# 输入输出系统和 I/O 控制方式
I/O 设备就是可以将数据输入到计算机，或者可以接收计算机输出数据的外部设备
鼠标、键盘 —— 输入设备
显示器、打印机 —— 输出设备
硬盘、光盘 —— 可输入、可输出设备
统称为外部设备
I/O 接口：又称 I/O 控制器 (I/O Controller)、设备控制器，负责协调主机与外部设备之间的数据传输
# I/O 控制方式简介
- 程序检查方式
- CPU 不断轮询检查 I/O 控制器中的 "状态寄存器"，检测到状态为 "已完成" 之后，再从数据寄存器取出输入数据
- 程序中断方式
- 等待键盘 I/O 时 CPU 可以先去执行其他程序，键盘 I/O 完成后 I/O 控制器向 CPU 发出中断请求，CPU 响应中断请求，并取走输入数据
数据流：键盘 ->I/O 接口的数据寄存器 -> 数据总线 ->CPU 某寄存器 -> 主存 (变量 i 的对应位置)
对于快速 I/O 设备，如 "磁盘"，每准备好一个字就给 CPU 发送一次中断请求，会导致 CPU 需要花大量时间来处理中断服务程序，CPU 利用率严重下降
- DMA 控制方式
- 主存与高速 I/O 设备之间有一条直接数据通路 (DMA 总线)。CPU 向 DMA 接口发出 "读 / 写" 命令，并指明主存地址、磁盘地址、读写数据量等参数
- DMA 控制器自动控制磁盘与主存的数据读写，没完成一整块数据读写 (如 1KB 为一整块)，才向 CPU 发出一次中断请求
- 通道控制方式
- 通道：可以理解为 "弱化版 CPU"。通道可以识别并执行一系列通道指令，通道指令种类、功能通常比较单一
- CPU 向通道发出 I/O 指令。指明通道程序在内存中的位置，并指明要操作的是哪个 I/O 设备。CPU 就可以去做其他事情
- 通道执行内存中的通道程序，控制 I/O 设备完成一系列任务
- 通道执行完规定的任务后，向 CPU 发出中断请求，之后 CPU 对中断进行处理
# I/O 系统基本组成
I/O 硬件：包括外部设备、I/O 接口、I/O 总线等
I/O 软件：包括驱动程序、用户程序、管理程序、升级补丁等
- 通常采用 I/O 指令和通道指令实现 CPU 和 I/O 设备的信息交换
- I/O 指令：CPU 指令的一部分
- 操作码 + 命令码 + 设备码
- 通道指令：通道能识别的指令
- 通道程序提前编制好放主存中
- 在含有通道的计算机当中，CPU 执行 I/O 指令对通道发出命令，由通道执行一系列通道指令，代替 CPU 对 I/O 设备进行管理
注：I/O 指令与普通指令格式略有不同，操作码指明了 CPU 要对 IO 接口做什么，命令码指明了 IO 接口要对设备做什么
# 外部设备
# 输入设备
键盘：键盘是最常用的输入设备，通过它可发出命令或输入数据。每个键相当于一个开关，当按下键时，电信号连通；当松开键时，弹簧把键弹起，电信号断开。
键盘输入信息可分为三个步骤：
- 查出按下的是哪个键
- 将该键翻译成能被主机接收的编码，如 ASCII 编码
- 将编码传送给主机
鼠标：鼠标是常用的定位输入设备，它把用户的操作与计算机屏幕上的位置信息相联系。常用的鼠标由机械式和光电式两种。
工作原理：
当鼠标在平面上移动时，其底部传感器把运动的方向和距离检测出来，从而控制光标做出相应运动
# 输出设备
显示器
显示存储器 (VRAM)：也称刷新存储器，为了不断提高刷新图像的信号，必须把一帧图像信息存储在刷新存储器中。其存储容量由图像分辨率和灰度级决定，分辨率越高，灰度级越多，刷新存储器容量越大。
分辨率：所能表示的像素个数，屏幕上的每一个光电就是一个像素，以宽、高的像素的乘积表示
灰度级：灰度级是指黑白显示器中所显示的像素点的亮暗差别，在彩色显示器中则表现为颜色的不同，灰度级越多，图像的层次越清楚逼真，典型的有 8 位、16 位等。n 位可以表示 中不同的亮度或颜色
VRAM 容量 = 分辨率 * 灰度级位数
VRAM 带宽 = 分辨率 * 灰度级位数 * 帧频
注：现代计算机中，显存除了作为当前显示帧的缓存，还会用于保存即将渲染的图像数据
集成显卡计算机中，通常分配一片内存作为显存
