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一：I/O系统基本概念
1.输入/输出系统
外部设备︰包括输入/输出设备以及通过输入/输出接口才能访问的外存储设备
接口∶在各个外设与主机之间传输数据时进行各种协调工作的逻辑部件
输入设备:用于向计算机系统输入命令和文本、数据等信息的部件
输出设备:用于将计算机系统中的信息输出到计算机外部进行显示的部件
外存设备︰除计算机内存及CPU缓存等外的存储器
I/O系统
I/O软件
IO指令：CPU执行的指令，用于控制IO接口或控制通道
通道指令：通道执行的指令，与CPU机器指令不是一套东西
I/O硬件:输入设备、输出设备、外存设备、I/O接口(⑴/O控制器)
2.I/O控制方式
1.主要用于数据传输率较低的外设
程序查询方式:CPU“忙等”慢速设备完成工作，二者串行工作
程序中断方式:设备准备数据时，CPU继续工作。设备准备好之后向CPU发出中断请求，CPU在指令周期的末位检查中断并做出中断响应（执行中断处理程序)
2.主要用于数据传输率较高的设备
DMA方式:主存与IO交换信息时由DMA控制器控制，传输完一整块数据才需要中断
通道方式:通过IO指令启动通道，通道执行通道指令序列，通道程序存放在主存中二：外部设备
1.输入设备
键盘 运作方式:1、查出按下的是哪个键2、将该键翻译成能被主机接收的键码（如ASCII码) 3、将编码送给主机
鼠标 运行方式∶鼠标在平面上移动，底部传感器将移动距离与方向检测出来，从而控制光标的移动
常见的鼠标有机械式与光电式
2.输出设备
2.1 显示器
1.显示器分类
1.1 阴极射线管(CRT)显示器
组成:电子枪，偏转线圈，萌罩、高压石墨电极，荧光粉涂层和玻璃外壳
优点︰可视角度大，无坏点，色彩还原度高，色度均匀，可调节的多分辨率模式，响应时间短
分类
字符显示器：显示字符的方法以点阵为基础
图形显示器：
将所显示图形的一组坐标点和绘图命令组成显示文件存放在缓冲存储器中的显示文件传送给矢量产生器，产生相应的模拟电压，直接控制电子束在屏幕上移动
优点:分辨率高且显示的曲线平滑
缺点:显示复杂图形时，会有闪烁感
1.2 液晶显示器（LCD )
原理:利用液晶的电光效应，由图像信号电压直接控制薄膜晶体管，再简介控制液晶分子的光学特性来实现图像的显示
特点∶体积小重量轻省电无辐射绿色环保画面柔和不伤眼
1.3 发光二极管（LED）显示器
原理:通过控制半导体发光二极管来显示文字、图形、图像等各种信息
特点:亮度功耗可视角度和刷新速率等方面优于LCD
2.按照显示信息分类：符晶小器、图形显示器、图像显示器
3.主要参数
3.1 屏幕大小:对角线长度
3.2 分辨率:所能显示的像素个数，宽与高的乘积
3.3 灰度级：黑白显示器中所显示的像素点的亮暗差别，彩色显示器中颜色的不同，灰度级越高图形越清晰越逼真
3.4 刷新∶光点只能保持极短的时间就会消失，必须在其消失前重新扫描一遍
3.5 刷新频率︰单位时间内扫描整个屏幕内容的次数，刷新频率大于30hz时人眼无法分辨出刷新，通常显示器的刷新频率为60~120HZ
3.6 显示存储器(VRAM)∶也称为刷新存储器，将一帧的图像存储在刷新存储器中，从而提高刷新图像的信号
分辨率越高，灰度级越多，刷新存储器容量越大
VRAM容量=分辨率X灰度级位数
VRAM带宽=分辨率X灰度级位数X帧频2.2 打印机
1.针式打印机
原理∶主机发出打印命令，经过接口、检测和控制电路，间歇驱动纵向送纸和打印头横向移动，同时驱动打印机间歇冲击色带打印内容
优点∶擅长多层复习打印实现各种票据和蜡纸等打印工作原理简单造价低廉耗材便宜
缺点∶打印分辨率和打印速度不够高
2.喷墨式打印机
原理∶带电的喷墨雾点经过电极偏转后，直接再纸上形成所需要的字形
优点:打印噪声小实现高质量彩色打印打印速度比针式打印机快
缺点∶防水性打印成本高需要专用打印纸
3.激光打印机
原理∶计算机输出二进制信息，经过调制后的激光束扫描，在感光鼓上形成潜像，经过显影、转印和定影，在纸上得到所需的字符或图像
优点:打印质量高速度快噪音小处理能力强
缺点:耗材多价格贵不能复写打印多份对纸张要求高3.磁表面/外存储器
优点︰存储容量大价格低非破坏性读出记录信息可以长久保存
缺点︰存取速度慢机械机构复杂对工作环境要求高
固态硬盘∶常用于高档笔记本电脑
3.1 磁盘存储器
1.组成
1.1 存储区域
