第1章計(jì)算機(jī)組成與工作原理電子教案

1、主主 編編 劉曉川劉曉川計(jì)算機(jī)組成與工作原理計(jì)算機(jī)組成與工作原理 電子教案電子教案中等職業(yè)學(xué)校教學(xué)用書（電子技術(shù)專業(yè)）中等職業(yè)學(xué)校教學(xué)用書（電子技術(shù)專業(yè)）英文名稱（Computer)，是一種能自動(dòng)、高速進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)值計(jì)算的電子設(shè)備。PC機(jī)的含義：個(gè)人計(jì)算機(jī)，俗稱微機(jī)。CPU含義：中央處理器，將控制器和運(yùn)算器合二為一，是微機(jī)的主要特點(diǎn)。計(jì)算機(jī)發(fā)展的幾個(gè)階段計(jì)算機(jī)發(fā)展的幾個(gè)階段（1 1）運(yùn)算速度快運(yùn)算速度快：目前計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度已達(dá)數(shù)百億次目前計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度已達(dá)數(shù)百億次/秒。秒。（2）精度高精度高：計(jì)算機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)采用二進(jìn)制，數(shù)據(jù)數(shù)位為計(jì)算機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)采用二進(jìn)制，數(shù)據(jù)數(shù)位為64位，可精度到位，可

2、精度到15位有效數(shù)字。位有效數(shù)字。（3）自動(dòng)化能力強(qiáng)自動(dòng)化能力強(qiáng)：計(jì)算機(jī)是由程序控制其操作過程的，能自動(dòng)地、連續(xù)地工作，完成預(yù)定的處理任計(jì)算機(jī)是由程序控制其操作過程的，能自動(dòng)地、連續(xù)地工作，完成預(yù)定的處理任務(wù)。務(wù)。 （4）超強(qiáng)的記憶能力超強(qiáng)的記憶能力：計(jì)算機(jī)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)存儲(chǔ)能力。能力。（5）具有邏輯判斷能力具有邏輯判斷能力：在相應(yīng)程序的控制下，計(jì)算機(jī)具有判斷在相應(yīng)程序的控制下，計(jì)算機(jī)具有判斷“是是”與與“否否”并根據(jù)判斷做出相應(yīng)處理并根據(jù)判斷做出相應(yīng)處理的能力。的能力。計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢1巨型化巨型化為滿足尖端科學(xué)領(lǐng)域的需要，發(fā)展運(yùn)算速度高，功能強(qiáng)的計(jì)算

3、機(jī)為滿足尖端科學(xué)領(lǐng)域的需要，發(fā)展運(yùn)算速度高，功能強(qiáng)的計(jì)算機(jī)2微型化微型化采用更高集成度的超大規(guī)模集成電路技術(shù)將微機(jī)做小，應(yīng)用廣泛采用更高集成度的超大規(guī)模集成電路技術(shù)將微機(jī)做小，應(yīng)用廣泛3網(wǎng)絡(luò)化網(wǎng)絡(luò)化最大的網(wǎng)絡(luò)最大的網(wǎng)絡(luò)Internet將遍布世界各地的計(jì)算機(jī)連在一起，共享資源將遍布世界各地的計(jì)算機(jī)連在一起，共享資源4智能化智能化 我們希望計(jì)算機(jī)應(yīng)有我們希望計(jì)算機(jī)應(yīng)有“觀賞觀賞”、“視聽視聽”、“語言語言”、“學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)”等能力。等能力。5非馮非馮諾依曼式諾依曼式 產(chǎn)生類似人類結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)。生物計(jì)算機(jī)、光子計(jì)算機(jī)、量子計(jì)算機(jī)。產(chǎn)生類似人類結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)。生物計(jì)算機(jī)、光子計(jì)算機(jī)、量子計(jì)算機(jī)。第第1章章

4、微型計(jì)算機(jī)組成概述微型計(jì)算機(jī)組成概述 1.11.1 主機(jī)箱內(nèi)部的組成主機(jī)箱內(nèi)部的組成 1.21.2 輸入輸入/ /輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng) 1.11.1 主機(jī)箱內(nèi)部的組成主機(jī)箱內(nèi)部的組成1.1.1 主機(jī)箱主機(jī)箱 主機(jī)箱分為立式和臥式兩種，兩者沒有本質(zhì)區(qū)別，用戶可以根據(jù)自己的愛好與擺放需要進(jìn)行選擇。 主機(jī)箱的正面配置有各種工作狀態(tài)的指示燈和控制開關(guān)，如電源指示燈、硬盤指示燈、電源開頭、Reset開關(guān)等，同時(shí)還可以看到軟盤驅(qū)動(dòng)器、光盤驅(qū)動(dòng)器等，以便于光盤和軟盤的插入和取出。主機(jī)箱的背面配置有電源插座、各種外設(shè)的接口，用于連接外部設(shè)備，如串行端口、并行端口USB接口、PS/2接口、顯卡接口等。如圖1-2所示

