输入输出系统

本文参考《计算机组成原理(第2版)》(唐朔飞)

I/O 系统基本概念

输入输出 (I/O) 系统

• 外设：输入 / 输出设备是外部设备，简称外设。计算机与外设之间的信息交换称为输入和输出

I/O 系统发展概况

• 早期阶段：I/O设备种类较少，I/O设备与主存交换信息都必须通过CPU
  
  • 分散连接：每个 I/O 设备都必须配有一套独立的逻辑电路与 CPU 相连，用来实现 I/O 设备与主机之间的信息交换，因此线路十分散乱、庞杂
  • CPU 和 I/O 串行工作 (程序查询方式)，当I/O设备与主机交换信息时，CPU 不得不停止各种运算
• 接口模块和DMA阶段：I/O设备通过接口模块与主机连接，计算机系统采用了总线结构
  
  • CPU 和 I/O 并行工作: 中断 / DMA
• 具有通道结构的阶段：
  • 在小型和微型计算机中，采用DMA方式可实现高速I/O设备与主机之间成组数据的交换，但在大中型计算机中，I/O设备配置繁多，如果每台I/O设备都配置专用的DMA接口，不仅增加了硬件成本，而且为了解决众多DMA接口同时访问主存的冲突问题，会使控制变得十分复杂，CPU需对众多的DMA接口进行管理，同样会占用CPU的工作时间，而且因频繁地进入周期挪用阶段，也会直接影响CPU的整体工作效率
  • 因此在大中型计算机系统中，采用I/O通道的方式来进行数据交换
    
  • 通道是用来负责管理I/O设备以及实现主存与I/O设备之间交换信息的部件，可以视为从属于CPU的一个专用处理器。通道有专用的通道指令，能独立地执行用通道指令所编写的输入输出程序，同时依据CPU的I/O指令进行启动、停止或改变工作状念。依赖通道管理的I/O设备在与主机交换信息时，CPU不直接参与管理，故提高了CPU的资源利用率
• 具有I/O处理机的阶段：I/O处理机又称为外围处理机, 它基本独立于主机工作，既可完成I/O通道要完成的I/O控制，又可完成码制变换、格式处理、数据块检错、纠错… 因此，具有I/O处理机的输入输出系统与CPU工作的并行性更高

I/O 接口（I/O 控制器）

• I/O 接口：指 主机（CPU和存储器）和 外设 的交接部分，在主机与外设之间的逻辑部件；不同的 I/O 设备都有其相应的设备控制器，而它们往往都是通过 I/O 接口与主机取得联系的
• I/O 接口位于 系统总线 (I/O 总线) 和 外设 之间
  • I/O 总线：多层次总线结构中专门负责 I/O 操作的总线，I/O 接口与 CPU 之间的 I/O 总线有三种：数据线、地址线和控制线。其中只有数据线是双向传输，其他两种是单向传输，即从CPU到I/O接口。I/O接口命令字、状态字和中断类型号都是从I/O接口发出的，故只能通过I/O总线的数据线传输
• 作用：控制并实现主机与外部设备之间的数据传送

接口分类

按数据传送格式划分

• 并行接口：接口与系统总线、接口与外设均按并行方式传送数据，适用于设备本身并行工作，距主机较近的场合
• 串行接口：接口与系统总线并行传送，接口与外设串行传送
  • 由于接口与主机之间是按字节或字并行传送，因此对串行接口而言，其内部还必须设有串-并转换装置
  • 适用于设备本身串行工作，或距主机较远，或需减少传送线的情况

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按时序控制方式划分

• 同步接口：接口与系统总线的信息传送由统一时序信号控制
  • 同步工作要求I/O设备与CPU的工作速度完全同步
  • 例如，在数据采集过程中，若外部数据以 2400 bps的速率传送至接口，则CPU也必须以1/2400s的速率接收每一位数
• 异步接口：接口与系统总线的信息传送采用异步应答方式
  • 当 I/O 设备与主机工作速度不匹配时，通常采用异步工作方式
  • 这种方式在交换信息前， I/O 设备与CPU各自完成自身的任务，采用应答信号联络；一旦出现联络信号， 彼此才准备交换信息
    
  • 如上图所示，当 CPU 将数据输出到 I/O 接口后，接门立即向 I/O 设备发出一个 Ready 信号，告诉 I/O 设备可以从接口内取数据, I/O 设备收 Ready 信号后，通常便立即从接口中取出数据，接着向接口同发一个 Strobe 信号，并让接口转告 CPU, 接口中的数据已被取走，CPU 还可继续向此接口送数据
  • 同理，倘若 I/O 设备需向 CPU 传送数据，则先由 I/O 设备向接口送数据，并向接口发 Strobe 信号，表明数据已送出。接口接到联络信号后通知 CPU 可以取数，一且数据被取走，接口便向 I/O 设备发 Ready 信号，通知 I/O 设备，数据已被取走尚可继续送数据

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按数据传送控制方式划分

• 程序控制接口
• 中断接口
• 直接存储器存取（DMA）接口 (用于连接高速 I/O 设备)
• 通道控制

I/O 接口的主要功能

• 寻址
  • 接收 CPU 送来的地址码 (设备号)，进行地址译码，实现 I/O 设备的选择
  • 选择接口中的不同端口（寄存器）供 CPU 访问
• 缓存：对主机与外设交换的数据进行缓冲和锁存，实现主机与外设的速度匹配
• 状态：对外设或接口的就绪、忙等状态信息实现保存、应变和传送
• 控制：通过指令指定设备或端口的操作
• 中断：需要时可进行中断的功能
• 转换：提供信号格式转换或电平转换等支持

I/O 接口的基本结构

• CPU 和外设之间通常传递的信息：数据、状态、控制
• 组成：控制逻辑电路、主机与接口和接口与I/O设备之间的信号联接线，即地址线、数据线、控制状态线
  
  • 数据线是 I/O 设备与主机之间数据的传送线，其根数一般等于存储字长的位数或字符的位数，它通常是双向的
  • 设备选择线 / 地址线：用来传送设备码，它的根数取决于 I/O 指令中设备码的位数
  • 命令线：传输 CPU 向设备发出的各种命令信号， 如启动、清除、屏蔽、读、写等。它是一组单向总线，其根数与命令信号多少有关
  • 状态线：将 I/O 设备的状态向主机报告的信号线，例如，设备是否准备就绪，是否向 CPU 发出中断请求等，它也是一组单向总线

