計算機組成原理

計算機組成原理教學課件王誠宋佳興清華大學計算機系2012年1月輸入/輸出設備輸入/輸出系統(tǒng)

基本輸入/輸出設備計算機總線和接口常用的輸入/輸出方式

計算機基本組成Datapath:即運算器，完成算術和邏輯運算，通常包括其中的寄存器。Control:CPU的重要組成部分，它根據程序指令來指揮datapath，memory以及I/O運行，共同完成程序功能。Memory:是存放運行時程序及其所需要的數據的場所。Input:信息進入計算機的設備，如鍵盤、鼠標等。Output:將計算結果展示給用戶的設備，如顯示器、打印機等。ComputerMemoryInputOutputDatapathControl1、輸入輸出設備概述計算機輸入輸出設備概念：具有一定操作功能的比較完整和相對獨立的精密機械電子裝置；功能：進行人機交互，完成輸入輸出功能；特點：種類繁多，功能多樣，組成與運行原理各不相同；發(fā)展：智能化、高可靠性、小型廉價。輸入輸出設備2、常用的輸入輸出設備輸入設備輸出設備鍵盤圖形輸入設備：鼠標器，圖形板，操縱桿，光筆圖象輸入設備：掃描儀，傳真機，攝像機，數碼相機條形碼閱讀器語音與文字輸入顯示器（字符、圖形、圖像）打印機（針式、噴墨、激光）繪圖儀語音輸出點陣式設備運行原理

把字形、圖形、圖像等信息以不同的點陣布局方式表現出來，在計算機顯示器屏幕上，這些被顯示的內容，是以可見光形式表現出來的；而在打印紙上，通常是以“印刷”（染色）的效果表現出來的。顯示器或者打印機等設備它們共同的特點是，要表示的信息，最終要以平面上的各種可見的“形狀”體現出來，而這些“形狀”原理上又都是以許多斷續(xù)的點的不同布局表示出來的。點陣式表示舉例以十六進制數的形式把平面上點陣布局寫出來點陣式設備需要解決的問題點陣布局規(guī)律確定形狀的對象（保存對象的布局）無確定規(guī)律對象（保存所有點信息）點陣的密度更密的點陣可以把要表示的形狀呈現得更精細準確表示同樣大小的形狀，點陣密則所用數據數量更多點陣越密則對輸入輸出設備的處理精度要求也越高點陣中點的屬性二值表示（0、1表示點的有、無）單色表示（灰度級表示不同亮度）彩色表示（RGB三基色混和表示彩色）鍵盤的運行原理鍵盤功能計算機的鍵盤是通過手工輸入字符，用于向計算機送入操作命令、源程序語句、運行程序所使用的數據等內容的輸入設備。基本組成機械部分：按鍵（導電件）＋彈簧＋金屬件（由導電件控制實現電信號連通與斷開）電子線路部分：識別按鍵，給出編碼；通過串行接口把編碼送給主機。由鍵盤上專門的芯片完成。鍵盤接口串口、USB接口鍵盤的運行原理識別閉合鍵的具體實現：是用行列掃描的方法，即把每個鍵分配在一個m列*n行矩陣的一個交叉點上，通過并行接口向n行依次送出僅有一行為0、其余各行均為1

的值，再用并行接口讀入m列上的取值。當該值不為FFH（全1碼）時，表明有鍵按下，若該值僅含一位零，表明取值為0的行、列的交叉點的鍵被按下，用一個對照表即可得到相應鍵的編碼。尚需解決如下的一些問題：抖動：按下和松開按鍵時按鍵在接通和斷開位置之間跳動幾次才能穩(wěn)定下來。重鍵：多鍵同時被按下，如何處理。1101...并行接口并行接口+5V10K0列1列m-1列0行1行n-1行鍵盤鍵.....。。。。。。。。。。。。。。。。。。。?！?..011A鍵并行接口送來10…1

的n位數值到二極管的負極，并行接口接收鍵盤線路m列送出的m位數據。當A鍵按下去后，5V電源送出經電阻、A鍵、二極管到0信號處的電流，從而在第2列產生0

電平（紅線所示）,其他各列都給出高電平（黑線所示），故并行接口接收到的是

110…1

這樣的m位數據。110...。1101...二極管鼠標的運行原理鼠標的產生圖形界面的出現，需要鼠標來進行拖動等操作鼠標的功能根據鼠標的移動，在屏幕上移動位置選中某個對象，進而執(zhí)行某些操作鼠標的種類機械式鼠標光電式鼠標鼠標的接口串口、USB接口機械式鼠標

鼠標內部有一個橡膠球，橡膠球緊貼著兩個互相垂直的軸（X、Y軸），每個軸上有一個光柵輪，光柵輪兩邊對應著有發(fā)光二極管和光敏三極管。鼠標在移動的時候，橡膠球便帶動兩個軸旋轉，同時光柵輪也就開始旋轉，光敏三極管在接收發(fā)光二極管發(fā)出的光時被光柵輪間斷地阻擋，從而產生脈沖信號，通過鼠標內部的芯片處理之后被CPU接受。脈沖信號的頻率和數量，經過CPU計算后則表示為屏幕上的距離和速度。

光電式鼠標

光電鼠標的工作原理是，在光電鼠標內部有一個發(fā)光二極管，二極管發(fā)光照亮鼠標底部的表面。同時表面會反射回一部分光線，反射光通過一組光學透鏡后，在一個微成像器內成像。當鼠標移動的時候，移動軌跡便會被記錄為一組高速拍攝的連貫圖象，鼠標內部有一塊專用的圖象分析芯片（DSP），對移動軌跡上攝取的一系列圖象進行分析處理，通過對這些圖象上特征點位置的變化進行分析，來判斷鼠標的移動方向和移動距離，從而完成光標的定位。