5、。打開主機(jī)箱，可以看到其中包含有主板、CPU、內(nèi)存條、硬盤驅(qū)動(dòng)器、軟盤驅(qū)動(dòng)器、光盤驅(qū)動(dòng)器、電源和各種功能卡（如聲卡、網(wǎng)卡等、顯示卡等）等。如圖1-3所示。 圖圖1-2 主機(jī)箱背面的端口與插口主機(jī)箱背面的端口與插口 圖圖1-3 主機(jī)箱的剖面圖主機(jī)箱的剖面圖 1.1.2 主板 系統(tǒng)主板（Mainboard）又稱作系統(tǒng)板、母板，是微型計(jì)算機(jī)中的核心部件。主板安裝在主機(jī)機(jī)箱內(nèi)，是一塊多層印刷電路板，外表兩層印刷信號電路，內(nèi)層印刷電源和地線。主板上面布滿了各種插槽、接口、電子元件，系統(tǒng)總線也集成在主板上。主板的性能好壞對微機(jī)的總體指標(biāo)將產(chǎn)生舉足輕重的影響。 目前的微型計(jì)算機(jī)主板一般都集成有串行口、并行口

6、、PS/2鼠標(biāo)口、軟驅(qū)接口和增強(qiáng)型（EIDE）硬盤接口，用于連接硬盤、IDE光驅(qū)等IDE設(shè)備，并設(shè)有內(nèi)存條插槽等，如圖1-4所示。 芯片組與主板的關(guān)系就象CPU與整機(jī)一樣，它提供了主板上的核心邏輯，主板所使用的芯片組的類型直接影響主板甚至整機(jī)的性能。主板上的擴(kuò)展插槽是總線的物理表現(xiàn)，是主機(jī)通過總線與外部設(shè)備聯(lián)接的部分。擴(kuò)展插槽的多少反映了微機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展能力。 在主板上，提供有CPU插座。除CPU以外的主要功能一般都集成到一組大規(guī)模集成電路芯片上，這組芯片的名稱也常用來作為主板的名稱。圖圖1-4 微型計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)主板微型計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)主板1.1.3 1.1.3 主板上的主要部件主板上的主要部件 (

7、一一) 微處理器微處理器 微處理器又稱作中央處理器（簡稱CPU），負(fù)責(zé)完成指令的讀出、解釋和執(zhí)行，是微型機(jī)的核心部件。CPU主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器組等組成，有的還包含了高速緩沖存儲(chǔ)器。決定微處理器性能的指標(biāo)有很多，其中主要是字長和主頻。美國Intel公司是世界上最大的CPU制造廠家，該公司制造了Intel X86系列的CPU，其中Pentium系列是目前微型機(jī)中配置的主要CPU系列。除了Intel公司以外，其它較著名的微處理器生產(chǎn)廠家還有AMD公司、Cyrix公司、IBM公司等。CPU如圖1-5所示。 圖圖1-5 CPU (二二) 內(nèi)存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)器 內(nèi)存儲(chǔ)器簡稱內(nèi)存，用來存放CPU運(yùn)行時(shí)

8、需要的程序和數(shù)據(jù)。內(nèi)存分為只讀存儲(chǔ)器（ROM）和隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）兩類，我們平時(shí)所說的內(nèi)存一般指RAM，RAM中保存的數(shù)據(jù)在電源中斷后將全部丟失。由于內(nèi)存直接與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，所以內(nèi)存的存取速度要求與CPU的處理速度相匹配。目前的微型計(jì)算機(jī)的主板大多采用內(nèi)存條（SIMM）結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的主板上提供有內(nèi)存插槽。如圖1-6所示。 圖圖1-6 內(nèi)存條內(nèi)存條 (三三) 輸入輸入/輸出接口輸出接口 輸入/輸出接口是微型計(jì)算機(jī)的CPU和外部設(shè)備之間的連接通道。由于微型機(jī)的外設(shè)本身品種繁多且各自工作原理也不盡相同，同時(shí)CPU與外設(shè)之間也存在著信號邏輯、工作時(shí)序、速度等的不匹配問題，所以微型機(jī)的輸入/