I/O 端口 与 编址方式

I/O 端口

• 为使 CPU 能选择设备并进行数据传送，接口中通常都具有多个可由 CPU 进行读或写操作的寄存器或电路
• CPU 与 I/O 接口传递信息的类型主要有数据、状态和控制信号，对应传送它们的端口分别为数据端口（I/O）、状态端口（I）和控制端口（O）

I 和 O 是相对 CPU 而言的

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I/O 端口的编址

• I/O 端口与存储器统一编址：把一个外设端口看作存储器的一个单元，占用存储器的地址空间。利用对存储器的读写操作完成数据的输入和输出
  • 例如，在 64K 地址的存储空间中，划出 8K 地址作为 I/O 设备的地址，凡是在这 8K 地址范围内的访问，就是对 I/O 设备的访问
  • 优点：不需要专门的输入输出指令； 可使用全部对存储器操作的指令，指令数量多；端口数量多
  • 缺点：占用存储器空间；寻址地址线数多,译码电路复杂
• I/O 端口独立编址：计算机单独给外设端口编址，I/O 端口具有独立的地址空间。计算机需用控制信号区分存储器空间和 I/O 端口空间
  • 优点：I/O 空间较存储器空间小，地址线少，译码电路简单。不占用存储器空间
  • 缺点：要有专用的输入输出指令，寻址方式少，不灵活

I/O 数据传送控制方式

• 程序查询方式、中断方式、DMA 方式、I/O 通道控制方式

程序直接控制传送方式

• CPU 执行一段 I/O 程序实现与外设之间数据传送。该方式是进行数据交换的最简单的控制方法
  • 无条件传送：只有在外设总处于准备好状态采用
  • 程序查询方式
• 优点：较好协调主机与外设之间的时间差异，所用硬件少
• 缺点：主机与外设只能串行工作；主机一个时间段只能与一个外设进行通讯；CPU效率低

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工作流程

• CPU 执行初始化程序，预置传送参数
  • 由于这种方式传送数据时要占用 CPU 中的寄存器，故首先需将寄存器原内容保护起来
  • 由于传送往往是一批数据，因此需先设置 I/O 设备与主机交换数据的计数值和欲传送数据在主存缓冲区的首地址
  • CPU 启动 I/O 设备
• 从外设接口读取状态；当准备就绪时，可进行传送
  • 对输入而言，准备就绪意味着接口电路中的数据缓冲寄存器已装满欲传送的数据，称为输入缓冲满，CPU 即可取走数据
  • 对输出而言，准备就绪意味着接口电路中的数据已被设备取走，故称为输出缓冲空，这样 CPU 可再次将数据送到接口，设备可再次从接口接收数据
• 传送一次数据 (一个字一个字地进行传送)
  • CPU 执行 I/O 指令，或从 I/O 接口的数据缓冲寄存器中读出一个数据，或把一个数据写入 I/O 接口中的数据缓冲寄存器内，同时将接口中的状态标志复位
• 修改主存地址和计数参数，判断结束
  • 若原设置计数值为原码，则依次减1;若原设置计数值为负数的补码，则依次加1。若计数值不为0, 表示一批数据尚未传送完，重新启动外设继续传送；否则结束 I/O 传送，继续执行现行程序

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例
在程序查询方式的输入输出系统中，假设不考虑处理时间，每次查询操作需要 100 个时钟周期，CPU 的时钟频率为 50 MHz。现有鼠标和硬盘两个设备，而且 CPU 必须每秒对鼠标进行 30 次查询，硬盘以 32 位字长为单位传输数据，即每 32 位被 CPU 查询一次，传输率为 2 MBps。求 CPU 对这两个设备查询所花费的时间比率，由此可得出什么结论？
解

1. CPU 每秒对鼠标进行 30 次查询，所需的时钟周期数为
   $$100\times 30=3000$$CPU 的时钟频率为 50 MHz，即每秒 $50\times 10^6$ 个时钟周期，故对鼠标的查询占用CPU的时间比率为
   $$[3000/(50\times 10^6)]=0.006\%$$可见，对鼠标的查询基本不影响 CPU 的性能
2. 对于硬盘，每 32 位被 CPU 查询一次，故每秒查询
   $$2MB/4B=512K次$$则每秒查询的时钟周期数为
   $$100\times 512\times 1024=52.4\times 10^6$$故对磁盘的查询占用 CPU 的时间比率为
   $$[(52.4\times 10^6)/(50\times 10^6)]=105\%$$可见，即使 CPU 将全部时间都用于对硬盘的查询也不能满足磁盘传输的要求，因此 CPU 一般不采用程序查询方式与磁盘交换信息

程序中断方式

• 中断: 计算机在执行程序的过程中当出现异常情况或特殊请求时，停止现行程序的运行，转向对这些异常情况或特殊请求的处理，处理结束后再返回到现行程序的间断处，继续执行原程序
  • 实质：程序切换
    • 方法：保存断点，保护现场；恢复现场，返回断点
    • 时间：一条指令结束时切换。保证程序的完整性
• 中断源：引起中断产生的事件或发生中断请求的来源

中断分类

• 硬件中断 (由硬件请求信号引发中断) 与 软中断 (由软中断指令引发中断)
• 内中断 (中断源来自主机内部) 与 外中断 (中断源来自主机外部)
• 可屏蔽中断 (可通过屏蔽字屏蔽该类请求；关中断时不响应该类请求) 与 非屏蔽中断（硬件中断）(该类请求与屏蔽字无关；请求的响应与开/关中断无关)

向量中断 与 非向量中断

获得中断服务程序的入口地址的两种方法

向量中断

• 在向量中断方式中，中断服务程序入口地址称为中断向量 (interrupt vector)；存放所有中断向量的一段内存区域称为中断向量表 (位于靠近内存底部的固定区域)；访问中断向量表的地址称为中断向量地址
• 向量中断 就是利用硬件产生向量地址 (中断向量地址形成部件)，再由向量地址找到中断服务程序的入口地址
  

