《接口与外围设备》PPT课件.ppt

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1、computer organization principle,计 算 机 组 成 原 理,I/O接口与外围设备,第7章,本章要点 外围设备是计算机同外界通信或交换数据的必不可少的硬件组成部分，由外围设备和I/O接口组成输入/输出系统实现计算机系统的输入/输出操作。本章重点论述了各种常用外围设备的工作原理及特点；外围设备与主机的定时方式和信息交换方式；,第7章 I/O接口与外围设备,7.1 常用输入设备和输出设备 7.2 外存储器 7.3 外围设备与主机的定时方式和 信息交换方式,第 7章 I/O接口与外围设备,7.1 常用输入设备和输出设备,7.1.1 概述 外围设备指在计算机主机处理信息前

2、负责把信息送入计算机的设备，以及在主机对信息进行处理后输出处理结果的设备，包括计算机同外部 环境联系、实现通信的设备，一般指输入设备、输出设备、和外存储器。,1、分类 如左图所示。,2、输入/输出设备与接口 输入设备 把各种信息（包括字符、图形、图像、语言以及电信 号等）送入计算机处理的设备。最常用的是键盘、鼠标和扫描仪等。输出设备 把计算机的处理结果用人所能识别形式（例如字符、图形、图像、语音等）表示出来的设备，最常用的是显示器和打印 机等。输入/输出接口简称接口，是使计算机主机同输入/输出设备间 能正确地传送信息的逻辑部件。输入/输出设备在结构和工作原理上与计算机主机有很大差异，CPU不能

3、直接和外设之间的连接，必须通过输入输出接口进行相互连 接和数据信息交换。,3、接口的功能,（1）实现数据缓冲 在接口电路中设置数据缓冲寄存器，用于数据的暂存，使主机和 外围设备在工作速度上达到匹配。（2）实现数据格式转换 接口线路在完成数据传送的同时，实现处理器与外围设备之间数 据格式的转换。例如：并串转换、串并转换等。（3）提供外围设备和接口的状态 CPU和外设之间交换信息中，要通过接口向外设发送各有关命令 和了解外设当前的工作状态等，为处理器更好地控制和调整各种外围 设备提供有效的帮助。（4）实现主机与外围设备之间的通信联络控制 解决主机与外设的时间配合问题。包括设备的选择，操作时序的 控

4、制与协调，主机命令与外围设备状态的交换与传递等。,7.1.1 键盘,1、键盘组成及其作用 是人向计算机输入信息的最基本的设备，可以通过按键向计算机输 入数字、字母和特定字符和命令。键盘把按下不同键的机械动作转换 成计算机能识别的编码。由一定数量的开关按键按一定规律排列而成的输入设备。一般 键盘上的按键排列成矩阵形式，常用的键盘如图所示。,2、键盘类型（1）按按键（开关）接触方式划分：机械式键盘 触点式键盘。按键后，触点接触通电而产生按键信号。,电容式键盘 非触点式键盘，利用键运动时极板间电容容量的变化产生按键信号。,薄膜式键盘 非触点式键盘,（2）按编码的功能划分 编码键盘：能自动提供对应于被

5、按键的编码信息，如ASCII码，并能同时产 生一个选通脉冲通知微处理器。硬件电路识别按键代码。非编码键盘：简单硬件和专门的键盘扫描程序识别按键的位置。由一组开关组成，提供行和列的键盘矩阵。其全部工作，包括按 键的识别、按键代码的产生、防止串键和消去抖动等问题，都靠程 序来实现。,3、键盘输入信息的过程（1）检测是否有键按下；（2）查出按下的是哪一个键；（3）将该键所代表的信息翻译成计算机能识别的内部代码。如ASCII码 或其他预先约定的编码。4、键盘扫描原理,键盘的扫描原理图,扫描过程 对干非编码键盘而言，可以用硬件或软件的方法分别对行与列进行 扫描，以获取按键的位置，生成键扫描码，以串行形式

6、传送给主机，主机将接收到的串行扫描码转换为并行数据，最后由软件将扫描码转 换为该键对应的ASCII码，供存储或显示。,7.1.2 鼠标,1、作用 一种手持式屏幕坐标定位设备；控制计算机的显示屏幕上光标移动的输入设备；用于菜单选择、屏幕作图和屏幕编辑等必备的输入设备；,2、工作原理 位移传感器 计算机 移动距离与方向的信息 电脉冲 坐标数据 显示屏幕,3、分类 机械式鼠标：采用机械结构有一个机械球通过摩擦两个滚轮，将滚轮移动距离转换为电信号电脉冲，使显示屏幕上的光标移 动。转换部件编码器是机械的。,光电式鼠标：采用发光二极管和光敏晶体管组合成光电感应器来 测是位移。光机式鼠标：工作原理同机械式鼠

