本文參考《計算機組成原理(第2版)》(唐朔飛)

I/O 系統基本概念

輸入輸出(I/O)系統

• 外設：輸入 / 輸出裝置是外部裝置，簡稱外設。計算機與外設之間的資訊交換稱為輸入和輸出

I/O 系統發展概況

• 早期階段：I/O裝置種類較少，I/O裝置與主存交換資訊都必須通過CPU
  
  • 分散連線：每個 I/O 裝置都必須配有一套獨立的邏輯電路與 CPU 相連，用來實現 I/O 裝置與主機之間的資訊交換，因此線路十分散亂、龐雜
  • CPU 和 I/O 序列工作 (程式查詢方式)，當I/O裝置與主機交換資訊時，CPU 不得不停止各種運算
• 介面模組和DMA階段：I/O裝置通過介面模組與主機連線，計算機系統採用了匯流排結構
  
  • CPU 和 I/O 並行工作: 中斷 / DMA
• 具有通道結構的階段：
  • 在小型和微型計算機中，採用DMA方式可實現高速I/O裝置與主機之間成組資料的交換，但在大中型計算機中，I/O裝置配置繁多，如果每臺I/O裝置都配置專用的DMA介面，不僅增加了硬體成本，而且為了解決眾多DMA介面同時訪問主存的衝突問題，會使控制變得十分複雜，CPU需對眾多的DMA介面進行管理，同樣會佔用CPU的工作時間，而且因頻繁地進入週期挪用階段，也會直接影響CPU的整體工作效率
  • 因此在大中型計算機系統中，採用I/O通道的方式來進行資料交換
    
  • 通道是用來負責管理I/O裝置以及實現主存與I/O裝置之間交換資訊的部件，可以視為從屬於CPU的一個專用處理器。通道有專用的通道指令，能獨立地執行用通道指令所編寫的輸入輸出程式，同時依據CPU的I/O指令進行啟動、停止或改變工作狀念。依賴通道管理的I/O裝置在與主機交換資訊時，CPU不直接參與管理，故提高了CPU的資源利用率
• 具有I/O處理機的階段：I/O處理機又稱為外圍處理機, 它基本獨立於主機工作，既可完成I/O通道要完成的I/O控制，又可完成碼制變換、格式處理、資料塊檢錯、糾錯… 因此，具有I/O處理機的輸入輸出系統與CPU工作的並行性更高

I/O 介面（I/O 控制器）

• I/O 介面：指 主機（CPU和儲存器）和 外設 的交接部分，在主機與外設之間的邏輯部件；不同的 I/O 裝置都有其相應的裝置控制器，而它們往往都是通過 I/O 介面與主機取得聯絡的
• I/O 介面位於 系統匯流排 (I/O 匯流排) 和 外設 之間
  • I/O 匯流排：多層次匯流排結構中專門負責 I/O 操作的匯流排，命令字、狀態字和中斷型別號全部通過資料匯流排傳輸
• 作用：控制並實現主機與外部裝置之間的資料傳送

介面分類

按資料傳送格式劃分

• 並行介面：介面與系統匯流排、介面與外設均按並行方式傳送資料，適用於裝置本身並行工作，距主機較近的場合
• 序列介面：介面與系統匯流排並行傳送，介面與外設序列傳送
  • 由於介面與主機之間是按位元組或字並行傳送，因此對序列介面而言，其內部還必須設有串-並轉換裝置
  • 適用於裝置本身序列工作，或距主機較遠，或需減少傳送線的情況

---

按時序控制方式劃分

• 同步介面：介面與系統匯流排的資訊傳送由統一時序訊號控制
  • 同步工作要求I/O裝置與CPU的工作速度完全同步
  • 例如，在資料採集過程中，若外部資料以 2400 bps的速率傳送至介面，則CPU也必須以1/2400s的速率接收每一位數
• 非同步介面：介面與系統匯流排的資訊傳送採用非同步應答方式
  • 當 I/O 裝置與主機工作速度不匹配時，通常採用非同步工作方式
  • 這種方式在交換資訊前， I/O 裝置與CPU各自完成自身的任務，採用應答訊號聯絡；一旦出現聯絡訊號， 彼此才準備交換資訊
    
  • 如上圖所示，當 CPU 將資料輸出到 I/O 介面後，接門立即向 I/O 裝置發出一個 Ready 訊號，告訴 I/O 裝置可以從介面內取資料, I/O 裝置收 Ready 訊號後，通常便立即從介面中取出資料，接著向介面同發一個 Strobe 訊號，並讓介面轉告 CPU, 介面中的資料已被取走，CPU 還可繼續向此介面送資料
  • 同理，倘若 I/O 裝置需向 CPU 傳送資料，則先由 I/O 裝置向介面送資料，並向介面發 Strobe 訊號，表明資料已送出。介面接到聯絡訊號後通知 CPU 可以取數，一且資料被取走，介面便向 I/O 裝置發 Ready 訊號，通知 I/O 裝置，資料已被取走尚可繼續送資料

---

按資料傳送控制方式劃分

• 程式控制介面
• 中斷介面
• 直接儲存器存取（DMA）介面 (用於連線高速 I/O 裝置)
• 通道控制

I/O 介面的主要功能

• 定址
  • 接收 CPU 送來的地址碼 (裝置號)，進行地址譯碼，實現 I/O 裝置的選擇
  • 選擇介面中的不同埠（暫存器）供 CPU 訪問
• 快取：對主機與外設交換的資料進行緩衝和鎖存，實現主機與外設的速度匹配
• 狀態：對外設或介面的就緒、忙等狀態資訊實現儲存、應變和傳送
• 控制：通過指令指定裝置或埠的操作
• 中斷：需要時可進行中斷的功能
• 轉換：提供訊號格式轉換或電平轉換等支援

I/O 介面的基本結構

• CPU 和外設之間通常傳遞的資訊：資料、狀態、控制
• 組成：控制邏輯電路、主機與介面和介面與I/O裝置之間的訊號聯接線，即地址線、資料線、控制狀態線
  
  • 資料線是 I/O 裝置與主機之間資料的傳送線，其根數一般等於儲存字長的位數或字元的位數，它通常是雙向的
  • 裝置選擇線 / 地址線：用來傳送裝置碼，它的根數取決於 I/O 指令中裝置碼的位數
  • 命令線：傳輸 CPU 向裝置發出的各種命令訊號， 如啟動、清除、遮蔽、讀、寫等。它是一組單向匯流排，其根數與命令訊號多少有關
  • 狀念線：將 I/O 裝置的狀態向主機報告的訊號線，例如，裝置是否準備就緒，是否向 CPU 發出中斷請求等，它也是一組單向匯流排