也可以在向量地址内存放一条无条件转移指令，CPU 响应中断时，只需将向量地址送至 PC, 执行这条指令，便可无条件转向中断服务程序的入口地址

软件查询法

• 用软件寻找中断服务程序入口地址。CPU 响应中断时只产生一个固定的地址，由此读取中断查询程序的入口地址，通过软件查询程序方式确定被批准的中断源中断服务程序地址

中断的作用和功能

• CPU、I/O 设备并行工作，提高 CPU 工作效率
  • I/O 中断: 只有当 I/O 设备准备就绪向 CPU 提出请求后，再暂时中断 CPU 现行程序转入 I/O 服务程序
    
• 实现多道程序和分时操作：多道程序的切换运行需要借助于中断系统，也可以通过分配每道程序一个固定时间片，利用时钟定时发中断进行程序切换
• 实现应用程序和操作系统的联系：可以在用户程序中安排一条Trap指令进入操作系统，称之为软中断

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• 从宏观上分析，程序中断方式克服了程序查询方式中的 CPU “踏步” 现象，实现了 CPU 与 I/O 的并行工作，提高了 CPU 的资源利用率
• 但从微观操作分析，发现 CPU 在处理中断服务程序时仍需暂停原程序的正常运行， 尤其是当高速 I/O 设备或辅助存储器频繁地、成批地与主存交换信息时，需不断地打断 CPU 执行主桯序而执行中断服务程序

CPU 响应中断必须满足的条件

• 中断源有中断请求 (中断请求触发器 置“1”)，且未被屏蔽
  • 每个中断源都设置了一个中断屏蔽触发器来屏蔽该设备的中断请求。置“1’则对应的设备封锁；置“0”，允许中断请求得到响应
• CPU 允许接受中断请求，即开中断 (中断允许触发器 IF=1 STI)
• 一条指令执行完毕后 CPU 才能响应中断，并且当前执行的不是停机指令。在指令执行周期结束后，若有中断，CPU 则进入中断周期；若无中断，则进入下一条指令的取指周期
• 无故障、DMA 等优先权更高的请求

中断过程

• 中断请求（INTR）
  • 中断源向 CPU 发中断请求信号 (设备欲提出中断请求时，其设备本身必须准备就绪)，并将中断允许触发器置位，以保持请求状态\
  • CPU 在任何瞬间只能接受一个中断源的请求。所以，当多个中断源同时提出请求时，CPU 必须对各中断源的请求进行排队，且只能接受级别最高的中断源的请求，不允许级别低的中断源中断正在运行的中断服务程序。这样，在 I/O 接口中需设置一个屏蔽触发器 MASK, 当其为 1 时，表示被屏蔽，即封锁其中断源的请求.因此，中断请求触发器和中断屏蔽触发器在 I/O 接口中是成对出现的
• 中断响应（INTA）
  • 中断响应条件满足时，CPU 就响应中断，停止现行程序的运行，准备进入中断处理阶段
  • 执行中断隐指令 (中断隐指令，即在机器指令系统中没有的指令，它是 CPU 在中断周期内由硬件自动完成的一条指令)
    • CPU 响应中断后，即进入中断周期。在中断周期内， CPU 要自动完成一系列操作：保护程序断点、寻找中断服务程序的入口地址、关中断 (确保 CPU 响应中断后所需做的一系列操作不至于受新的中断请求的干扰，因此在中断周期内必须自动关中断)
    • 上述保护断点、寻找入口地址、关中断都是在中断周期内由一条中断隐指令完成
• 中断处理

中断处理

• 关中断：由硬件自动实现，因为接下去要保存断点，保存现场。在保存现场过程中，即使有更高级的中断源申请中断，CPU也不应该响应。否则，如果现场保存不完整，在中断服务程序结束之后，也就不能正确地恢复现场并继续执行现行程序
• 保护现场应该包括保护程序断点和保护CPU内部各寄存器内容
  • 程序断点 ($PC$) 的现场由中断隐指令完成
  • 各寄存器内的现场可在中断服务程序中由用户（或系统）用机器指令编程实现
• 判别中断源，转向中断服务程序：在多个中断源同时请求中断的情况下，实际响应的是优先权最高的那个中断源
• 开中断：将允许更高级中断请求得到响应
• 执行中断服务程序
• 退出中断：在退出时，先关中断，恢复现场，然后开中断、恢复断点，返回原程序执行
  • 恢复现场是指在中断返回前，必须将寄存器内容恢复到中断处理前的状态，由中断服务程序完成

中断源优先级判别

• 任何一个中断系统，在任一时刻，只能响应一个中断源的请求。当某一时刻有多个中断源提出中断请求时，中断系统必须按其优先顺序予以响应，这称为中断判优

软件查询

• 由测试程序按一定优先排队次序检查各个设备的“中断触发器”，查询的次序即为中断源优先级的顺序
• 灵活、但转入服务程序时间较长
  

串行排队链法

• 由硬件确定中断源；如下图中，$INT{R}_1、INT{R}_2、INT{R}_3、INT{R}_4$ 优先级按降序排列
  
• 断优先级的响应次序由硬件排队线路决定。一旦设计完成，系统的优先级别就决定了，缺乏改变优先权级别的灵活性

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中断判优的三种方式

• $IR$：中断请求输入线；$IG$：中断许可输出线
  

多重中断

• 单级中断：在执行中断服务程序的过程中，如果只能为本次中断服务，不允许打断该服务程序。只有在服务程序完成后，才能响应新的中断请求
• 多重中断：指多个中断源的计算机系统中，每一个中断源分配给一个优先级，按照各自的优先权并以嵌套方式工作的中断
  • 在处理某一个中断的过程中又发生了新的更高级中断源的中断申请，且CUP又处于开中断状态下，CPU就要中断该服务程序的执行，在保存断点和现场后，转去响应优先级更高的中断请求，并执行新的中断服务程序
    
  • 关键：提前设置开中断指令 (中断隐指令会自动关中断)、 优先级别高的中断源有权中断优先级别低的中断源 (可采用屏蔽技术)
    

