输入/输出及其控制 - 软考备战（五）

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| 类别 | 典型设备 | 主要功能与特点 |
| 字符输入设备 | 键盘 | 最常用的文字与指令输入工具；通过扫描矩阵检测按键，产生键码送给主机。 |
| 图形 / 图像输入设备 | 鼠标、扫描仪、数码相机、摄像头 | 鼠标用于定位与选择；扫描仪/摄像头将图像/视频转为数字图像信号。 |
| 语音 / 模拟输入设备 | 麦克风、语音识别系统、各种传感器 | 将声音、温度、压力等模拟信号转换为数字信号，需A/D转换。 |
| 其他输入设备 | 光笔、手写输入板、游戏杆、体感设备 | 用于特定交互场景（如手写、游戏、VR/AR等）。 |

输入设备的关键过程

信息采集

按键、图像、声音、温度等被设备感知。

信号转换

将物理/光学/声学信号转换为电信号。

编码与传输

由设备内部控制器转换为二进制编码，通过接口（USB、PS/2等）送给主机。

2. 输出设备

将计算机处理后的结果（数字、文字、图形、图像、声音等）转换为人或其他机器能识别的形式输出。

常见输出设备分类

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| 类别 | 典型设备 | 主要功能与特点 |
| 显示输出设备 | 显示器（LCD、LED、OLED）、投影仪 | 将数字信号转换为光信号，显示文字、图形、图像；是必备输出设备。 |
| 打印 / 绘图输出设备 | 打印机（喷墨、激光）、绘图仪 | 将信息以纸质/图纸形式硬拷贝输出。 |
| 语音 / 影像输出设备 | 音箱、耳机、音响系统、语音合成设备 | 将数字音频信号转换为声音信号。 |
| 磁记录 / 存储输出设备 | 磁盘、磁带、光盘等（既是外存也是I/O设备） | 将数据长期保存，也可视为输出/输入设备 |

输出设备的关键过程

接收数据

从主机接收数字化的结果数据。

解码与转换

按设备需求进行解码、D/A转换、格式变换等。

呈现/记录

在屏幕上显示、在纸上打印、在磁介质上记录等。

3. 既是输入又是输出的设备（兼设备）

很多设备并不是"纯输入"或"纯输出"，而是兼具两种功能：

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| 设备 | 输入功能 | 输出功能 | 说明 |
| 硬盘 /SSD | 读入数据到主机 | 将主机数据写入盘片 | 典型兼设备，属于外存，也是I/O设备。 |
| 光盘（ CD/DVD/BD ） | 将盘上数据读入主机 | 将主机数据刻录到光盘（可写盘） | 可读可写型号兼具输入/输出。 |
| U 盘 / 移动硬盘 | 从主机读取数据 | 向主机写入数据 | 通过USB接口实现双向数据传输。 |
| 带触摸功能的显示器 | 触摸输入 | 显示输出 | 同时具备输入（触摸）和输出（显示）功能。 |
| 网络通信设备（网卡） | 接收网络数据 | 发送网络数据 | 实现主机与网络的双向通信。 |

在许多教材中，外存（磁盘、磁带、光盘、闪存）既被视为存储器，也被视为I/O设备，因此"输入输出设备"与"外围设备"常混用。

3.2 输入输出系统（I/O 系统）

1. 定义与组成

定义

计算机系统中主机与外部进行通信的系统，包括外围设备和输入输出控制系统两部分。

组成

外围设备

输入设备、输出设备、外存设备等。

输入输出控制系统

I/O接口、I/O控制器、总线、相关软件等，负责在CPU/主存与外设之间协调数据传送。

2. 输入输出系统的三大特点

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| 特点 | 含义 | 对系统设计的影响 |
| 异步性 | 各外设不使用统一中央时钟，按自己时序工作，但要在某些时刻接受CPU控制。 | 需要"自治控制"和应答式同步机制。 |
| 实时性 | 对不同速度和类型的外设，CPU必须在规定时间内提供I/O服务，否则可能丢数据或出错。 | 采用分层结构、优先级机制、中断与DMA等方式。 |
| 设备无关性 | CPU通过统一的标准接口管理各类外设，无需关心设备内部细节。 | 采用统一接口规范（如串口、并口、USB、SCSI等），实现"即插即用"。 |

