计算机外围设备.docx
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计算机外围设备
计算机外设
实验要求
掌握各种外设与主机的关系
实验地点
硬件工程实验室
实验内容
分析计算机外设与主机的关系
主机与外部设备的关系主要体现在主机与外部设备的信息交换
主机与外部设备的信息交换
概述:
计数机的输入、输出系统简称为I/O系统。
I/O概念是以主机为中心，将信息从外设传送到主机叫输入，反之叫输出。
I/O系统包括I/O接口，I/O管理部件及有关软件。
I/O接口的作用：
解决主机与外设两个异步工作系统之间的通讯联络问题。
①解决速度匹配问题
②解决信息格式转换问题一个计算机系统的综合处理能力,系统的可扩展性、兼容性和性能价格比、都和I/O系统有密切关系。
本章主要阐述接口的功能、组织结构、工作方式及其在信息交换的几种控制方式，着重讨论中断控制方式。
输入输出的特性
1.异步性：
外设的操作在很大程度上要独立于CPU，不能使用统一的工作节拍。
另一方面外设要与CPU交换数据，对CPU来说是随机的，为了使CPU（主机）与外设充分提高工作效率，则要求I/O操作异步于I/O即使主机和外设并行工作。
2.实时性：
计算机用于现场测试或控制、信号的出现是及时的，不及时处理就有丢失的危险，且计算机一般连接了多台外设，这些外设信息传送速度相当悬殊，传送方式各异，为此，I/O操必须按各设备实际工作速度控制信息流量交换的时刻。
3.独立性：
各种外设发送和接收信息各不相同，且其数据格式及物理参数也极不相同，而主机与它们之间的控制和状态信号是有限的，主机接收和发送数据的格式是固定的。
主机的输入输出不针对某一个设备来设计，应该按照统一的规则制定输入输出，也就是说输入输出与具体设备无关，具有独立性。
接口：
两个不同部件或系统之间的交换部分。
如：
两个硬设备之间的交换装置两个独立程序块之间的交换程序。
接口的主要功能:
1.匹配主机与外设的速度差距
2.实现数据格式的转换
3.传送主机命令
4.反映设备的工作状态
5.识别和指示数据传送的地址
接口组织
接口既要面向主机，又要面向设备，即接口处在主机和外设之间起到桥梁作用。
根据I/O的异步性、实时性和独立性，面向主机的逻辑应按统一标准设计，称此逻辑为接口的标准部分，面向设备的逻辑因设备而异，是非标准的，通常将接口的标准部分简称为接口，接口的非标准称为设备控制器，或适配器。
因此，主机与外设的连接就成为4级连接。
图8.1所示：
主机与外部设备交换信息过程图
设备控制器用于转换接口与设备之间传送的控制信号和数据信号的电平，这种转换是逻辑级的。
转换后的控制信号和数据是非逻辑的,它的电平幅度随设备而定。
设备控制器还可对设备进行辅助控制，如打印机回车、换行、走纸报警等控制。
设备控制器常与设备安装在一起。
接口内部的基本组织有：
1）数据缓冲寄存器（DBR）
2）设备地址识别线路（设备地址译码器），识别主机是否与其通讯。
3）设备状态字寄存器（DSR）和主机命令寄存器
4）数据格式转换线路，进行串/并或并/串传送转换。
5）对外界联络和内部管理的控制逻辑
6）数据地址寄存器和设备地址寄存器
输入输出的连接方式
一.总线式连接方式P187图8.3
结构：
所有设备和接口通过一组总线与计算机通讯，称这组总线为I/O总线，I/O总线含DB、AB、CB。
优点：
使器件和连接线减少，可靠性增强。
接口按标准方式接到总线上，设备的增添或撤除不影响主机的线路结构和功能，方便系统的扩展，方便设备维修。
二．通道连接方式P187图8.4
结构特点：
此方式按3级管理
第1级：
主机管理通道，通道是一种功能较强的接口设备，主机把要完成的任务预先编制的程序，交给通道，并启动通道后,不再管理具体I/O，直到通道任务完成后,主机才进行I/O结束处理。
第2级：
通道管理设备控制器（CU）,通过通道总线与设备控制器连接,由于通道接替了主机许多管理功能,所以通道既可以被看作一个标准的接口,又可以看作一台简易处理机，它象计算机管理I/O总线一样管理通道总线。
第3级：