常用輸出設備顯示器陰極射線管顯示器液晶顯示器等離子顯示器打印機針式打印機噴墨打印機激光打印機陰極射線管顯示器成像原理電子束撞擊熒光板上的熒光粉受撞擊的熒光粉發(fā)光產生亮點基本組成電子槍顯示屏偏轉控制裝置燈絲陰極聚焦極石墨層熒光屏顯示屏陽極帽偏轉線圈柵極陽極電子槍電子束陰極射線管的構成和工作原理一些相關概念分辨率沿水平和垂直兩個方向把屏幕分成許多小的區(qū)域，一個小的區(qū)域對應一個發(fā)光點（稱為象素），一個屏幕上所提供的全部象素的數目被稱為分辨率掃描電子束在顯示屏上按某種軌跡運動被稱為掃描，控制電子束掃描軌跡的電路被稱為掃描控制邏輯部件,有2種掃描方式:

光柵掃描：電子束從左到右，從上到下掃描整個屏幕（隔行掃描和逐行掃描）

隨機掃描：電子束只掃描需要顯示的點，而不是整個屏幕刷新余輝時間：電子束打在熒光粉上發(fā)出的光的所持續(xù)時間為了得到穩(wěn)定的圖象，需要重復掃描整個屏幕（每秒50場）幀存儲器：為了重復掃描，需要存儲屏幕字符或者圖象信息字符顯示的一般原理

為有效地提供屏幕上要顯示的內容，字符顯示器內有一個顯示存儲器VRAM，用于保存將顯示在整個屏幕的全部字符，顯示存儲器中保存的是這些字符的ASCII碼和顯示屬性（即字符的顏色、亮度、是否顯示等）。VRAM是一個可讀寫的存儲器，被顯示的字符將由計算機主機以兩個字節(jié)（ASCII碼和顯示屬性）的方式提供并寫進該存儲器中，由顯示器的控制邏輯按需要從中讀出準備顯示的一個字符的ASCII碼的字節(jié)值和顯示屬性的字節(jié)值。

字符發(fā)生器，就是用于保存每個可顯示字符字形的點陣數據的邏輯部件，通常是一個只讀存儲器ROM，如果每個字符的字形用7（橫向）×9（縱向）的點陣表示，則每個字符字形的點陣數據要占用9個存儲器字節(jié)（橫向的7個點的布局用一個字節(jié)表示）。

字形的產生過程00000001001001000101011011110111001110H28H44H82H82HFEH82H82H00H字符發(fā)生器(ROM)ASCII字符代碼84RA3-RA0(a)

“A”的點陣表示(b)字符發(fā)生器的結構(來自VRAM)(來自光柵地址計數器輸出)RA3

-RA0D7D0D7D0ASCII代碼(41H)指向這個字形移位寄存器SL字符發(fā)生器(ROM)加載控制水平消隱行間消隱垂直消隱水平同步電路垂直同步電路點振蕩器點計數器水平地址計數器光柵地址計數器垂直地址計數器定時控制電路垂直同步信號水平同步信號字符時鐘ＡＳＣＩＩ代碼ＣＰＵ控制OSCVRAM19180+1819+5125+1視頻信號RA3

-RA0字符顯示的一般原理CRT圖形圖像顯示器大的VRAM存儲點陣屬性分辨率：1024*768，真彩色，1024*768*3Byte=2.3MB高速總線50場/秒，帶寬為2.3*50MB/s=115MB/s需要連接PCI總線專用接口分辨率更高的圖形設備將采用專用接口液晶顯示器顯示原理利用液晶的光學特性平板后面設置光源通過液晶改變透射光的偏振性（從水平到垂直）電場控制特點平板顯示，不需要高壓電，移動方便無輻射價格較高液晶顯示器等離子顯示器成像原理利用惰性氣體在一定電壓作用下產生氣體放電的特性產生紫外線，紫外線激發(fā)熒光粉發(fā)光在玻璃板之間隔開成象素，每個象素點內有惰性氣體和三色熒光粉，用電極控制特點易于實現大畫面顯示全色顯示，色純度與CRT相當視角達160度壽命長功耗大、成本高。打印機

計算機最基本的輸出形式之一，可將打印在紙上的信息長期保存。打印設備種類繁多，性能各異，結構上差別也較大，按印字方式分類：擊打式：通過印字的機械裝置撞擊色帶以便把字形染印在紙上，速度慢，噪聲大，打印質量一般。點陣針式、字模式非擊打式：通過靜電、噴墨等非機械撞擊方式完成在紙上著色，打印速度快，噪聲低，印字質量高噴墨、激光、熱轉印打印設備與計算機主機的連接方式串行接口、并行接口、USB接口針式打印機打印原理用鋼針或鎢錸合金針撞擊色帶，將色帶的顏色印到打印紙上，完成一個點的輸出，完成全部點陣后輸出完畢基本組成打印頭、輸紙機構、色帶機構及打印控制器打印控制器包括字符緩沖存儲器、字型發(fā)生器、時序控制電路和接口電路等部分輸出過程字車將打印頭橫向移動到打印起始位置取出輸出對象點陣的第一列，驅動打印針撞擊色帶字車移動一小格，輸出下一列，直到本行輸出完畢回車輸紙機構進紙輸出下一行針式打印機構造打印紙導軌打印針永磁鐵

