计算机I/O系统与外围设备详解：从基础概念到实际应用

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在计算机世界中，理解I/O系统和外围设备的基本概念对初学者来说至关重要。本文将详细介绍I/O系统的基础知识、I/O接口、计算机外围设备及其工作原理，帮助基础小白更好地理解这些概念。

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I/O系统的基本概念

I/O（Input/Output）系统是指输入和输出设备与计算机主机之间的数据传输机制。以下是I/O系统的几个基本概念：

• 外部设备：包括输入设备、输出设备和外存储设备。
• 接口：在外设与主机之间传输数据的逻辑部件，负责速度匹配、电平转换和格式转换。
• 输入设备：如键盘、鼠标，用于向计算机输入命令和数据。
• 输出设备：如显示器、打印机，用于显示和输出计算机处理的信息。
• 外存设备：如硬盘、光盘，用于存储大量数据。

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I/O系统的组成

I/O系统一般由I/O软件和I/O硬件组成。

1. I/O软件

• 驱动程序、用户程序、管理程序和升级补丁等，负责实现CPU与I/O设备的信息交换。

2. I/O硬件

• 外部设备、设备控制器和接口、I/O总线等，通过设备控制器来控制I/O设备的具体动作，并通过I/O接口与主机相连。

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I/O控制方式

I/O系统提供了四种主要的控制方式，分别适用于不同的数据传输需求：

1. 程序查询方式

• 特点：由CPU通过程序不断查询I/O设备是否已准备就绪。
• 应用：主要用于数据传输率较低的外部设备。

2. 程序中断方式

• 特点：只在I/O设备准备就绪并向CPU发出中断请求时才予以响应。
• 应用：提高了CPU与I/O设备的并行工作能力。

3. DMA方式

• 特点：主存和I/O设备之间有一条直接数据通路，无需调用中断服务程序。
• 应用：适用于数据传输率较高的设备。

4. 通道方式

• 特点：在系统中设有通道控制部件，主机启动通道后，通道执行通道程序完成I/O操作。
• 应用：适用于数据传输率较高的设备。

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I/O接口的功能和结构

I/O接口是主机和外设之间的交接界面，实现信息交换。它的主要功能包括：

• 通信联络控制：确保主机与外设之间的时序配合和工作速度协调。
• 地址译码和设备选择：通过译码确定目标外设。
• 数据缓冲：暂存数据，避免数据丢失。
• 信号格式转换：如电平转换、串并转换等。
• 传送控制命令和状态信息：控制外设的开启、关闭等操作。

I/O接口的结构

I/O接口的基本结构包括：

• 数据线：传输数据和控制命令。
• 地址线：用于访问I/O接口中的寄存器。
• 控制线：传送仲裁信号和握手信号。
• 控制逻辑部件：完成控制寄存器中的命令字的译码，并将控制信号送到外设。

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I/O接口的类型

I/O接口可以分为如下几种类型：

1. 按数据传送方式

• 并行接口：一次传输一个字节或一个字的全部位。
• 串行接口：一次传送一位。

2. 按主机访问I/O接口的控制方式

• 程序查询接口
• 中断接口
• DMA接口

3. 按功能选择的灵活性

• 可编程接口
• 不可编程接口

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I/O端口及编址

1. I/O端口

I/O端口指接口电路中可被CPU直接访问的寄存器，主要有数据端口、状态端口和控制端口。

• 数据端口：执行读写操作。
• 状态端口：执行读操作。
• 控制端口：执行写操作。

2. I/O端口编址

I/O端口的编址方式主要有两种：

1. 统一编址

   • 特点：将I/O端口视为存储器单元进行地址分配，不需要专门的I/O指令。
   • 优点：CPU访问I/O端口灵活方便，编址空间大。
   • 缺点：占用存储器地址，使存储容量变小。

2. 独立编址

   • 特点：单独对I/O端口进行编址，与主存地址空间独立。
   • 优点：使用专门的I/O指令，程序编制清晰易懂。
   • 缺点：需要两套控制信号，增加了控制的复杂性。

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计算机外围设备

外围设备是指除主机外的能直接或间接与计算机交换信息的装置，如键盘、鼠标、显示器、打印机、磁盘存储器和光盘存储器等。

1. 输入设备

• 键盘：通过按键输入命令和数据。
• 鼠标：用于定位和操作计算机界面。

2. 输出设备

• 显示器：包括CRT、LCD和LED显示器，用于显示计算机处理的信息。
• 打印机：包括针式、喷墨和激光打印机，用于输出文本和图像。

3. 外存设备

• 磁盘存储器：如硬盘，用于存储大量数据。
• 光盘存储器：如CD、DVD，用于数据存储和传输。
• 固态硬盘（SSD） ：采用Flash Memory，具有高性能和高可靠性。

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总结

通过本文的介绍，大家应该对I/O系统的基本概念、I/O接口的功能和结构、I/O端口及编址以及计算机外围设备有了更清晰的理解。这些知识是计算机组成原理的重要组成部分，对于深入学习计算机科学和工程技术至关重要。

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