最新《计算机组成原理》电子课件第5章输入输出设备与输入输出
2024版《计算机组成原理》ppt课件
《计算机组成原理》ppt课件目录•计算机系统概述•数字逻辑基础•计算机各部件的功能和组成•指令系统•CPU的结构和功能•存储器的层次结构•计算机组成原理的应用和发展01计算机系统概述Part计算机的发展历程第一代计算机（1946-1957）电子管时代，采用电子管作为基本元件，体积大、功耗高、可靠性差。
第二代计算机（1958-1964）晶体管时代，采用晶体管作为基本元件，体积减小、功耗降低、可靠性提高。
第三代计算机（1965-1970）集成电路时代，采用中小规模集成电路，使得计算机体积更小、功耗更低、可靠性更高。
第四代计算机（1971年至今）大规模和超大规模集成电路时代，计算机性能得到极大提升，应用领域不断扩展。
计算机系统的层次结构微程序机器级微指令由硬件直接执行，微程序由微指令构成，用于描述机器指令。
高级语言级用高级语言编写程序，通过编译或解释程序翻译成机器语言程序或汇编语言程序。
传统机器级用微程序解释机器指令系统，提供传统机器级虚拟机器。
汇编语言级用汇编语言编写程序，通过汇编程序翻译成机器语言程序。
操作系统级通过系统调用实现操作系统功能，提供扩展机器。
计算机的性能指标机器字长指CPU一次能处理数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。
字长越长，数的表示范围越大，精度也越高。
存储容量包括主存容量和辅存容量。
主存容量通常以字节为单位，辅存容量通常以位为单位。
存储容量越大，系统能存储的信息就越多。
运算速度用每秒钟所能执行的指令条数来表示，单位通常用MIPS（百万条指令/秒）。
运算速度越快，系统处理任务的能力越强。
02数字逻辑基础Part数制与编码数制的基本概念介绍二进制、十进制、十六进制等数制的基本概念及转换方法。
编码方式详细阐述原码、反码、补码等编码方式及其在计算机中的应用。
数的定点与浮点表示解释定点数与浮点数的表示方法，包括整数和实数的表示。
1 2 3引入逻辑变量和逻辑函数的概念，为后续的逻辑运算打下基础。
计算机组成原理第5章
指令格式
指令字：完整的一条指令的二进制表示 指令字长：指令字中二进制代码的位数
机器字长：计算机能直接处理的二进制数据的位数 指令字长（字节倍数）＝0.5、1、2…个机器字长 定长指令字结构 vs. 变长指令字结构
7
确定指令系统的两种思路
从降低硬件系统构成的复杂程度、提高指令执行 的速度和并行性考虑，确定指令系统时有两种思路： RISC（Reduced Instruction Set Computer）
通常称为精简指令系统的计算机。提供数目较少、格式 与功能简单、运行高效的指令，追求的是计算机控制器实现 简单，运行高速，更容易在单块超大规模集成电路的芯片内 制做出来。指令并行性好。
逻辑与指令 逻辑或指令
XOR
NOT TEST
逻辑异或指令
逻辑非指令 测试指令
SHL（SHift logical Letf） 逻辑左移指令 SHR（SHift logical Right） 逻辑右移指令
ROL（Rotate Left ） 循环左移指令P58
ROR（Rotate Right） 循环右移指令P58 RCL（Rotate Left through Carry） 带进位循环左移 RCR（Rotate Right through Carry） 带进位循环左移
《计算机组成原理》课件
将结果存回内存或寄存器 。
CPU的性能指标
速度
执行指令的速度，通常以MIPS（百万条 指令每秒）表示。
功耗
CPU在工作时的能耗。
集成度
CPU中晶体管的数量和密度。
可靠性
CPU在正常工作条件下无故障运行的概率 。
03
存储器
内存的分类与结构
分类
根据存储介质，内存可以分为RAM（随机存取存储器）和ROM（只读存储器）。RAM又可以分为DRAM（动态 随机存取存储器）和SRAM（静态随机存取存储器）。
谢谢您的聆听
THANKS
《计算机组成原理》ppt课件
CONTENTS
• 计算机系统概述 • 中央处理器 • 存储器 • 输入输出系统 • 总线系统 • 计算机系统可靠性及安全性
01
计算机系统概述
计算机的发展历程
机械计算机时代
1946年第一台电子计算机ENIAC诞生，占地170平方米，重30吨，运算速度5000次/秒。
晶体管计算机时代
20世纪50年代中期至60年代，计算机体积缩小，运算速度提高，可靠性增强。
集成电路计算机时代
20世纪60年代末至70年代初，微处理器出现，个人电脑开始进入市场。