I/O 埠 與 編址方式

I/O 埠

• 為使 CPU 能選擇裝置並進行資料傳送，介面中通常都具有多個可由 CPU 進行讀或寫操作的暫存器或電路
• CPU 與 I/O 介面傳遞資訊的型別主要有資料、狀態和控制訊號，對應傳送它們的埠分別為資料埠（I/O）、狀態埠（I）和控制埠（O）

I 和 O 是相對 CPU 而言的

---

I/O 埠的編址

• I/O 埠與儲存器統一編址：把一個外設埠看作儲存器的一個單元，佔用儲存器的地址空間。利用對儲存器的讀寫操作完成資料的輸入和輸出
  • 例如，在 64K 地址的儲存空間中，劃出 8K 地址作為 I/O 裝置的地址，凡是在這 8K 地址範圍內的訪問，就是對 I/O 裝置的訪問
  • 優點：不需要專門的輸入輸出指令； 可使用全部對儲存器操作的指令，指令數量多；埠數量多
  • 缺點：佔用儲存器空間；定址地址線數多,譯碼電路複雜
• I/O 埠獨立編址：計算機單獨給外設埠編址，I/O 埠具有獨立的地址空間。計算機需用控制訊號區分儲存器空間和 I/O 埠空間
  • 優點：I/O 空間較儲存器空間小，地址線少，譯碼電路簡單。不佔用儲存器空間
  • 缺點：要有專用的輸入輸出指令，定址方式少，不靈活

I/O 資料傳送控制方式

• 程式查詢方式、中斷方式、DMA 方式、I/O 通道控制方式

程式直接控制傳送方式

• CPU 執行一段 I/O 程式實現與外設之間資料傳送。該方式是進行資料交換的最簡單的控制方法
  • 無條件傳送：只有在外設總處於準備好狀態採用
  • 程式查詢方式
• 優點：較好協調主機與外設之間的時間差異，所用硬體少
• 缺點：主機與外設只能序列工作；主機一個時間段只能與一個外設進行通訊；CPU效率低

---

工作流程

• CPU 執行初始化程式，預置傳送引數
  • 由於這種方式傳送資料時要佔用 CPU 中的暫存器，故首先需將暫存器原內容保護起來
  • 由於傳送往往是一批資料，因此需先設定 I/O 裝置與主機交換資料的計數值和欲傳送資料在主存緩衝區的首地址
  • CPU 啟動 I/O 裝置
• 從外設介面讀取狀態；當準備就緒時，可進行傳送
  • 對輸入而言，準備就緒意味著介面電路中的資料緩衝暫存器已裝滿欲傳送的資料，稱為輸入緩衝滿，CPU 即可取走資料
  • 對輸出而言，準備就緒意味著介面電路中的資料已被裝置取走，故稱為輸出緩衝空，這樣 CPU 可再次將資料送到介面，裝置可再次從介面接收資料
• 傳送一次資料 (一個字一個字地進行傳送)
  • CPU 執行 I/O 指令，或從 I/O 介面的資料緩衝暫存器中讀出一個資料，或把一個資料寫入 I/O 介面中的資料緩衝暫存器內，同時將介面中的狀態標誌復位
• 修改主存地址和計數引數，判斷結束
  • 若原設定計數值為原碼，則依次減1;若原設定計數值為負數的補碼，則依次加1。若計數值不為0, 表示一批資料尚未傳送完，重新啟動外設繼續傳送；否則結束 I/O 傳送，繼續執行現行程式

---

例
在程式查詢方式的輸入輸出系統中，假設不考慮處理時間，每次查詢操作需要 100 個時鐘週期，CPU 的時脈頻率為 50 MHz。現有滑鼠和硬碟兩個裝置，而且 CPU 必須每秒對滑鼠進行 30 次查詢，硬碟以 32 位字長為單位傳輸資料，即每 32 位被 CPU 查詢一次，傳輸率為 2 MBps。求 CPU 對這兩個裝置查詢所花費的時間比率，由此可得出什麼結論？
解

1. CPU 每秒對滑鼠進行 30 次查詢，所需的時鐘週期數為
   $$100\times 30=3000$$CPU 的時脈頻率為 50 MHz，即每秒 $50\times 10^6$ 個時鐘週期，故對滑鼠的查詢佔用CPU的時間比率為
   $$[3000/(50\times 10^6)]=0.006\%$$可見，對滑鼠的查詢基本不影響 CPU 的效能
2. 對於硬碟，每 32 位被 CPU 查詢一次，故每秒查詢
   $$2MB/4B=512K次$$則每秒查詢的時鐘週期數為
   $$100\times 512\times 1024=52.4\times 10^6$$故對磁碟的查詢佔用 CPU 的時間比率為
   $$[(52.4\times 10^6)/(50\times 10^6)]=105\%$$可見，即使 CPU 將全部時間都用於對硬碟的查詢也不能滿足磁碟傳輸的要求，因此 CPU 一般不採用程式查詢方式與磁碟交換資訊

程式中斷方式

• 中斷: 計算機在執行程式的過程中當出現異常情況或特殊請求時，停止現行程式的執行，轉向對這些異常情況或特殊請求的處埋，處理結束後再返回到現行程式的間斷處，繼續執行原程式
• 中斷源：引起中斷產生的事件或發生中斷請求的來源
• 實質：程式切換
  • 方法：儲存斷點，保護現場；恢復現場，返回斷點
  • 時間：一條指令結束時切換。保證程式的完整性

中斷分類

• 硬體中斷 (由硬體請求訊號引發中斷) 與軟中斷 (由軟中斷指令引發中斷)
• 內中斷 (中斷源來自主機內部) 與 外中斷 (中斷源來自主機外部)
• 可遮蔽中斷 (可通過遮蔽字遮蔽該類請求；關中斷時不響應該類請求) 與 非遮蔽中斷（硬體中斷）(該類請求與遮蔽字無關；請求的響應與開/關中斷無關)

向量中斷 與 非向量中斷

獲得中斷服務程式的入口地址的兩種方法

向量中斷

• 在向量中斷方式中，中斷服務程式入口地址稱為中斷向量；存放所有中斷向量的一段記憶體區域稱為中斷向量表；訪問中斷向量表的地址稱為中斷向量地址
• 向量中斷 就是利用硬體產生向量地址 (中斷向量地址形成部件)，再由向量地址找到中斷服務程式的入口地址
  

也可以在向量地址記憶體放一條無條件轉移指令，CPU響應中斷時，只需將向量地址送至 PC, 執行這條指令，便可無條件轉向中斷服務程式的入口地址

軟體查詢法

• 用軟體尋找中斷服務程式入口地址。CPU 響應中斷時只產生一個固定的地址，由此讀取中斷查詢程式的入口地址，通過軟體查詢程式方式確定被批准的中斷源中斷服務程式地址