中断屏蔽

• 中断屏蔽：给每个中断源配置一位屏蔽触发器，置1表示阻止该中断源的请求，并将所有的触发器组成一个中断屏蔽寄存器，屏蔽寄存器的内容称为屏蔽字；通过指令可对其设置和修改
  • 在有优先级中断屏蔽码（字）控制的条件下，可以不改变系统排队线路，灵活设置优先级，实现多重中断；因此屏蔽码可看成中断处理过程中的软排队器
    • 在多重中断方式中，当CPU响应某个中断请求后，送出一个新的屏蔽字，以禁止与该请求同一优先级或更低级优先级的其它请求。只允许比该请求优先级高的其它中断请求提出申请
    • 动态地修改优先级：硬件排优逻辑所分配的优先级是固定的，有时要临时动态的修改优先顺序，可利用屏蔽字来临时调整
      
• 屏蔽技术可改变优先等级
  • 优先级包含响应优先级和处理优先级，响应优先级指 CPU 响应各中断源请求的优先次序，这种次序往往是硬件线路设置的，不便改动。处理优先级是指 CPU 实际对各中断源请求的处理优先次序
  • 如果不采用屏蔽技术，响应的优先次序就是处理的优先次序
  • 采用了屏蔽技术后，可以在不改变 CPU 响应中断的次序下，通过改变屏蔽字来改变 CPU 处理中断的次序。例如，下表中将 $A,B,C,D$ 的响应次序改为 $A,D,C,B$
    

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例

设某机有 4 个中断源, 其硬件排队优先次序按 1，2，3，4 降序排列，各中断源的眼务程序中所对应的屏蔽字如下表所示

• 若 4 个中断源同时有中断请求，画出 CPU 执行程序的轨迹

解

• 当 4 个中断源同时有中断请求时，由于硬件排队的优先次序是 1，2，3，4, 故 CPU 先响应 1 的请求，执行 1 的服务程序
• 由于在该服务程序中设置了屏蔽字 1101, 故开中断指令后转去执行 3 的服务程序，且 3 的服务程序执行结束后又回到 1 的服务程序
• 1 的服务程序结束后，CPU 还有 2、4 两个中断源请求未响应。由于 2 的响应优先级高于 4, 故 CPU 先响应 2 的请求，执行 2 的服务程序；在 2 的服务程序中由于设置了屏蔽字 0100, 因此在开中断指令之后转去执行 4 的服务程序， 4 的服务程序执行结束后又回到 2 的服务程序的断点处，继续执行 2 的服务程序，直至该程序执行结束
  

例
假设某机有设备4个外设中断源，每个中断源具有不同的优先权。设其中断源1~4号的优先级别 (硬件排队优先级) 从高到低分别为1→2→3→4的顺序。每级对应1个屏蔽码。下表列出中断响应优先级与屏蔽级一致情况下的屏蔽码

• 开始同时出现设备2和3中断请求。按排队线路，2的优先级高于3而先响应2
• 执行设备2的中断服务程序并保护现场和原屏蔽字后，将2级程序的屏蔽码0111置入各接口屏蔽寄存器，它屏蔽3和4的中断请求。此时，4级又提出中断请求，CPU暂不予理睬
• 执行完2级服务程序后恢复原屏蔽码，返回主程序后再响应3的请求。3级中断程序执行完后再响应4级的中断
• 假若CPU再次执行2级中断服务程序时，出现了1级中断请求，由于其屏蔽字0111已置入屏蔽寄存器，对1级中断是开放的。又因1优先级高于2，则CPU暂停对2级中断服务程序的执行，转去执行第1级中断服务程序。待第1级中断服务程序执行完后，再去执行第2级中断服务程序

例
某计算机有4个中断源，可设为4个优先级，其硬件排队优先级从高到低的顺序为 $L_0\to L_1\to L_2\to L_3$，对应的中断屏蔽字为 $M_3{M}_2{M}_1{M}_0$，$M_i=1（0\le i\le 3）$表示对 $L_i$ 级中断进行屏蔽。现要求将中断处理从高到低的优先级顺序改为 $L_3\to L_2\to L_0\to L_1$
（1） 每个中断源优先级顺序未改变前对应的中断屏蔽字，以及中断处理程序中需设置的新中断屏蔽字各是什么？
（2） 若4个中断源同时有中断请求，请画出CPU执行程序的轨迹示意图
解

DMA 方式

• DMA 是 l/O 设备与主存储器之间由硬件组成的直接数据通路，DMA 传送过程不需要 CPU 的干预
  • 在专用硬件 DMA 控制器控制下，生成当前正在传送的数据的主存地址，并统计传送数据的个数以确定一组数据的传送是否已结束。在主存中要开辟连续地址的专用缓冲器，用来提供或接收传送的数据。在数据传送之前和结束后要通过程序或中断方式对缓冲器和 DMA 控制器进行预处理和后处理

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• 由上图可见，由于主存和 DMA 接口之间有一条数据通路，因此主存和设备交换信息时，不通过 CPU, 也不需要 CPU 暂停现行程序为设备服务，省去了保护现场和恢复现场，因此工作速度比程序中断方式的工作速度高
• 主要用于高速 I/O 设备与主存之间的成批数据传送；因为高速 I/O 设备若每次申请与主机交换信息时，都要等待 CPU 做出中断响应后再进行，很可能因此使数据丢失

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与程序中断方式的比较

• 从数据传送看，程序中断方式靠程序传送，DMA 方式靠硬件传送
• 从 CPU 响应时间看，程序中断方式是在一条指令执行结束时响应， 而 DMA 方式可发生在每个机器周期的结束
  
• 程序中断方式有处理异常事件的能力，DMA 方式没有这种能力，主要用于大批数据的传送
• 程序中断方式需要中断现行程序，故需保护现场；DMA 方式不中断现行程序，无须保护现场
• DMA 的优先级比程序中断的优先级高

DMA 三种工作方式

• 在 DMA 方式中，由于 DMA 接口与 CPU 共享主存，这就有可能出现两者争用主存的冲突。为了有效地分时使用主存，通常 DMA 与主存交换数据时采用如下三种方法