大规模集成电路计算机时代
20世纪70年代中期至今，计算机体积更小，性能更高，应用领域更广泛。
计算机系统的组成
硬件系统
包括中央处理器、存储器、输入输出设备 等物理部件。
结构
内存主要由存储单元阵列、地址译码器和数据输入/输出缓冲器组成。每个存储单元阵列负责存储数据，地址译 码器负责将地址码转换为相应的存储单元的地址，数据输入/输出缓冲器则负责数据的读写操作。
内存的工作原理
《输入输出设备》PPT课件
显然，扫描线越多，分辨率越高。图象也就越清晰。一般每帧有405线， 526线，625线，819线多种，我国电视每帧用625线。显示时只有一个光点在屏 幕上扫描，由于人眼的视觉暂留现象使看见的图象是连续的。
图形显示器通常配有键盘，光笔，数字化仪，鼠标器，CRT显示器和绘 图机等。下面简要介绍图形显示器的基本原理。
在原有的字符显示器上加一块显示图形的逻辑电路板，即可变成简易的 图形显示器；如果配上图形输入板和绘图机，则可构成一种廉价的小型图形处 理系统。
图像显示器
在数字图象处理中，数字图象显示器是最后也是最重要的环节，它可以让 人们通过视觉，更好地理解和解释图象的内容。
为了保证图象有较好的水平与垂直线性，象素长宽比例通常为4：3。 例 如 ， 12 英 寸 彩 色 CRT 的 分 辨 率 为 640*480 个 象 素 ； 14 英 寸 显 示 800*600个象素；16英寸显示1024*768个象素都满足4：3的比例。此外， 某些专用的方形CRT显示分辨率为512*512或1024*1024，甚至4096*4096 个象素。
• 输出设备 1 显示器 2 打印机 针式打印机 激光打印机: 激光扫描技术、电摄影技术 喷墨打印机：“连续射流分解成滴” 3 绘图仪：平台式和鼓式 4 语音输出设备：扬声器、耳机 5 缩微胶卷输出设备
• 外存储设备 1 软盘 2 硬盘 内置硬盘 3 光盘：CD、DVD 4 磁带
盒式硬盘
• 数据通信设备 • 终端设备
图形显示器
图形显示器是用点，线（直线和曲线），面（平面和曲面）组合成要求的 平面或立体图形。同时可以作平移，比例变换，旋转，坐标变换，投影变换（ 把三维图形变换为二维图形），
2024版计算机组成原理说课课件
辅助存储器原理与设计
辅助存储器概述
介绍辅助存储器的概念、作用及分类。
磁表面存储器
阐述磁表面存储器的原理、特点及发展趋势。
光盘存储器
探讨光盘存储器的原理、特点及应用领域。
辅助存储器的设计原理
分析辅助存储器的设计原理，包括记录方式、寻址方式、读写控制等。
高速缓冲存储器（Cache）原理与设计
Cache概述
教学目标与要求
知识目标
掌握计算机硬件系统各部件的组成、工作原理及设计方法； 理解计算机系统层次化结构概念及软硬件界面划分；了解 计算机性能指标及评测方法。
能力目标 培养学生具备分析和设计计算机硬件系统的能力；提高学 生解决实际问题的能力；增强学生的创新能力和团队协作 精神。
素质目标
培养学生的工程素养和职业素养；提高学生的综合素质和 可持续发展能力。
即BCD码，采用四位二进制数表 示一位十进制数，方便进行十进 制数的运算和转换。
非数值数据表示方法
字符数据表示
包括ASCII码和Unicode编码等，用于 表示计算机中的字符信息。
图形和图像数据表示
采用像素矩阵、矢量图形等方式表示 计算机中的图形和图像信息。
逻辑数据表示
采用二进制数中的0和1表示逻辑值 “真”和“假”，用于进行逻辑运算。
常见I/O设备
键盘、鼠标、显示器、打印机、扫描仪、摄像头等。
I/O接口电路设计与应用
A
I/O接口定义
连接CPU和I/O设备的电路，用于实现数据的传 输和控制。
I/O接口功能
数据缓冲、电平转换、时序匹配、中断控 制等。
B
C
I/O接口类型
按数据传输方式可分为并行接口和串行接口； 按功能可分为通用接口和专用接口。
计算机组成原理课件chap5-输入输出
5.2 I/O设备
一、概述
I/O
主 机 接 口 设备 控制器 机、电 磁、光 部分
外部设备
外部设备大致分三类 1. 人机交互设备 键盘、鼠标、打印机、显示器 2. 计算机信息存储设备 磁盘、光盘、磁带 3. 机 机通信设备 调制解调器等 计算机科学与工程系 12
二、输入设备
1. 键盘
5.2
按键
判断哪个键按下 将此键翻译成 ASCII 码 （编码键盘法）
状 态 线
(2) 数据线
(3) 命令线 (4) 状态线
命 设 令 备 线 选 择 线
I/O 接口
设备
计算机科学与工程系 17
2. 接口的功能和组成
功能
选址功能 传送命令的功能