7、标，但编码器采用的是光学器 件。,无线鼠标：与计算机的连接改成红外线，使鼠标移动更灵活。,4、鼠标接口 串行口（COM口）：早期机器用的鼠标接口；PS/2口：作为固定接口集成在主板上；USB口：己普遍应用于笔记本计算机中。,7.1.3 扫描仪,1、作用 一种能捕获图像信息并把它转换为计算机可以显示、编辑、存储 和输出的数字化输入设备；一种髙精度的光电组合的设备；文稿中加入图片或照片的最好的输入工具；,2、工作原理 由光学成像部件、机械传动部件和光电转换部件组成，这三个部 件相互配合将反映图像特征的光信号转换为计算机能处理的电信号。,扫描仪的核心完成光电转换的电荷耦合元件CCD，扫描仪的光源照射

8、在图稿（或文稿）上，产生反射光，或产生透射光，光学系统收集这些光信号聚焦到元件CCD，CCD将这些光信号转换成 电信号，然后由A/D转换器转换为数字信号，产生数字图像信息，传送 到计算机。,扫描仪的正常工作还需有如下软、硬件配合：扫描仪接口卡 扫描仪同计算机之间的连接线USB信号线（或SCSI信号线、或 并口信号线）；扫描软件、图像编辑软件或光学文字识别软件。,7.1.4 打印机 计算机最基本的硬拷贝输出设备。1、针式打印机 击打式打印机。依靠电磁力驱动印字部件（打印钢针）击打色带，将打印针击打点 阵的印痕（字符或图形）打印到打印纸上，见示意图。,2、喷墨打印机 非击打式、点阵式打印的一种打印

9、机。墨水在压力的作用下,从孔径或狭缝尺寸很小的喷嘴喷出,成为飞行速度很高的墨滴,根据字符点阵的需要,对墨滴进行控制,使其在记录纸上形成文字或图形。两种喷射方式：连续式：墨水从喷咀连续喷射，在墨水运动过程中控制喷射方向，使墨滴喷射到纸面上预定位置，形成点阵字符或图像。,隨机式：控制墨水的喷射，而不控制墨水喷射的方向，依靠喷头 的移运形成打印字符或图像。目前的喷墨打印机都为隨机式喷墨打印。,3、激光打印机 基于电子照相技术和激光技术发展的非击打式打印机。激光打印机的基本工作过程：计算机送来二进制图文点阵信息，经接口电路送到字符发生器，产生相应的二进制脉冲信号;激光扫描系统产生激光束，对硒鼓表面进行

10、照射，在硒鼓上形成静 电“潜像”;带有潜像的硒鼓表面运动通过碳粉盒时,带电荷部分吸附了碳粉,在 硒鼓面上显影成可见的字符墨粉图像;显影的表面同打印纸接触时,在外电场的作用下,碳粉被吸附到纸 上,完成图像的转印;分离后的纸经定影热辊，在高温和高压下熔化而永久性地粘附在 纸上;清扫器除去残留的碳粉;,7.1.5 显示器 用来将主机输出的信息经一系列处理后转换为光信号，以文字、图形 形式显示出来的输出设备。,1.CRT显示器的工作原理（1）单色CRT显示器的工作原理 CRT显示器的主体是CRT显像管，它是一种电真空器件，由电子枪、聚焦系统、偏转线圈、荫罩和荧光粉层和玻璃外壳等组成，如图所示。,采用光

11、柵扫描方式工作：电子束从显示屏的左上角开始，沿水平 方向从左向右扫描，被扫描到的点上的荧光物质发出短暂的光，到达 屏幕右端后迅速水平回扫到左端下一行位置，又从 左到右匀速地扫,描。这样一行一行地扫描，直到屏幕的右下角，然后又垂直回扫，返 回屏幕左上角，重复前面的扫描过程。在水平和垂直 回扫时，电子 束是“消隐”的，荧光屏上没有亮光显示。扫描完整个显示屏幕，构成 一幅图像称为一帧。,帧扫描电路和行扫描电路分别向垂直偏转线圈和水平偏转线圈提 供帧频和行频锯齿波电流，在电子枪前端的管颈内产生两个互相垂直 的、强度按帧频和行频变化的偏转磁场，电子束在穿过这两个磁场时，受到垂直和水平两个方向的作用力产生

12、位移从左向右、从上向下 扫描荧光屏产生一幅幅光柵。水平扫描包括正程和逆程，正程用于显 示、逆程用于消隐。,（2）彩色CRT显示器的工作原理 光柵扫描过程和单色CRT相同。阴极射线管中的电子枪有3个独立的阴极可向显示屏发出3束平行 的电子束，改变阴极和控制极G1之间的电压，可控制电子束电流的强 弱，屏蔽极G2和阴极之间的电场使两边的电子束折向中心轴，经聚焦 极G3聚焦后由两侧射出，再经两对汇聚极板的静电场作用折向中心，,最后经阳极加速后的3束电子在排有竖条形孔的荫罩板的细缝中汇聚 后分别准确地轰击涂在荧光屏上对应红绿蓝的三色荧光粉。,整个屏幕有m条扫描线（被扫描线分成m行），每行有n个点，一个点