独占总线

• 主机响应 DMA 请求后让出总线，从传送首字开始直到成组数据传送完毕， DMA 控制器掌控总线不放
• 该方式也称为成组连续传送方式，它可减少系统总线控制权的交换次数，有利于提高输入输出速度。适用于高速外设或单用户状态下的个人计算机
• 缺点是 DMA 接口在访问主存时，CPU 基本处于不工作状态或保持原状态。CPU 对主存的利用率并没得到充分的发挥
  • 因此，采用这种工作方式的 I/O 设备，在其接口中一般设置有存取速度较快的小容量存储器。 I/O 设备与小容量存储器先交换数据，然后小容量存储器再与主机交换数据，这样可减少 DMA 传送占用存储总线的时间，也即减少 CPU 暂停工作时间

CPU 周期挪用

• 每当 I/O 设备发出 DMA 请求， I/O 设备便挪用或窃取总线占用权一个或几个主存周期 (窃取的时间一般为一个存取周期) 来传送一个字，而 DMA 不请求时，CPU 仍继续访问主存
• I/O 设备请求 DMA 传送会遇到三种情况
  • 一种是 CPU 此时不需要访问主存，故 I/O 设备与 CPU 不发生冲突
  • 第二种情况是 CPU 正在访问主存，此时必须待存取周期结束 CPU 才能将总线占有权让出
  • 第三种情况是 I/O 设备要求访间问主存时，CPU 也要求访问主存；这就出现了访问冲突。此刻， I/O 访存优先于 CPU 访问主存，因为 I/O 不立即访问主存就可能丢失数据，这时 I/O 要窃取一、二个存取周期，意味着 CPU 在执行访问主存指令过程中插入了 DMA 请求，并挪用了一、二个存取周期，使 CPU 延缓了一、二个存取周期再访问主存
• 与 CPU 暂停访存的方式相比，这种方式既实现了 I/O 传送，又较好地发挥了主存与 CPU 的效率
• 该方式也称为单字传送方式

**I/O 设备每挪用一个主存周期都要申请总线控制权、建立总线控制权和归还总线控制权。因此，尽管传送一个字对主存而言只占用一个主存周期，但对 DMA 接口而言, 实质上要占 2~5 个主存周期。因此周期挪用的方法比较适合于 I/O 设备的读写周期大于主存周期的情况

交替方式

• 直接访问存储器工作方式，与 CPU 轮流使用一个时间片，不需要申请、建立和释放手续，其总线控制权的转移几乎不需要什么时间，具有很高的 DMA 传送速率
• 这是标准的 DMA 工作方式。如传送数据时 CPU 正好不占用总线，则对 CPU 不产生任何影响。如同时需要访问总线，则 DMA 的优先级高于 CPU

DMA 控制器的组成

• 利用 DMA 方式传送数据时，数据的传输过程完全由 DMA 接口电路控制，故 DMA 接口 称为 DMA 控制器

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• 主存地址寄存器 ($AR$)
  • $AR$ 用于存放要交换数据的内存地址。该寄存器初始值为主存在缓冲区的首地址，在传送前要由程序送入。主存缓冲区地址是连续的，在 DMA 传送期间，每交换一个字由硬件逻辑将其自动加 1而成为下一次数据传送的主存地址
• 请求寄存器：存放 I/O 设备的 DMA 请求标志（触发），能接收并记忆；它在启动传送的同时复位，为下一请求做准备
• 字计数器 ($WC$)
  • $WC$ 用于记录传送数据的总字数。在 DMA 传送过程中，每传送一个字，字计数器自动减1, 直到计数器为0，表示该批数据传送完毕 ，于是 DMA 接口向 CPU 发中断请求信号

**若交换字数以补码值预置，则每传送一个字，字计数器加1, 直到计数器为0时，表示该批数据传送结束

• 数据缓冲寄存器 ($BR$)
  • $BR$ 用于暂存 I/O 设备与主存传送的数据。通常 DMA 接口与主存之间采用字传送，而 DMA 与设备之间可能是字节或位传送。因此 DMA 接口中还可能包括有装配或拆卸字信息的硬件逻辑，如数据移位缓冲寄存器、字节计数器等
• 控制与状态寄存器（$CSR$）：用来存放控制字和状态字
  • 各寄存器均有自己的总线地址，它们是主存的指定单元或 I/O 设备号，CPU 可对这些寄存器进行读／写
• 中断控制逻辑：负责申请 CPU 对 DMA 进行预处理和后处理。向 CPU 报告一组数据交换结束 (当字计数器全0 时，表示一批数据交换完毕)
• 控制/状态逻辑：一般包括设备码选择电路；DMA 优先排队电路，产生 DMA 请求的线路等；在 DMA 取得总线控制权后控制主存和设备之间的数据传送（修改两个计数器、指定传送功能、协调应答信号的配合与同步）

DMA 传送过程

• 预处理、数据传送、后处理
  

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例
一个 DMA 接口可采用周期窃取方式把字符传送到存储器，它支持的最大批量为 400 个字节。若存取周期为 $100ns$，每处理一次中断需 $5\mu s$, 现有的字符设备的传输率为 $9600bps$, 假设字符之间的传输是无间隙的，若忽略预处理所需的时间，试问采用 DMA 方式每秒因数据传输需占用处理器多少时间？如果完全采用中断方式，又需占用处理器多少时间？
解
根据字符设备的传输率为 $9600bps$, 则每秒能传输
$$9600/8=1200B$$若采用 DMA 方式，传送 1200 个字符共需 1200 个存取周期，考虑到每传 400 个字符需中断处理一次，因此 DMA 方式每秒因数据传输占用处理器的时间是
$$0.1\mu s\times 1200+5\mu s\times (1200/400)=135\mu s$$若采用中断方式，每传送一个字符要申请一次中断请求，每秒因数据传输占用处理器的时间是
$$5\mu s\times 1200=6000\mu s$$

