I/O系统基础概念

I/O 系统基础概念

1. I/O 系统基本概念

I/O 系统定义

I/O 系统：

• 实现计算机与外部设备之间的信息交换
• 包括硬件和软件两部分
• 计算机系统的重要组成部分

I/O 设备：

• 输入设备：将外部信息输入计算机
• 输出设备：将计算机信息输出到外部
• 外部存储器：存储大量数据

I/O 系统功能

数据交换：

• 在 CPU 和 I/O 设备间传输数据
• 支持不同数据格式
• 保证数据传输的可靠性

设备控制：

• 控制 I/O 设备的工作状态
• 管理设备的启动和停止
• 处理设备异常

信息转换：

• 转换数据格式
• 适配不同设备接口
• 处理信号电平转换

2. 外部设备

输入设备

键盘：

• 字符输入设备
• 机械键盘、薄膜键盘、电容键盘
• 支持多种输入法

鼠标：

• 图形界面输入设备
• 机械鼠标、光电鼠标、激光鼠标
• 支持点击、拖拽等操作

扫描仪：

• 图像输入设备
• 平板扫描仪、手持扫描仪
• 支持 OCR 文字识别

摄像头：

• 视频输入设备
• 数字摄像头、网络摄像头
• 支持实时视频传输

输出设备

显示器：

• 图像输出设备
• CRT 显示器、LCD 显示器、LED 显示器
• 支持不同分辨率和刷新率

打印机：

• 文字和图像输出设备
• 针式打印机、喷墨打印机、激光打印机
• 支持彩色和黑白打印

音箱：

• 音频输出设备
• 有源音箱、无源音箱
• 支持立体声和多声道

投影仪：

• 大屏幕显示设备
• LCD 投影仪、DLP 投影仪
• 支持高分辨率投影

外部存储器

硬盘：

• 大容量存储设备
• 机械硬盘、固态硬盘
• 支持快速读写

光盘：

• 便携存储设备
• CD、DVD、蓝光光盘
• 支持只读和可写

U 盘：

• 便携存储设备
• Flash 存储器
• 支持热插拔

存储卡：

• 小型存储设备
• SD 卡、CF 卡、记忆棒
• 用于数码设备

3. I/O 接口

I/O 接口功能

信号转换：

• 转换信号电平
• 适配不同设备接口
• 处理信号时序

数据缓冲：

• 缓存传输数据
• 平衡速度差异
• 提高传输效率

设备控制：

• 控制设备工作状态
• 管理设备寄存器
• 处理设备中断

I/O 接口结构

数据线：

• 传输数据信息
• 支持不同数据宽度
• 双向传输

控制线：

• 传输控制信号
• 包括读写、中断等信号
• 协调数据传输

状态线：

• 传输设备状态信息
• 包括就绪、忙、错误等状态
• 监控设备工作状态

I/O 端口及编址

I/O 端口：

• 用于主机与外设通信
• 每个端口有唯一地址
• 支持读写操作

编址方式：

• 统一编址：内存和 I/O 统一编址
• 独立编址：内存和 I/O 分别编址
• 混合编址：结合两种方式

端口类型：

• 数据端口：传输数据
• 控制端口：传输控制信息
• 状态端口：传输状态信息

4. I/O 方式

程序查询方式

基本概念：

• CPU 主动轮询设备状态
• 检查设备是否就绪
• 效率较低

工作过程：

1. CPU 发送命令给设备
2. CPU 轮询设备状态
3. 设备就绪后传输数据
4. 重复轮询直到完成

特点：

• 优点：实现简单，控制简单
• 缺点：CPU 利用率低，效率低
• 应用：简单系统，低速设备

程序中断方式

基本概念：

• 设备就绪时中断 CPU
• CPU 响应中断处理
• 提高 CPU 利用率

工作过程：

1. CPU 发送命令给设备
2. CPU 继续执行其他任务
3. 设备就绪时发出中断
4. CPU 响应中断处理数据传输

特点：

• 优点：CPU 利用率高，效率高
• 缺点：实现复杂，需要中断处理
• 应用：大多数 I/O 设备

DMA 方式

基本概念：

• 直接内存访问
• 数据在内存和外设间直接传输
• CPU 只发起和结束控制

工作过程：

1. CPU 设置 DMA 控制器参数
2. DMA 控制器接管总线
3. 数据在内存和外设间直接传输
4. 传输完成后 DMA 控制器释放总线

特点：

• 优点：CPU 负担轻，效率最高
• 缺点：硬件复杂，成本高
• 应用：高速设备，大块数据传输

5. I/O 系统性能

性能指标

吞吐量：

• 单位时间内传输的数据量
• 单位：MB/s、GB/s
• 反映 I/O 系统整体性能

响应时间：

• 从请求到完成的时间
• 包括排队时间和服务时间
• 影响用户体验

利用率：

• I/O 设备的使用率
• 反映设备效率
• 影响系统性能

性能优化

硬件优化：

• 使用高速接口
• 增加缓存
• 优化设备调度

软件优化：

• 优化 I/O 调度算法
• 减少 I/O 次数
• 使用异步 I/O

系统优化：

• 平衡各部件性能
• 减少 I/O 瓶颈
• 提高整体效率

练习题

练习 1

简述 I/O 系统的基本功能。

练习 2

输入设备、输出设备和外部存储器各举例说明。