13、 为一个像素，全屏幕有mn个像素。显示屏上显示的图形 是电子束 扫描时在屏幕上产生的不同亮度、不同颜色的像素组成，而不同图形 的视频信号由CPU通过接口插座经信号处理送来，通过放大驱 动送CRT的阴极，控制电子束在对应位置上产生不同亮度、不同颜 色的光 点，构成不同的图形。,（3）CRT显示器的主要性能指标 分辨率：以像素的个数为标志，是衡量显示器显示清晰度的指标；对比度：指显示的图像和字符与屏幕背景底色的亮度之比；行频：指水平扫描频率,是电子枪每秒在屏幕上扫描过的水平线 条线,单位kHz。场频：又称垂直扫描频率,即每秒钟屏幕刷新的次数,单位为Hz。视频带宽:指每秒钟扫描的像素个数，即单位时间

14、内每条扫描线上 显示的点数的总和。以MHz为单位。,2、LCD显示噐工作原理（1）液晶 液态晶体，液晶状态：某些有机化合物在一定的温度范围内，处于液体和固 体之间的中间状态 液晶物质：具有液晶状态的有机化合物 液晶相温度：一个温度范围，低于这个范围下限值时，液晶物质 处于晶体态，失去液晶物质的流动性；髙于这个范围上限值时，液 晶物质处于液体态；失去液晶物质的光学性。LCD显示器的液晶材料：“液晶相温度”的温度范围较大，为 200C600C，具有良好的物理稳定性和化学稳定性以及良好 的电光特性。,（2）液晶显示原理 液晶分子是按一定的方向整齐排列的，当加上电场时，会使液晶 分子的排列次序打乱或发

15、生变化，改变液晶材料的光学特性。,液晶显示是基于液晶的动态散射效应（电流效应）和偏光效应中的 扭曲效应。利用扭曲效应制成的LCD显示器入图所示。液晶显示器中的液晶封 装在两块平行的玻璃之间，玻璃板内侧有透明电极。电极间未加电压 时，液晶分子是平行于显示面排列，见图。,对液晶分子进行处理后，液晶分子从顶层到底层扭曲了900，使偏振光通 过液晶时产生900的偏转效果，再通过与偏振噐有900的偏转面的另一个偏转 器，偏振光不再发生偏转，结果光线可通过显示器而在屏幕上显示。电极间 加上电压时，液晶分子未发生扭曲。偏振光通过两个偏振器后产生偏转900的 效果，挡住了光线，可产生亮点黑字的显示效果。这是透

16、射型场效应管液晶 显示器的工作原理。,7.2 外存储器 又称为“辅助存储器”，简称“辅存”。存放CPU运行时暂时不用的各种程序和文件，当CPU在运行中要用 到外存中的程序和文件时，再被调入内存。目前常用的辅存主要有磁表面存储器和光存储器两类。磁表面存储器是利用某一基体表面的簿层磁性材料来存储信息。磁表 面存储器采用数字磁记录，写入时，被记录的是电脉冲信号，通过磁头 在磁介质上留下的是一连串的饱和磁化翻转，读出时，通过磁头再转换 为电信号。磁表面存储器有磁盘存储器和磁带存储器。,1、软盘存储器 简称软盘，由软盘驱动器、软盘控制器、软磁盘片三部分组成。软磁盘片是一个涂有磁性物质的聚脂簿膜圆盘，盘片

17、较柔软，有8 寸盘、5寸盘和3寸盘等几种尺寸，软盘的存储容量为180KB、360 KB、720 KB、1.2MB和1.44MB等。软盘存储器体积小、重量轻、盘片可以脱机保存，携带方便等优点。,2、硬盘存储器 计算机系统主要的外存储器，具有存储容量大、存取速度快的优点，计算机的系统软件操作系统、编译系统以及应用软件都驻留在硬 磁盘存储器上。,7.2.1 磁盘存储器 有硬盘存储器和软盘存储器两种,（1）磁盘存储器硬件组成 由磁盘、磁盘驱动器和适配器三部分组成。硬盘的盘基是一个铝合金（或改性陶瓷玻璃基片）制成的 刚性盘片，盘片表面涂以磁性介质层。硬磁盘片的尺寸有1.8、2.5、3.5和5.25英寸等

18、4种，多片同心的磁盘片固定在同一主轴上组成硬 磁盘组。硬盘驱动器 由盘片组、马达主轴驱动机构、磁头、磁头驱动定位机构、电子线路读/写电路、接口及控制电路等组成，如图所示。,（2）硬盘存储器的工作原理 硬盘中信息分布 呈以下层次:记录面、柱面、磁道和扇区。,记录面 一台硬盘机由多个盘片构成,每个盘片有两个记录面(最上面 和最下面的两个盘片只有一面可存信息),每个记录面对应一个磁 头,故记录面号即磁头号。所有的磁头安装在一个公用的传动设备 或支架上，磁头一致地沿盘面径向移动，单个磁头不能单独地移 动。,磁道 指磁盘片的记录面上划分的以盘片中心为圆心的用来记录数据 的同心圆轨迹。其中最外圈的磁道为0