I/O 通道控制方式

基本概念

• I/O 通道是具有输入/输出处理器控制的输入/输出部件，是计算机系统中代替CPU管理控制外设的独立部件，它是一种能执行有限 I/O 指令集合，即通道命令的 I/O 处理机。能够根据程序控制多个外部设备并提供 DMA 共享的功能
  • 通道指令是对具有通道的 I/O 系统专门设置的指令，属于通道自身的指令，用来执行I/O操作，可以由管理程序存放在主存的任何地方，由通道从主存中取出并执行
  • 而I/O指令是CPU指令系统的一部分，是CPU用来控制输入输出操作的指令，由CPU译码后执行。在具有通道结构的计算机中，I/O 指令不实现 I/O 数据传送，主要完成启停 I/O 设备，查询通道和 I/O 设备的状态及控制通道所做的其他操作，一旦CPU执行了启动I/O设备的指令，就由通道来代替CPU对I/O设备的管理
• 通道是一种通过执行通道程序管理 I/O 操作的控制器，它使主机与 I/O 操作之间达到更高的并行程度。由于它的任务是管理实现输入/输出操作，提供一种传送通道，所以将这种控制部件称作通道

通道工作过程

• 启动通道
• 数据传输
• 结束处理
• 这样，每完成一次输入/输出工作，CPU 只需两次调用管理程序，大大减少了对用户程序的打扰

通道与 DMA 方式的区别

• DMA 控制器完全借助于专门的硬件控制逻辑实现数据传送；而通道则是具有特殊功能的处理器，通过执行通道程序与硬件一起完成数据传送。通道具有更强的独立处理数据输入/输出的功能
• DMA 控制器只能控制一台或少数几台同类设备；而通道则可以同时控制许多台同类或不同类的设备

通道的类型

字节多路通道

• 以字节方式轮流为多台字符类低速和中速外设服务的通道
  • 简单的共享通道，要求每种设备分时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与通道建立传输连接，实现数据的传送

选择通道

• 以成块方式逐个为优先级高的多台高速外围设备服务 (选择通道能连接多个但同时只选择其中一个 I/O 设备)
  • 每次只能从所连接的设备中选择一台I/O设备的通道程序。此刻该通道程序独占了整个通道。当它与主存交换完数据后，才能转去执行另一个设备的通道程序，为另一台设备服务。因此，连接在选择通道上的若干设备，只能依次使用通道与主存传送数据
  • 数据传送是以数据块方式进行，每次传送一个数据块，传送速率很高。

数组多路通道

• 以成组方式工作的高速多路通道。连接多台高速外设，每次为一台传送一个数据块，并轮流为它们服务。在为一台高速外设传送数据的同时，可以有多台在定位或找扇区
  • 把字节多路通道和选择通道的特点结合起来。它有多个子通道，既可以执行多路通道程序，像字节多路通道那样，所有子通道分时共享总通道；又可以用选择通道那样的方式传送数据
  • 具有多路并行操作能力，又具有很高的数据传送速率，赢得了吞吐率的较大提高
  • 缺点是增加了控制的复杂性

通道的基本功能

• 接受 CPU 的 I/O 指令
  • 选择某一指定外设与系统相连，向该外设发出操作命令，并进行初始化
• 读取并执行通道程序
• 控制外设与主存之间的数据传送
• 读取外设的状态信息，并形成和保存通道本身的状态信息，以便提供给 CPU
• 向 CPU 发中断请求

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• 通道除了承担 DMA 的全部功能外，还承担了设备控制器的初始化工作，并包括了低速外设单个字符传送的程序中断功能，因此它分担了计算机系统中全部或大部分I/O功能，提高了计算机系统功能分散化程度

通道结构的发展

• 通道技术的进一步发展，出现了独立性与功能更强的输入/输出处理机（IOP）和外围处理机（PPU）
  • 通道结构的 IOP：不是一台独立的计算机，而是计算机系统中的一个部件。IOP 可以和 CPU 并行工作，提供高速的 DMA 处理能力，实现数据的高速传送。有些 IOP 还提供数据的变换、搜索和字装配/分拆等能力，有较多的I/O指令集。 IOP方式是通道方式的进一步的发展，大多应用在中、大型计算机中
  • 外围处理机（PPU）：基本上独立于主处理机工作，结构更接近于一般处理机，或者就是选用已有的通用机。有自己的指令系统，可完成算术/逻辑运算、读/写主存、与外设交换信息等。应用于大型高效率的计算机系统中。在巨型机中，常采用多台外围处理机

I/O 设备

• 外围设备：中央处理器和主存构成了主机， 除主机外的大部分硬件设备都可称为 I/O 设备或外围设备简称外设
  • 辅助（外）存储器也属于外设
    

输入设备

键盘

• 按结构原理分：
  • 触点式：利用机械触点的分离与闭合判断电路的通断，由于磨损、氧化等易产生接触不良等故障
  • 无触点式：通过按键上下运动使电容的电量发生变化，达到检测开关的通断，不存在磨损和接触不良等问题，且密封组装有防尘特性
• 按与主机通信信息分：
  • 编码键盘：当某个键被按下后，能够提供一个与之相对应的的编码信息和一个选通脉冲，可作为CPU的中断请求信号。功能全部由硬件完成
    • 例如，下图中的6位计数器经两个八选一的译码器对键盘扫描，若键未按下，则扫描将随着计数器的循环计数反复进行， 一旦扫描发现某键被按下，则键盘通过一个单稳电路产生一个脉冲信号。 该信号一方面使计数器停止计数，用以终止扫描，此刻计数器的值便与所按键的位置相对应、该值可作为 ROM 的输入地址，而该地址中的内容即为所按键的ASCII码。另一方面，此脉冲经中断请求触发器向CPU发中断请求，CPU响应请求后便转入中断服务程序，在中断服务程序的执行过程中， CPU通过执行读入指令将计数器所对应的ROM地址中的内容，即所按键对应的ASCII码送入CPU；经一段延迟后清除中断请求触发器，重新启动计数器开始扫描
      
  • 非编码键盘：将按键排列成行、列矩阵，按键只是使相应接点接通或断开。是用较为简单的硬件，在程序配合下来识别被按键的位置，提供一个与位置相对应的中间代码（扫描码），然后通过专用软件将其转换成规定的编码。即功能由软件完成

计算机键盘常采用电容式无触点键盘，由83~110个键组成，排列成16行×8列的长方矩阵，内部由单片机控制

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键盘的工作原理

• 线性键盘
  • 每个键对应 I/O 端口的一位，没有按键闭合时，各位均处于高电位；当某键被按下时，对应位与地接通，则为低电位。因此，CPU 通过读入 I/O 端口数据并判断哪一位为“0”，即可知哪一个键被按下，从而转到相应功能的处理程序去执行
  • 注意按键抖动问题；需要进行软件去抖
    