3. CPU 与外设交换数据的基本过程

输入过程

CPU 在地址总线上给出外设端口地址，选择某输入设备。

等待输入设备数据"就绪"。

从数据总线读入数据到CPU寄存器。

输出过程

CPU 在地址总线上给出外设端口地址，选择某输出设备。

将数据放到数据总线上。

输出设备确认数据有效，将数据取走。

3.3 I/O 控制方式对比

CPU 如何控制外设与主机之间的数据传送（异步）。

常见方式：

程序查询、程序中断、DMA、通道/IOP。

四种 I/O 控制方式对比

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| 控制方式 | 基本思想 | 数据传送依靠 | CPU 与外设并行性 | 适用设备类型 | 主要优点 | 主要缺点 |
| 程序查询方式 | CPU不断查询外设状态，直到"就绪"才进行一次数据传送。 | 软件（CPU执行查询程序） | CPU与外设串行工作，传送与主程序串行。 | 低速、简单设备（开关、简单显示） | 硬件简单、成本低。 | CPU效率极低，大量时间花在"等待"上。 |
| 程序中断方式 | 外设准备好后主动向CPU发中断请求；CPU响应后执行中断服务程序完成数据传送。 | 软件（中断服务程序） | CPU与外设并行工作，但传送与主程序串行。 | 中低速设备（键盘、鼠标、串口） | CPU利用率明显提高，能处理突发事件。 | 每次中断需保护/恢复现场，频繁中断时开销大。 |
| DMA 方式 | 在DMA控制器控制下，数据在内存与外设间直接成块传送，无需CPU干预。 | 硬件（DMA控制器） | CPU与外设并行，传送与主程序也并行。 | 高速块设备（磁盘、网卡、高速A/D） | 数据传送速度高，CPU占用极少。 | 硬件复杂，成本高；需要DMA控制器和总线仲裁。 |
| 通道 /IOP 方式 | 通道是一个具有独立执行I/O指令能力的I/O处理器；CPU只需发I/O命令，由通道执行通道程序完成I/O。 | 硬件+通道程序（IOP执行） | CPU与I/O系统高度并行。 | 大中型机中的大量高速外设 | CPU与I/O彻底分离，系统效率最高。 | 结构最复杂，成本最高，多用于大中型机。 |

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| 维度 | 程序查询 | 程序中断 | DMA |
| CPU 主动性 | CPU主动轮询外设状态 | CPU被动等待中断请求 | CPU被动接受DMA请求，仅在初始化和结束参与。 |
| 数据传送基本单位 | 字/字节 | 字/字节 | 数据块 |
| CPU 利用率 | 最低（大部分时间在等待） | 较高（等待时可执行其他任务） | 最高（传送期间CPU可做其他事） |
| 接口硬件复杂度 | 最简单 | 较复杂（需要中断逻辑） | 最复杂（需要DMA控制器） |
| 适合场景 | 简单控制、单片机、低速设备 | 中低速、随机设备 | 高速、批量数据传送 |

1. 程序查询方式

CPU不断读取状态寄存器，查询外设是否"就绪"。

特点：

效率极低，CPU与外设串行工作，"踏步等待"，仅适合简单、低速设备。

2. 程序中断方式

CPU发出命令后继续执行程序，外设准备好后主动向CPU发信号（中断请求），CPU响应后暂停当前程序，转去处理中断服务程序。

中断处理过程：

中断请求：外设发信号。
中断判优：如果有多个请求，决定响应优先级最高的。
中断响应：CPU完成当前指令周期，保存断点（PC）和状态（PSW），关中断。
中断服务：执行中断服务程序（保护现场、数据传送、恢复现场）。
中断返回：返回原程序断点处继续执行。