中斷的作用和功能

• CPU、I/O 裝置並行工作，提高CPU工作效率
  • I/O 中斷: 只有當 I/O 裝置準備就緒向 CPU 提出請求後，再暫時中斷 CPU 現行程式轉入 I/O 服務程式
    
• 利用中斷來處理故障，提高機器的可靠性
• 人機聯絡
• 實現多道程式和分時操作：多道程式的切換執行需要藉助於中斷系統，也可以通過分配每道程式一個固定時間片，利用時鐘定時發中斷進行程式切換
• 實現實時處理
• 實現應用程式和作業系統的聯絡：可以在使用者程式中安排一條Trap指令進入作業系統，稱之為軟中斷
• 多處理機系統各處理機間的聯絡

---

• 從巨集觀上分析，程式中斷方式克服了程式查詢方式中的 CPU “踏步” 現象，實現了 CPU 與 I/O 的並行工作，提高了 CPU 的資源利用率
• 但從微觀操作分析，發現 CPU 在處理中斷服務程式時仍需暫停原程式的正常執行， 尤其是當高速 I/O 裝置或輔助儲存器頻繁地、成批地與主存交換資訊時，需不斷地打斷 CPU 執行主桯序而執行中斷服務程式

CPU 響應中斷必須滿足的條件

• 中斷源有中斷請求 (中斷請求觸發器 置“1”)，且未被遮蔽
  • 每個中斷源都設定了一個中斷遮蔽觸發器來遮蔽該裝置的中斷請求。置“1’則對應的裝置封鎖；置“0”，允許中斷請求得到響應
• CPU 允許接受中斷請求，即開中斷 (中斷允許觸發器 IF=1 STI)
• 一條指令執行完畢後 CPU 才能響應中斷，並且當前執行的不是停機指令。在指令執行週期結束後，若有中斷，CPU 則進入中斷週期；若無中斷，則進入下一條指令的取指週期
• 無故障、DMA 等優先權更高的請求
  

中斷過程

• 中斷請求（INTR）
  • 中斷源向 CPU 發中斷請求訊號 (裝置欲提出中斷請求時，其裝置本身必須準備就緒)，並將中斷允許觸發器置位，以保持請求狀態\
  • CPU 在任何瞬間只能接受一箇中斷源的請求。所以，當多箇中斷源同時提出請求時，CPU 必須對各中斷源的請求進行排隊，且只能接受級別最高的中斷源的請求，不允許級別低的中斷源中斷正在執行的中斷服務程式。這樣，在 I/O 介面中需設定一個遮蔽觸發器 MASK, 當其為 1 時，表示被遮蔽，即封鎖其中斷源的請求.因此，中斷請求觸發器和中斷遮蔽觸發器在 I/O 介面中是成對出現的
• 中斷響應（INTA）
  • 中斷響應條件滿足時，CPU 就響應中斷，停止現行程式的執行，準備進入中斷處理階段
  • 執行中斷隱指令 (中斷隱指令，即在機器指令系統中沒有的指令，它是 CPU 在中斷週期內由硬體自動完成的一條指令)
    • CPU 響應中斷後，即進入中斷週期。在中斷週期內， CPU 要自動完成一系列操作：保護程式斷點、尋找中斷服務程式的入口地址、關中斷 (確保 CPU 響應中斷後所需做的一系列操作不至於受新的中斷請求的干擾，因此在中斷週期內必須自動關中斷)
    • 上述保護斷點、尋找入口地址、關中斷都是在中斷週期內由一條中斷隱指令完成
• 中斷處理

中斷處理

• 關中斷：由硬體自動實現，因為接下去要儲存斷點，儲存現場。在儲存現場過程中，即使有更高階的中斷源申請中斷，CPU也不應該響應。否則，如果現場儲存不完整，在中斷服務程式結束之後，也就不能正確地恢復現場並繼續執行現行程式
• 保護現場應該包括保護程式斷點和保護CPU內部各暫存器內容
  • 程式斷點 ($PC$) 的現場由中斷隱指令完成
  • 各暫存器內的現場可在中斷服務程式中由使用者（或系統）用機器指令程式設計實現
• 判別中斷源，轉向中斷服務程式：在多箇中斷源同時請求中斷的情況下，實際響應的是優先權最高的那個中斷源
• 開中斷：將允許更高階中斷請求得到響應
• 執行中斷服務程式
• 退出中斷：在退出時，先關中斷，恢復現場，然後開中斷、恢復斷點，返回原程式執行
  • 恢復現場是指在中斷返回前，必須將暫存器內容恢復到中斷處理前的狀態，由中斷服務程式完成

中斷源優先順序判別

• 任何一箇中斷系統，在任一時刻，只能響應一箇中斷源的請求。當某一時刻有多箇中斷源提出中斷請求時，中斷系統必須按其優先順序予以響應，這稱為中斷判優

軟體查詢

• 由測試程式按一定優先排隊次序檢查各個裝置的“中斷觸發器”，查詢的次序即為中斷源優先順序的順序
• 靈活、但轉入服務程式時間較長
  

序列排隊鏈法

• 由硬體確定中斷源；如下圖中，$INT{R}_1、INT{R}_2、INT{R}_3、INT{R}_4$ 優先順序按降序排列
  
• 斷優先順序的響應次序由硬體排隊線路決定。一旦設計完成，系統的優先順序別就決定了，缺乏改變優先權級別的靈活性

---

中斷判優的三種方式

• $IR$：中斷請求輸入線；$IG$：中斷許可輸出線
  

多重中斷

• 單級中斷：在執行中斷服務程式的過程中，如果只能為本次中斷服務，不允許打斷該服務程式。只有在服務程式完成後，才能響應新的中斷請求
• 多重中斷：指多箇中斷源的計算機系統中，每一箇中斷源分配給一個優先順序，按照各自的優先權並以巢狀方式工作的中斷
  • 在處理某一箇中斷的過程中又發生了新的更高階中斷源的中斷申請，且CUP又處於開中斷狀態下，CPU就要中斷該服務程式的執行，在儲存斷點和現場後，轉去響應優先順序更高的中斷請求，並執行新的中斷服務程式
    
  • 關鍵：提前設定開中斷指令 (中斷隱指令會自動關中斷)、 優先順序別高的中斷源有權中斷優先順序別低的中斷源 (可採用遮蔽技術)
    