设备控制器（CU）管理I/O设备,设备控制器可以同时管理1~2台设备。
接口的类型
串行接口
1.串行接口：
接口与设备之间是一位一位地串行传送信息，而接口和主机之间则是按字或字节并行传送。
接口能完成“串”转“并”或“并”转“串”的转换。
2.异步接收发送器（UART）P188图8.5结构:
接收器—接收移位寄存器，接收缓冲寄存器,DA（数据到齐触发器）发送器—发送缓冲寄存器、发送移位寄存器，数据取空触发器（TBE）。
控制部件
3.串行码的传送格式：
P188图8.6由三部分组成：
起始位（1位）数据位（5~8位）终止位（1~2位）空闲位：
两个相邻字符之间的间隔叫空闲位,空闲位为任意长度的高电平，用此空闲时间CPU和UART进行信息处理。
4.工作原理：
接收：
接收器发现起始位，就开始对一个新字符进行接收，当接收计数到第6位（5位码）或第9位（8位码）时，应是一个高电平终止位。
当终止位出现，UART控制部件产生“数据到齐”信号，一方面使接收缓冲寄存器接收数据，一方面将数据到齐触发器（DA=1）,用此向CPU提出发送数据请求，CPU取走数据时又使DA置“0”。
接收缓冲寄存器的作用：
①存储字符信息
②出错时，提供出错信息
并行接口
1.并行接口：
接口与设备、接口与主机之间都是按字节并行传送数据信息。
2.并行接口芯片：
8255A通用的可编程的并行接口。
①结构：
A、B、C三个数据端口（8位）。
其中C口分为上C口，下C口各四位，三个数据端口又分为A组（含A口、上C口）、B组（含B口、下C口）。
控制端口：
它接受CPU的命令，并确定上述三个端口的工作方式。
其工作方式可通过软件编程确定。
所以，称8255为可编程并行接口。
②8255A工作方式:
方式0：
基本的输入、输出工作方式。
A、B、C三个口都可作为并行I/O数据端口。
接口在使用前，必须进行初始化，设置好各端口的工作方式。
方式1：
选通工作方式，端口A、B用作I/O数据口，上C口、下C口分别配合A口、B口工作，以确定其工作状态。
方式2：
只有A口工作在双向I/O方式，此时，B口工作在0方式，C口配合A口工作。
信息交换的控制方式
一.外设的寻址
统一编址法：
存储器映像的外设寻址
单独编址法：
两个地址空间
二.在计算机系统中，主机与外设之间信息交换有四种方式。
1.程序直接控制方式
程序控制的输入/输出方式是指在程序的编制中,利用I/O指令来执行输入/输出的一种方式。
当主机执行到某条指令时，发出询问信号,读取设备的状态,并根据设备状态,决定下一步操作究竟是进行数据传送，还是等待。
其流程图如下页：
2.程序中断控制方式
为了提高CPU的利用率，可利用中断方式来传送数据，如打印机打印字符。
平时CPU不进行查询，而是照旧执行原来的程序（称主程序），当打印机打印好一个字符后，通过接口电路向CPU提出中断申请，若CPU响应，则暂时中断自己的主程序，转去为打印机服务，即输出一个新的数据至打印机的数据端口（称为执行中断服务子程序），让打印机自己慢慢地去打印，而CPU又回去继续快速的执行原来的主程序。
直至打印机又有要求服务的中断申请来到。
CPU再去响应。
这样，就省去了CPU反复查询外设状态的等待时间。
这就是中断方式。
CPU转到中断服务子程序的过程与调用子程序的过程非常相似，所不同的是中断是由外设提出申请，转向中断服务程序，后者是由程序员安排CALL指令去转向子程序。
此方式大大提高了CPU的利用率，从宏观上看，CPU和外设是并行工作的，即数据的输入、输出和CPU的数据处理是同时进行的。
3．直接存储器存取控制方式（DMA）
在上述中断处理方式中，数据的传送仍由CPU通过执行许多指令（包括将断点推入堆栈，保护现场等）来进行的，通常传送一个字节约需几十微秒。
但在要求数据传送速率较高的情况下，如在高速数据采集系统，要求在2~3us内传送一个字节，上述方法已不再适用。
为此，可采用DMA方法。
它是利用硬件（DMA控制器）使数据在外设与内存之间直接进行传送，而不通过CPU程序的介入。
所以，这是一种有效的快速传送方式。