19、号，往里则磁道号逐步增加。每条磁道由若干个扇区组成。每条磁道上，各扇区的长度相同。,扇区 通常将一条磁道划分为若干个段,每个段称为一个扇区。每个扇 区存放定长信息（如512个字节），各磁道的位密度不一样。磁道 上的扇区编号从1开始。,柱面 不同盘面上的同一磁道号的磁道构成一个柱面。硬盘的柱面数 就等于一个记录面的磁道数，柱面号就是磁道。,读写过程,信息存储在磁盘片上，由磁头读出或写入，硬盘机通电后，盘片髙速旋转，当硬盘从系统接到一个读数据指令后，磁头根据指令中给出的地址，按磁道号产生驱动信号定位，再通过盘片的转动寻找信息所在的扇区，由磁头读取指定位置指定磁道、指定扇区的信息，并传送到硬盘的Ca

20、che中，然后通过硬盘接口实现数据交换。,（3）温彻斯特技术 采用温彻斯特技术的硬盘，通常称为“温盘”。主要特点：磁盘片组、磁头、主轴以及装载读/写磁头臂的小车等机械精度 要求严格的关键零部件安装在一个密封的壳体内，称为“头盘组件”。平轨磁头浮动块具有质量轻、尺寸小、浮力轻的特点，可同盘 片作接触启停，盘片不转时磁头与磁盘接触，当磁盘达到一定转速 时，浮动块浮起，当磁盘的转速降到一定値时，浮动块经过一段滑 行后，降落到磁盘盘面；,（4）硬盘驱动器的性能参数 磁盘记录密度 分为道密度和位密度，,道密度：指沿磁盘盘片直径方向单位长度内的磁道数。其单位是 道/英寸(TPI)或道/毫米（TPM)。位密

21、度：指磁盘磁道上单位长度内存储的数据位数。单位为位/英寸（bpi）或位/毫米（bpm）。位密度Db可按下式计算：Dbfidmin 其中，fi为每道的总位数,dmin为磁道同心圆的最小直径。,平均访问时间 指从起始位置到达指 定位置所需的全部时间。包括两部分时间：平均寻道时间Tsa:磁头从起始位罝到达目标磁道位置的时间；平均等待时间Twa:从该磁道上找到要读/写的数据扇区所需时间;,平均访问时间Ta 为：Ta Tsa Twa(TSmaxTSmin)2(TwmaxTwmin)2,数据传输率 指硬盘读写数据的速度。包括内部数据传输率和外部数据传输率。内部数据传输率 主要取决于硬盘的旋转速度 RD V

22、 式中,D为位密度,V为速度，单位是Mb/s或MB/s。外部数据传输率 表示系统总线与硬盘缓冲区之间的数据传输 率，取决于接口的类型和硬盘缓存的大小，又称为突发数据传输 率或接口传输率。单位是MB/s。通常硬盘的内部数据传输率小于外部数据传输率。,转速 主轴转速，硬盘盘片每分钟转动的圈数。单位是rpm（圈数/每分 钟）。目前主流硬盘机的转速一般为5400rpm和7200rpm。硬盘缓冲存储器（缓存）硬盘机中的缓存用来缓冲速度差以及实现数据预存取功能。目前主流硬盘机的缓存一般在2MB以上，,7.2.2.磁带存储器 1、概述 磁带存储器是将数据信息以磁记录方式记录在磁带上的存储设备。磁带存储器存储

23、量大、磁带体积小、可脱机保存、可反复读写、可靠性高、成本低；磁带机采用顺序存取，存取数据必需从头开始，存取速度慢；常用作计算机系绕的后援存储设备将硬磁盘上大量暂时不用的 数据成批地转存入磁带，脱机保存，可用作系统备份。磁带采用涤纶（聚脂树脂）材料作带基，表面涂上一层-Fe2O3和 CrO2磁性材料。磁带宽度从0.15英寸0.5英寸，磁道数有2、4、7、9、11和18道，常用的是9道。,2、磁带数据记录格式 磁带数据以始端标记BOT打头，以末端标记EOT收尾，磁带数据记 录格式如图所示。,图中G为数据初始和结尾的间隔，g为记录块间的间隔，*表示带标，用于卷头、索引、文件头标、文件尾标之间的特殊记

24、录标记。,3、磁带机的读写 读写示意图,磁带安装在主屏蔽板和磁鼓之间，磁带机有读、写两个磁头安装在 磁鼓上，分别用于信息读出与写入。一个抹头用于抹除磁带中要擦除 的信息。有的磁带机在磁鼓上位于读写磁头之间设置了伺服头，用于 磁道的定位调整。,4、磁带机的性能指标 磁带宽度：磁带宽度与磁道数有关，计算机用的磁带宽度有0.5英 寸、0.25英寸、0.15英寸等；磁道数：标准磁带机在磁带宽度方向并行排列多个磁头，每个磁头 对应一个磁道。常见的有2、4、7、9和11；记录密度：磁道上单位长度能存储的数据位数，以bpi为单位。存储容量：一盒磁带能存储的最大容量，一般为几十MB几十GB 之间；磁带速度：磁