5.3
组成
设备选择电路 命令寄存器、命令译码器
传送数据的功能
反映设备状态的功能 完成触发器 D
数据缓冲寄存器
设备状态标记
工作触发器 B
中断请求
5.5
INTR
D
Q
MASK
INTR 中断请求触发器
来自 CPU 的 中断查询信号
INTR = 1 有请求
MASK 中断屏蔽触发器 MASK = 1 被屏蔽
1 &
Q
D
受设备本身控制
D 完成触发器 计算机科学与工程系
26
2. 排队器
排队 软件 详见第八章
5.5
硬件 在 CPU 内或在接口电路中（链式排队器）
CPU 和 I/O 并行工作
现行程序
启动 I/O设 备
… …
K K+1
中 断 服 务 程 序
没有踏步等待现象 中断现行程序
计算机组成原理课件 第5章输入输出B
第5章输入输出系统5.1 概述5.2 外部设备5.3 I/O 接口555.4 程序查询方式56DMA 5.5 程序中断方式5.6 DMA 方式5.5 程序中断方式55一、中断的概念中断：计算机执行程序过程中，若出现异常情况或者特殊请求，则计算机转向对异常情况或者特殊请求的处理，处理结束后再返回继续执行原程序。
中断提高了计算机的效率和效能。
中断提高了计算机的效率和效能实现中断功能所需的软硬件技术统称为中断技术。
一、中断的概念…中断入口1K 服务K +1…程序1Q中断入口2Q +1…服务程序2二I/O 5.5二、I/O 中断的产生I/O设备与主机交换信息时，由于外设速度低于CPU，CPU启动设备后，需要等待一段时间后才能交换信息，在外设做准备时，CPU继续执行现行程序在外设准备就绪并提出中断请执行现行程序，在外设准备就绪并提出中断请求之后，再暂时中断现行程序，转入I/O服务程序这就产生了中断程序，这就产生了I/O中断。
二、I/O 中断的产生 5.5以打印机为例CPU 与打印机并行工作执行主程序继续执行主程序继续执行主程序响中响应中断中断返回应中断断返回CPU 启动打印机传送数据传送数据发准备发打印打印中断请求中断请求打印机空闲接收数据接收数据5.5采用中断机制原因•低速外设就绪后提出中断请求；•应付突发事件的需要；•实时控制中响应外来信号的需要；•软件中断指令引起的中断为了实现中断，计算机系统中必须配有相应的为了实现中断计算机系统中必须配有相应的中断系统或者中断机构。
为了处理I/O中断，在I/O接口电路中必须配置相应的硬件电路，包括中断请求触发器、屏蔽触发器、排队器、中断向量地址形成部件等。
三、程序中断方式的接口电路程序中断方式接路每台外设配置个中断请求触发器INTR，其值为1每台外设配置一个中断请求触发器INTR，其值为1时表示设备向CPU提出中断请求；只有设备就绪时才能提出中断请求，即完成触发器D状态为1。
第五章 计算机组成原理输入输出分析PPT课件
三、程序中断方式的接口电路
1. 中断请求触发器和中断屏蔽触发器
2. 排队器
3. 中断向量地址形成部件 4. 程序中断方式接口电路
1. 中断请求触发器和中断屏蔽触发器
中断请求
来自 CPU 的 中断查询信号
INTR
D
1
&
Q
MASK
Q
D
受设备本身控制
INTR 中断请求触发器
INTR = 1 有请求
MASK 中断屏蔽触发器
⑤
中断查询
②
启动设备
④
设备工作 结束
③ 输入数据
K K+1
…
入口地址300
PUSH PUSH ….. POP POP IRET
…
中断处理过程：中断请求、中断判优、中断响应、 中断返回、中断返回
五、中断服务程序流程
1. 中断服务程序的流程 (1) 保护现场
程序断点的保护 中断隐指令 寄存器内容的保护 进栈指令 (2) 中断服务 对不同的 I/O 设备具有不同内容的设备服务
K+1
程 序1
…
入口2
Q
中
Q+1
断 服
务
…
程
序2
❖ 中断系统是计算机实现中断功能的软硬件总称。 ❖ （1)CPU中设置中断机构 ❖ （2)外设接口中设置中断控制器 ❖ （3)软件上设置相应的中断服务程序。
二、中断的产生
（1) 适应I/O设备速度低。 （2）异常事件的处理，例如掉电启动备用电源 （3）实时控制领域，及时响应外来信号请求。
由软件产生 入口地址
硬件向量法
由 硬件 产生 向量地址 再由 向量地址 找到 入口地址
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处理机总线
CPU
32MHz 4B~8B
主存
二 总 线
扩展总线 控制线路
结 构
ISA / EISA
8.33MHz
1,2,4B
I/O设备1 I/O设备2 . . . . .