显示器分类：阴极射线管显示器、液晶显示器 (LCD)、LED 显示器 (LED)
与 LCD 相比，LED 显示器在亮度、功耗、可视角度和刷新速率等方面都更具有优势
按显示信息内容不同可分为：字符显示器（重点：显示字符的原理）、图形显示器、图像显示器
打印机
打印机是计算机的输出设备之一，用于将计算机处理结果打印在相关介质上
按印字原理不同可分为：击打式打印机、非击打式打印机
按工作方式分为：针式打印机、喷墨式打印机、激光打印机
# I/O 接口
I/O 接口：又称 I/O 控制器、设备控制器，负责协调主机与外部设备之间的数据传输
I/O 接口的作用
- 数据缓冲：通过数据缓冲寄存器 (DBR) 达到主机和外设工作速度的匹配
- 错误或状态监测：通过状态寄存器反馈设备的各种错误、状态信息，供 CPU 查用
- 控制和定时：接收从控制总线发来的控制信号、时钟信号
- 数据格式转换：串 - 并、并 - 串等格式转换
- 与主机和设备通信：实现主机 - I/O 接口 - I/O 设备之间的通信
内部接口：内部接口与系统总线相连，实质上是与内存、CPU 相连。注意：数据传输的方式不只有并行传输
外部接口：外部接口通过接口电缆与外设相连，外部接口的数据传输可能是串行方式，因此 I/O 接口需具有串 / 并转换功能
I/O 接口控制原理
- 发命令：发送命令字到 I/O 控制寄存器，向设备发送命令 (需要驱动程序的协助)
- 读状态：从状态寄存器读取状态字，获得设备或 I/O 控制器的状态信息
- 读 / 写数据：从数据缓冲寄存器发送或读取数据，完成主机与外设的数据交换
控制寄存器、状态寄存器在使用时间上是错开的，因此有的 I/O 接口可将二者合二为一
IO 控制器中的各种寄存器称为 I/O 端口
数据线：读写数据、状态字、控制字、中断类型号
地址线：指明 I/O 端口
控制线：读 / 写 IO 端口的信号、中断请求信号
如何确定要操作的设备？
- 每个设备对应一组寄存器，操作不同的寄存器就是在操作不同的设备
接口与端口
接口 Interface：
端口 Port
- 数据端口
- 控制端口
- 状态端口
控制逻辑
I/O 端口是指接口电路中可以被 CPU 直接访问的寄存器
如何访问 I/O 端口？
# I/O 端口及其编址
统一编址
把 I/O 端口当做存储器的单元进行地址分配，用统一的访存指令就可以访问 I/O 端口，又称为存储器映射方式
靠不同的地址码区分内存和 I/O 设备，I/O 地址要求相对固定在地址的某部分
如系统总线中地址线共 10 根，则可以访问的存储单元个数为 1024 个，假设要给 10 个 I/O 端口编址
1.0~9 表示 I/O 地址，10~1023 为主存单元地址
2.0~1013 表示主存单元地址，1014~1023 为 I/O 地址
3. 在 1024 中间选择 10 个表示 I/O 地址，其他为主存地址
优点：
- 不需要专门的输入 / 输出指令，所有访存指令都可以直接访问端口，程序设计灵活性高
- 端口有较大的编址空间
- 读写控制逻辑电路简单
缺点：
- 端口占用了主要地址空间，使主存地址空间变小
- 外设寻址时间长 (地址位数很多，地址译码速度慢)
独立编制
I/O 端口地址与存储器地址无关，独立编制 CPU 需要设置专门的输入 / 输出指令访问端口，又称 I/O 映射方式
靠不同的指令区分内存和 I/O 设备
优点：
- 使用专用 I/O 指令，程序编址清晰
- I/O 端口地址位数少，地址译码速度快
- I/O 端口的地址不占用主存地址空间
缺点：
- I/O 指令类型少，一般只能对端口进行传送操作，程序设计灵活性差
- 需要 CPU 提供存储器读 / 写、I/O 设备读 / 写两组控制信号，增加了控制逻辑电路的复杂性
# I/O 接口类型
按数据传送方式可分为：
并行接口：一个字节或一个字所有位同时传送
串行接口：一位一位地传送
注：这里所有的数据传送指的是外设和接口一侧的传送方式，而在主机和接口一侧，接口要完成数据格式转换
按主机访问 I/O 设备的控制方式可分为：
程序查询接口
中断接口
DMA 接口
按功能选择的灵活性可分为：
可编程接口
不可编程接口