9、輸出設(shè)備必須通過輸入/輸出接口電路與系統(tǒng)總線相連，然后才能通過系統(tǒng)總線與CPU進(jìn)行信息交換。接口在系統(tǒng)總線和輸入/輸出設(shè)備之間傳輸信息，提供數(shù)據(jù)緩沖，以滿足接口兩邊的時(shí)序要求。具體地說，接口應(yīng)具有數(shù)據(jù)緩沖及轉(zhuǎn)換功能、設(shè)備選擇和尋址功能、聯(lián)絡(luò)功能、解釋并執(zhí)行CPU命令功能、中斷管理功能、錯(cuò)誤檢測功能等。微型計(jì)算機(jī)的輸入/輸出接口一般使用大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路技術(shù)做成電路板的形式，插在主機(jī)板的擴(kuò)展槽內(nèi)，常稱作適配器，也稱作“卡”，如聲卡、顯卡、網(wǎng)卡等，如圖1-7所示。 圖圖1-7 顯卡與網(wǎng)卡顯卡與網(wǎng)卡 (四四) 總線總線 總線是微型計(jì)算機(jī)中各硬件組成部件之間傳遞信息的公共通道，是連接各硬件模塊的

10、紐帶，微型計(jì)算機(jī)的各組成部件就是通過系統(tǒng)總線相互連接而形成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的。在微型計(jì)算機(jī)中，總線實(shí)際上可理解為一組導(dǎo)線，是整個(gè)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的“大動(dòng)脈”，對微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能和數(shù)據(jù)傳送速度有極大的影響。在一定時(shí)間內(nèi)可傳送的數(shù)據(jù)量稱作總線的帶寬，數(shù)據(jù)總線的寬度與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的字長有關(guān)。 1.1.4 1.1.4 外存儲(chǔ)器外存儲(chǔ)器 外存儲(chǔ)器是用來長久保存大量信息的存儲(chǔ)設(shè)備，它不能被CPU直接訪問，其中存儲(chǔ)的信息必須調(diào)入內(nèi)存后才能為CPU使用。微型計(jì)算機(jī)的外存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量相對于內(nèi)存大得多，常見的有軟磁盤、硬盤、光盤、移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備等。 1軟盤驅(qū)動(dòng)器軟盤驅(qū)動(dòng)器軟磁盤（簡稱軟盤）是一種表面涂有磁性物質(zhì)的塑料圓

11、盤，并封裝在一個(gè)方形塑料保護(hù)套內(nèi)。軟磁盤驅(qū)動(dòng)器是一種對軟磁盤上數(shù)據(jù)進(jìn)行存取操作的設(shè)備，安裝在主機(jī)箱內(nèi)。隨著U盤的普及，軟盤的使用越來越少。2硬盤硬盤硬磁盤由硬質(zhì)的合金材料構(gòu)成的多張盤片組成，硬磁盤與硬盤驅(qū)動(dòng)器作為一個(gè)整體被密封在一個(gè)金屬盒內(nèi)，合稱為硬盤，硬盤通常又固定在主機(jī)箱內(nèi)。硬盤具有使用壽命長、容量大、存取速度快等優(yōu)點(diǎn)。如圖1-10所示。 圖圖1-10 硬盤硬盤 3光盤驅(qū)動(dòng)器光盤驅(qū)動(dòng)器光盤存儲(chǔ)器由光盤和光盤驅(qū)動(dòng)器組成，光盤驅(qū)動(dòng)器使用激光技術(shù)實(shí)現(xiàn)對光盤信息的寫入和讀出。光盤具有體積小、容量大、信息保存長久等特點(diǎn)，是多媒體技術(shù)獲得快速推廣的重要因素。光盤按讀/寫方式分為只讀型光盤、一次寫入型光

12、盤和可重寫型光盤三類。如圖1-11所示。4 4移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備主要有閃存類存儲(chǔ)器和活動(dòng)硬盤。閃存類存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)介質(zhì)為半導(dǎo)體電介質(zhì)，主要有U盤和各種存儲(chǔ)卡?；顒?dòng)硬盤可分為兩類：一類是機(jī)架內(nèi)置式活動(dòng)硬盤，可內(nèi)置于機(jī)箱的5英寸機(jī)架上，硬盤安放在一個(gè)可抽取的硬盤盒中，可抽出并隨意移動(dòng)；另一類是外置式活動(dòng)硬盤，外置于機(jī)箱之外，通過USB接口與主機(jī)連接。 1.2 1.2 輸入輸入/ /輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng) 1.2.1 1.2.1 常見輸入常見輸入/ /輸出接口輸出接口 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中常見的外設(shè)有很多，基本上所有的外設(shè)都是通過主板與主機(jī)進(jìn)行連接的，所以在一塊主板中會(huì)存在各種各樣的外設(shè)接口，如鍵