中斷遮蔽

• 中斷遮蔽：給每個中斷源配置一位遮蔽觸發器，置1表示阻止該中斷源的請求，並將所有的觸發器組成一個中斷遮蔽暫存器，遮蔽暫存器的內容稱為遮蔽字；通過指令可對其設定和修改
  • 在有優先順序中斷遮蔽碼（字）控制的條件下，可以不改變系統排隊線路，靈活設定優先順序，實現多重中斷；因此遮蔽碼可看成中斷處理過程中的軟排隊器
    • 在多重中斷方式中，當CPU響應某個中斷請求後，送出一個新的遮蔽字，以禁止與該請求同一優先順序或更低階優先順序的其它請求。只允許比該請求優先順序高的其它中斷請求提出申請
    • 動態地修改優先順序：硬體排優邏輯所分配的優先順序是固定的，有時要臨時動態的修改優先順序，可利用遮蔽字來臨時調整
      
• 遮蔽技術可改變優先等級
  • 優先順序包含響應優先順序和處理優先順序，響應優先順序指 CPU 響應各中斷源請求的優先次序，這種次序往往是硬體線路設定的，不便改動。處理優先順序是指 CPU 實際對各中斷源請求的處理優先次序
  • 如果不採用遮蔽技術，響應的優先次序就是處理的優先次序
  • 採用了遮蔽技術後，可以在不改變 CPU 響應中斷的次序下，通過改變遮蔽字來改變 CPU 處理中斷的次序。例如，下表中將 $A,B,C,D$ 的響應次序改為 $A,D,C,B$
    

---

例
設某機有 4 箇中斷源, 其硬體排隊優先次序按 1，2，3，4 降序排列，各中斷源的眼務程式中所對應的遮蔽字如下表所示

• 若 4 箇中斷源同時有中斷請求，畫出 CPU 執行程式的軌跡

解

• 當 4 箇中斷源同時有中斷請求時，由於硬體排隊的優先次序是 1，2，3，4, 故 CPU 先響應 1 的請求，執行 1 的服務程式
• 由於在該服務程式中設定了遮蔽字 1101, 故開中斷指令後轉去執行 3 的服務程式，且 3 的服務程式執行結束後又回到 1 的服務程式
• 1 的服務程式結束後，CPU 還有 2、4 兩個中斷源請求未響應。由於 2 的響應優先順序高於 4, 故 CPU 先響應 2 的請求，執行 2 的服務程式；在 2 的服務程式中由於設定了遮蔽字 0100, 因此在開中斷指令之後轉去執行 4 的服務程式， 4 的服務程式執行結束後又回到 2 的服務程式的斷點處，繼續執行 2 的服務程式，直至該程式執行結束
  

例
假設某機有裝置4個外設中斷源，每個中斷源具有不同的優先權。設其中斷源1~4號的優先順序別 (硬體排隊優先順序) 從高到低分別為1→2→3→4的順序。每級對應1個遮蔽碼。下表列出中斷響應優先順序與遮蔽級一致情況下的遮蔽碼

• 開始同時出現裝置2和3中斷請求。按排隊線路，2的優先順序高於3而先響應2
• 執行裝置2的中斷服務程式並保護現場和原遮蔽字後，將2級程式的遮蔽碼0111置入各介面遮蔽暫存器，它遮蔽3和4的中斷請求。此時，4級又提出中斷請求，CPU暫不予理睬
• 執行完2級服務程式後恢復原遮蔽碼，返回主程式後再響應3的請求。3級中斷程式執行完後再響應4級的中斷
• 假若CPU再次執行2級中斷服務程式時，出現了1級中斷請求，由於其遮蔽字0111已置入遮蔽暫存器，對1級中斷是開放的。又因1優先順序高於2，則CPU暫停對2級中斷服務程式的執行，轉去執行第1級中斷服務程式。待第1級中斷服務程式執行完後，再去執行第2級中斷服務程式

例
某計算機有4箇中斷源，可設為4個優先順序，其硬體排隊優先順序從高到低的順序為 $L_0\to L_1\to L_2\to L_3$，對應的中斷遮蔽字為 $M_3{M}_2{M}_1{M}_0$，$M_i=1（0\le i\le 3）$表示對 $L_i$ 級中斷進行遮蔽。現要求將中斷處理從高到低的優先順序順序改為 $L_3\to L_2\to L_0\to L_1$
（1） 每個中斷源優先順序順序未改變前對應的中斷遮蔽字，以及中斷處理程式中需設定的新中斷遮蔽字各是什麼？
（2） 若4箇中斷源同時有中斷請求，請畫出CPU執行程式的軌跡示意圖
解

DMA 方式

• DMA 是 l/O 裝置與主儲存器之間由硬體組成的直接資料通路，DMA 傳送過程不需要 CPU 的干預
  • 在專用硬體 DMA 控制器控制下，生成當前正在傳送的資料的主存地址，並統計傳送資料的個數以確定一組資料的傳送是否已結束。在主存中要開闢連續地址的專用緩衝器，用來提供或接收傳送的資料。在資料傳送之前和結束後要通過程式或中斷方式對緩衝器和 DMA 控制器進行預處理和後處理

---

• 由上圖可見，由於主存和 DMA 介面之間有一條資料通路，因此主存和裝置交換資訊時，不通過 CPU, 也不需要 CPU 暫停現行程式為裝置服務，省去了保護現場和恢復現場，因此工作速度比程式中斷方式的工作速度高
• 主要用於高速 I/O 裝置與主存之間的成批資料傳送；因為高速 I/O 裝置若每次申請與主機交換資訊時，都要等待 CPU 做出中斷響應後再進行，很可能因此使資料丟失

---

與程式中斷方式的比較

• **從資料傳送看，程式中斷方式靠程式傳送，DMA 方式靠硬體傳送
• 從 CPU 響應時間看，程式中斷方式是在一條指令執行結束時響應， 而 DMA 方式可發生在每個機器週期的結束
  
• **程式中斷方式有處理異常事件的能力，DMA 方式沒有這種能力，主要用於大批資料的傳送
• **程式中斷方式需要中斷現行程式，故需保護現場；DMA 方式不中斷現行程式，無須保護現場
• **DMA 的優先順序比程式中斷的優先順序高

DMA 三種工作方式

• 在 DMA 方式中，由於 DMA 介面與 CPU 共享主存，這就有可能出現兩者爭用主存的衝突。為了有效地分時使用主存，通常 DMA 與主存交換資料時採用如下三種方法

獨佔匯流排

• 主機響應 DMA 請求後讓出匯流排，從傳送首字開始直到成組資料傳送完畢， DMA 控制器掌控匯流排不放
• 該方式也稱為成組連續傳送方式，它可減少系統匯流排控制權的交換次數，有利於提高輸入輸出速度。適用於高速外設或單使用者狀態下的個人計算機
• 缺點是 DMA 介面在訪問主存時，CPU 基本處於不工作狀態或保持原狀態。CPU 對主存的利用率並沒得到充分的發揮
  • 因此，採用這種工作方式的 I/O 裝置，在其介面中一般設定有存取速度較快的小容量儲存器。 I/O 裝置與小容量儲存器先交換資料，然後小容量儲存器再與主機交換資料，這樣可減少DMA傳送佔用儲存匯流排的時間，也即減少 CPU 暫停工作時間

