【计算机组成原理】输入输出系统

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正文

1. 输入输出系统概述

1.1 定义与重要性

• 输入输出（I/O）系统是计算机系统中用于实现计算机与外部世界进行信息交互的部分，它就像是计算机的“感官”和“四肢”一样，负责接收外部输入的各种数据、指令以及将计算机处理后的结果输出到外部设备上展示或存储等。如果没有输入输出系统，计算机就只能在内部“闭门造车”，无法获取用户的操作指令、外部的数据资源，也不能把运算结果反馈给外界，所以它是计算机系统与外界沟通的桥梁，对于计算机的实用性和功能性有着至关重要的作用。

1.2 组成部分

• 外部设备（Peripheral Devices）：这是输入输出系统中直接与外部环境交互的硬件部分，种类繁多，涵盖了输入设备（如键盘、鼠标、扫描仪等，用于向计算机输入数据、指令等信息）、输出设备（如显示器、打印机、音箱等，将计算机的处理结果以直观的形式展现出来）以及既可输入又可输出的设备（如磁盘驱动器、U盘等，既能读取存储的数据输入到计算机，又能接收计算机传来的数据进行存储）等不同类型，它们有着各自不同的功能和工作原理，以满足不同应用场景下计算机与外界交互的需求。
• 接口（Interfaces）：接口是连接计算机主机与外部设备的“中转站”，起到了适配、协调以及规范数据传输等作用。它使得计算机主机能够识别和与各种各样的外部设备进行通信，不同类型的外部设备通常需要匹配相应的接口，例如 USB 接口用于连接多种通用的外部设备，VGA 接口用于连接显示器，SCSI 接口常用于连接高速的磁盘存储设备等。接口一方面要遵循一定的电气标准，保证信号的正常传输；另一方面要按照特定的数据格式和传输协议来接收和发送数据，确保计算机与外部设备之间数据交互的准确性和流畅性。
• 输入输出控制部件（I/O Control Units）：这些部件处于计算机主机内部，主要负责对输入输出操作进行管理和控制，协调计算机的 CPU、内存等核心部件与外部设备之间的数据传输过程，比如决定何时向外部设备发送数据、何时从外部设备读取数据，以及如何处理传输过程中的各种情况（如数据缓存、错误检测与纠正等）。常见的输入输出控制部件有 DMA 控制器（Direct Memory Access Controller，用于实现直接内存访问，提高数据传输效率）等，它们通过执行相应的控制逻辑，保障输入输出系统能够有条不紊地运行，提高整个计算机系统的工作效率。