25、带在单位时间内相对于磁头移动的长度；数据传输率：磁带机向主机提供数据的速度，数据传输率除与记录 密度和磁带速度有关外，还取决于磁带机同主机的接口。,7.2.3 光盘存储器 光盘存储器主要特点是：存储容量大、可靠性高，只要存储介质不 发生问题，光盘上的数据就可长期保存，目前已成为计算机不可或缺 的存储设备之一。1、光盘读/写原理 利用激光束在光盘记录表面上存储信息。对于CD-ROM和CD-WO 的光盘：写入时，激光束聚焦成直径为12m的微小光点，产生热量融化光 盘表面上的碲合金薄膜，在薄膜上形成小凹坑，表示“1”，无凹坑，表示“0”。读出时，在读出光束照射下，有凹坑处和无凹坑处反射的光强是不同

26、的，可以读出“0”和“1”两种信息。鉴于读出光束功率极小，仅为写入光 束的1/10，因此不会产生新的凹坑。,2、光盘存储器的组成 由光盘盘片、光盘驱动器和光盘控制适配器组成。（1）光盘片：基片材料一般采用聚甲基丙烯酸甲脂一种耐热的有机 玻璃，盘片上涂上一层记录介质，CD-ROM采用掺入适量Se（硒）、Sb（锑）等元素的Te（碲）；CD-WO 采用稀土铁族系磁材料。（2）光盘驱动器 光盘驱动器是读写光盘的基本设备，有只读型光盘驱动器和可擦 写光盘驱动器，目前使用的大都是即CD-ROM驱动器。光盘驱动器的组成有：光学头：从光盘盘片中读出信息和向光盘上写入新的信息；光学系统：激光器产生的光束经光束分

27、离器，90%的光束用作写 入光束，写入光束在调制器中经调制信号调制后变成记录光束，由,聚焦系统射向光盘记录信息；10%的光束作为读出光束，读出光束 首先经几个反射镜射到光盘盘片上，读出光信号再经光敏二极管输 出。采用了3个伺服系统：聚焦伺服系统，其作用是将激光束的焦点聚焦在光盘的信息面上。径向道跟踪伺服系统，其作用是将聚焦光束射到光盘的光道上。光盘转速控制系统。这三个伺服系统紧密配合，光学头获得正确稳定的信号，经过数据 格式化，成为PC机可识别的数据，存入缓冲存储器中，利用中断送 给PC机。寻道定位机构、主轴驱动机构,（3）光盘控制适配器 计算机同光盘驱动器之间的接口电路；转换计算机和光盘之间

28、的信息格式；协调计算机同光盘驱动器之间的速度差异；主要由数据输入缓冲器、记录格式器、编码器、译码器、读出格式 器以及数据输出缓冲器等组成。,（4）CD-ROM驱动器的主要指标 平均数据传输率 表示驱动器连续读取大量数据的速度，是一个 最重要的指标。单位为KB/s、MB/s，速度越高，灵敏度也越高。平均寻址时间 驱动器随机寻找光盘上的任意位置的数据所需要 的时间。单位是ms。缓冲器容量反映了驱动器的响应速度和突发数据传输率的快慢，表示光盘驱动器瞬时最大数据吞吐量，采用较大的缓存，可改善播放 视频图像的播放效果。,格式的兼容性 指驱动器能使用哪些格式的光盘；接口标准 指CD-ROM驱动器与主机连接

29、线的定义标准。常用3种接口：小型计算机系统接口（SCSI）一种通用接口，SCSI母线上接的主机适配器和外设控制器的总 数不超过8个，SCSI母线上的设备没有主/从之分，不同类型的外 设接到计算机系统时，无需修改通用的软、硬件，便于系统集成。该接口是一种智能的设备接口，需要专门的接口卡。集成驱动器电子电路接口（IDE）IDE接口卡直接插入计算机的扩展槽中即可使用。IDE接口卡只 能驱动2个驱动器。一般而言，若已有1个硬盘驱动器，再在同一 电缆上加1个CD-ROM驱动器，则通常指定硬盘驱动器为主设备，而CD-ROM驱动器为从设备。,专用接口 由各厂家如Sony、Panasonic、Mitsumi等

30、按自 己规定的标准制定，引线数不同，接口线定义不同，兼容性差，需专用控制卡，无法同低价的PC机方便地相连。,3、光盘的种类和标准 根据性能和用途的不同CD可分为只读型光盘（CD-ROM）可记录 光盘（CD-R）和数字视盘（DVD）3大类：,光盘,只读型光盘（CD-ROM）,激光唱盘（CD-DA）CD-ROM 激光视盘（CD-V）交互式光盘（CD-I）Photo CD（照像CD）视频CD（V-CD）,可记录光盘CD-R,一次写入多次读出光盘（CDWO）,可擦除光盘（CD-E）,磁光盘（CD-MO）,相变光盘（PCD）,数字视盘DVD,DVD-VIDEO用于记录视频信息DVD-ROM用于记录多媒体