CPU 週期挪用

• 每當 I/O 裝置發出 DMA 請求， I/O 裝置便挪用或竊取匯流排佔用權一個或幾個主存週期 (竊取的時間一般為一個存取週期) 來傳送一個字，而 DMA 不請求時，CPU 仍繼續訪問主存
• I/O 裝置請求 DMA 傳送會遇到三種情況
  • 一種是 CPU 此時不需要訪問主存，故 I/O 裝置與 CPU 不發生衝突
  • 第二種情況是 CPU 正在訪問主存，此時必須待存取週期結束 CPU 才能將匯流排佔有權讓出
  • 第三種情況是 I/O 裝置要求訪間問主存時，CPU 也要求訪問主存；這就出現了訪問衝突。此刻， I/O 訪存優先於 CPU 訪問主存，因為 I/O 不立即訪問主存就可能丟失資料，這時 I/O 要竊取一、二個存取週期，意味著 CPU 在執行訪問主存指令過程中插入了 DMA 請求，並挪用了一、二個存取週期，使 CPU 延緩了一、二個存取週期再訪問主存
• 與 CPU 暫停訪存的方式相比，這種方式既實現了 I/O 傳送，又較好地發揮了主存與 CPU 的效率
• 該方式也稱為單字傳送方式

**I/O 裝置每挪用一個主存週期都要申請匯流排控制權、建立匯流排控制權和歸還匯流排控制權。因此，儘管傳送一個字對主存而言只佔用一個主存週期，但對 DMA 介面而言, 實質上要佔 2~5 個主存週期。因此週期挪用的方法比較適合於 I/O 裝置的讀寫週期大於主存週期的情況

交替方式

• 直接訪問儲存器工作方式，與 CPU 輪流使用一個時間片，不需要申請、建立和釋放手續，其匯流排控制權的轉移幾乎不需要什麼時間，具有很高的 DMA 傳送速率
• 這是標準的 DMA 工作方式。如傳送資料時 CPU 正好不佔用匯流排，則對 CPU 不產生任何影響。如同時需要訪問匯流排，則 DMA 的優先順序高於 CPU

DMA 控制器的組成

• 利用 DMA 方式傳送資料時，資料的傳輸過程完全由 DMA 介面電路控制，故 DMA 介面 稱為 DMA 控制器

---

• 主存地址暫存器 ($AR$)
  • $AR$ 用於存放要交換資料的記憶體地址。該暫存器初始值為主存在緩衝區的首地址，在傳送前要由程式送入。主存緩衝區地址是連續的，在 DMA 傳送期間，每交換一個字由硬體邏輯將其自動加 1而成為下一次資料傳送的主存地址
• 請求暫存器：存放 I/O 裝置的 DMA 請求標誌（觸發），能接收並記憶；它在啟動傳送的同時復位，為下一請求做準備
• 字計數器 ($WC$)
  • $WC$ 用於記錄傳送資料的總字數。在 DMA 傳送過程中，每傳送一個字，字計數器自動減1, 直到計數器為0，表示該批資料傳送完畢 ，於是 DMA 介面向 CPU 發中斷請求訊號

**若交換字數以補碼值預置，則每傳送一個字，字計數器加1, 直到計數器為0時，表示該批資料傳送結束

• 資料緩衝暫存器 ($BR$)
  • $BR$ 用於暫存 I/O 裝置與主存傳送的資料。通常 DMA 介面與主存之間採用字傳送，而 DMA 與裝置之間可能是位元組或位傳送。因此 DMA 介面中還可能包括有裝配或拆卸字資訊的硬體邏輯，如資料移位緩衝暫存器、位元組計數器等
• 控制與狀態暫存器（$CSR$）：用來存放控制字和狀態字
  • 各暫存器均有自己的匯流排地址，它們是主存的指定單元或 I/O 裝置號，CPU 可對這些暫存器進行讀／寫
• 中斷控制邏輯：負責申請 CPU 對 DMA 進行預處理和後處理。向 CPU 報告一組資料交換結束 (當字計數器全0 時，表示一批資料交換完畢)
• 控制/狀態邏輯：一般包括裝置碼選擇電路；DMA 優先排隊電路，產生 DMA 請求的線路等；在 DMA 取得匯流排控制權後控制主存和裝置之間的資料傳送（修改兩個計數器、指定傳送功能、協調應答訊號的配合與同步）

DMA 傳送過程

• 預處理、資料傳送、後處理
  

---

例
一個 DMA 介面可採用週期竊取方式把字元傳送到儲存器，它支援的最大批量為 400 個位元組。若存取週期為 $100ns$，每處理一次中斷需 $5\mu s$, 現有的字元裝置的傳輸率為 $9600bps$, 假設字元之間的傳輸是無間隙的，若忽略預處理所需的時間，試問採用 DMA 方式每秒因資料傳輸需佔用處理器多少時間？如果完全採用中斷方式，又需佔用處理器多少時間？
解
根據字元裝置的傳輸率為 $9600bps$, 則每秒能傳輸
$$9600/8=1200B$$若採用 DMA 方式，傳送 1200 個字元共需 1200 個存取週期，考慮到每傳 400 個字元需中斷處理一次，因此 DMA 方式每秒因資料傳輸佔用處理器的時間是
$$0.1\mu s\times 1200+5\mu s\times (1200/400)=135\mu s$$若採用中斷方式，每傳送一個字元要申請一次中斷請求，每秒因資料傳輸佔用處理器的時間是
$$5\mu s\times 1200=6000\mu s$$

I/O 通道控制方式

基本概念

• I/O 通道是具有輸入/輸出處理器控制的輸入/輸出部件，是計算機系統中代替CPU管理控制外設的獨立部件，它是一種能執行有限 I/O 指令集合，即通道命令的 I/O 處理機。能夠根據程式控制多個外部裝置並提供 DMA 共享的功能
  • 通道指令是對具有通道的I/O系統專門設定的指令，屬於通道自身的指令，用來執行I/O操作，可以由管理程式存放在主存的任何地方，由通道從主存中取出並執行
  • 而I/O指令是CPU指令系統的一部分，是CPU用來控制輸入輸出操作的指令，由CPU譯碼後執行。在具有通道結構的計算機中，I/O指令不實現I/O資料傳送，主要完成啟停I/O裝置，查詢通道和I/O裝置的狀態及控制通道所做的其他操作，一旦CPU執行了啟動I/O裝置的指令，就由通道來代替CPU對I/O裝置的管理
• 通道是一種通過執行通道程式管理 I/O 操作的控制器，它使主機與 I/O 操作之間達到更高的並行程度。由於它的任務是管理實現輸入/輸出操作，提供一種傳送通道，所以將這種控制部件稱作通道

