7.1 I/O系統(tǒng)基本概念

I/O系統(tǒng)由I/O軟件和I/O硬件兩部分構(gòu)成。

I/O硬件包括外部設(shè)備、I/O接口、I/O總線等。

• I/O設(shè)備就是可以將數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)，或者可以接收計(jì)算機(jī)輸出數(shù)據(jù)的外部設(shè)備

• I/O接口：又稱I/O控制器（I/O Controller）、設(shè)備控制器，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)主機(jī)與外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸

I/O基本控制方式有(具體見7.4)

• 程序查詢方式：CPU不斷輪詢檢查I/O控制器中的“狀態(tài)寄存器”，檢測(cè)到狀態(tài)為“已完成”之后，再?gòu)臄?shù)據(jù)寄存器取出輸入數(shù)據(jù)

• 程序中斷方式：等待鍵盤I/O時(shí)CPU可以先去執(zhí)行其他程序，鍵盤I/O完成后I/O控制器向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求，CPU響應(yīng)中斷請(qǐng)求，并取走輸入數(shù)據(jù)

• DMA控制方式：主存與高速I/O設(shè)備之間有一條直接數(shù)據(jù)通路（DMA總線）。CPU向DMA接口發(fā)出“讀/寫”命令，并指明主存地址、磁盤地址、讀寫數(shù)據(jù)量等參數(shù)。DMA控制器自動(dòng)控制磁盤與主存的數(shù)據(jù)讀寫，每完成一整塊數(shù)據(jù)讀寫（如1KB為一整塊），才向CPU發(fā)出一次中斷請(qǐng)求。

• 通道可以識(shí)別并執(zhí)行一系列通道指令，通道指令種類、功能通常比較單一

• CPU向通道發(fā)出I/O指令。指明通道程序在內(nèi)存中的位置，并指明要操作的是哪個(gè)I/O設(shè)備。CPU就可以去做其他事情

• 通道執(zhí)行內(nèi)存中的通道程序，控制I/O設(shè)備完成一系列任務(wù)

• 通道執(zhí)行完規(guī)定的任務(wù)后，向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求，之后CPU對(duì)中斷進(jìn)行處理

I/O 軟件包括驅(qū)動(dòng)程序、用戶程序、管理程序、升級(jí)補(bǔ)丁等。通常采用I/O指令和通道指令實(shí)現(xiàn)主機(jī)和I/O設(shè)備的信息交換。

• I/O 指令是CPU 指令的一部分

• 通道指令是通道能識(shí)別的指令，通道程序提前編制好放在主存中。在含有通道的計(jì)算機(jī)中，CPU執(zhí)行I/O指令對(duì)通道發(fā)出命令，由通道執(zhí)行一系列通道指令，代替CPU對(duì)I/O設(shè)備進(jìn)行管理

7.2外部設(shè)備

外部設(shè)備也稱外圍設(shè)備，是除了主機(jī)以外的、能直接或間接與計(jì)算機(jī)交換信息的裝置。

7.2.1 輸入輸出設(shè)備

7.2.1.1 輸入設(shè)備

輸入設(shè)備用于向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輸入命令和文本、數(shù)據(jù)等信息的部件。鍵盤和鼠標(biāo)是最基本的輸入設(shè)備。
7.2.1.1-1 鍵盤
鍵盤是最常用的輸入設(shè)備，通過它可發(fā)出命令或輸入數(shù)據(jù)。每個(gè)鍵相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)，當(dāng)按下鍵時(shí)，電信號(hào)連通；當(dāng)松開鍵時(shí)，彈簧把鍵彈起，電信號(hào)斷開。
鍵盤輸入信息可分為3個(gè)步驟：

• 查出按下的是哪個(gè)鍵；

• 將該鍵翻譯成能被主機(jī)接收的編碼，如ASCII碼；

• 將編碼傳送給主機(jī)。

7.2.1.1-2 鼠標(biāo)
鼠標(biāo)是常用的定位輸入設(shè)備，它把用戶的操作與計(jì)算機(jī)屏幕上的位置信息相聯(lián)系。常用的鼠標(biāo)有機(jī)械式和光電式兩種。
工作原理：當(dāng)鼠標(biāo)在平面上移動(dòng)時(shí)，其底部傳感器把運(yùn)動(dòng)的方向和距離檢測(cè)出來，從而控制光標(biāo)做相應(yīng)運(yùn)動(dòng)。

