计算机组成原理——输入/输出系统（I/O接口&外设&中断）

提示：文章写完后，目录可以自动生成，如何生成可参考右边的帮助文档

---

一、I/O系统基本概念

1．基本概念

（1）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
（2）常见的I/O设备
①硬盘、光盘――即可输入、又可输出的设备(有的教材称为:外存设备）
②鼠标、键盘――输入设备
③显示器、打印机――输出设备
④可统称“外部设备”

2．主机如何与l/O设备进行交互?

（1）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
（2）I/O控制器多种多样，也会制定相应的标准，如:用于控制USB设备的IO接口、用于控制SATA3.0硬盘的lO接口等
（3）I/O控制器就是一块芯片，常被集成在主板上，现在的I/O接口(芯片）也会被集成在南桥芯片内部

3．I/O控制方式简介

（1）程序查询方式: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

（2）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l/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

（3）数据流:键盘→IO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)
（4）思考: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需要花大量的时间来处理中断服务程序，利用率严重下降。

4．DMA控制方式

（1）DMA接口，即DMA控制器，也是一种特殊的I/O控制器
（2）DMA控制方式:主存与高速l/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。
（3）DMA控制器自动控制磁盘与主存的数据读写，每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。

（4）相比程序中断方式，效率大大提升

5．通道控制方式

（1）通道是具有特殊功能的处理器,能对I/O设备进行统一管理。
（2）通道:可以理解为是“弱鸡版的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

6．I/O系统基本组成

（1）I/O硬件
①包括外部设备、I/O接口、I/O总线等

（2）I/O软件：包括驱动程序、用户程序、管理程序、升级补丁等。
①I/O指令：CPU指令的一部分
a．操作码：识别I/O指令
b．命令码：做什么操作
c．设备码：对哪个设备进行操作
②通道指令：通道能识别的指令（提前编制好放在主存中）
1）在含有通道的计算机中，CPU执行I/O指令对通道发出命令
2）由通道执行一系列通道指令，代替CPU对I/O设备进行管理

二、外部设备

1．输入/输出设备

（1）输入设备
①键盘
1）键盘是最常用的输入设备，通过它可发出命令或输入数据。
2）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。
3）键盘输入信息可分为3个步骤:
a．查出按下的是哪个键;
b．将该键翻译成能被主机接收的编码，如ASCII码;
c．将编码传送给主机。

②鼠标
1）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。
2）常用的鼠标有机械式和光电式两种。
3）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，从而控制光标做相应运动。

（2）输出设备
①显示器
1）按显示设备所用的显示器件分类:
a．阴极射线管(CRT)显示器
b．液晶显示器(LCD)
c．LED显示器

2）按所显示的信息内容分类:
a．字符显示器
b．图形显示器
c．图像显示器

3）性能指标
a．屏幕大小：以对角线长度表示，常用的有12～29英寸等。
b．分辨率：所能表示的像素个数，屏幕上的每一个光点就是一个像素，以宽、高的像素的乘积表示，例如，800×600、1024×768和1280×1024等。
c．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，图像层次越清楚逼真，典型的有8位（256级）、16位等。（n位可以表示2"种不同的亮度或颜色。）
d．刷新：光点只能保持极短的时间便会消失，为此必须在光点消失之前再重新扫描显示一遍，这个过程称为刷新。刷新频率:单位时间内扫描整个屏幕内容的次数，按照人的视觉生理，刷新频率大于30Hz时才不会感到闪烁，通常显示器刷新频率在60～120Hz。
e．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。
a）VRAM容量=分辨率×灰度级位数
b）VRAM带宽=分辨率×灰度级位数×帧频
c）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。

②各显示器介绍
1）阴极射线管(CRT)显示器：主要由电子枪、偏转线圈、荫罩、高压石墨电极和荧光粉涂层及玻璃外壳5部分组成。具有可视角度大、无坏点、色彩还原度高、色度均匀、可调节的多分辨率模式、响应时间极短等优点。
2）液晶显示器(LCD)原理:利用液晶的电光效应，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来实现图像的显示。特点:体积小、重量轻、省电、无辐射、绿色环保、画面柔、不伤眼等。
3）LED （发光二极管）显示器原理:通过控制半导体发光二极管进行显示，用来显示文字、图形、图像等各种信息。
4）LCD与LED是两种不同的显示技术，LCD是由液态晶体组成的显示屏，而LED则是由发光二极管组成的显示屏。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优势。

③显示器-阴极射线管（CRT)显示器
1）按显示信息内容不同可分为
a.字符显示器：