通道工作過程

• 啟動通道
• 資料傳輸
• 結束處理
• 這樣，每完成一次輸入/輸出工作，CPU 只需兩次呼叫管理程式，大大減少了對使用者程式的打擾

通道與 DMA 方式的區別

• DMA 控制器完全藉助於專門的硬體控制邏輯實現資料傳送；而通道則是具有特殊功能的處理器，通過執行通道程式與硬體一起完成資料傳送。通道具有更強的獨立處理資料輸入/輸出的功能
• DMA 控制器只能控制一臺或少數幾臺同類裝置；而通道則可以同時控制許多臺同類或不同類的裝置

通道的型別

位元組多路通道

• 以位元組方式輪流為多臺字元類低速和中速外設服務的通道
  • 簡單的共享通道，要求每種裝置分時佔用一個很短的時間片，不同的裝置在各自分得的時間片內與通道建立傳輸連線，實現資料的傳送

選擇通道

• 以成塊方式逐個為優先順序高的多臺高速外圍裝置服務 (選擇通道能連線多個但同時只選擇其中一個 I/O 裝置)
  • 每次只能從所連線的裝置中選擇一臺I/O裝置的通道程式。此刻該通道程式獨佔了整個通道。當它與主存交換完資料後，才能轉去執行另一個裝置的通道程式，為另一臺裝置服務。因此，連線在選擇通道上的若干裝置，只能依次使用通道與主存傳送資料
  • 資料傳送是以資料塊方式進行，每次傳送一個資料塊，傳送速率很高。

陣列多路通道

• 以成組方式工作的高速多路通道。連線多臺高速外設，每次為一臺傳送一個資料塊，並輪流為它們服務。在為一臺高速外設傳送資料的同時，可以有多臺在定位或找扇區
  • 把位元組多路通道和選擇通道的特點結合起來。它有多個子通道，既可以執行多路通道程式，像位元組多路通道那樣，所有子通道分時共享總通道；又可以用選擇通道那樣的方式傳送資料
  • 具有多路並行操作能力，又具有很高的資料傳送速率，贏得了吞吐率的較大提高
  • 缺點是增加了控制的複雜性

通道的基本功能

• 接受 CPU 的 I/O 指令
  • 選擇某一指定外設與系統相連，向該外設發出操作命令，並進行初始化
• 讀取並執行通道程式
• 控制外設與主存之間的資料傳送
• 讀取外設的狀態資訊，並形成和儲存通道本身的狀態資訊，以便提供給 CPU
• 向 CPU 發中斷請求

---

• 通道除了承擔 DMA 的全部功能外，還承擔了裝置控制器的初始化工作，幷包括了低速外設單個字元傳送的程式中斷功能，因此它分擔了計算機系統中全部或大部分I/O功能，提高了計算機系統功能分散化程度

通道結構的發展

• 通道技術的進一步發展，出現了獨立性與功能更強的輸入/輸出處理機（IOP）和外圍處理機（PPU）
  • 通道結構的 IOP：不是一臺獨立的計算機，而是計算機系統中的一個部件。IOP 可以和 CPU 並行工作，提供高速的 DMA 處理能力，實現資料的高速傳送。有些 IOP 還提供資料的變換、搜尋和字裝配/分拆等能力，有較多的I/O指令集。 IOP方式是通道方式的進一步的發展，大多應用在中、大型計算機中
  • 外圍處理機（PPU）：基本上獨立於主處理機工作，結構更接近於一般處理機，或者就是選用已有的通用機。有自己的指令系統，可完成算術/邏輯運算、讀/寫主存、與外設交換資訊等。應用於大型高效率的計算機系統中。在巨型機中，常採用多臺外圍處理機

I/O 裝置

• 外圍裝置：中央處理器和主存構成了主機， 除主機外的大部分硬體裝置都可稱為 I/O 裝置或外圍裝置簡稱外設
  • 輔助（外）儲存器也屬於外設
    
• I/O 裝置大致可分為三類
  • 人機互動裝置
  • 儲存裝置
  • 通訊裝置

輸入裝置

鍵盤

• 按結構原理分：
  • 觸點式：利用機械觸點的分離與閉合判斷電路的通斷，由於磨損、氧化等易產生接觸不良等故障
  • 無觸點式：通過按鍵上下運動使電容的電量發生變化，達到檢測開關的通斷，不存在磨損和接觸不良等問題，且密封組裝有防塵特性
• 按與主機通訊資訊分：
  • 編碼鍵盤：當某個鍵被按下後，能夠提供一個與之相對應的的編碼資訊和一個選通脈衝，可作為CPU的中斷請求訊號。功能全部由硬體完成
    • 例如，下圖中的6位計數器經兩個八選一的譯碼器對鍵盤掃描，若鍵未按下，則掃描將隨著計數器的迴圈計數反覆進行， 一旦掃描發現某鍵被按下，則鍵盤通過一個單穩電路產生一個脈衝訊號。 該訊號一方面使計數器停止計數，用以終止掃描，此刻計數器的值便與所按鍵的位置相對應、該值可作為 ROM 的輸入地址，而該地址中的內容即為所按鍵的ASCII碼。另一方面，此脈衝經中斷請求觸發器向CPU發中斷請求，CPU響應請求後便轉入中斷服務程式，在中斷服務程式的執行過程中， CPU通過執行讀入指令將計數器所對應的ROM地址中的內容，即所按鍵對應的ASCII碼送入CPU；經一段延遲後清除中斷請求觸發器，重新啟動計數器開始掃描
      
  • 非編碼鍵盤：將按鍵排列成行、列矩陣，按鍵只是使相應接點接通或斷開。是用較為簡單的硬體，在程式配合下來識別被按鍵的位置，提供一個與位置相對應的中間程式碼（掃描碼），然後通過專用軟體將其轉換成規定的編碼。即功能由軟體完成

計算機鍵盤常採用電容式無觸點鍵盤，由83~110個鍵組成，排列成16行×8列的長方矩陣，內部由微控制器控制

---

鍵盤的工作原理

• 線性鍵盤
  • 每個鍵對應 I/O 埠的一位，沒有按鍵閉合時，各位均處於高電位；當某鍵被按下時，對應位與地接通，則為低電位。因此，CPU 通過讀入 I/O 埠資料並判斷哪一位為“0”，即可知哪一個鍵被按下，從而轉到相應功能的處理程式去執行
  • 注意按鍵抖動問題；需要進行軟體去抖
    