磁头∶用于读取/写入盘片上的记录面信息，一个记录面对应一个磁头
柱面数:表示硬盘每个盘片上有多少磁道
扇片数:表示每条磁道上有多少个扇区
1.2 硬盘存储器
磁盘驱动器︰核心部件是磁头组件和盘片组件
磁盘控制器∶硬盘存储器和主机的接口，IDE sCSI SATA等
2.磁记录原理
原理∶磁头和磁性记录介质相对运动，通过电转磁完成读/写操作
编码方法︰按照某种方案把一连串二进制信息变换成存储介质磁层中一个磁化翻转状态的序列，并使读/写控制电路容易、可靠的实现变换
磁记录方式∶通常采用调频制（FM)和改进型调频制(MFM）的记录方式
3.磁盘的性能指标
磁盘的容量:存储字节的数量
格式化容量∶按照某种特定记录方式可以记录信息的总量
非格式化容量:可以利用的磁化单元总数
记录密度:盘片单位面积上记录得二进制信息量
道密度∶沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数
位密度︰磁道单位长度上能记录得二进制代码位数
面密度:位密度和道密度的乘积
平均存取时间:寻道时间（磁头移动到目的磁道的时间）+旋转延迟时间（磁头定位到所在扇区的时间）+传输时间（传输数据所花费的时间)
数据传输率∶磁盘存储器在单位时间内向主机传送数据的字节数。 Dr=rN
4.磁盘地址
组成：驱动器号+柱面（磁道)号+盘面号+扇区号
按照二进制对其对应个数进行编码
5.硬盘工作过程
寻址、读盘、写盘
第一步是取控制字第二步是执行控制字
读写操作是串行的，不能既读又写
3.2 磁德阵列
1.RAID是指将多个独立的物理磁盘组成一个独立的逻辑盘，数据在多个物理盘上分割交叉存储，并行访问，具有更好的存储性能、可靠性和安全性
2.RAID分级：提高了传输率数据吞吐量提高了安全性提高了容错能力
RAID0:无冗余和无校验的磁盘阵列
RAID1:镜像磁盘阵列
RAID2:采用纠错的海明码的磁盘阵列
RAID3∶位交叉奇偶校验的磁盘阵列
RAID4:块交叉奇偶校验的磁盘真理
RAID5:无独立校验的就校验磁盘阵列3.3 光盘存储器
1.原理∶利用光学原理读/写信息的存储装置，采用聚集激光束对盘式介质以非接触方式记录信息
2.特点:具有高存储密度携带方便成本低容量大存储期限长容易保存
3.分类
CD-ROM:只读型光盘
CD-R:只能写入一次信息之后不可修改
CD-RW:可读可写光盘可以重复读写
DVD-ROM∶高容量CD-ROM DVD表示通用数字化多功能光盘三：I/O接口
1.I/O接口功能
实现主机和外设之间的通信联络控制。(时序配合问题，协调相互速度问题)
保证计算机系统更能够统一协调的工作
进行地址译码和设备选择
实现数据的缓冲相处CPU和外设之间的速度差异
信号格式转换︰实现消除主机与外设之间的电平数据格式等差异
传送控制命令和状态信息:协调外设的运作状态
如启动时CPU向外设发送启动命令，外设准备好后想CPU发送准备好命令
外设向CPU提出中断请求和DMA请求时，CPU也有相应的响应信号反馈给外设
2.I/O接口的基本结构
内部接口：内部接口与系统总线相连（实质是与内存、CPU相连)。数据传输方式只能是并行传输
外部接口：外部接口通过接口电缆和外设相连。外部接口可能是串行结构所以I/O接口要有串/并转换功能
3.I/O接口类型
数据传输方式
并行接口:一个字节或者一个字的所有位同事传送
串行接口:一位一位传输
控制方式分类：程序查询接口、中断接口、DMA接口
按照功能分类：可编程接口、不可编程接口
4.I/O端口及其编址
4.1 统一编址
又称存储器映射方式，将I/O端口当做存储器单元进行地址分配
优点:不需要设置专门输入输出指令，CPU访问存储器更灵活，端口编址空间较大
缺点:端口占用存储器地址―数据输入输出的时候，执行速度较慢
4.2 独立编址
又称I/O映射方式，I/O端口地址与存储器地址无关
优点∶程序编制清晰便于理解
缺点:需要设置专门的输入/输出指令访存增加了控制的复杂性
四：IO方式
1.程序查询方式
原理∶信息交换完全交给主机执行程序实现，主机对设备的状态进行询问，然后根据结果决定下一步是传送数据还是等待
优点:设计简单且设备量小
缺点∶CPU需要花费大量时间进行查询和等待一段时间内只能和一台外设交互信息效率低CPU存在原地踏步现象
2.程序中断方式
1.中断请求
1.1 内/外中断
内中断∶内中断主要是指在处理器和内存内部产生的中断，包括程序运算引起的各种错误，如地址非法、校验错等