鐵芯銜鐵

線圈色帶色帶保護片滾筒針式打印機打印字符“E”的過程針式打印機和CRT字符顯示器

工作原理比較CRT字符顯示器使用電子束撞擊熒光粉產生發(fā)光點，針式打印機是用打印針撞擊色帶產生印染點；

CRT字符顯示器以整屏信息為單位連續(xù)掃描以維持穩(wěn)定的顯示畫面，故它需要有顯示存儲器VRAM，而針式打印機接收到要打印的一縱列點陣信息并完成打印之后，這些點陣信息就不再有用了；光柵掃描的CRT字符顯示器，電子束在整個屏幕上按逐個橫行的掃描方式重復，掃描完多個橫行才完整顯示出一行字符，針式打印機則是按逐列打印方式依此打印出字符的點陣列，幾次后打印出一個完整字符，打印完一行回車后開始打印下一行。

激光打印機打印原理

激光技術和電子照相技術相結合的產物，它由走紙機構、激光掃描系統(tǒng)、電子照相部分和打印機控制器等幾部分組成。

激光掃描系統(tǒng)的功能，是控制激光束能掃描到光導鼓柱面的任何位置，它由激光器，偏轉調制器，掃描器和光路系統(tǒng)組成。

電子照相部分的核心部件是字形鼓，又稱光導鼓，這是一個圓柱型的物體，柱面高度光潔，鍍有一層由硒—碲合金組成的具有良好光導特性（光線照射后電阻率降為原來的1/100到1/1000）的材料，用于完成對打印內容的照相、顯影和轉印。激光打印機輸出過程準備階段：電暈放電裝置使光導鼓表面充電，對光導鼓表面均勻的充上一層正電荷；照相階段：激光束使光導鼓表面被照射部分放電，未照射到部分的帶電情況不變；顯影階段：光導鼓表面帶電部分吸附墨粉，從而形成由墨粉顯示出來的字形；轉印階段：光導鼓表面墨粉轉移到打印紙上；定影階段：通過紅外光加熱或輻射加熱辦法，高溫將墨粉固定在打印紙上；清除階段：清掃器清除光導鼓表面剩余墨粉，消電燈消除光導鼓上殘存電荷。激光部分打印機控制部分光導鼓顯象部分…..定形部分

加熱輥預熱板輸紙用輥轉寫清掃輥帶電器印寫部分清掃部分轉寫部分接紙

部分紙激光噴墨打印機打印原理通過把很小的墨水滴利用噴嘴噴射到打印紙上形成打印點來完成打印輸出功能。主要問題集中到如何提供出很小的墨水滴，又如何加速墨水滴的噴射速度，如何準確控制墨水滴落到打印紙上的位置，如何處理墨水的循環(huán)流動和過濾。輸出過程壓電陶瓷受振蕩電脈沖激勵產生電致伸縮，噴射出墨滴充電電極給墨滴充電，電量多少決定了偏轉距離利用電場控制墨滴的垂直偏轉方向，噴墨頭移動控制墨滴水平方向墨水槽噴墨頭過濾器收集槽高壓電源振蕩發(fā)生器字形發(fā)生器打印紙充電電極壓電陶瓷偏轉電極墨水泵回收器墨滴偏轉方向噴墨頭移動方向組成與打印原理字符打印過程（充了電的墨滴偏轉射向打印紙，不帶電的墨滴射入回收器被回收）(以7*5點陣為例)3、計算機輸入輸出系統(tǒng)概述輸入輸出系統(tǒng)的功能與組成連通計算機的各個功能部件和設備，并在它們之間實現數據交換。硬件部分主要由計算機總線和輸入輸出接口兩部分組成，軟件方面需要操作系統(tǒng)的支持。輸入輸出系統(tǒng)系統(tǒng)復雜多變眾多的CPU系列和型號：運行速度、處理功能、接口邏輯等各不相同；更多的外圍設備：運行原理、提供的功能、讀寫速度、接口邏輯千差萬別；不同的用戶、不同的應用場合提出眾多不同的使用要求，無法使用一種方式、一套方法全面解決問題。4、輸入輸出接口基本功能

提供對主機識別（指定、找到）要用的I/O設備的支持，為每個設備規(guī)定幾個地址碼或者編號。建立主機和設備之間的控制與通信機制，接收處理器（主設備）的命令，并提交給外部設備，同時，為主設備提供外部設備的狀態(tài)。提供主機和設備之間信息交換過程中的數據緩沖機構，如輸入數據緩沖寄存器和輸出數據緩沖寄存器等。提供主機和設備之間信息交換過程中的其他特別需求支持，屏蔽外部設備的差異。輸入輸出接口結構