传送时，首先由外设通过接口向DMA控制器发出申请，于是再由DMA控制器向CPU发出总线请求BUSAK（请求CPU让出对系统总线的控制权），CPU作出总线响应BUSAK后，总线就由DMA控制器接管，于是DMA控制器就发出存储的起始地址与读写命令等，控制数据经数据总线在外设与存储器之间直接传送，直至完毕。
其优点：
是速度高、适应于高速的外部设备。
缺点：
需要额外的DMA控制器，电路较复杂，成本高。
4.通道方式
通道方式利用了DMA技术，再加上软件，形成一种新的控制方式。
通道有指令系统，能执行程序，它的独立工作能力比DMA强。
能对多台不同类型的设备统一管理，多个设备同时传送信息。
程序直接控制方式
程序直接控制方式的基本思想是CPU执行一段输入输出程序，就用其中一条指令查询设备状态，如果设备的数据传送没有准备好，就重复执行询问指令，一直到设备准备好为止。
程序查询方式—由主机控制输入输出过程
设备接口的结构：
设备状态字：
设备所有状态的集合称为设备状态字（DSW）。
设备的每一种状态由一个触发器表示，这些触发器连在一起就是设备状态字寄存器（DSR）—设备在接口中。
CPU处理过程:
信号传输过程：
主机中的程序状态字（PSW）：
表示CPU在执行程序时的当前状态。
例如某小型机的接口中设备状态字，有关位的含义为：
其中：
第0位（S）启动位。
S=1启动设备，启动后S自动为0
第6位中断允许位：
I=1允许设备提出中断请求，I=0禁止中断请求。
第7位（R）准备好位，R=1设备处于准备好状态，可以进行数据传送；R=0设备尚未准备就绪。
第11位（D）忙位，D=1表示设备在传送数据，D=0表示设备传送完数据。
第15位（E）出错位，设备出错时E=0。
输入输出管理程序举例
假设该机从某个设备输入一批数据到主存指定区域，
程序如下:
MOV#CONT，R0； 将数据量计数值CONT送入R0
NEGR0； 计数值变为负数，以便用加1方法计数。
MOV#ADDR，R1； 将主存中数据缓冲区首址ADDR送R1
LOOP:
INCDSRX； DSRX为某设备状态寄存器，启动设备
WLOOP：
TSTBDSRX； 测试设备状态。
BPLWLOOP； 判第7位R,若R=0,则转WLOOP继续测试。
MOVDBRX，+（R1）； 否则将接口中数据缓冲存储器DBRX中数据送入由R1指示的主存单元。
然后R1内容增长。
INCR0； 修改计数器
BNELOOP; 判计数值是否到0,若不为0,传送尚未完成转
LOOP。
CLRDSRX； 传送全部完毕，清除DSRX，输入结束。
程序直接控制方式的接口
结构：
由数据缓存器DBR、地址译码器、设备状态字寄存器DSR和有关控制逻辑等组成，如图8.9所示。
例PDP—11主存、外设统一编址，访问接口中的数据缓存器DBR和设备状态字寄存器DSR就像访问主存的存储单元一样。
图8.9地址译码器用来识别设备。
图中DBE和DSR分别编上地址，它们的高位地址相同。
读/写操作
如图8.9所示
接口例子：
程序中断控制方式
中断的概念
概念：
CPU暂时停下现行程序的执行，转向为临时发生的事件进行处理，处理完后，再返回执行原程序。
中断是一种在发生了一个外部的事件时调用相应的处理程序（或称服务程序）的过程。
中断服务程序与中断时CPU正在运行的程序是相互独立的，相互不传递数据。
一.中断的作用：
1.实现主机和外设并行工作
2.故障的处理
3.实时处理基本概念
二.中断处理中的问题：
（1）设备识别方式
（2）中断处理程序入口地址的形成（3）中断裁决（4）中断屏蔽
三.中断类型
内中断:
发生在主机内部的中断称为内中断
外中断由主机外部事件引起的中断称外中断
中断的例子：
复位，时钟中断，键盘中断，页面失效中断
内部中断（异常处理）：
算术操作异常、非法指令、越权指令、页面失效
外部中断（可屏蔽，不可屏蔽）：
键盘、鼠标、电源
软件中断：
自陷（系统调用）
中断请求的发送与屏蔽
计算机中的中断处理是由中断请求引起的。
一.外设发中断请求如下：
（1）信息传送:
设备完成了一个数据的传送，下一个数据的传送工作已准备好。
（2）设备或接口发生故障:
此时需CPU检查状态并进行相应处理
（3）DMA方式或通道方式:
完成指定量数据的传送，要求CPU进行结束处理工作。
二.中断（可屏蔽）申请的方法
1.中断请求信号IRQ还要受到中断屏蔽触发器INM的控制（INM在各设备中）。
CPU通过程序可以有选择地使一些接口的INM为“1”另一些为“0”。
如：
Z80系统中IFF1、IFF0受EI、DI指令的控制
2.多重中断：
中断服务程序也可以被中断—中断嵌套。
实现方法一：
给CPU及中断请求都设置优先级。
实现方法二：
采用中断屏蔽寄存器，用软件设置灵活的优先级。
中断优先级
优先级：
CPU响应并处理中断请求的先后次序，它根据中断事件的重要性和迫切性而定。
优先级划分原则：
P195
（1）、
（2）、（3）、（4）、（5）
单级处理和多级处理中断（中断嵌套）
单级处理:
不同优先等级的设备同时请求中断时，按照优先级一个一个处理。
多重处理（中断嵌套）：
允许优先级高的中断打断优先级底的中断服务程序。
屏蔽码改变优先等级
屏蔽技术：
CPU送往各设备接口的屏蔽触发器状态的信息集合称为屏蔽码。
CPU通过控制各设备接口的屏蔽触发器状态达到改变处理次序的目的。
例：
分析P196表8.1及图8.15
例假定硬件原来的响应顺序为0→1→2，试设置中断屏蔽字，将中断优先级改为1→2→0。
解：
中断的处理过程
中断响应：
为公操作，将指令计数器和程序状态字寄存器的内容保存到存储器中。
中断识别：
确定中断源，并转向相应的中断服务程序。
保存现场：
在中断服务中实现对有关寄存器内容的保护。
中断服务：
恢复现场：
返回原程序：
中断响应
1.执行完当前指令,若能响应，则进入中断。
2.保护断点：
（返回地址）指令计数器、和程序状态字寄存器进栈（不执行指令）称中断隐指令。
3.自动关中断
中断识别（设备的识别）
一.程序识别P198图8.17（软件查询）
先查询的级别高
二.单线查询法
硬件排队
三.中断向量法
中断向量：
中断服务程序入口地址称为中断向量。
中断向量在主存中的第一个单元地址称为向量地址。
每个中断源都有一个中断向量和向量地址。
中断向量法：
CPU响应中断后，中断硬件机构自动将向量地址送入CPU，CPU实现程序切换，这种方法称为中断向量法。
向量中断：
采用中断向量法的中断叫向量中断。
中断优先权编码电路（VIPE）：
其功能是--按照优先级次序选择提出中断请求的最优设备。
而且将该设备向量地址送入CPU
中断服务和中断返回
中断输入输出方式的接口
DMA方式
一.基本概念
目的 减少大批量数据传输时CPU的开销。
方法 采用专用部件生成访存地址并控制访存过程。
传输过程 预处理数据传输后处理
DMA传送方式
问题：
访存冲突
解决方法：
CPU等待DMA。
DMA乘存储器空闲时访问存储器（周期挪用）。
CPU与DMA交替访问存储器（透明方式）。
DMA控制流程：
DMA控制器结构—基本结构
DMA与CPU的连接：
通道方式
通道概念
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，即通道命令，能够根据程序控制多个外部设备并提供了DMA共享的功能。
通道的功能：
1.接受CPU的指令。
2.读取并执行通道程序。
3.控制数据传送。
4.读取外设的状态信息，提供给CPU。
5.发出中断请求。
通道的类型
一.字节多路通道
二.选择通道
三.数组多路通道
性能指标：
流量（吞吐率）
字节多路通道的极限流量应大于所接外设的字节传送速率之和；其他两种通道的极限流量应大于所接外设中字节传送速率最大的设备。
主要外围设备
键盘是最常见的计算机输入设备，它广泛应用于微型计算机和各种终端设备上。
计算机操作者通过键盘向计算机输入各种指令、数据，指挥计算机的工作。
计算机的运行情况输出到显示器，操作者可以很方便地利用键盘和显示器与计算机对话，对程序进行修改、编辑，控制和观察计算机的运行。
扫描仪scanner是一种计算机外部仪器设备，通过捕获图像并将之转换成计算机可以显示、编辑、存储和输出的数字化输入设备。
对照片、文本页面、图纸、美术图画、照相底片、菲林软片，甚至纺织品、标牌面板、印制板样品等三维对象都可作为扫描对象，提取和将原始的线条、图形、文字、照片、平面实物转换成可以编辑及加入文件中的装置。