外中断∶外中断是指来自处理器和内存以外的部件引起的中断，包括I/O设备发出的I/O中断等
1.2 硬件中断与软件中断
硬件中断:通过外部的硬件产生的中断，硬件中断属于外中断
软件中断︰通过某条指令产生的中断，这种中断是可以编程实现的，软件中断是内中断
1.3 非屏蔽与可屏蔽中断
非屏蔽中断∶非屏蔽中断是一种硬件中断，不受中断标志位IF的影响，即使在关中断(IF=0)的情况下也会被响应。
可屏蔽中断∶可屏蔽中断也是一种硬件中断，受中断标志位IF的影响，在关中断情况下不接受中断请求
2.中断判优
通过中断判优逻辑确定响应哪个中断源的请求
硬件实现:硬件实现是通过硬件排队器实现的，它既可以设置在CPU中，又可以分散在各个中断源中
软件实现:软件实现是通过查询程序实现的
一般逻辑
硬件故障中断属于最高级
软件中断
非屏蔽中断优于可屏蔽中断
DMA请求优于I/O设备传送的中断请求
高速设备优于低速设备
输入设备优于输出设备
实时设备优于普通设备
3.CPU响应中断条件
中断源有中断请求
CPU允许中断及开中断
一条指令执行完毕，且没有更紧迫的任务
4.中断隐指令
CPU响应中断后，经过某些操作，转去执行中断服务程序
完成操作
关中断:保证被中断的程序在中断服务程序执行完毕后能接着正确地执行
保存断点:将原来的PC内容保存
引出中断服务程序:取出中断服务程序的入口地址并传送给程序计数器(PC)
5.中断向量:中断服务程序的入口地址 该方法叫做中断向量法
6.中断处理过程
关中断
保存断点
引出中断服务程序（软件查询法、硬件向量法_中断向量）
保存现场和屏蔽字
开中断
执行中断服务程序
关中断
恢复现场和屏蔽字
开中断、中断返回3.多重中断和中断屏蔽技术
1.多重中断功能具备的条件 中断服务程序中设置开指令 优先级别高的中断源有权中断优先级别低的中断源 2.中断屏蔽技术：屏蔽字、程序执行轨迹
4.DMA方式
1.概述
DMA方式是一种完全由硬件进行成组信息传送的控制方式，DMA方式在外设与内存之间开辟一条“直接数据通道"
适用于磁盘机磁带机等高速设备
硬件开销大
2.特点
它使主存与CPU的固定联系脱钩，主存既可被CPU访问，又可被外设访问
在数据块传送时，主存地址的确定、传送数据的计数等都由硬件电路直接实现
主存中要开辟专用缓冲区，及时供给和接收外设的数据
DMA传送速度快，CPU和外设并行工作，提高了系统效率
DMA在传送开始前要通过程序进行预处理，结束后要通过中断方式进行后处理
3.组成
主存地址计数器︰存放要交换数据的主存地址
传送长度计数器∶记录传送数据的长度，计数溢出时，数据即传送完毕，自动发中断请求信号
数据缓冲寄存器∶暂存每次传送的数据
DMA请求触发器:I/O发出控制信号，使得DMA请求触发置位
“控制/状态”逻辑︰由控制和时序电路及状态标志组成，用于指定传送方向，修改传送参数，并对DMA请求信号和CPU响应信号进行协调和同步。
中断机构:当一个数据块传送完毕后触发中断机构，向CPU提出中断请求
4.传送方式
停止CPU访存:需要数据传送时，停止CPU访存，总线控制权交给DMA控制器
交替访存:将CPU周期分为DMA访存和CPU访存两个部分
周期挪用(周期窃取):I/O设备需要访存时，挪用一个或几个存取周期
5.传送过程
预处理:由CPU完成一些必要的准备工作（寄存器置初值、设置传送方向、启动该设备)
数据传送︰DMA的数据传输可以以单字节（或字）为基本单位，也可以以数据块为基本单位，数据传送阶段完全由DMA（硬件)控制
后处理:DMA控制器向CPU发送中断请求，CPU执行中断服务程序做DMA结束处理
6.主要功能
传送前:接受外设的DMA请求，向CPU发出总线请求;接管总线控制权
传送时:管理总线，控制数据传送;确定主存单元地址及长度，能自动修改对应参数
传送后:向CPU报告DMA操作的结束
5.DMA方式与中断方式的区别
中断方式是程序的切换，需要保护和恢复现场 DMA方式除了预处理和后处理，其他时候不占用CPU的任何资源 中断请求的响应只能发生在每条指令执行完毕时 DMA请求的响应可以发生在每个机器周期结束时 中断传送过程需要CPU的千预 DMA传送过程不需要CPU的干预，适合于高速外设的成组数据传送 DMA请求的优先级高于中断请求 中断方式具有对异常事件的处理能力 中断方式具有对异常事件的处理能力 中断方式具有对异常事件的处理能力 DMA方式靠硬件传送