命令寄存器和命令譯碼器

設備選擇電路

設備狀態(tài)標記

數據緩沖寄存器DBR

控制邏輯電路I/O接口外部設備數據線命令狀態(tài)數據線命令線狀態(tài)線CPU地址線通用可編程接口通用性能有多種用法與輸入輸出功能，能適用于多種外設可編程能通過指令指定接口的功能和運行控制參數接口內部組成設備識別電路：對指令中給出的I/O端口地址譯碼命令寄存器：存CPU發(fā)送的控制命令狀態(tài)寄存器：設備設置其值，CPU讀取數據緩沖寄存器：I/O數據緩沖，解決速度匹配中斷電路：處理中斷請求、屏蔽和判優(yōu)等其他電路：電平轉換及串行/并行轉換電路等常用接口概述串行接口只需要一對信號線來傳輸數據，主要用于傳輸速度不高，傳輸距離較長的場合。典型芯片Intel8251(詳細介紹見教材)目前幾乎所有的計算機都采用EIARS-232C作為串行接口標準，包括按位串行傳輸的電氣和機械方面的規(guī)定。RS-232C接口有25根線，數據傳輸率在50、75至19200bps之間對串行接口的使用是通過對其命令寄存器和狀態(tài)寄存器進行設置工作的。工作時先對接口命令寄存器發(fā)命令，設置工作方式；然后再發(fā)命令使之開始工作；工作期間通過狀態(tài)寄存器了解串口工作狀態(tài)。并行接口串行接口按位傳送數據，速度慢，而且主機是按字或者字節(jié)處理數據，使用串行接口需要進行并串的轉換。對速度較高的設備，采用并行數據傳輸方式比較合適。典型芯片Intel82558251的基本功能可用于同步或異步傳送同步傳送時，每字可為５～８bits

可用內或外同步，能自動插入同步字符異步傳送時，每字可為５～８bits,接收和發(fā)送時鐘可為1,16或64倍的波特率可產生中止字符并自動檢測和處理?？捎茫薄?.５或２位停止位。能檢測假啟動完全雙工，雙緩沖的發(fā)送器和接受器具有檢測奇偶錯，數據丟失錯和幀錯的能力全部入／出信號為TTL電平D7~D0（接外部數據總線）

狀態(tài)緩沖器接受數據緩沖器發(fā)送數據／命令緩沖器讀／寫控制邏輯調制／解調器控制發(fā)送器P-S發(fā)送控制接收控制接收器S-P緩沖器Ｉ／ＯＲxＤＴxＤ／TxCTxERxRDY/RxCRESETCLKC/D/RD/WR/CS/DTR/DSR/RTS/CTSTxRDY串行異步傳送中的有關概念串行：異步、同步：單工，半雙工，全雙工：停止位：數據位：起始位：奇偶校驗：傳送的波特率：波特率因子：數據采樣：串口CPU終端(串口)…...數據位，如8位1位1、1.5、2位串行并行標識態(tài)一次完整的數據傳送時間CPU串口串口CPUD7D6D5D4D3D2D1D0同步?Y(

D1D0=00

)N(

D1D00

0)

D6:外同步檢測1外同步SYNDET為輸入0內同步SYNDET為輸出D7:同步字符1單同步字符0雙同步字符規(guī)定幀控制00無效011個停止位101.5個停止位112個停止位確定字符長度005bits016bits107bits118bitsTxC,RxC

波特率因子00同步方式01異步1倍10異步16倍11異步64倍對奇偶校驗的規(guī)定X0不校驗11偶校驗01奇校驗方式命令字的格式EHIRERSBBKRxEDTRTxENRTSD7D6D5D4D3D2D1D0工作命令字的格式發(fā)送器使能信號，1有效接收器使能信號，1有效數據終端就緒，使出為低/DTR使三個出錯標志位復位發(fā)包信號BREAK請求發(fā)送信號，使出為低/RTS發(fā)軟信號RESETD7D6D5D4D3D2D1D0DSRSYNDETFEOEPETxERxRDYTxRDY接口狀態(tài)寄存器的內容格式發(fā)送器就緒信號，1有效并到串的發(fā)送器空，1有效接收器就緒信號，1有效奇偶錯溢出錯數據幀挫數據設備就緒，1有效TEC-20008機串行口初始化的程序MOV R0， 4EhOUT 81hOUT 83hMOV R0, 37hOUT 81hOUT 83h方式設置：010011101個停止位無奇偶校驗字符為8bits16*波特率命令設置：00110111不用請求發(fā)送錯誤標志復位不用允許發(fā)送允許接收數據終端準備好

對OUT指令而言，

81h、83h為控制寄存器地址；對IN指令而言，

81h、83h為狀態(tài)寄存器地址；編程用串行口執(zhí)行輸入任務/輸出操作INCH:IN 81h SHR R0 SHR R0 JRNC, INCH IN 80h PUSH R1 MOV R1, 00FFh AND R0, R1 POP R1 RETOUTCH:PUSHR0OUT1:IN 91h SHRR0 JRNC,OUT1 POP R0 OUT90h RET對IN指令而言，80h是讀入數據

81h是讀入狀態(tài)對OUT指令而言,90h是輸出數據

91h是輸出命令雙串行口同時運行的例子Loop:in81loop1:in91shrr0shrr0shrr0shrr0jrncloop1jrncloopin80in90out80out80out90jrloopret