13、盤、鼠標(biāo)接口，打印機(jī)接口、USB接口和IEEE 1394接口、網(wǎng)線接口，以及音視頻輸出/輸入接口等。下圖1-12給出了一些常見接口具體位置。 1 2 3 7 6 5 4 8 圖圖1-12 常見接口類型常見接口類型 1.2.2 1.2.2 I/O接口的基本概念接口的基本概念 無論外設(shè)采用何種方式與主機(jī)交換信息，都存在以下幾個(gè)問題需要解決：主機(jī)如何從眾多的外設(shè)中找出要與之交換信息的外設(shè)；如何解決異步工作的系統(tǒng)之間的信息交換問題，例如當(dāng)外設(shè)工作速度與主機(jī)速度差異非常大時(shí)，如何使主機(jī)與外設(shè)之間的速度相互協(xié)調(diào)；主機(jī)如何了解外設(shè)的工作情況，如何向外設(shè)發(fā)出控制命令，也是需要考慮的問題。解決以上問題的辦法便是

14、在主機(jī)與I/O設(shè)備之間設(shè)立輸入輸出接口。 接口即I/O設(shè)備適配器，具體是指CPU和主存、外圍設(shè)備之間通過總線進(jìn)行連接的邏輯部件。接口部件在它動(dòng)態(tài)連接的兩個(gè)部件之間起著“轉(zhuǎn)換器”的作用，以便實(shí)現(xiàn)彼此之間的信息傳送。1接口的基本結(jié)構(gòu)接口的基本結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)輸入寄存器數(shù)據(jù)輸入寄存器用于暫存外圍設(shè)備送往CPU的數(shù)據(jù)或在DMA方式下送往內(nèi)存的數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)輸出寄存器數(shù)據(jù)輸出寄存器用于暫存CPU送往外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)或在DMA方式下內(nèi)存送往外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)。 狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器用于保存I/O接口的狀態(tài)信息。CPU通過對狀態(tài)寄存器內(nèi)容的讀取和檢測可以確定I/O接口的當(dāng)前工作狀態(tài)。 控制寄存器控制寄存器用于存放CPU發(fā)

15、出的控制命令字，以控制接口和設(shè)備所執(zhí)行的動(dòng)作，如對數(shù)據(jù)傳輸方式、速率等參數(shù)的設(shè)定，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?dòng)、停止等。 中斷控制邏輯當(dāng)CPU與I/O接口以中斷方式交換信息時(shí)，中斷控制邏輯電路用于實(shí)現(xiàn)外圍設(shè)備準(zhǔn)備就緒時(shí)向CPU發(fā)出中斷請求信號，接收來自CPU的中斷響應(yīng)信號以及提供相應(yīng)的中斷類型碼等功能。 2接口的功能接口的功能 控制-接口靠程序的指令信息來控制外圍設(shè)備的動(dòng)作，如啟動(dòng)、關(guān)閉設(shè)備等。 緩沖接口內(nèi)部設(shè)有緩沖寄存器，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖作用，使主機(jī)與外設(shè)在工作速度上達(dá)到匹配，避免數(shù)據(jù)丟失和錯(cuò)亂。 狀態(tài)-接口監(jiān)視外圍設(shè)備的工作狀態(tài)并保存狀態(tài)信息。狀態(tài)信息包括數(shù)據(jù)“準(zhǔn)備就緒”、“忙”、“錯(cuò)誤”等等，供CPU詢

16、問外圍設(shè)備時(shí)進(jìn)行分析之用。 轉(zhuǎn)換-接口可以完成任何要求的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，主機(jī)與接口間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是數(shù)字信號，但接口與外設(shè)間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式卻因外設(shè)而異，為滿足各種外設(shè)的要求，接口電路中必須實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)格式的相互轉(zhuǎn)換。例如：并一串轉(zhuǎn)換、串一并轉(zhuǎn)換、模一數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)一模轉(zhuǎn)換等。 整理-接口可以完成一些特別的功能，例如在需要時(shí)可以修改字計(jì)數(shù)器或當(dāng)前內(nèi)存地址寄存器。 程序中斷-每當(dāng)外圍設(shè)備向CPU請求某種動(dòng)作時(shí)，接口即發(fā)生一個(gè)中斷請求信號到CPU。 1.2.3 1.2.3 輸入輸入/ /輸出信息傳送控制方式輸出信息傳送控制方式 主機(jī)和外設(shè)之間的信息傳送控制方式，經(jīng)歷了由低級到高級、由簡單到復(fù)雜、由集中管理到各部件

17、分散管理的發(fā)展過程，按其發(fā)展的先后次序和主機(jī)與外設(shè)并行工作的程度，可以分為4種。1程序查詢方式程序查詢方式 程序查詢方式是一種程序直接控制方式，這是主機(jī)與外設(shè)間進(jìn)行信息交換的最簡單方式，輸入和輸出完全是通過CPU執(zhí)行程序來完成的。一旦某一外設(shè)被選中并啟動(dòng)之后，主機(jī)將查詢這個(gè)外設(shè)的某些狀態(tài)位，看其是否準(zhǔn)備就緒？若外設(shè)未準(zhǔn)備就緒，主機(jī)將再次查詢；若外設(shè)已準(zhǔn)備就緒，則執(zhí)行一次I/O操作。這種方式下，CPU通過I/O指令詢問指定外設(shè)當(dāng)前的狀態(tài)，如果外設(shè)準(zhǔn)備就緒，則進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入或輸出，否則CPU等待，循環(huán)查詢。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，只需要少量的硬件電路即可，缺點(diǎn)是由于CPU的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于外設(shè)，因此