多( 2 或 3 )总线结构
三
-
CPU
处理机总线
66MHz 4B~8B
主存
总 线
PCI BUS PCI桥 33MHz 4B
（3）教学实验步骤
学懂教材中使用串行接口的程序， 学习查询串行口运行状态的方法， 用状态查询方式使用IN、OUT指令。 写出几个小的完成输入/输出操作 功能的程序，具体内容自己确定。
结束语
谢谢大家聆听！！！
31
《计算机组成原理》电子课件第 5章输入输出设备与输入输出
计算机硬件系统
控制器
运算器
第3章
入
第2章
高速缓存
出
主存储器
接 口
输入设备
外存设备
和 总
输出设备
第4章
线
第5章
几个概念及术语
总线周期的类型: 内存读 内存写 外设读 外设写 中断 和 DMA
几个概念及术语
总线周期：正 常 总 线 周 期： 一次地址时间和 一次数据时间 BURST总线周期： 一次地址时间和多次数据时间
有关中断的概念与术语
中断源及分类: 内/外中断
中断优先级 中断请求
禁止(开/关)中断 中断屏蔽
软件中断 中断响应 中断嵌套
有关中断的概念与术语
中段处理过程:
关中断 保存断点和现场
判中断源并转入中断服务程序
开中断
执行中断服务程序
关中断
恢复现场和断点
开中断
返回断点
DMA 的概念与处理
DMA 是在高速外设和 主存储器之间自动成批 传送信息、以尽量减少 CPU 干预的入/出方式.
总线的等待状态：
增加的数据时间被称 为总线的等待状态。 影响系统的运行效率。
单总线和多总线结构
早期的计算机，如 DEC 公司的 PDP-11
只使用一组总线，包括数据总线，
地址总线，控制总线。
其优点是结构简单，成本低廉，
缺点是运行效率低。
总线
CPU
主存
输入 设备
输出 设备
多( 2 或 3 )总线结构
结 构
接快速设备
I/O设备3 ISA / EISA
扩展总线
控制线路
I/O设备4
8.33MHz 接慢速设备
1,2,4B
I/O设备1 I/O设备2 . . . . .
通用可编程接口电路
通用: 能有多种用法与入/出功能
可编程: 能通过指令指定接口的功能 和运行控制参数等
通用可编程接口电路
接口内的组成部分: 设备识别线路 数据缓冲寄存器（输入/输出） 控制寄存器 状态寄存器
DMA 卡上应包括
通用接口卡的全部组成部分,
并多出如下内容:
主存地址寄存器，传送字数计数器
DMA 控制逻辑 : DMA 请求
DMA响应
DMA工作方式
DMA优先级及排队逻辑 等
一次完整的 DMA 传送过程
DMA 预处理 CPU 向 DMA 送命令, 如 DMA 方式， 主存地址，传送的字数等， 之后 CPU 执行原来的程序
通用可编程接口电路
中断电路 (中断触发器,中断 屏蔽触发器 等)
电平转换及串行/并 行转换电路等
常用的输入/输出方式
程序直接控制方式(状态循环 查询) 简单，CPU效率低，CPU、外 设串行 程序中断传送方式 CPU利用效率略高，CPU、外 设并行
常用的输入/输出方式
直接内存访问方式 (DMA) 外设直接访问内存， CPU利 用率更高 I / O 通道控制方式 外围处理机方式
DMA 控制在 I/O 设备与主 存间交换数据 准备一个数据, 向CPU发 DMA请求,取得总线控制权， 进行数据传送，修改卡上 主存地址，
修改字数计数器内且 检查其值是否为零, 不为零则继续传送， 若已为零，则向 CPU 发中断请求.
第五章作业
第五章习题中的 第2题， 第 4题，第 9题， 第14题，第15题，第19题 第27题，第29题。
（8个作业题均必做）
附：使用串行接口的教学实验
(1) 教学实验计算机介绍 教学计算机上有串行接口， 8位并行与主机交换信息， 串行地和PC仿真终端通信， 用IN、OUT指令完成入出， 采用状态查询方式工作。
（2）教学实验内容
在教学计算机已有监控程序， 串行口能正常运行，串行口的 端口地址:00(数据),01(状态)， 参照教材上已有的I/O程序例子， 设计用串口完成I/O操作的程序