完成兩臺教學計算機的第2個串行接口的初始化和輸入輸出操作，要把兩臺教學機通過第２個接口連接起來，都運行這個程序，則每個鍵盤的輸入會同時顯示在兩個屏幕上，實現的是雙機的雙向通訊功能。每臺教學機都只能檢查與操作自己的串行口，管不了另外那臺教學機。檢查本機有鍵盤輸入否，無輸入則去檢查擴展接口中有輸入否；本機有輸入則接收、顯示并經擴展接口送給另外那臺教學計算機。檢查擴展接口中有輸入否(來自另一臺教學機)，有則接收并顯示，沒有或有輸入并已經顯示，都要轉去檢查本機的鍵盤是否有輸入。常用接口概述USB接口通用于串行總線（UniversalSerialBus）USB由一個插在PCI總線上的根集線器組成，它的電纜接口可以連接I/O設備或者擴展集線器。USB中有4根導線，兩根數據線，一根電源，一根地線。V1.1總線帶寬12Mbps，V2.0總線帶寬400Mbps。USB接口的一些特點不必打開機箱來安裝新的輸入輸出設備只需要一根電纜線就可以將所有設備連接起來輸入/輸出設備可以從電纜上得到電源單臺計算機最多可以連接127個設備系統(tǒng)能支持實時設備（聲卡、電話）可在計算機運行時安裝設備，不必重新啟動常用接口概述IDE（IntegratedDriveElectronics）、EIDE接口廣泛應用于PC機中，IDE最多連接2個IDE設備，EIDE最多連接4個IDE設備；IDE讀寫磁盤的數據傳輸率一般不超過1.5MB/s，EIDE可達12～18MB/s；IDE接口連接的磁盤設備容量不超過528M，EIDE無此限制EIDE接口通常接在PCI總線上，數據傳送帶寬由IDE的8位擴展到32位。SCSI（SmallComputerSystemInterface）接口應用于工作站和PC服務器中，成為主機和智能外設連接的統(tǒng)一I/O接口，可以控制磁盤驅動器、磁帶機、光盤、打印機、掃描儀等外設；SCSI使用50芯或68芯電纜，插座體積較大；

SCSI的發(fā)展以及相關標準見下頁列表。SCSI接口標準標準總線寬度最高數據傳輸率（MB/S）連接設備數量SCSI858FastSCSI8108WideSCSI16108FastWideSCSI162016UltraSCSI8208WideUltraSCSI164016Ultra2SCSI8408WideUltra2SCSI168016Ultra3SCSI1616016Ultra3201632016常用接口概述IEEE1394串行接口高速率，實時性好：1394-1995規(guī)定200Mbps~400Mbps，1394b規(guī)定800Mbps~3.2Gbps；體積小易安裝，連接方便。1394使用6芯電纜，直徑約6mm，插座也?。蛔疃嗫梢赃B接63個設備，即插即用，支持熱插拔。AGP接口把主存和顯存通過芯片組（北橋）直接連接，提高數據傳輸率；總線寬度為32位，時鐘頻率為66MHz，最高傳輸率為528MbpsPCMCIA接口廣泛應用于筆記本電腦的接口，I、II、III三種類型插槽（厚度不同，長寬相同）。通常用來插上存儲器（FlashMemory）卡或Fax/Modem/Network卡等。5、計算機總線概述

總線是計算機各個部件之間傳輸信息的公共通路，包括傳輸數據信號的邏輯電路、管理信息傳輸協(xié)議的邏輯線路和物理連線。一組導線接口的物理/機械特性電氣信號規(guī)范時序和信號規(guī)范總線事務協(xié)議計算機總線概述

在任何時刻，只可以有一個部件向總線上發(fā)送信息，但卻可以有一個或多個部件同時接收信息?？刂葡蚩偩€發(fā)送信息通常用帶有高阻態(tài)輸出的選通門實現?？偩€高低高ABC計算機總線概述承擔不同功能的三種總線數據總線：傳輸數據信息，頻率與寬度正比于吞吐量地址總線：傳輸地址信息，寬度決定了內存尋址空間控制總線：給出總線周期類型、I/O操作完成時刻、DMA周期、中斷等有關的控制信號等存儲器I/O接口輸入設備I/O接口數據總線DB控制總線CB地址總線AB輸出設備

CPU總線周期以及相關概念

總線周期：通過總線完成一次內存讀寫操作或者完成一次I/O設備讀寫操作所需的時間，一般由地址時間和數據時間兩個時間段組成：地址時間：CPU向內存或IO設備送地址信息到地址總線數據時間：CPU完成數據讀寫周期類型：一般分為內存讀周期、內存寫周期、I/O讀周期、I/O寫周期四種類型總線的等待狀態(tài)：由于被讀寫的部件或設備速度慢，一次數據時間內不能完成讀寫操作，就要增加一個或多個數據時間繼續(xù)完成讀寫操作，在這增加的數據時間里，稱總線處于等待狀態(tài)。它影響系統(tǒng)運行效率，降低系統(tǒng)的性能。信息傳送尋址數據線地址線總線占用期間地址數據單周期數據傳輸方式尋址數據n地址數據3數據1數據2數據線地址線...信息傳送總線占用期間無效

猝發(fā)數據傳輸方式總線周期以及相關概念正?？偩€周期：每次數據傳輸都由一次地址時間和一次數據時間組成。（單周期數據傳輸方式）Burst總線周期：數據傳輸由一次地址時間和多次數據時間組成，即給出一次地址信息，連續(xù)傳送多個數據。（猝發(fā)數據傳輸方式）輸入設備計算機總線的結構單總線結構：早期的計算機，如美國DEC公司PDP-11機只使用一組總線，所有的部件和設備都接在這唯一的總線上，包括數據總線，地址總線，控制總線，其優(yōu)點是結構簡單，成本低廉，缺點是運行效率低。CPU主存輸出設備總線計算機總線的結構總線性能（數據輸入/輸出的吞吐量）對計算機系統(tǒng)總體性能有重大的影響，提高總線性能，一是盡量提高總線本身的速度，二是從總線結構多提供幾組總線。雙總線結構是指是指在計算機中配置兩組總線，即在處理機總線上通過一塊擴展總線的控制線路，提供出另外一組總線，稱為輸入/輸出總線，比較常用的有工業(yè)標準總線（ISA）和擴展的工業(yè)標準總線（EISA），主要用于連接一般的輸入/輸出設備。計算機總線的結構CPU主存擴展總線控制線路I/O設備1I/O設備2處理機總線33MHz4B~8BISA/EISA8.33MHz