18、通常處于等待狀態(tài)，工作效率很低 2中斷處理方式中斷處理方式 在主機(jī)啟動(dòng)外設(shè)后，無須等待查詢，而是繼續(xù)執(zhí)行原來的程序，外設(shè)在做好輸入輸出準(zhǔn)備時(shí)，向主機(jī)發(fā)中斷請求，主機(jī)接到請求后就暫時(shí)中止原來執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)程序?qū)ν獠空埱筮M(jìn)行處理，在中斷處理完畢后返回原來的程序繼續(xù)執(zhí)行。顯然，程序中斷不僅適用于外部設(shè)備的輸入輸出操作，也適用于對外界發(fā)生的隨機(jī)事件的處理。完成一次程序中斷還需要許多輔助操作，主要適用于中、低速外設(shè)。在這種方式下，CPU不再被動(dòng)等待，而是可以執(zhí)行其他程序，一旦外設(shè)為數(shù)據(jù)交換準(zhǔn)備就緒，可以向CPU提出服務(wù)請求，CPU如果響應(yīng)該請求，便暫時(shí)停止當(dāng)前程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)去執(zhí)行與該請求對

19、應(yīng)的服務(wù)程序，完成后，再繼續(xù)執(zhí)行原來被中斷的程序。 3DMA（直接存儲(chǔ)器存?。﹤魉头绞剑ㄖ苯哟鎯?chǔ)器存取）傳送方式 所謂DMA方式就是直接存儲(chǔ)器存取方式（DirectMemoryAccess），也就是說它不像前兩種方式（程序查詢和程序中斷方式）那樣是通過CPU執(zhí)行程序，將外設(shè)的數(shù)據(jù)送入內(nèi)存，或?qū)?nèi)存的數(shù)據(jù)送到外設(shè)輸出，而是直接（不通過CPU）由接口硬件控制系統(tǒng)總線與內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。DMA方式是在主存和外設(shè)之間開辟直接的數(shù)據(jù)通路，可以進(jìn)行基本上不需要CPU介入的主存和外設(shè)之間的信息傳送，輸入時(shí)由外設(shè)直接寫入內(nèi)存，輸出時(shí)由內(nèi)存送至外設(shè)，這樣不僅能保證CPU的高效率，而且能滿足高速外設(shè)的需要。DMA

20、方式只能進(jìn)行簡單的數(shù)據(jù)傳送操作，在數(shù)據(jù)塊傳送的起始和結(jié)束時(shí)還需CPU及中斷系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)處理和后處理。 4I/O通道控制方式通道控制方式 I/O通道控制方式是DMA方式的進(jìn)一步發(fā)展，在系統(tǒng)中設(shè)有通道控制部件，每個(gè)通道掛若干外設(shè)，主機(jī)在執(zhí)行I/O操作時(shí)，只需啟動(dòng)有關(guān)通道，通道將執(zhí)行通道程序，從而完成I/O操作。通道是一個(gè)具有特殊功能的處理器，它能獨(dú)立地執(zhí)行通道程序，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，實(shí)現(xiàn)對外設(shè)的統(tǒng)一管理和外設(shè)與主存之間的數(shù)據(jù)傳送。但它不是一個(gè)完全獨(dú)立的處理器。它要在CPU的I/O指令指揮下才能啟動(dòng)、停止或改變工作狀態(tài)，是從屬于CPU的一個(gè)專用處理器。 一個(gè)通道執(zhí)行輸入輸出過程全部由通道按照通道程序

21、自行處理，不論交換信息多少，只打擾CPU兩次（啟動(dòng)和停止時(shí)）。因此，主機(jī)、外設(shè)和通道可以并行同時(shí)工作，而且一個(gè)通道可以控制多臺(tái)不同類型的設(shè)備。目前，小型、微型機(jī)大多采用程序查詢方式、程序中斷方式和DMA方式；大、中型機(jī)多采用通道方式。 (一一) 程序查詢方式程序查詢方式 輸入輸出操作全部由CPU執(zhí)行程序來完成。例如輸入時(shí)，CPU先執(zhí)行一條啟動(dòng)輸入設(shè)備工作的指令，其后CPU不斷測試設(shè)備狀態(tài)是否完成操作，如果輸入操作尚未完成，CPU執(zhí)行等待及測試指令，如果輸入已經(jīng)完成，則CPU執(zhí)行輸入指令，把設(shè)備數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容取入CPU中，并再次啟動(dòng)設(shè)備，輸入下一個(gè)數(shù)據(jù)。整個(gè)輸入過程是在程序控制下完成的。 I/