7.2.1.2 輸出設(shè)備

7.2.1.2-1 顯示器
顯示器有以下主要參數(shù)

• 屏幕大?。阂詫?duì)角線長(zhǎng)度表示，常用的有12～29英寸等。

• 分辨率：所能表示的像素個(gè)數(shù)，屏幕上的每一個(gè)光點(diǎn)就是一個(gè)像素，以寬、高的像素的乘積表示，例如，800×600、1024×768和1280×1024等。

• 灰度級(jí)：灰度級(jí)是指黑白顯示器中所顯示的像素點(diǎn)的亮暗差別，在彩色顯示器中則表現(xiàn)為顏色的不同，灰度級(jí)越多，圖像層次越清楚逼真，典型的有8位（256級(jí)）、16位等。n位可以表示 種不同的亮度或顏色。

• 刷新：光點(diǎn)只能保持極短的時(shí)間便會(huì)消失，為此必須在光點(diǎn)消失之前再重新掃描顯示一遍，這個(gè)過程稱為刷新。

• 刷新頻率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)掃描整個(gè)屏幕內(nèi)容的次數(shù)，按照人的視覺生理，刷新頻率大于30Hz時(shí)才不會(huì)感到閃爍，通常顯示器刷新頻率在60～120Hz。

顯示存儲(chǔ)器（VRAM）也稱刷新存儲(chǔ)器，為了不斷提高刷新圖像的信號(hào)，必須把一幀圖像信息存儲(chǔ)在刷新存儲(chǔ)器中。其存儲(chǔ)容量由圖像分辨率和灰度級(jí)決定，分辨率越高，灰度級(jí)越多，刷新存儲(chǔ)器容量越大。

按所用的顯示器件分類

• 陰極射線管（CRT）顯示器

CRT顯示器主要由電子槍、偏轉(zhuǎn)線圈、蔭罩、高壓石墨電極和熒光粉涂層及玻璃外殼5部分組成。具有可視角度大、無(wú)壞點(diǎn)、色彩還原度高、色度均勻、可調(diào)節(jié)的多分辨率模式、響應(yīng)時(shí)間極短等特點(diǎn)，按顯示信息內(nèi)容不同可分為

1. 字符顯示器。顯示字符的方法以點(diǎn)陣為基礎(chǔ)。點(diǎn)陣是指由m×n個(gè)點(diǎn)組成的陣列。點(diǎn)陣的多少取決于顯示字符的質(zhì)量和字符窗口的大小。字符窗口是指每個(gè)字符在屏幕上所占的點(diǎn)數(shù)，它包括字符顯示點(diǎn)陣和字符間隔。將點(diǎn)陣存入由ROM構(gòu)成的字符發(fā)生器中，在CRT進(jìn)行光柵掃描的過程中，從字符發(fā)生器中依次讀出某個(gè)字符的點(diǎn)陣，按照點(diǎn)陣中0和1代碼不同控制掃描電子束的開或關(guān)，從而在屏幕上顯示出字符。對(duì)應(yīng)于每個(gè)字符窗口，所需顯示字符的ASCII代碼被存放在視頻存儲(chǔ)器VRAM中，以備刷新。

2. 圖形顯示器。將所顯示圖形的一組坐標(biāo)點(diǎn)和繪圖命令組成顯示文件存放在緩沖存儲(chǔ)器中，緩存中的顯示文件傳送給矢量（線段）產(chǎn)生器，產(chǎn)生相應(yīng)的模擬電壓，直接控制電子束在屏幕上的移動(dòng)。為了在屏幕上保留持久穩(wěn)定的圖像，需要按一定的頻率對(duì)屏幕進(jìn)行反復(fù)刷新。這種顯示器的優(yōu)點(diǎn)是分辨率高且顯示的曲線平滑。目前高質(zhì)量的圖形顯示器采用這種隨機(jī)掃描方式。缺點(diǎn)是當(dāng)顯示復(fù)雜圖形時(shí)，會(huì)有閃爍感。

3. 圖像顯示器 圖形顯示器主要顯示矢量圖形，比較規(guī)則，而圖像顯示器可以顯示豐富多彩的圖像信息
   

利用液晶的電光效應(yīng)，由圖像信號(hào)電壓直接控制薄膜晶體管，再間接控制液晶分子的光學(xué)特性來實(shí)現(xiàn)圖像的顯示。具有體積小、重量輕、省電、無(wú)輻射、綠色環(huán)保、畫面柔、不傷眼等特點(diǎn)。

