计算机I/O系统与外围设备详解:从基础概念到实际应用

计算机I/O系统与外围设备详解:从基础概念到实际应用


在计算机世界中,理解I/O系统外围设备 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。


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。

I/O系统的组成

I/O系统一般由I/O软件I/O硬件组成。

1. I/O软件
  • 驱动程序用户程序管理程序升级补丁等,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。

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。

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。

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

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。

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。

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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