22、O傳送數(shù)據(jù)還可分為同步方式和異步方式： 同步方式，當(dāng)I/O設(shè)備的操作時(shí)間是固定不變時(shí)，CPU不需要測試設(shè)備狀態(tài)，按規(guī)定時(shí)間直接訪問設(shè)備即可，這種方式稱為同步方式。 異步方式，又叫查詢方式，在許多情況下，設(shè)備工作與主機(jī)是不同步的，例如機(jī)電式的打印機(jī)與主機(jī)的速度相差幾千倍以上，CPU執(zhí)行I/O操作時(shí)，必須要求設(shè)備是準(zhǔn)備好的，即輸入時(shí)數(shù)據(jù)已由設(shè)備送往設(shè)備的數(shù)據(jù)寄存器，輸出時(shí)上次處理機(jī)送到設(shè)備數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)已由設(shè)備取走輸出完畢。輸入輸出前，CPU必須查詢設(shè)備所處狀態(tài)，設(shè)備準(zhǔn)備好了，CPU才執(zhí)行傳送，設(shè)備未準(zhǔn)備好，CPU就繼續(xù)等待。 設(shè)備是否準(zhǔn)備好，由設(shè)備狀態(tài)寄存器中某一位來表示，這一位通常用READ

23、Y表示，主機(jī)可用讀狀態(tài)寄存器，判斷READY位以查看設(shè)備操作進(jìn)行情況。查詢方式輸入情況的流程如圖1-15所示。 圖圖1-15 查詢方式輸入流程圖查詢方式輸入流程圖 查詢方式輸出時(shí)，CPU必須知道輸出設(shè)備是否空閑，若設(shè)備正在工作，處于忙碌狀態(tài)，其狀態(tài)位BUSY=1，CPU繼續(xù)等待，直到設(shè)備的輸出操作完成，BUSY=0，CPU得知輸出設(shè)備空閑時(shí)，才送入下一個(gè)數(shù)據(jù)。當(dāng)CPU把數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)寄存器后，同時(shí)置狀態(tài)位BUSY=1，表示輸出設(shè)備忙碌，告訴CPU不要再送入新的數(shù)據(jù)，輸出流程圖如圖1-16。 圖圖1-16 查詢方式輸出流程圖查詢方式輸出流程圖 程序查詢方式，亦稱為狀態(tài)驅(qū)動(dòng)方式，其優(yōu)點(diǎn)是控制簡單，缺

24、點(diǎn)是輸入輸出過程中，CPU一直處于等待狀態(tài)，浪費(fèi)CPU很多時(shí)間。解決這個(gè)問題的辦法有兩種： 研制新型的快速I/O設(shè)備； 改進(jìn)傳輸控制方式，例如采用中斷方式等。 (二二) 程序中斷方式程序中斷方式 程序查詢方式雖然簡單，但卻存在著下列明顯的缺點(diǎn)： 在查詢過程中，CPU長期處于踏步等待狀態(tài)，使系統(tǒng)效率大大降低； CPU在一段時(shí)間內(nèi)只能和一臺(tái)外設(shè)交換信息，其他設(shè)備不能同時(shí)工作。 不能發(fā)現(xiàn)和處理預(yù)先無法估計(jì)的錯(cuò)誤和異常情況。 程序中斷方式的思想是：CPU啟動(dòng)設(shè)備后，不再等待設(shè)備工作完成，而是繼續(xù)執(zhí)行原來的主程序(此時(shí)主機(jī)與外設(shè)并行工作)，外設(shè)操作完成后，再向CPU發(fā)出請求，申請主機(jī)為自己服務(wù)，這種請求

25、是隨機(jī)產(chǎn)生的，是程序中事先無法安排的。此時(shí)，主機(jī)應(yīng)該停止執(zhí)行主程序，保存主程序停止時(shí)的指令地址，轉(zhuǎn)來為設(shè)備服務(wù)，服務(wù)完畢，再自動(dòng)返回主程序停止時(shí)斷點(diǎn)，繼續(xù)執(zhí)行原程序，這個(gè)過程稱為中斷。圖1-17為程序中斷方式示意圖。 中斷的處理過程實(shí)際上是程序的切換過程，即從現(xiàn)行程序切換到中斷服務(wù)程序，再從中斷服務(wù)程序返回到現(xiàn)行程序。CPU每次執(zhí)行中斷服務(wù)程序前總要保護(hù)斷點(diǎn)、保護(hù)現(xiàn)場，執(zhí)行完中斷服務(wù)程序返回現(xiàn)行程序之前又要恢復(fù)現(xiàn)場、恢復(fù)斷點(diǎn)。這些中斷的輔助操作都將會(huì)限制數(shù)據(jù)傳送的速度。 圖圖1-18 主機(jī)與設(shè)備并行工作原理圖主機(jī)與設(shè)備并行工作原理圖(三三) DMA方式方式 1DMA方式的提出方式的提出中斷方式

