的功能
（ 1） 通道的功能
（ 2） CPU对通道的管理
（ 3） 通道对设备控制器的管理
2,通道的类型
（ 1） 字节多路通道
（ 2） 选择通道
（ 3） 数组多路通道
8.5.6 通道的流量分析
DS
b y t e TTf
1
m a x
DSDS
b l o c k TkTkTT
kf
/
1
m a x
DSDS
s e l e c t TnTnTT
nf
/
1
m a x
如果 I/O系统有 m个通道,其中 1至 m1为字节多路通道,m1+1至 m2为数组多路通道,
m2+1至 m为选择通道,则该 I/O系统工作时的极限流量将为：
（ 8-7）
必然会满足
1 2
1 21 1 1
m a xm a xm a xm a x
m
j
m
mj
m
mj
fs e l e c tfb l o c kjb y t e ffff
≥
1 2
1 21 1 1
11
1
m a xm a x m a xm a x
m
j
m
mj
m
mj
ji
p
iji
p
i
p
i
jb yt e ffff
jjj
8.6 总 线
8.6.1 总线的概念
总线（ BUS）是计算机系统中各个部件之间、主机系统与外围设备之间连接的和交换信息的通路。
（ 1） 内部总线
（ 2） 系统总线
（ 3） I/O总线
1,总线的特性
物理特性
功能特性
电气特性
时序特性
2,总线的标准化
8.6.2 总线的连接方式
单总线结构,双总线结构和三总线结构 。
图 8-28 双总线结构内存 C P U I/O 接口
I/O 接口系统总线内存总线
…
图 8-29 三总线结构内存 CPU
I/O 接口
I/O 接口系统总线内存总线
IOP
（通道）
I/O 总线
…
8.6.3 总线的内部结构
整个总线可分成如下 4部分 。
（ 1） 数据传送总线：由地址线,数据线,控制线组成 。
（ 2） 仲裁总线：包括总线请求线和总线授权线 。
（ 3） 中断和同步总线：用于处理带优先级的中断操作,包括中断请求线和中断认可线 。
（ 4） 公用线：包括时钟信号线,电源线,地线,
系统复位线以及加电或断电的时序信号线等 。
8.6.4 几种常用的总线结构
1,MultiBus总线
2,ISA,MCA和 EISA总线图 8-30 ISA总线结构
B1 B 31 D 18 D1
A1 A 31 C 18 C1
… …
…
…
…
图 8-31 ISA卡和 EISA卡的结构图
4,PCI总线图 8-32 PCI总线的系统结构示意图
CPU
存储控制器存储器
PCI 桥路标准总线桥路设备设备设备标准总线 （ ISA,EISA ）
CPU 总线
PCI 总线
5,USB总线
（ 1）易用性
（ 2）可扩展性
（ 3）快速性
（ 4）可靠性
（ 5）内置电源