• 液晶顯示器（LCD）

利用液晶的電光效應(yīng)，由圖像信號(hào)電壓直接控制薄膜晶體管，再間接控制液晶分子的光學(xué)特性來實(shí)現(xiàn)圖像的顯示。具有體積小、重量輕、省電、無(wú)輻射、綠色環(huán)保、畫面柔、不傷眼等特點(diǎn)。

• LED（發(fā)光二極管）顯示器

原理：通過控制半導(dǎo)體發(fā)光二極管進(jìn)行顯示，用來顯示文字、圖形、圖像等各種信息。與LCD相比，LED顯示器在亮度、功耗、可視角度和刷新速率等方面都更具優(yōu)勢(shì)。

7.2.1.2-2 打印機(jī)(了解即可)
打印機(jī)是計(jì)算機(jī)的輸出設(shè)備之一，用于將計(jì)算機(jī)處理結(jié)果打印在相關(guān)介質(zhì)上。
按印字原理不同可分為

• 擊打式打印機(jī)：利用機(jī)械動(dòng)作使印字機(jī)構(gòu)與色帶和紙相撞而打印字符，優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備成本低，印字質(zhì)量好；缺點(diǎn)：噪聲大，速度慢

• 非擊打式打印機(jī)：采用電、磁、光、噴墨等物理、化學(xué)方法來印刷字符，優(yōu)點(diǎn)：速度快，噪聲小；缺點(diǎn)：成本高

按打印機(jī)工作方式不同可分為

• 串行打印機(jī)：逐字打印，速度慢

• 行式打印機(jī)：逐行打印，速度快

按工作方式可分為

• 針式打印機(jī)：在聯(lián)機(jī)狀態(tài)下，主機(jī)發(fā)出打印命令，經(jīng)接口、檢測(cè)和控制電路，間歇驅(qū)動(dòng)縱向送紙和打印頭橫向移動(dòng)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)打印機(jī)間歇沖擊色帶，在紙上打印出所需內(nèi)容。它工作原理簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，耗材（色帶）便宜，但打印分辨率和打印速度不夠高。

• 噴墨式打印機(jī)：帶電的噴墨霧點(diǎn)經(jīng)過電極偏轉(zhuǎn)后，直接在紙上形成所需字形。彩色噴墨打印機(jī)基于三基色原理，即分別噴射3種顏色墨滴，按一定的比例混合出所要求的顏色。打印噪聲小，可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量彩色打印，通常打印速度比針式打印機(jī)快；但防水性差，高質(zhì)量打印需要專用打印紙。

• 激光打印機(jī)：計(jì)算機(jī)輸出的二進(jìn)制信息，經(jīng)過調(diào)制后的激光束掃描，在感光鼓上形成潛像，再經(jīng)過顯影、轉(zhuǎn)印和定影，便在紙上得到所需的字符或圖像。打印質(zhì)量高、速度快、噪聲小、處理能力強(qiáng)；但耗材多、價(jià)格較貴、不能復(fù)寫打印多份，且對(duì)
  紙張的要求高。

7.2.2 外存儲(chǔ)器

所謂“磁表面存儲(chǔ)”，是指把某些磁性材料薄薄地涂在金屬鋁或塑料表面上作為載磁體來存儲(chǔ)信息。磁盤存儲(chǔ)器、磁帶存儲(chǔ)器和磁鼓存儲(chǔ)器均屬于磁表面存儲(chǔ)器。
磁表面存儲(chǔ)器的優(yōu)點(diǎn)：

• 存儲(chǔ)容量大，位價(jià)格低；

• 記錄介質(zhì)可以重復(fù)使用；

• 記錄信息可以長(zhǎng)期保存而不丟失，甚至可以脫機(jī)存檔；

• 非破壞性讀出，讀出時(shí)不需要再生。

磁表面存儲(chǔ)器的缺點(diǎn)：

• 存取速度慢；

• 機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜；

• 對(duì)工作環(huán)境要求較高。

7.2.2-1 磁盤存儲(chǔ)器
7.2.2-1.1 磁盤設(shè)備的組成
一塊硬盤含有若干個(gè)記錄面，每個(gè)記錄面劃分為若干條磁道，而每條磁道又劃分為若干個(gè)扇區(qū)，扇區(qū)（也稱塊）是磁盤讀寫的最小單位，也就是說磁盤按塊存取。