26、利用程序保存和恢復(fù)現(xiàn)場，再加上執(zhí)行中斷服務(wù)程序，占用主機(jī)時(shí)間過多，而高速設(shè)備如磁盤、磁帶等讀出兩個(gè)數(shù)據(jù)之間隔是很短的，如使用中斷控制方式，不但CPU的工作效率很低，而且可能丟失數(shù)據(jù)。因此提出一種新的I/O控制方式直接存儲(chǔ)器訪問方式（Direct Memory Access），簡稱DMA方式，使得設(shè)備與存儲(chǔ)器直接交換數(shù)據(jù)，不再經(jīng)過CPU，不破壞CPU現(xiàn)場，也就不需保護(hù)現(xiàn)場和恢復(fù)現(xiàn)場，DMA控制器代行CPU部分職能，大大加速了數(shù)據(jù)傳輸過程，減少了CPU管理I/O的負(fù)擔(dān)，提高了高速設(shè)備傳送數(shù)據(jù)的可靠性。 2兩類兩類DMA控制器控制器 按DMA控制對象可分為兩類：一種是專用DMA，這種方式速度高，其結(jié)

27、構(gòu)如圖1-19所示 另一種是通用DMA，此時(shí)DMA控制器由幾臺(tái)設(shè)備共用，提高了設(shè)備利用率，但數(shù)據(jù)傳輸速度上受到一定影響，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1-20所示。 圖圖1-19 專用專用DMA方式方式 圖圖1-20 通用通用DMA方式方式 3DMA方式傳送數(shù)據(jù)原理方式傳送數(shù)據(jù)原理 DMA工作過程： 傳送前，CPU利用指令預(yù)置DMA控制器、設(shè)備地址，并啟動(dòng)設(shè)備；預(yù)置主存單元起始地址，指定與設(shè)備交換數(shù)據(jù)的主存單元；預(yù)置交換數(shù)據(jù)的字?jǐn)?shù)，DMA方式傳送數(shù)據(jù)為成批傳送，需預(yù)先指定交換數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)；預(yù)置讀寫控制方式。 CPU執(zhí)行主程序，與設(shè)備并行工作。 輸入設(shè)備操作完成時(shí)設(shè)備已準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)，則向CPU發(fā)DMA請求。 CPU

28、響應(yīng)DMA請求，交出總線控制權(quán)，轉(zhuǎn)入DMA周期。DMA發(fā)出主存單元地址及讀寫控制命令，與主存交換數(shù)據(jù)。DMA控制器與主存每交換一個(gè)數(shù)據(jù)字，其主存地址寄存器加1，交換字?jǐn)?shù)寄存器減1。 DMA控制器占據(jù)一個(gè)總線周期，交換一個(gè)數(shù)據(jù)后交出總線控制權(quán)，并檢查交換字?jǐn)?shù)計(jì)數(shù)器的內(nèi)容是否為“0”，如果不為0，繼續(xù)由設(shè)備取得數(shù)據(jù)（輸入時(shí)）。當(dāng)DMA控制器取得數(shù)據(jù)后，再次向CPU發(fā)出DMA請求。這種交換方式又叫周期竊取方式。 如果DMA控制器中交換字?jǐn)?shù)計(jì)數(shù)器的內(nèi)容為“0”時(shí)，表明這次數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)已經(jīng)完成，DMA向CPU發(fā)中斷請求，進(jìn)行結(jié)束傳輸?shù)奶幚砉ぷ鳎缧ｒ?yàn)，清除設(shè)備等。 (四四) 通道方式通道方式 在大型計(jì)

29、算機(jī)系統(tǒng)中，所連接的I/O設(shè)備數(shù)量多，輸入輸出頻繁，要求整體的速度快，單純依靠主CPU采取程序中斷和DMA等控制方式已不能滿足要求，于是通道控制方式被引入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。1通道的功能通道的功能 接受CPU的I/O指令，按指令要求與指定的外設(shè)進(jìn)行聯(lián)系； 從主存取出屬于該通道程序的通道指令，經(jīng)譯碼后向設(shè)備控制器和設(shè)備發(fā)送各種命令； 實(shí)施主存和外設(shè)間的數(shù)據(jù)傳送，如為主存或外設(shè)裝配和拆卸信息，提供數(shù)據(jù)中間緩存的空間以及指示數(shù)據(jù)存放的主存地址和傳送的數(shù)據(jù)量； 從外設(shè)獲得設(shè)備的狀態(tài)信息，形成并保存通道本身的狀態(tài)信息，根據(jù)要求將這些狀態(tài)信息送到主存的指定單元，供CPU使用； 將外設(shè)的中斷請求和通道本身的中斷請求