滑鼠

• 滑鼠：PS/2介面、USB 介面…
• 分類：
  • 機電式：一個外塗橡膠的鋼球，兩對發光、光電管和柵輪組成，進行代表 $X、Y$ 方向的定位和測距
  • 光電式：沒有機械滾動部分，代之以兩對互為直角的光電探測器，分別代表 $X、Y$ 方向進行定位
• 指標 ：解析度、軌跡速度…
  • 解析度：單位 dpi（畫素點/英寸），滑鼠移動 1 英寸所經歷的畫素點數

輸出裝置

顯示器

• CRT-陰極射線管 (Cathode Ray Tube) 顯示器
• LCD-液晶顯示器 (Liquid Crystal Display)
  • 特點：低工作電壓、微功耗、體輕薄，易於實現大畫面顯示，顯示色彩優良等
  • 原理：由影像訊號電壓直接控制薄膜電晶體，再間接控制液晶分子的光學特性實現影像的顯示
  • 組成：電源、光源、控制邏輯和液晶屏（薄膜電晶體和液晶）等
• PDP-等離子顯示器 (Plasma Display Panel)

---

• 重新整理 Refresh：為了使人眼能看到穩定的影像，就必須在影像消失之前使電子束不斷地重複掃描整個螢幕
• 重新整理頻率

VRAM

• 為了不斷地重新整理必須把瞬時影像儲存在儲存器中，這種儲存器稱為 重新整理儲存器 又稱 幀儲存器 或 視訊儲存器(VRAM)
• VRAM 的容量由 影像解析度 和 灰度等級 決定
  • 例如，解析度為 $512\times 512$ 畫素，灰度等級為 256 的影像，其重新整理儲存器的容量需達 $512\times 512\times 8b$, 即為 $256KB$
• 重新整理儲存器的存取週期必須與重新整理頻率相匹配

---

顯示器的效能指標

• 解析度：一幀畫素總數，即寬、高的畫素乘積，如 1280×1024
• 灰度級：單色顯示器用於表現顯示內容的層次感，如 256級（8位）
• 顏色深度：彩色顯示器用於表示顏色種類，以二進位制位數表示。通常一個畫素以 8、16、24 位或更多位描述其顯示屬性
• 顏色數：彩色顯示器每個畫素點可顯示的顏色數

---

字元顯示器

• 以字元為顯示單位，對應於每個字元視窗，所需顯示字元的 ASCll 碼被存放在視訊儲存器（VRAM）中，對於在螢幕上能顯示 25 行 80 列的顯示器，應有 2000 個單元存放字元資訊，VRAM 容量為 $25\times 80\times 8$ bit
• 水平地址計數器對一行的顯示進行控制。送出當前要顯示的這一行字元的 VRAM 地址。每行有效顯示 80 個字元
• 垂直（幀）地址計數器控制一螢幕 25 行字元的顯示，與水平回掃類似，當光柵到達螢幕底部時，需要回到螢幕頂部這一過程稱為垂直回掃，垂直回掃需要一行的顯示時間。即：25+1 (螢幕上下失真空一行)
• 字元發生器：熒光屏上的字元由光點組成，而顯示儲存器中存放的是 ASCII 碼，字元發生器 將每個 ASCII 字元碼轉變為一組光點矩陣資訊。它實質是一個 ROM
  
  • 字元發生器內部以 ASCII 碼為 ROM 的高地址 (列地址)，光柵計數器為低地址 (行地址) 掃描螢幕；例如下圖中顯示 $9\times 7$ 的一個字元，每個 ROM 有 9 個單元，分別對應 9 行，ASCII 碼作為列地址選擇一個 ROM，然後由光柵計數器選擇顯示 9 行
    

值得注意的是，掃描方式是不一個字元一個字元地掃描，而是每次對一排字元中所有字元的同一行進行掃描，並顯示亮點。例如，某排字元為 WELCOME, 其顯示次序是先從顯示儲存器中讀出W，送至字元發生器，並從字元發生器中掃描選出 W 的第一行光點程式碼，於是螢幕上顯示出 W 第一行的7個光點程式碼；再從顯示儲存器中讀出 E 並送至字元發生器，又選出 E 的第一行7個光點程式碼…直到最後一個字元 E 的第一行1個光點程式碼顯示完畢. 接著進行每個字元點陣的第二行7個光點程式碼的掃描…直到該排每個字元的第 9 行光點程式碼掃描完畢，則螢幕上完整地顯示出 WELCOME

• 圖形顯示器
  • 以畫素為顯示單位，又稱點陣圖顯示器。在顯示儲存器中為每個畫素點儲存一個影像。根據灰度級的不同決定使用幾個bit來表示
    

印表機

硬拷貝裝置:可以產生永久性記錄的裝置

• 印表機的分類
  • 印字原理：擊打式/非擊打式；機械化的擊打式 → 電子化的非擊打式裝置
    • 擊打式－“印表機”
      • 原理：利用機械作用使印字機構與色帶和紙相撞擊而列印字元
      • 成本低，缺點是噪音大，速度慢
    • 非擊打式－“印字機”
      • 原理：採用電、磁、光、噴墨等物理、化學方法印刷字元，如鐳射印字機，噴墨印字機等
      • 速度快，噪音低，印字質量高，但價格較貴，有的裝置還需要專用紙張
  • 工作方式：序列印表機 (逐字列印) / 行式印表機 (逐行列印，速度更快)
  • 圖形/影像印表機，黑白/彩色印表機
• 點陣針式印表機 (擊打式印表機)
  • 特點：結構與原理簡單、體積小、價格低，耗材（色帶）便宜； 但列印解析度和列印速度不夠高
  • 組成：列印頭、橫移機構、走紙機構、色帶機構 和控制電路等
  • 原理：其印字方法是由列印針印出 $n\times m$ 點陣組成字元或圖形，點越多、越密，印字質量越高；色帶機構負責供給色源，鋼針撞在色帶上，就可以把顏色印在紙上，色帶機構可使色帶不斷移動，以改變受擊打的位置，避免色帶的破損
    • 可“多層複寫列印”，實現各種票據或蠟紙等列印
  • 印字過程：在聯機狀態下，主機發列印命令，經介面、檢測和控制電路，間歇驅動縱向送紙和列印頭橫向移動，同時驅動列印針間歇衝擊色帶，在紙上打出所需內容
    (對一個字元一列一列的列印，每根針可單獨驅動，例如列印 E，先列印第一列7個點，再列印第二列3個點… 如果要組成行式點陣印表機，則可以將多恨列印針沿橫向排成一行)
    