2. 外部设备

2.1 输入设备

• 键盘（Keyboard）：
  • 工作原理：键盘是最常见的输入设备之一，通过按键的机械或电容式触发来产生电信号，每个按键对应着特定的编码（如 ASCII 码等），当用户按下按键时，键盘内部的电路会检测到这个动作，并将对应的编码信息通过键盘接口传输给计算机主机，计算机根据接收到的编码识别出用户输入的字符、数字、命令等内容。例如，当按下“A”键时，键盘会向计算机发送表示字母“A”的 ASCII 码值（十进制为 65，十六进制为 41），计算机将其解析后在相应的文本编辑软件等应用中显示出“A”这个字符。
  • 分类与特点：键盘有多种类型，按按键结构可分为机械键盘（手感好、耐用，按键反馈明显，常用于游戏、打字等对按键触感有要求的场景）、薄膜键盘（成本低、轻薄，广泛应用于日常办公等普通场合）等；按连接方式可分为有线键盘（通过 USB 等线缆与计算机相连，信号传输稳定，但使用时线缆可能会带来一定不便）和无线键盘（采用蓝牙、无线射频等无线通信技术与计算机连接，使用更加灵活自由，但需要电池供电且可能存在信号干扰等问题）等。
• 鼠标（Mouse）：
  • 工作原理：鼠标主要用于控制计算机屏幕上光标的位置以及实现各种点击、拖拽等操作。常见的光电鼠标通过底部的光学传感器不断地拍摄鼠标下方表面的图像变化，根据图像的移动情况来计算鼠标在平面上的位移，并将这些位移信息转化为电信号，经鼠标接口传输给计算机，计算机再据此相应地移动屏幕上的光标。例如，当用户在鼠标垫上向右移动鼠标时，光学传感器检测到图像的相应变化，将向右移动的信息传递给计算机，计算机就让屏幕上的光标往右移动一定距离。另外，还有机械鼠标（通过底部的滚球和机械部件来感知移动，现在已较少使用）等不同类型的鼠标，其工作原理略有差异，但目的都是为了准确地向计算机反馈用户的操作意图。
  • 分类与特点：从连接方式上同样有有线鼠标和无线鼠标之分，无线鼠标的特点和无线键盘类似；从功能上看，有普通的两键鼠标、带有滚轮的三键鼠标以及具备更多自定义按键和功能（如可通过按键快速调节音量、切换页面等）的多功能鼠标等，不同类型的鼠标适用于不同的使用场景和用户需求，比如普通办公操作两键或三键鼠标基本能满足需求，而对于图形设计、游戏等领域，多功能鼠标则可以提供更多操作上的便利。
• 扫描仪（Scanner）：
  • 工作原理：扫描仪用于将纸质文档、图片等实物上的图像信息转换为数字信息输入到计算机中。它通过光源照射被扫描的物体表面，然后利用光电转换器件（如 CCD 或 CIS 等）接收反射或透射过来的光线，并将光线的强弱等变化转换为电信号，再经过模数转换（将模拟电信号转换为数字信号）以及相关的处理和编码，最终生成计算机能够识别和存储的图像数据文件，例如将一张纸质照片扫描后，在计算机中可以得到对应的以 JPEG、TIFF 等格式存储的数字图像文件，方便后续进行编辑、打印、存储等操作。
  • 分类与特点：扫描仪有平板式扫描仪（扫描平台平整，适合扫描单页文档、照片等，操作简单方便，应用广泛）、馈纸式扫描仪（能够自动连续扫描多页纸张，常用于需要批量扫描文件的办公场景）、手持式扫描仪（小巧便携，可手持对物体进行局部扫描，但扫描精度相对较低，常用于简单的信息采集等）等不同类型，用户可以根据实际扫描需求选择合适的扫描仪类型。

2.2 输出设备

• 显示器（Monitor）：
  • 工作原理：显示器是用于将计算机处理后的图像、文字等信息以可视化的方式呈现给用户的设备。以液晶显示器（LCD）为例，它通过液晶分子在电场作用下的排列变化来控制光线的透过和阻挡，背后的背光源发出的光线经过液晶层的调制后，再通过彩色滤光片等部件组合形成不同颜色的像素点，众多像素点共同构成了屏幕上的图像，计算机将需要显示的图像数据以数字信号的形式发送到显示器的驱动电路，驱动电路根据这些信号控制各个像素点的状态，从而显示出相应的画面。而对于有机发光二极管显示器（OLED），则是通过有机材料自身发光来形成像素点，不需要背光源，具有对比度高、视角广、响应速度快等优点，在高端显示设备中应用越来越广泛。
  • 分类与特点：显示器按显示技术可分为阴极射线管显示器（CRT，早期常用，体积大、功耗高，但色彩还原度较好，现在基本已被淘汰）、液晶显示器（LCD，轻薄、节能，是目前主流的桌面显示器类型）、有机发光二极管显示器（OLED，显示效果好，但成本较高，常用于高端手机、电视等显示设备）等；按屏幕尺寸有不同规格可供选择，从十几英寸的便携式显示器到几十英寸的大屏显示器，满足不同用户对显示大小的需求；按分辨率可分为高清（HD）、全高清（FHD）、超高清（UHD，如 4K、8K 等）等不同级别，分辨率越高，图像越清晰细腻，适合对图像质量要求较高的应用场景，如视频编辑、图形设计等。
• 打印机（Printer）：