30、按次序及時(shí)報(bào)告CPU。 2通道類型通道類型 按照通道獨(dú)立于主機(jī)的程度，可分為結(jié)合型通道和獨(dú)立型通道兩種類型。結(jié)合型通道在硬件結(jié)構(gòu)上與CPU結(jié)合在一起，借助于CPU的某些部件作為通道部件來實(shí)現(xiàn)外設(shè)與主機(jī)的信息交換。這種通道結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，但功能較弱。獨(dú)立型通道完全獨(dú)立于主機(jī)對外設(shè)進(jìn)行管理和控制。這種通道功能強(qiáng)，但設(shè)備成本高。 字節(jié)多路通道字節(jié)多路通道字節(jié)多路通道是一種簡單的共享通道，用于連接與管理多臺(tái)低速設(shè)備，以字節(jié)交叉方式傳送信息。字節(jié)多路通道先選擇設(shè)備A，為其傳送一個(gè)字節(jié)A1；然后選擇設(shè)備B，傳送字節(jié)B1；再選擇設(shè)備C，傳送字節(jié)C1。再交叉地傳送A2、B2、C2所以字節(jié)多路通道的功能好比

31、一個(gè)多路開關(guān)，交叉（輪流）地接通各臺(tái)設(shè)備。A1A1A2A2B2B2B1B1C1C1C2C2通道 選擇通道選擇通道對于高速設(shè)備，字節(jié)多路通道顯然是不合適的。選擇通道又稱高速通道，在物理上它也可以連接多個(gè)設(shè)備，但這些設(shè)備不能同時(shí)工作，在一段時(shí)間內(nèi)通道只能選擇一臺(tái)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，此時(shí)該設(shè)備可以獨(dú)占整個(gè)通道。因此，選擇通道一次只能執(zhí)行一個(gè)通道程序，只有當(dāng)它與主存交換完信息后，才能再選擇另一臺(tái)外部設(shè)備并執(zhí)行該設(shè)備的通道程序。選擇通道先選擇設(shè)備A，成組連續(xù)地傳送A1A2當(dāng)設(shè)備A傳送完畢后，選擇通道又選擇通道B，成組連續(xù)地傳送B1B2再選擇設(shè)備C，成組連續(xù)地傳送C1C2。 通道 A1 A1 A2 B1 B

32、2 C1 C2 A2 B1 B2 C1 C2 數(shù)組多路通道數(shù)組多路通道數(shù)組多路通道是把字節(jié)多路通道和選擇通道的特點(diǎn)結(jié)合起來的一種通道結(jié)構(gòu)。它的基本思想是：當(dāng)某設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，通道只為該設(shè)備服務(wù)；當(dāng)設(shè)備在執(zhí)行輔助操作時(shí)，通道暫時(shí)斷開與這個(gè)設(shè)備的連接，掛起該設(shè)備的通道程序，去為其他設(shè)備服務(wù)。數(shù)組多路通道有多個(gè)子通道，既可以執(zhí)行多路通道程序，即像字節(jié)多路通道那樣，所有子通道分時(shí)共享總通道，又可以用選擇通道那樣的方式成組地傳送數(shù)據(jù)；既具有多路并行操作的能力，又具有很高的數(shù)據(jù)傳輸速率，使通道的效率充分得到發(fā)揮。 1.2.4 1.2.4 外圍設(shè)備外圍設(shè)備 (一一) 鍵盤鍵盤 鍵盤是最重要的字符輸入設(shè)備，其基本組成元件是按鍵開關(guān)，通過識(shí)別所按按鍵產(chǎn)生的二進(jìn)制信息，并將信息送入計(jì)算機(jī)中，完成輸入過程。一般鍵盤盤面分成4個(gè)鍵區(qū)：打字鍵盤區(qū)稱英文主鍵盤區(qū)，或字符鍵區(qū)；數(shù)字小鍵盤區(qū)又稱副鍵盤區(qū)，在鍵盤盤面右側(cè)；功能鍵區(qū)位于盤面上部；以及屏幕編輯鍵和光標(biāo)移動(dòng)鍵區(qū)。 微機(jī)常用84鍵的基本鍵盤和101鍵的通用擴(kuò)展鍵盤。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，鍵盤鍵數(shù)已經(jīng)增加到104、105鍵。鍵盤通過主板上的鍵盤接口與主機(jī)相連。鍵盤基本部件是按鍵開關(guān)。開關(guān)的種類有很多，一般分為觸點(diǎn)式和無觸點(diǎn)式兩類。 (二二) 鼠標(biāo)鼠標(biāo)鼠標(biāo)（mouse）因其外形像一只拖著長尾巴