31、信息DVD-AUDIO用于记录更多的音频信息DVD-R用于一次性写入光盘格式的信息DVD-E用于多次擦写的DVD,各种光盘产品规范与标准,7.2.4.U盘存储器 U盘“USB闪存盘”，又称为闪盘和优盘，是基于USB接口、以 闪存(（Flash Memory)为存储介质的和一些外围数字电路连接在电路板 上、无需驱动器的新一代存储设备。,1、闪存（Flash Memory）闪存是一种长寿命的非易失性（在断电情况下仍能保持所存储的数 据信息）的存储器；是电可擦除只读存储器（EEPROM）的改进，能在字节水平上进行 删除和重写而不是整个芯片擦写，更新速度快；,闪存不像RAM（随机存取存储器）一样以字节

32、为单位改写数据，因此不能取代RAM；能够在各种主流操作系统及硬件平台之间作大容量数据存储及交换；存储信息的过程中无机械运动,运行非常的稳定；体积可以做得很小，可以进行热插拔、无外接电源；,2、U盘的基本工作原理和功能（1）基本工作原理 五个组成部分作用：USB端口 负责连接计算机主板，是数据输入或输出的通道；主控芯片 负责各部件的协调管理和下达各项动作指令，并使计算机将U盘 识别为“可移动磁盘”，是U盘的“大脑”；,当U盘被操作系统识别后，用户下达数据存取的动作指令后，主 控芯片按指令进行操作对闪存芯片进行读/写。闪存芯片 是保存数据的实体，其特点是断电后数据不会丢失，能长期保 存；PCB（印

33、刷电路板）底板 负责提供相应处理数据平台，且将各部件连接在一起。外壳封装。,（2）主要的功能数据存储 启动和硬件加密功能 外加硬件 或软件可实现特定功能,输入/输出设备与接口 输入设备 把各种信息（字符、图形、图像、语言以及电信号等）送入计算机处理的设备。输出设备 把计算机的处理结果用人所能识别形式（字符、图形、图像、语音等）表示出来的设备，输入/输出接口简称接口，是使计算机主机同输入/输出设备间能 正确地传送信息的逻辑部件。CPU不能直接和外设之间的连接，必须通过输入输出接口进行相互连 接和数据信息交换。接口的功能:实现数据缓冲 实现数据格式转换、提供外围设备和接口的状态 实现主机与外围设备

34、之间的通信联络控制,7.3 外围设备与主机的定时方式和信息交换 方式,由于外围设备的工作速度差别很大，因此有:定时问题 因主机在同外围设备进行数据传送时，何时通过输入 端口从输入设备读入数据，以及何时通过输出端口向输出设备输出 数据；控制方式 在主机同外围设备的数据传送过程中，要实现二者之 间数据的正确传送;主机对外围设备采用的管理方式，一般有6种方式：,其中1，2，3属于程序控制方式，这三种控制方式和DMA方式是微型 机系统和小型机系统中常用的控制方式，是本节讲述的重点内容，5、6两种用于大型机和服务器，,7.3.1.程序控制传送方式 这类传送方式的特点是以CPU为中心，数据传送的控制来自C

35、PU，通过预先编制好的输入或输出程序（传送指令和I/O指令）实现数据的传 送。这种传送方式的数据传送速度较低，数据的输入输出的响应也较慢，传送路径要经过CPU内部的寄存器。这种传送方式分为无条件传送、查询传送和中断传送。,1、无条件传送方式 又称“同步传送方式”，是最简便的传送方式，它所需的硬件和软件 都较少。外设必须在微处理器限定的指令时间内准备就绪，并完成数据的接 收或发送。,为了保证数据传送的正确性，无条件传送方式仅用于简单的外部 设备。主要用于外设的定时是固定的且是已知的场合。无条件传送方式的接口电路简单，仅要求一个数据端口就能完成接 口功能。CPU与输入、输出设备之间无条件传送方式的

36、接口电路如图 所示。,一个输入端口和另一个输出端口可公用一个端口地址，由和来区分 I/O操作的端口。,2、查询传送方式 又称“异步传送方式”,为保证数据传送的正确进行，CPU必须先对外设进行状态检测。在 外设“准备好”了，再进行数据传送。查询传送过程的步骤如下：通过执行一条输入指令，读取所选外设的当前状态。根据该设备的状态决定程序去向：外设正处于“忙”或“未准备就绪”，则程序转回重复检测外设状态；外设处于“空”或“准备就绪”，则发出一条输入/输出指令，进行 一次数据传送。,（1）查询传送的输入接口电路 CPU与输入设备之间的接口电路图,工作原理 输入设备 将数据传送给CPU时，则输出数据，向接

37、口送出一个选通信号 STB将数据锁存于数据寄存器，同时将准备就绪触发器置1；CPU 检测设备准备就绪状态，即读取状态字，判断相应的RDY位：若RDY=1，表示输入的数据已输入到数据寄存器中，表明设备已 准备就绪；若RDY=0，表示设备未准备就绪，则CPU继续检测，CPU处于等 待状态。RDY=1时，执行输入指令读取数据寄存器中的数据，同时把准备 就绪触发器清除为0，以便开始下一个输入数据的传送过程。,查询传送的输入接口的程序流程图,（2）查询传送的输出接口电路 CPU与输出设备之间的接口电路图：,工作原理 输出设备 当输出设备把CPU送来的数据处理完毕之后，将发出一个信号 ACK，使状态触发器