1,2,4B

雙總線結構

...計算機總線的結構總線性能（數據輸入/輸出的吞吐量）對計算機系統(tǒng)總體性能有重大的影響，提高總線性能，一是盡量提高總線本身的速度，二是從總線結構多提供幾組總線。三總線結構是指在計算機中配置3組總線，即在處理機總線上通過一塊被稱為PCI橋的控制線路，提供出一組高性能的局部總線，稱為PCI總線，而把原來的ISA總線和EISA總線從處理機總線上斷開，并通過IO控制線路連接到這里的PCI總線上。把一些慢速的輸入/輸出設備接到EISA（ISA）總線上。計算機總線的結構CPU主存PCI橋I/O設備1I/O設備2處理機總線66MHz4B~8BISA/EISA8.33MHz

1,2,4B

三總線結構

...PCIBUS

33MHz4B擴展總線控制線路I/O設備3I/O設備4接快速設備接慢速設備幾種常用的標準總線ISA（IndustrialStandardArchitecture）總線：工業(yè)標準結構總線，8位（后來16位）數據線，20位（后來24位）地址線，工作頻率8.33MHz。EISA（ExtendedIndustrialStandardArchitecture）總線：擴展工業(yè)標準結構總線，16或32位數據線，32位地址線，工作頻率8.33MHz，支持Burst方式傳輸數據。VESA（VideoElectronicsStandardAssociation）總線：32位局部總線，連接顯卡、網卡等，最高工作頻率33MHz。沒有嚴格標準，各廠家產品兼容性差，針對80486。PCI（PeripheralComponentInterface）總線：外圍部件互連總線（局部總線），V1.0支持33MHz工作頻率，32位地址和數據線互用；V2.1支持66MHz工作主頻，64位地址和數據線互用。ISA插槽PCI插槽AGP插槽北橋芯片組南橋芯片組內存插槽CPU插槽IDE接口軟驅接口并口連接器串口連接器ROMBIOS鼠標鍵盤USB接口主板電源插座現代PC機的結構550MHzIDE2PentiumIII北橋440BXAGP南橋PIIX4ECMOS&RTCUSB超級I/OIDE1COM1COM2LPT1550MHzL1CacheL2Cache處理機總線100MHz100MHzPCI總線33MHzPCI插槽ISA插槽ISA總線8MHz內存條ROMBIOS顯示器硬盤光驅軟驅鍵盤鼠標打印機MODEM66MHz顯卡總線仲裁與數據傳輸控制總線主設備與從設備總線主設備（busmaster）：申請總線使用權并發(fā)出命令控制總線運行的設備，如CPU等?？偩€從設備（busslave）：只能響應主設備發(fā)出的命令并執(zhí)行讀寫操作的設備，如內存等?？偩€控制器（總線仲裁器）執(zhí)行總線仲裁功能，解決多個總線主設備競爭使用總線的管理問題，它是通過判別主設備使用總線的優(yōu)先級（buspriority）來完成的，決定多個申請使用總線的主設備中哪個獲取總線的使用權，保證任何時刻只有一個總線主設備使用總線傳輸數據?？偩€仲裁與數據傳輸控制總線仲裁方式集中式控制：總線控制邏輯集中在一個部件上，常用的三種集中式總線仲裁方式串行鏈式查詢方式計數器定時查詢方式獨立請求方式分布式控制：總線控制邏輯分散在多個總線部件上各主模塊有自己的仲裁號和仲裁邏輯以優(yōu)先級仲裁策略為基礎。串行鏈式查詢方式總線控制部件I/O接口0…BSBRI/O接口1I/O接口n…BG數據線地址線BS

-總線忙BR-總線請求BG-總線同意I/O接口1BS

-總線忙BR-總線請求總線控制部件數據線地址線I/O接口0…BSBRI/O接口1I/O接口n設備地址計數器定時查詢方式I/O接口1

計數器設備地址0

1排隊器排隊器獨立請求方式總線控制部件數據線地址線I/O接口0I/O接口1I/O接口n…BR0BG0BR1BG1BRnBGnBG-總線同意BR-總線請求總線仲裁與數據傳輸控制分布式仲裁：首先把自己的仲裁號發(fā)送到仲裁總線上，仲裁邏輯將仲裁總線上的仲裁號與自己的仲裁號比較，若自己的優(yōu)先級低，則請求失敗，撤除自己的仲裁號，仲裁總線上最終保留優(yōu)先級最高的仲裁號?？偩€仲裁與數據傳輸控制