打印机将计算机的运算结果或中间结果以人所能识别的数字、字母、符号和图形等，依照规定的格式印在纸上的设备。
打印机正向轻、薄、短、小、低功耗、高速度和智能化方向发展。
种类很多，按打印元件对纸是否有击打动作，分击打式打印机与非击打式打印机。
按打印字符结构，分全形字打印机和点阵字符打印机。
按一行字在纸上形成的方式，分串式打印机与行式打印机。
按所采用的技术，分柱形、球形、喷墨式、热敏式、激光式、静电式、磁式、发光二极管式等打印机。
摄像头（CAMERA）又称为电脑相机，电脑眼等，是一种视频输入设备，被广泛的运用于视频会议，远程医疗及实时监控等方面。
普通的人也可以彼此通过摄像头在网络进行有影像、有声音的交谈和沟通。
另外，人们还可以将其用于当前各种流行的数码影像，影音处理。
移动硬盘（MobileHarddisk）顾名思义是以硬盘为存储介质，计算机之间交换大容量数据，强调便携性的存储产品。
市场上绝大多数的移动硬盘都是以标准硬盘为基础的，而只有很少部分的是以微型硬盘（1.8英寸硬盘等），但价格因素决定着主流移动硬盘还是以标准笔记本硬盘为基础。
因为采用硬盘为存储介制，因此移动硬盘在数据的读写模式与标准IDE硬盘是相同的。
移动硬盘多采用USB、IEEE1394等传输速度较快的接口，可以较高的速度与系统进行数据传输。
截至2009年，主流2.5英寸品牌移动硬盘的读取速度约为15-25MB/s，写入速度约为8-15MB/s。
音响是指除了人的语言、音乐之外的其他声响，包括自然环境的声响、动物的声音、机器工具的音响、人的动作发出的各种声音等。
音响大概包括功放、周遍设备（包括压限器、效果器、均衡器、VCD、DVD等）、扬声器（音箱、喇叭）调音台、麦克风、显示设备等等加起来一套。
其中，音箱就是声音输出设备、喇叭、低音炮等等。
一个音箱里包括高、低、中三种扬声器，三种但不一定就三个。
读卡器（Reader）是一种专用设备。
有插槽可以插入存储卡，有端口可以联接到计算机。
把适合的存储卡插入插槽，端口与计算机相连并安装所需的驱动程序之后，计算机就把存储卡当作一个可移动存储器，从而可以通过读卡器读写存储卡。
按所兼容存储卡的种类分可以分为CF卡读卡器、SM卡读卡器、PCMICA卡读卡器以及记忆棒读写器等，还有双槽读卡器可以同时使用两种或两种以上的卡；按端口类型分可分为串行口读卡器（速度很慢，极少见）、并行口读卡器（适合于早期主板的计算机）、USB读卡器（速度快，使用方便）。
复印机是从书写、绘制或印刷的原稿得到等倍、放大或缩小的复印品的设备。
复印机复印的速度快，操作简便，与传统的铅字印刷、蜡纸油印、胶印等的主要区别是无需经过其他制版等中间手段，而能直接从原稿获得复印品。
复印份数不多时较为经济。
U盘全称“USB闪存盘”，英文名“USBflashdisk”。
它是一个USB接口的无需物理驱动器的微型高容量移动存储产品，可以通过USB接口与电脑连接，实现即插即用。
U盘的称呼最早来源于朗科公司生产的一种新型存储设备，名曰“优盘”，使用USB接口进行连接。
USB接口就连到电脑的主机后，U盘的资料可与电脑交换。
而之后生产的类似技术的设备由于朗科已进行专利注册，而不能再称之为“优盘”，而改称谐音的“U盘”。
后来U盘这个称呼因其简单易记而广为人知，而直到现在这两者也已经通用，并对它们不再作区分，是移动存储设备之一。
耳机是个人音响，它的选择自然是个人问题，任何一个人的经验都是不能推而及广的。
耳机的用途、使用耳机的时间和场所，自己的好恶，耳机的音质都是选择一副适合自己的耳机时所[1]要考虑的。
耳机根据其换能方式分类，主要有动圈方式、动铁方式、静电式和等磁式。
从结构上分开方式进行分类，可分为半开放式和封闭式。
从佩带形式上分类则有耳塞式，挂耳式和头带式。
麦克风学名为传声器，由Microphone翻译而来。
传声器是将声音信号转换为电信号的能量转换器件，也称话筒，麦克风，微音器。
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