38、状态OBF为“0”，置BUSY信号为空状态（”0”)。以准备下一次传送。CPU 当CPU要输出数据时，首先应读取状态字，检查BUSY和OBF的 状态：若BUSY和OBF状态不同时为低，表示设备未准备就绪，则CPU 继续检测，CPU处于等待状态；若BUSY和OBF状态同时为低，CPU将代码输出到数据锁存器中，同时置触发器OBF状态为“1”，并且CPU通过控制寄存器发一个脉冲 通知输出设备。,查询传送的输出接口的程序流程图,3、中断传送方式 无条件传送和查询传送的缺点是：CPU和外设只能串行工作，各外设之间也只能串行工作。中断传送方式：利用中断来实现CPU与处设之间的数据传送，使 CPU和外设以及

39、外设和外设之间能并行工作，以提高CPU的工作效率。（1）中断传送发方式工作过程 CPU执行主程序，按需要在程序中安排好在某一时刻启动某一台外 设，然后继续执行主程序；外设 有何CPU进行数据传送的要求并完成数据传送的准备后，向 CPU发出“中断请求”信号；在CPU满足响应中断的条件下，CPU中止现行主程序的执行，转去 执行“中断服务程序”，在“中断服务程序”中完成一次CPU与外设之间 的数据传送，传送完成后仍返回被中断的主程序，从断点处继续执行,主程序。在一定程度上实现了主机和外设的并行工作。如果系统有几台外设同时发出中断请求时，CPU可以根据预先安排 好的优先顺序，按轻重缓急处理几台外设同C

40、PU的数据传送，可在一 定程度上也可实现几个外设的并行工作。（2）中断传送方式的接口电路 中断传送方式的输入接口电路图,工作原理（1）当输入设备准备好一个数据后，发出选通信号STB，将8位数据 送入锁存器U1，同时将中断请求触发器U2“1”，同时使IBF状 态为1；（2）若系统允许该设备发出中断请求，则中断允许触发器U3已置“1”，通过与门U7向CPU发出中断请求信号 INTR；（3）在CPU开中断的情况，在现行指令结束后，CPU响应该设备的 中断请求，执行中断响应总线周期,发出中断响应信号；（4）外设把一个字节的中断类型码(中断识别码)送上数据总线；（5）CPU根据该中断识别码转而去执行中断

41、服务程序，打开三态缓 冲器U4读入数据，同时复位中断请求触发器U2，并使IBF状态 为0，中断服务完成后，再返回被中断的主程序。,程序控制方式的缺点是传送数据往往不能满足某些外设要求高速而 大量地传送数据的要求。中断方式中：每传送一个字节（或一个字）就得从主程序转去执行中断服务程序，在中断服务程序 中要做好现场保护和恢复现场；在程序控制方式中数据传送过程始终受CPU的干预，CPU都需要取 出和执行一系列指令，每一字节（或字）数据都必须经过CPU的累加 器才能输入/输出；,7.3.2.DMA传送方式,DMA是一种不需要CPU干预也不需要软件介入的高速数据传送方式；CPU只启动而不干预这一传送过程

42、；整个传送过程由称为DMA控制器（DMAC）的硬件完成而不需软件 介入。1、DMA操作的基本方法（1）周期挪用 利用CPU不访问存储器的那些周期来实现DMA操作，周期挪用并不减慢CPU的操作，关键是如何识别合适的可挪用的周期，需要复杂的时序电路，而且数据传送过程是不连续的和不规则的。（2）周期扩展,需要进行DMA操作时，时钟电路把供给CPU的时钟周期加宽，而 这加宽的时钟周期内进行DMA操作；使CPU处理速度减慢；CPU时钟周期的加宽是有限制的，一次只能传送一个字节；,（3）CPU的停机方式 最常用、简单的传送方式，大部分DMAC都采用这种方式；传送过程 当DMAC要进行DMA传送时，DMAC

43、向CPU发出DMA请求信 号DREQ；CPU在现行的总线周期（机器周期）结束后，使其地址总线、数据总线和部分控制总线处于高阻状态，从而让出对总线的控制 权，并给出DMA响应信号DACK；DMAC接到信号后，就可对总线进行控制，进行数据传送的控,制工作，直到DMA操作完成；CPU恢复对总线的控制权，继续执行被中断的程序。,2、DMA的传送方式（1）单字节传送方式 在DMA响应信号DACK有效前，DREQ必须保持有效；DREQ在传送过程中一直保持有效，在两次传送之间也必须释放 总线。（2）成组传送方式 若在DACK有效前DREQ一直保持有效时，一个DMA请求可传 送一组信息，一旦DACK有效，不管