數據傳輸控制方式：解決的是通信雙方交換數據過程中在時間上的配合關系，也就是同步問題?？梢苑譃橥酵ㄐ排c異步通信。同步通信是指在總線上傳送數據時，通信雙方使用同一個時鐘信號進行同步，這個時鐘信號通?？梢杂蒀PU的總線控制邏輯部件提供，稱為總線時鐘。此種方式邏輯簡單，可以有比較高的數據傳輸率。異步通信是指在總線上傳送數據時，允許通信雙方各自使用自己的時鐘信號，采用“應答方式”（握手方式）解決數據傳輸過程中的時間配合關系。此種方式便于實現不同速度部件之間的數據傳送。總線仲裁與數據傳輸控制同步通信步驟：（1）主設備在第1個時鐘周期開始處發(fā)出地址和讀信號，地址和控制信號有效，（2）從設備接收后在下一個時鐘周期開始處把數據信號及應答信號放到總線上，（3）在下一個時鐘周期到來時，各信號恢復，完成總線周期。時鐘讀地址應答數據同步傳送時序圖總線仲裁與數據傳輸控制異步通信步驟：（1）主設備先發(fā)出地址和讀信號，待穩(wěn)定后再發(fā)出主同步信號MSYN，表示地址和控制信號有效，（2）從設備檢測到同步信號后發(fā)出數據，待數據穩(wěn)定后再發(fā)出從同步信號SSYN，表示數據信號有效，（3）主設備接收數據。讀地址MSYN數據SSYN異步傳送時序圖6、常用的輸入輸出方式基本概念在計算機主機和I/O設備之間采用不同的控制方式進行數據傳送；各種方式的性能、價格、解決問題的重點不同。常用的控制方式程序直接控制方式程序中斷傳送方式直接存儲器存取方式I/O通道控制方式外圍處理機方式程序直接控制方式基本概念用戶程序直接使用I/O指令完成輸入輸出操作，由CPU查詢設備的運行狀態(tài)來控制數據傳送過程控制過程開始傳送數據前CPU檢測設備是否準備好（通過讀取接口中的狀態(tài)寄存器內容實現），若設備已經準備好則啟動這次傳送；若沒有準備好，則重復檢測設備存在問題缺點是嚴重影響系統(tǒng)性能，CPU與外設只能串行工作，CPU資源浪費，降低系統(tǒng)效率如果設備出現故障，CPU無法獲取正確的設備狀態(tài)信息，則計算機將可能進入“死機”局面程序直接控制方式CPU

處

理

過

程程序直接控制方式A20002000: MVRDR2,000A MVRDR0,00302004: OUT80 DECR2 JRZ200E PUSHR02008: IN81 SHRR0 JRNC2008 POPR0 INCR0 JR2004200E: RETCPU方：往接口送出要輸出的字符查詢接口狀態(tài)（循環(huán)等待）直到外設已經輸出該字符輸出下一個字符外設方：接收接口中的字符往外設中輸出字符處理完后，置狀態(tài)寄存器接收下一個字符通過串行接口輸出‘0’~‘9’十個數字符的程序程序中斷傳送方式基本概念通常在程序中安排一條指令，啟動外設，然后CPU繼續(xù)執(zhí)行程序。當外設完成信號，在結束一條指令執(zhí)行過程、下一條指令尚未開始的時刻，停下正在運行的程序，保存好運行的現場信息，轉去完成數據傳送工作，通常傳送一個字節(jié)或字，傳送完畢之后返回原來的程序繼續(xù)執(zhí)行。工作特點系統(tǒng)在啟動外設后到數據準備完成這段時間內CPU一直在執(zhí)行程序，而不是處于等待狀態(tài)，一定程度上實現了CPU與外設的并行工作。多臺外設啟動后可以同時進行數據交換的準備工作，若多臺外設同時發(fā)出中斷請求信號，CPU可以按照一定的優(yōu)先順序進行處理，從而實現了外設的并行工作。直接存儲器存取方式

主要應用于快速外圍設備和主存儲器進行快速成批交換數據的場合。數據的傳輸過程可以交由一塊專用的DMA接口卡來控制，讓DMA卡代替CPU控制在快速設備與主存儲器之間直接傳輸數據，每傳輸一個數據只需一個總線周期即可。從共同使用總線的角度看，DMA和CPU成為競爭對手關系。當完成一批數據傳輸之后，快速設備還是要向CPU發(fā)一次中斷請求，報告本次傳輸結束的同時，“請示”下一步的操作要求。

I/O通道控制方式基本概念I/O通道是計算機系統(tǒng)中代替CPU管理控制外設的獨立部件，是一種能執(zhí)行有限I/O指令集合——通道命令的I/O處理機。一對多的連接關系，適應不同速度、不同種類的外部設備，可并行工作。通道功能根據CPU要求選擇某一指定外設與系統(tǒng)相連，向該外設發(fā)出操作命令，進行初始化指出外設讀/寫信息的位置以及與外設交換信息的主存緩沖區(qū)地址控制外設與主存之間的數據交換指定數據傳送結束時的操作內容，檢查外設狀態(tài)外圍處理機方式主要用途主要應用于大型高性能計算機系統(tǒng)中，使用微小型通用計算機協(xié)助主處理機完成輸入輸出操作。主要功能不但可以完成前面講的I/O通道的I/O控制功能，還可以完成更加復雜多樣的附加操作功能；例如：碼制轉換、格式處理、數據塊的檢錯糾錯處理，承擔I/O系統(tǒng)與設備的診斷維護、人機交互處理等處理功能。程序中斷輸入輸出方式中斷的概念是由I/O設備或其他非預期的急需處理的事件引起的，它使CPU暫時中斷現在正在執(zhí)行的程序，而轉至另一服務程序去處理這些事件，處理完成后再返回原程序中斷的作用CPU與I/O設備并行工作硬件故障報警與處理實現人機交互聯(lián)系實現多道程序分時運行實現過程控制實時處理中斷服務程序中斷服務程序入口1入口212…KK+1QQ+1……中斷服務程序1中斷服務程序2中斷的概念IO中斷產生：以打印機為例發(fā)中斷請求

空閑接收數據接收數據準備發(fā)中斷請求打印打印打印機執(zhí)行主程序繼續(xù)執(zhí)行主程序繼續(xù)執(zhí)行主程序響應中斷中斷返回響應中斷中斷返回