• 磁頭數(shù)（Heads）即記錄面數(shù)，表示硬盤總共有多少個(gè)磁頭，磁頭用于讀取/寫入盤片上記錄面的信息，一個(gè)記錄面對(duì)應(yīng)一個(gè)磁頭。

• 柱面數(shù)（Cylinders）表示硬盤每一面盤片上有多少條磁道。在一個(gè)盤組中，不同記錄面的相同編號(hào)（位置）的諸磁道構(gòu)成一個(gè)圓柱面。

• 扇區(qū)數(shù)（Sectors）表示每一條磁道上有多少個(gè)扇區(qū)。

硬盤存儲(chǔ)器由磁盤驅(qū)動(dòng)器、磁盤控制器和盤片組成。

• 磁盤驅(qū)動(dòng)器：核心部件是磁頭組件和盤片組件，溫徹斯特盤是一種可移動(dòng)頭固定盤片的硬盤存儲(chǔ)器。

• 磁盤控制器：是硬盤存儲(chǔ)器和主機(jī)的接口，主流的標(biāo)準(zhǔn)有IDE、SCSI、SATA等。

7.2.2-1.2 磁盤的性能指標(biāo)

• 磁盤的容量: 一個(gè)磁盤所能存儲(chǔ)的字節(jié)總數(shù)稱為磁盤容量。磁盤容量有非格式化容量和格式化容量之分。

非格式化容量是指磁記錄表面可以利用的磁化單元總數(shù)。
格式化容量是指按照某種特定的記錄格式所能存儲(chǔ)信息的總量。

• 記錄密度：記錄密度是指盤片單位面積上記錄的二進(jìn)制的信息量，通常以道密度、位密度和面密度表示。

道密度是沿磁盤半徑方向單位長(zhǎng)度上的磁道數(shù);
位密度是磁道單位長(zhǎng)度上能記錄的二進(jìn)制代碼位數(shù);
面密度是位密度和道密度的乘積。

• 平均存取時(shí)間

• 數(shù)據(jù)傳輸率：磁盤存儲(chǔ)器在單位時(shí)間內(nèi)向主機(jī)傳送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，稱為數(shù)據(jù)傳輸率。假設(shè)磁盤轉(zhuǎn)數(shù)為r（轉(zhuǎn)/秒），每條磁道容量為N個(gè)字節(jié)，則數(shù)據(jù)傳輸率

7.2.2-1.3 磁盤地址
主機(jī)向磁盤控制器發(fā)送尋址信息，磁盤的地址一般如圖所示:

若系統(tǒng)中有4個(gè)驅(qū)動(dòng)器，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器帶一個(gè)磁盤，每個(gè)磁盤256個(gè)磁道、16個(gè)盤面，每個(gè)盤面劃分為16個(gè)扇區(qū)，則每個(gè)扇區(qū)地址要18位二進(jìn)制代碼；

7.2.2-1.4 硬盤的工作過程
硬盤的主要操作是尋址、讀盤、寫盤。每個(gè)操作都對(duì)應(yīng)一個(gè)控制字，硬盤工作時(shí)，第一步是取控制字，第二步是執(zhí)行控制字。
硬盤屬于機(jī)械式部件，其讀寫操作是串行的，不可能在同一時(shí)刻既讀又寫，也不可能在同一時(shí)刻讀兩組數(shù)據(jù)或?qū)憙山M數(shù)據(jù)

7.2.22 磁盤陣列
RAID（Redundant Array of Inexpensive Disks，廉價(jià)冗余磁盤陣列）是將多個(gè)獨(dú)立的物理磁盤組成一個(gè)獨(dú)立的邏輯盤，數(shù)據(jù)在多個(gè)物理盤上分割交叉存儲(chǔ)、并行訪問，具有更好的存儲(chǔ)性能、可靠性和安全性。
RAID的分級(jí)如下所示。在RAID1～RAID5的幾種方案中，無(wú)論何時(shí)有磁盤損壞，都可以隨時(shí)拔出受損的磁盤再插入好的磁盤，而數(shù)據(jù)不會(huì)損壞。

• RAID0：無(wú)冗余和無(wú)校驗(yàn)的磁盤陣列。

• RAID1：鏡像磁盤陣列。

• RAID2：采用糾錯(cuò)的海明碼的磁盤陣列。

• RAID3：位交叉奇偶校驗(yàn)的磁盤陣列。

• RAID4：塊交叉奇偶校驗(yàn)的磁盤陣列。

• RAID5：無(wú)獨(dú)立校驗(yàn)的奇偶校驗(yàn)磁盤陣列。

RAID通過同時(shí)使用多個(gè)磁盤，提高了傳輸率；通過在多個(gè)磁盤上并行存取來大幅提高存儲(chǔ)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量；通過鏡像功能，可以提高安全可靠性；通過數(shù)據(jù)校驗(yàn)，可以提供容錯(cuò)能力。