44、DREQ是否有效，DMAC一直不放弃总线 控制权，直到整个数组传送完。,（3）请求传送方式 又称查询传送方式；每传送一个字节后，DMAC就检测DREQ，若无效，则挂起；若 有效，继续DMA传送，直到一组信息传送结束或外加信号强制 DMAC中止操作。,3、DMA控制器的基本功能 控制存储器和外设之间高速传送数据的硬件电路，是一种完成直 接数据传送的专用处理器，DMA控制器的基本功能（1）能接受外设的DMA请求信号DREQ，并能向外设发出DMA响应 信号DACK；（2）能向CPU发出总线请求信号（HOLD和BUSRQ），当CPU发出,总线响应信号（HLDA和BUSAK）后能接管对总线的控制权，进入

45、 DMA方式。（3）能发出地址信息，对存储器寻址并修改地址指针；（4）能发出读、写等控制信号，包括存储器和I/O访问信号；（5）能决定传送的字节数，并能判断DMA传送是否结束；（6）能发出DMA结束信号，释放总线，使CPU恢复正常工作。,4、DMAC工作过程（1）工作流程（2）工作示意图,数据总线,（3）电路的工作过程 输入设备准备好一个字节数据时，发出选通脉冲STB，选通U2，通过U2将数据送入“锁存器”U3；另一方面将U1置“1”，作为锁存器 U3的准备就绪信号READY，打开锁存器U3，把输入数据送上数据 总线；U1向DMAC发出DMA请求信号；DMAC向CPU发出HOLD（总线请求）信

46、号，CPU在现行总线周 期结束后给予响应，发出HLDA信号；DMAC接到HLDA信号接管总线控制权，发出DMA响应和地址信 息，并发出存储器写命令，把由U3暂存在系统数据总线上外设输入 数据写到内存，然后修改地址指针，修改计数器、检查传送是否结 束，若未结束，则循环传送直到整个数据块传送完。数据传送完后，DMAC撤除总线请求信号HOLD，在下一个T周 期的上升沿，使HLDA变为无效。,（3）DMA工作波形图,7.3.3.通道传送方式 通道是一个具有输入输出处理器控制的输入输出部件。通道控制器有 自己的指令，即通道指令，能够根据程序控制多个外部设备并提供了 DMA共享的功能。1、典型的通道结构

47、结构如下图所示。采用这种结构的计算机有两种总线：存储器总线 承担CPU与内存、通道之间的数据传输任务；I/O总线（即通道总线）承担输入输出操作任务；,2、通道类型（1）选择通道 一种高速通道。在物理上连接多个设备,但每次只能从中选择一台 I/O设备进行操作，当该设备与内存交换完数据后,才能执行和另一 个设备的数据传送。适合于高速外设，如磁盘、磁带等。选择通道传送方式示意图为：,（2）字节多路通道 一种简单的低速共享通道，用于连接与管理多台低速、中速设备，如键盘、打印机等。这些设备的数据传送以字节为单位，以字节交叉方 式传送信息。每种设备轮流占用一个很短的时间片,不同的设备在各自分得的时 间片内

48、与通道在逻辑上建立不同的传输连接，实现数据的传送。字节多路通道传送方式示意图为：,（3）数组多路通道 数组多路通道适用于高速外围设备，这些设备的数据传输以块为单 位。通道用块交叉的方法，轮流为多个外设服务。具体地说，就是利用为某一台外设寻址的时间去为另一台外设传送 数据。数组多路通道传送方式示意图为：,3、通道的功能（1）接受CPU的输入输出操作指令，按指令要求控制外围设备；（2）从内存中读取通道程序，并执行，即向设备控制器发送各种命令；（3）组织和控制数据在内存与外设之间的传送操作。根据需要提供数据 中间缓存空间以及提供数据存入内存的地址和传送的数据量；（4）读取外设的状态信息，形成整个通道

49、的状态信息，提供给CPU或保 存在内存中。（5）向CPU发出输入输出操作中断请求，将外围设备的中断请求和通道 本身的中断请求按次序报告CPU。,4、通道工作原理 通道是一个具有特殊功能的处理器，它具自己的指令和程序，通 过执行通道程序来实现对数据传送的控制，故通道具有更强的独立处 理数据输入输出的功能。通道通过使用通道指令控制设备进行数据传送操作，并以通道状态 字的形式接收设备控制器提供的外围设备的状态。通道指令也叫通道控制字（CCW），它是通道用于执行输入输出操作的指令，可以由CPU存放在内存中，由通道处理器从内存中取出并执行。通道执行通道指令以完成输入输出传输，通道程序由一条或几 条通道指

50、令组成，也称通道指令链。CPU通过执行输入输出指令以及处理来自通道的中断，实现对通道的管理。来自通道的中断有两种：一种是数据传输结束中断；,另一种是故障中断。通道的管理是操作系统的任务。CPU执行输入输出指令的基本功能主要是启动通道执行通道指令、停止输入输出过程，了解通道和设备的状态以及控制通道的其它一些操作。,设备控制器的作用 是通道对输入输出设备实现传输控制的执行机构：从通道接受通道指令，控制外围设备完成指定的操作；向通道提供外围设备的状态；将各种外围设备的不同信号转换成通道能够识别的标准信号。,5、用于通道的计算机I/O系统结构方式 有两种结构方式：（1）通道结构的I/O处理器方式 I/