优点：

CPU与外设并行工作，效率高于查询方式。

3. DMA方式（直接存储器访问）

硬件（DMAC）控制数据在内存和外设间直接传送，无需CPU干预。

（DMAC控制器具有总线请求、地址修改、计数等功能）

DMA传送过程的总线占有方式

停止CPU访存

DMA期间CPU交出总线控制权，效率高但影响CPU工作。

周期挪用（窃取）

DMA利用CPU不使用存储器的周期进行传送，是常用的折中方案。

交替访存

CPU和DMA分时使用总线，效率最高，硬件复杂。

DMA vs 中断

数据传送者

DMA由硬件（控制器）完成；中断由软件（中断服务程序）完成。

响应时间

DMA响应时间极短（微秒级）；中断响应时间较长（需保护现场）。

适用场景

DMA适合高速、批量数据传送（如磁盘读写）；中断适合低速、随机数据传送（如键盘）。

4. 信道方式

拥有独立执行I/O指令能力的I/O处理器（IOP）。

CPU只需发一条启动命令，信道即可独立管理整个I/O过程，进一步解放CPU。常用于大型机。

3.4 I/O 接口与编址方式对比

1. I/O 接口

基本结构

基本功能

典型 I/O 接口（外设控制器）一般包含：

数据寄存器

暂存CPU与外设之间传送的数据。

状态寄存器

向外设/CPU提供当前工作状态（忙/就绪/出错）。

控制寄存器

存放CPU发出的控制命令（启动/停止/读/写）。

端口地址译码与控制逻辑

识别CPU是否访问本接口，产生相应控制信号。

2. 外设编址方式对比

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| 编址方式 | 地址空间结构 | 指令特点 | 优缺点 | 典型架构 |
| 统一编址（存储器映射方式） | I/O端口占用内存地址空间的一部分，与主存统一编址。 | 无专用I/O指令，用普通访存指令访问I/O端口。 | 优点：指令丰富、寻址灵活；缺点：占用部分主存地址空间。 | ARM、MIPS、PowerPC等 |
| 独立编址（ I/O 映射方式） | I/O端口与主存各自独立地址空间。 | 有专用I/O指令（如IN/OUT）访问I/O端口。 | 优点：不占主存空间，译码简单；缺点：指令功能有限。 | x86架构 |

3.5 常见输入/输出接口标准

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| 接口类型 | 特点与标准 | 适用场景 |
| 磁盘接口 | IDE (PATA) ：并行传输，排线宽，抗干扰差，已淘汰。 SCSI：小型机系统接口，速度快，支持多任务，常用于服务器。 SATA：串行传输，速率高，抗干扰强，主流硬盘接口。 | 硬盘、光驱 |
| 串行接口 | 按位传输，距离远，抗干扰强。 RS-232：传统低速串口。 | 鼠标、Modem、工业控制 |
| 并行接口 | 多位同时传输，距离短，易干扰。 | 老式打印机、扫描仪 |
| PC Card 接口 | 便携式设备扩展卡接口（如无线上网卡）。 | 笔记本电脑（已逐渐被ExpressCard取代） |
| USB ( 通用串行总线 ) | 支持热插拔、即插即用、供电。版本：USB 1.1, 2.0, 3.0, 3.1/3.2, 4.0。 | 几乎所有外设（键鼠、U盘、移动硬盘） |
| IEEE 1394 ( 火线 ) | 高速串行接口，支持点对点传输，无需主机干预。 | 曾广泛用于数码摄像机、高端存储（现已被USB 3.0+取代） |

3.6 联机、脱机和假脱机

这是操作系统管理I/O设备的三种技术形态。

联机操作

外设直接在CPU控制下工作。

CPU处理数据的同时，外设处于等待或传输状态，效率受限于外设速度（如早期的键盘输入）。

脱机操作

外设不直接与主机连接，通过卫星机（预处理机）处理I/O，完成后将磁带/磁盘送入主机。

目的是减少主机等待慢速外设的时间，提高主机效率。

假脱机

用磁盘作为大容量缓冲区，模拟脱机输入/输出技术。

核心机制

输入井/输出井：在磁盘上开辟的存储区域。
预输入程序：将用户作业从慢速设备（如读卡机）读入磁盘输入井。
缓输出程序：将输出数据写入磁盘输出井，待打印机空闲时再输出。

将独占设备（如打印机）改造为共享设备，提高了系统吞吐量。

解决了"高速CPU与低速I/O设备"的矛盾。