啟動打印機傳送數據傳送數據CPUCPU與打印機并行工作程序中斷輸入輸出方式中斷源能引起中斷的事件或能發(fā)出中斷請求的設備中斷源分類硬件中斷：由各種輸入/輸出設備、一些接口卡等引起的中斷被稱為外（部）中斷，而由處理機硬件故障、程序運行出錯等引起的中斷被稱為內（部）中斷，例如非法指令、算術運算溢出、校驗錯、電源故障等都會產生內中斷。軟件中斷：由寫在程序中的語句（例如用戶程序中的系統(tǒng)調用指令，trap指令等）引起的一段程序的執(zhí)行過程，它很類似于一次中斷處理過程。軟件中斷是嚴格的與程序運行過程同步的，而硬件中斷則是隨機發(fā)生的。程序中斷輸入輸出方式中斷觸發(fā)器當中斷源發(fā)生引起中斷的事件時，先將它保存在設備控制器的“中斷觸發(fā)器”中，即將“中斷觸發(fā)器”置“1”，向CPU發(fā)出“中斷請求”信號。每個中斷源有一個中斷觸發(fā)器，全機的多個中斷觸發(fā)器構成中斷寄存器。中斷屏蔽觸發(fā)器當產生中斷請求后，用程序方式有選擇的封鎖部分中斷，而允許其他部分中斷仍得到響應，稱為中斷屏蔽。實現方法是為每個中斷源設置一個中斷屏蔽觸發(fā)器來屏蔽設備的中斷請求。程序中斷輸入輸出方式可屏蔽中斷和不可屏蔽中斷可以被CPU通過指令限制其發(fā)出中斷請求的中斷屬于可屏蔽中斷，例如對某些外圍設備就可以在一段時間里執(zhí)行中斷屏蔽；一些中斷是不允許執(zhí)行屏蔽中斷的,例如電源掉電中斷，稱這類中斷為不可屏蔽中斷。禁止中斷如果由于某種原因，在很短一小段時間內，不允許CPU接收任何一個中斷請求（禁止中斷），通常是在CPU內部設置一個“中斷允許”觸發(fā)器，只有該觸發(fā)器被置為“１”狀態(tài),才允許CPU響應中斷請求，該觸發(fā)器被置為“0”狀態(tài)，則禁止CPU響應中斷請求；指令系統(tǒng)中，要給出“開中斷”指令（置“１”中斷允許觸發(fā)器）和“關中斷”指令（清“０”中斷允許觸發(fā)器）。程序中斷輸入輸出方式中斷優(yōu)先級為管理眾多的中斷請求，需要按每個（類）中斷處理的急迫程度，對中斷進行分級管理。在有多個中斷請求時，首先響應與處理優(yōu)先級最高的一個中斷請求。中斷嵌套是指在處理中斷的過程中又可以響應更高優(yōu)先級中斷的辦法。如果CPU正在處理優(yōu)先級低的一個中斷，又來了優(yōu)先級更高的一個中斷請求，則停止低優(yōu)先級的中斷處理過程，以便及時響應更高優(yōu)先級的中斷請求，在該高優(yōu)先級中斷處理完成之后，接下來再繼續(xù)處理低優(yōu)先級的中斷，在該低優(yōu)先級中斷處理完成之后，返回去接著執(zhí)行主程序。程序中斷輸入輸出方式中斷請求中斷源給CPU發(fā)控制信號，通過中斷源的中斷觸發(fā)器完成（但受中斷屏蔽觸發(fā)器的制約）中斷響應中斷響應的基本條件：允許中斷、CPU結束一條指令執(zhí)行、中斷優(yōu)先級比當前處理任務高中斷處理程序中斷輸入輸出方式判別中斷源的方法多個中斷源發(fā)出中斷請求時，首先需要找出其中中斷優(yōu)先級最高的那個中斷源；采用軟件方案時，是用程序檢查中斷字的內容實現全部的中斷觸發(fā)器構成中斷寄存器，其內容稱為中斷字。當中斷源數量很多時，中斷字也就很長；為了管理方便，通常把所有中斷按不同類別、性質取分為若干個中斷優(yōu)先級，每個中斷優(yōu)先級中安排多個中斷源，在確定中斷優(yōu)先次序時，先查最高中斷優(yōu)先級，再到這一中斷優(yōu)先級中找出中斷優(yōu)先次序最高的中斷源。采用硬件方案時，一般選用串行鏈式排隊法，需要有比較、判斷中斷的優(yōu)先級的邏輯線路程序中斷輸入輸出方式定位中斷服務程序入口地址一是在中斷總控程序中用專用的指令接收中斷設備編碼，再用該設備編碼到指定的內存區(qū)中找到中斷服務程序的入口地址。另外一種是中斷向量法，由每個中斷源直接提供中斷向量，用這一中中斷向量為地址到中斷向量表中取出中斷服務程序的入口地址。中斷向量表是由每個中斷源的中斷服務程序的入口地址組成的一張列表，通常被存放在內存中的指定的一片區(qū)域中。主程序：A2150A2000PUSHR02個寄存器的入棧出棧操*

EI(6E00)PUSHR13作是為了避免不同優(yōu)先級

MVRDR0,4DMVRDR13,0FFF中斷嵌套過程中彼此干擾

OUT80DECR13CALA2150JRNZ2154JR2001POPR13RETPOPR0RETA2120（2130，2140）3個中斷服務程序入口各不相同，并使用不同的寄A2104*EI(6E00)存器檢查輸出的字符個數

JR2120PUSHR0A2108MVRDR7，50（R8，R9）

JR2130MVRDR0,31(32,33)A210COUT80前面帶*號的語句屬于

JR2140CALA2150擴展指令，只能用E命

DECR7

（R8，R9）令輸入指令碼