鼠标

• 鼠标：PS/2接口、USB 接口…
• 分类：
  • 机电式：一个外涂橡胶的钢球，两对发光、光电管和栅轮组成，进行代表 $X、Y$ 方向的定位和测距
  • 光电式：没有机械滚动部分，代之以两对互为直角的光电探测器，分别代表 $X、Y$ 方向进行定位
• 指标 ：分辨率、轨迹速度…
  • 分辨率：单位 dpi（像素点/英寸），鼠标移动 1 英寸所经历的像素点数

输出设备

显示器

• CRT-阴极射线管 (Cathode Ray Tube) 显示器
• LCD-液晶显示器 (Liquid Crystal Display)
  • 特点：低工作电压、微功耗、体轻薄，易于实现大画面显示，显示色彩优良等
  • 原理：由图像信号电压直接控制薄膜晶体管，再间接控制液晶分子的光学特性实现图像的显示
  • 组成：电源、光源、控制逻辑和液晶屏（薄膜晶体管和液晶）等
• PDP-等离子显示器 (Plasma Display Panel)

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• 刷新 Refresh：为了使人眼能看到稳定的图像，就必须在图像消失之前使电子束不断地重复扫描整个屏幕
• 刷新频率

VRAM

• 为了不断地刷新必须把瞬时图像保存在存储器中，这种存储器称为 刷新存储器 又称 帧存储器 或 视频存储器(VRAM)
• VRAM 的容量由 图像分辨率 和 灰度等级 决定
  • 例如，分辨率为 $512\times 512$ 像素，灰度等级为 256 的图像，其刷新存储器的容量需达 $512\times 512\times 8b$, 即为 $256KB$
• 刷新存储器的存取周期必须与刷新频率相匹配

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显示器的性能指标

• 分辨率：一帧像素总数，即宽、高的像素乘积，如 1280×1024
• 灰度级：单色显示器用于表现显示内容的层次感，如 256级（8位）
• 颜色深度：彩色显示器用于表示颜色种类，以二进制位数表示。通常一个像素以 8、16、24 位或更多位描述其显示属性
• 颜色数：彩色显示器每个像素点可显示的颜色数

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字符显示器

• 以字符为显示单位，对应于每个字符窗口，所需显示字符的 ASCll 码被存放在视频存储器（VRAM）中，对于在屏幕上能显示 25 行 80 列的显示器，应有 2000 个单元存放字符信息，VRAM 容量为 $25\times 80\times 8$ bit
• 水平地址计数器对一行的显示进行控制。送出当前要显示的这一行字符的 VRAM 地址。每行有效显示 80 个字符
• 垂直（帧）地址计数器控制一屏幕 25 行字符的显示，与水平回扫类似，当光栅到达屏幕底部时，需要回到屏幕顶部这一过程称为垂直回扫，垂直回扫需要一行的显示时间。即：25+1 (屏幕上下失真空一行)
• 字符发生器：荧光屏上的字符由光点组成，而显示存储器中存放的是 ASCII 码，字符发生器 将每个 ASCII 字符码转变为一组光点矩阵信息。它实质是一个 ROM
  
  • 字符发生器内部以 ASCII 码为 ROM 的高地址 (列地址)，光栅计数器为低地址 (行地址) 扫描屏幕；例如下图中显示 $9\times 7$ 的一个字符，每个 ROM 有 9 个单元，分别对应 9 行，ASCII 码作为列地址选择一个 ROM，然后由光栅计数器选择显示 9 行
    

值得注意的是，扫描方式是不一个字符一个字符地扫描，而是每次对一排字符中所有字符的同一行进行扫描，并显示亮点。例如，某排字符为 WELCOME, 其显示次序是先从显示存储器中读出W，送至字符发生器，并从字符发生器中扫描选出 W 的第一行光点代码，于是屏幕上显示出 W 第一行的7个光点代码；再从显示存储器中读出 E 并送至字符发生器，又选出 E 的第一行7个光点代码…直到最后一个字符 E 的第一行1个光点代码显示完毕. 接着进行每个字符点阵的第二行7个光点代码的扫描…直到该排每个字符的第 9 行光点代码扫描完毕，则屏幕上完整地显示出 WELCOME

• 图形显示器
  • 以像素为显示单位，又称位图显示器。在显示存储器中为每个像素点存储一个影像。根据灰度级的不同决定使用几个bit来表示
    

打印机

硬拷贝设备:可以产生永久性记录的设备

• 打印机的分类
  • 印字原理：击打式/非击打式；机械化的击打式 → 电子化的非击打式设备
    • 击打式－“打印机”
      • 原理：利用机械作用使印字机构与色带和纸相撞击而打印字符
      • 成本低，缺点是噪音大，速度慢
    • 非击打式－“印字机”
      • 原理：采用电、磁、光、喷墨等物理、化学方法印刷字符，如激光印字机，喷墨印字机等
      • 速度快，噪音低，印字质量高，但价格较贵，有的设备还需要专用纸张
  • 工作方式：串行打印机 (逐字打印) / 行式打印机 (逐行打印，速度更快)
  • 图形/图像打印机，黑白/彩色打印机
• 点阵针式打印机 (击打式打印机)
  • 特点：结构与原理简单、体积小、价格低，耗材（色带）便宜； 但打印分辨率和打印速度不够高
  • 组成：打印头、横移机构、走纸机构、色带机构 和控制电路等
  • 原理：其印字方法是由打印针印出 $n\times m$ 点阵组成字符或图形，点越多、越密，印字质量越高；色带机构负责供给色源，钢针撞在色带上，就可以把颜色印在纸上，色带机构可使色带不断移动，以改变受击打的位置，避免色带的破损
    • 可“多层复写打印”，实现各种票据或蜡纸等打印
  • 印字过程：在联机状态下，主机发打印命令，经接口、检测和控制电路，间歇驱动纵向送纸和打印头横向移动，同时驱动打印针间歇冲击色带，在纸上打出所需内容
    (对一个字符一列一列的打印，每根针可单独驱动，例如打印 E，先打印第一列7个点，再打印第二列3个点… 如果要组成行式点阵打印机，则可以将多恨打印针沿横向排成一行)
    