• 鐳射印表機
  • 印字原理：鐳射技術和電子照相技術結合
    • 鐳射印表機組成：
      • 鐳射掃描系統、電子照相部分、走紙機構和控制電路等
      • 感光鼓 / 字形鼓 / 硒鼓 是電子照相系統的核心部件，鼓面上塗有一展具有光敏特性的感光材料，主要成分為硒
    • 字形發生器將二進位制字元編碼轉換成字元點陣脈衝訊號，鐳射掃描系統受字元點陣脈衝訊號的控制，能輸出很細的鐳射束，該鐳射束對做圓周運動的感光鼓進行軸向（垂直於紙面）掃描，由鼓面的左邊緣向右邊緣移動，當光束掃過鼓面時，半導體鐳射器中鐳射管不斷地開通或關斷：光束掃到要列印點的地方時，鐳射管開通；光束掃到非列印點的地方時(即空白處)，鐳射管關斷。鐳射掃描系統使鐳射束鐳射束掃完一行後，感光鼓旋轉一個步距，同時，鐳射束又回到鼓面的左邊緣，開始新的一行掃描，使鼓面開始接受新的一行載有資訊的鐳射束。感光鼓在未被鐳射掃描之前，先在黑暗中充電，使鼓表曲均勻地沉積一層電荷，掃描時鐳射束對鼓表面有選擇地曝光，被曝光的部分產生放電現象，未被曝光的部分仍保留充電時的電荷，這就形成了 “潛像”。隨心鼓的圓周運動，“潛像” 部分通過裝有碳粉盒的顯像系統，使 “潛像” 部分（實際上是具有字元資訊的區域）吸附上碳粉，達到“顯影”的目的。當鼓上的字元資訊區和列印紙接觸時，由紙的背面施以反向的靜電電荷，則鼓面上的碳粉就會被吸附到紙面上，這就是“轉印”或“轉寫” 過程。最後經過定影系統就將碳粉永久性地粘在紙上。轉印後的鼓面還留有殘餘的碳粉，故先要除去鼓面上的電荷，經清掃系統將殘餘碳粉全部消除，然後重複上述充電、曝光、顯形、轉印，定影等一系列過程
    • 印字過程：帶電、照相（曝光）、顯影 (顯像)、轉印、定影、清除殘像
      
  • 鐳射印表機效能
    • 輸出速度快、噪音小，印字質量高
    • 鐳射印表機是非擊打式硬拷貝輸出裝置，逐頁輸出
      • 頁式輸出裝置的輸出速度用每分鐘輸出的頁數來表示(pages per minute，簡稱PPM)
    • 印字解析度用每英寸畫素點個數表示：(Dots per Inch, DPI)
• 噴墨印表機 (序列非擊打式印表機)
  • 主要組成：噴頭、墨盒、清潔機構、字車、走紙機構、控制電路等
  • 印字原理：
    • 噴墨頭後部的壓電陶瓷受振盪脈衝激勵，使噴墨頭噴出具有一定速度的一串不連續、不帶電的墨水滴。墨水滴通過充電電極時被充上電荷，其電荷量的大小由字元發生器控制。字元發生器可將字元編碼轉換成字元點陣資訊。 由於各點的位置不同，充電電極所加的電壓也不同，電壓越高，充電電荷越多，墨滴經偏轉電極後偏移的距離也越大，最後墨滴落在印字紙上。圖中只有一對垂直方向的偏轉電極，若垂直線段上某處不需噴點（對應字元在此處無點陣資訊），則相應墨滴不充電，在偏轉電場中不發生偏轉, 而射入回收器中
      
    • 隨機式噴墨印表機中，系統供給的墨滴只在需要印字時才噴出，不需要墨水迴圈系統，省去了墨水泵和收集槽等
    • 產生墨滴的機構，可採用壓電式和熱電式技術
    • 彩色噴墨列印基於三基色原理，分別噴射三種顏色墨滴，按一定比例混合出所要求的色彩
  • 特點
    • 噪音小，速度較快，噴墨機構簡單、價廉，可靠性高
    • 防水性差，高質量列印需專用列印紙

終端裝置

• 顯示終端：由顯示器和鍵盤組成的獨立完整的輸入/輸出裝置，可通過標準通訊介面接到遠離主機的地方使用，終端的結構比顯示器複雜，它能完成顯示控制與儲存鍵盤管理及通訊控制等，還可完成簡單的編輯操作

漢字處理裝置

• 本節參考：漢字編碼-區位碼、國標碼和內碼發展和區別以及為什麼要加2020H、8080H

區位碼

• 在漢字的編碼中，通常用兩個位元組表示一個漢字
• 區位碼將國標碼中的字元按其位置劃分成 94 個區，每個區中 94 個字元，編入一個 $94\times 94$ 的二維表 (行就是“區”；列就是“位”)，每個漢字都由區、位唯一定位，因此稱為區位碼
  • 例如：“萬” 在 45 區 82 行，因此它的區位碼為：$4582$
    

國標碼 (GB2312-80)

• 國標碼將區位碼的“區”和“位”都分別加上 32：$國標碼=區位碼+2020H$
  • 例如：“萬” 的區位碼為 $(45,28)$，國標碼為 $(45+32,82+32)=(77,114)=(4DH,72H)=4D72H$

為什麼要加上 32？ -> GB2321 沿用了 ASCII 碼中的前32個控制字元，因此需要把漢字編碼向後偏移 32

漢字內碼

• 因為漢字編碼通常採用兩個位元組，因此為了與西文字元編碼相區別（西文的ASCII碼的最高一位編碼值為 0），表示一個漢字時，把兩個位元組的最高一位的編碼值設定均為 1，則該編碼集的最多編碼數量為 $128\times 128$
• 因此，國標碼還不能直接在計算機上使用，需要每個位元組都加上 $128$ ($80H$)，形成漢字內碼，內碼是用於漢字資訊的儲存、交換、檢索等操作的機內程式碼；即
  $$機內碼=國標碼+8080H=區位碼+A0A0H$$
  • 例如，“萬” 的漢字內碼為 $4D72H+8080H=CDF2H$

漢字輸入編碼

• 輸入編碼是為了使用西文標準鍵盤把漢字輸入到計算機中，其編碼方法主要有數字編碼、字音編碼和字型編碼等

漢字字模編碼 (字形碼)

• 字模編碼：以點陣方式描述漢字字型的程式碼，是漢字的輸出形式
• 字模點陣的資訊量很大，需要佔的儲存空間大，點陣只能用來構成字型檔，而不能用於機記憶體儲。字型檔中儲存每個漢字的點陣程式碼，當顯示輸出時才檢索字型檔，輸出字模點陣，得到字形

---

• 漢字顯示輸出過程：輸入碼→機內碼→字形碼→ 顯示器