7.3 I/O接口

I/O接口：又稱I/O控制器（I/O Controller）、設(shè)備控制器，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)主機(jī)與外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸
7.3.1 I/O接口的功能

• 數(shù)據(jù)緩沖：通過數(shù)據(jù)緩沖寄存器（DBR）達(dá)到主機(jī)和外設(shè)工作速度的匹配

• 錯(cuò)誤或狀態(tài)監(jiān)測(cè)：通過狀態(tài)寄存器反饋設(shè)備的各種錯(cuò)誤、狀態(tài)信息，供CPU查用

• 控制和定時(shí)：接收從控制總線發(fā)來的控制信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)

• 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換：串-并、并-串等格式轉(zhuǎn)換

• 與主機(jī)和設(shè)備通信：實(shí)現(xiàn)主機(jī)—I/O接口—I/O設(shè)備之間的通信

7.3.2 I/O接口的基本結(jié)構(gòu)

外部接口：外部接口通過接口電纜與外設(shè)相連，外部接口的數(shù)據(jù)傳輸可能是串行方式，因此I/O接口需具有串/并轉(zhuǎn)換功能。
內(nèi)部接口：內(nèi)部接口與系統(tǒng)總線相連，實(shí)質(zhì)上是與內(nèi)存、CPU相連。
工作原理：

1. 發(fā)命令：發(fā)送命令字到I/O控制寄存器，向設(shè)備發(fā)送命令（需要驅(qū)動(dòng)程序的協(xié)助）

2. 讀狀態(tài)：從狀態(tài)寄存器讀取狀態(tài)字，獲得設(shè)備或I/O控制器的狀態(tài)信息

3. 讀/寫數(shù)據(jù)：從數(shù)據(jù)緩沖寄存器發(fā)送或讀取數(shù)據(jù)，完成主機(jī)與外設(shè)的數(shù)據(jù)交換

控制寄存器、狀態(tài)寄存器在使用時(shí)間上是錯(cuò)開的，因此有的I/O接口中可將二者合二為一

7.3.4 I/O端口及其編址
I/O端口是指接口電路中可以被CPU直接訪問的寄存器。I/O端口要想能夠被CPU訪問，必須要有端口地址，每一個(gè)端口都對(duì)應(yīng)著一個(gè)端口地址。對(duì)I/O端口的編址分為統(tǒng)一編址和獨(dú)立編址兩種

1. 統(tǒng)一編址

把I/O端口當(dāng)做存儲(chǔ)器的單元進(jìn)行地址分配，用統(tǒng)一的訪存指令就可以訪問I/O端口，又稱存儲(chǔ)器映射方式?？坎煌牡刂反a區(qū)分內(nèi)存和I/O設(shè)備，I/O地址要求相對(duì)固定在地址的某部分。
優(yōu)點(diǎn)：

• 不需要專門的輸入/輸出指令，所有訪存指令都可直接訪問端口，程序設(shè)計(jì)靈活性高

• 端口有較大的編址空間

• 讀寫控制邏輯電路簡(jiǎn)單

缺點(diǎn)：

• 端口占用了主存地址空間，使主存地址空間變小

• 外設(shè)尋址時(shí)間長(zhǎng)（地址位數(shù)多，地址譯碼速度慢）

2.獨(dú)立編址

I/O端口地址與存儲(chǔ)器地址無(wú)關(guān)，獨(dú)立編址CPU需要設(shè)置專門的輸入/輸出指令訪問端口，又稱I/O映射方式?？坎煌闹噶顓^(qū)分內(nèi)存和I/O設(shè)備。
優(yōu)點(diǎn)：

• 使用專用I/O指令，程序編制清晰

• I/O端口地址位數(shù)少，地址譯碼速度快

• I/O端口的地址不占用主存地址空間

缺點(diǎn)：

• I/O指令類型少，一般只能對(duì)端口進(jìn)行傳送操作，程序設(shè)計(jì)靈活性差

• 需要CPU提供存儲(chǔ)器讀/寫、I/O設(shè)備讀/寫兩組控制信號(hào)，增加了控制邏輯電路的復(fù)雜性