• 激光打印机
  • 印字原理：激光技术和电子照相技术结合
    • 激光打印机组成：
      • 激光扫描系统、电子照相部分、走纸机构和控制电路等
      • 感光鼓 / 字形鼓 / 硒鼓 是电子照相系统的核心部件，鼓面上涂有一展具有光敏特性的感光材料，主要成分为硒
    • 字形发生器将二进制字符编码转换成字符点阵脉冲信号，激光扫描系统受字符点阵脉冲信号的控制，能输出很细的激光束，该激光束对做圆周运动的感光鼓进行轴向（垂直于纸面）扫描，由鼓面的左边缘向右边缘移动，当光束扫过鼓面时，半导体激光器中激光管不断地开通或关断：光束扫到要打印点的地方时，激光管开通；光束扫到非打印点的地方时(即空白处)，激光管关断。激光扫描系统使激光束激光束扫完一行后，感光鼓旋转一个步距，同时，激光束又回到鼓面的左边缘，开始新的一行扫描，使鼓面开始接受新的一行载有信息的激光束。感光鼓在未被激光扫描之前，先在黑暗中充电，使鼓表曲均匀地沉积一层电荷，扫描时激光束对鼓表面有选择地曝光，被曝光的部分产生放电现象，未被曝光的部分仍保留充电时的电荷，这就形成了 “潜像”。随心鼓的圆周运动，“潜像” 部分通过装有碳粉盒的显像系统，使 “潜像” 部分（实际上是具有字符信息的区域）吸附上碳粉，达到“显影”的目的。当鼓上的字符信息区和打印纸接触时，由纸的背面施以反向的静电电荷，则鼓面上的碳粉就会被吸附到纸面上，这就是“转印”或“转写” 过程。最后经过定影系统就将碳粉永久性地粘在纸上。转印后的鼓面还留有残余的碳粉，故先要除去鼓面上的电荷，经清扫系统将残余碳粉全部消除，然后重复上述充电、曝光、显形、转印，定影等一系列过程
    • 印字过程：带电、照相（曝光）、显影 (显像)、转印、定影、清除残像
      
  • 激光打印机性能
    • 输出速度快、噪音小，印字质量高
    • 激光打印机是非击打式硬拷贝输出设备，逐页输出
      • 页式输出设备的输出速度用每分钟输出的页数来表示(pages per minute，简称PPM)
    • 印字分辨率用每英寸像素点个数表示：(Dots per Inch, DPI)
• 喷墨打印机 (串行非击打式打印机)
  • 主要组成：喷头、墨盒、清洁机构、字车、走纸机构、控制电路等
  • 印字原理：
    • 喷墨头后部的压电陶瓷受振荡脉冲激励，使喷墨头喷出具有一定速度的一串不连续、不带电的墨水滴。墨水滴通过充电电极时被充上电荷，其电荷量的大小由字符发生器控制。字符发生器可将字符编码转换成字符点阵信息。 由于各点的位置不同，充电电极所加的电压也不同，电压越高，充电电荷越多，墨滴经偏转电极后偏移的距离也越大，最后墨滴落在印字纸上。图中只有一对垂直方向的偏转电极，若垂直线段上某处不需喷点（对应字符在此处无点阵信息），则相应墨滴不充电，在偏转电场中不发生偏转, 而射入回收器中
      
    • 随机式喷墨打印机中，系统供给的墨滴只在需要印字时才喷出，不需要墨水循环系统，省去了墨水泵和收集槽等
    • 产生墨滴的机构，可采用压电式和热电式技术
    • 彩色喷墨打印基于三基色原理，分别喷射三种颜色墨滴，按一定比例混合出所要求的色彩
  • 特点
    • 噪音小，速度较快，喷墨机构简单、价廉，可靠性高
    • 防水性差，高质量打印需专用打印纸

终端设备

• 显示终端：由显示器和键盘组成的独立完整的输入/输出设备，可通过标准通信接口接到远离主机的地方使用，终端的结构比显示器复杂，它能完成显示控制与存储键盘管理及通信控制等，还可完成简单的编辑操作

汉字处理设备

• 本节参考：汉字编码-区位码、国标码和内码发展和区别以及为什么要加2020H、8080H

区位码

• 在汉字的编码中，通常用两个字节表示一个汉字
• 区位码将国标码中的字符按其位置划分成 94 个区，每个区中 94 个字符，编入一个 $94\times 94$ 的二维表 (行就是“区”；列就是“位”)，每个汉字都由区、位唯一定位，因此称为区位码
  • 例如：“万” 在 45 区 82 行，因此它的区位码为：$4582$
    

国标码 (GB2312-80)

• 国标码将区位码的“区”和“位”都分别加上 32：$国标码=区位码+2020H$
  • 例如：“万” 的区位码为 $(45,28)$，国标码为 $(45+32,82+32)=(77,114)=(4DH,72H)=4D72H$

为什么要加上 32？ -> GB2321 沿用了 ASCII 码中的前32个控制字符，因此需要把汉字编码向后偏移 32

汉字内码

• 因为汉字编码通常采用两个字节，因此为了与西文字符编码相区别（西文的ASCII码的最高一位编码值为 0），表示一个汉字时，把两个字节的最高一位的编码值设定均为 1，则该编码集的最多编码数量为 $128\times 128$
• 因此，国标码还不能直接在计算机上使用，需要每个字节都加上 $128$ ($80H$)，形成汉字内码，内码是用于汉字信息的存储、交换、检索等操作的机内代码；即
  $$机内码=国标码+8080H=区位码+A0A0H$$
  • 例如，“万” 的汉字内码为 $4D72H+8080H=CDF2H$

汉字输入编码

• 输入编码是为了使用西文标准键盘把汉字输入到计算机中，其编码方法主要有数字编码、字音编码和字型编码等

汉字字模编码 (字形码)

• 字模编码：以点阵方式描述汉字字型的代码，是汉字的输出形式
• 字模点阵的信息量很大，需要占的存储空间大，点阵只能用来构成字库，而不能用于机内存储。字库中存储每个汉字的点阵代码，当显示输出时才检索字库，输出字模点阵，得到字形

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• 汉字显示输出过程：输入码→机内码→字形码→ 显示器