计算机组成原理：输入、输出系统(一)

I/O系统的基本概念

发展历程

早期阶段（程序查询方式）
每次I/O系统和主存交换信息的时候都需要经过CPU才能交换完成。
接口模式和DMA阶段(中断方式和DMA方式)
在该阶段I/O设备通过接口模块与主机相连，且采用总线连接的方式。
具有通道结构的阶段
通道是用来负责管理I/O设备以及实现主存与I/O设备之间交换信息的部件，可以视为一种具有特殊功能的处理器。
既有I/O处理器的阶段

I/O系统的组成

1、I/O软件——讲用户编制的程序输入主机内，将运算结果输出给用户，实现输入/输出系统与主机工作的协调。

主机与I/O设备协调工作：

接口模块方式——I/O指令
通道管理方式——I/O指令+通道指令

I/O指令(CPU指令)的格式

操作码：作为I/O指令与其他指令的判别代码
命令码：来识别做了什么操作
设备码：来判别到底是对哪一个设备操作

通道指令(通道自身指令)：通道指令又称通道控制字，它是通道用于执行I/O操作的命令。(通道指令存放在主存里面)
通道指令的格式

首地址：操作数据存放位置
需要传送的字节数或者数据的末地址
做什么操作
对哪个设备操作

2、I/O硬件

带接口的I/O系统——接口模块+I/O设备。
具有通道或I/O处理器的I/O系统——通道(处理器)+设备控制器+I/O设备等。

外部设备

输入设备

键盘
按键—>判断哪个键按下—>将此键翻译成ASCII码
鼠标
机械式（金属球电位器）
光电式 (光电转换器)
触摸屏

输出设备
1、显示器

显示信息内容：字符显示器图形显示器图像显示器
显示设备：阴极射线管(CRT)显示器液晶显示器等离子显示器

例题：假定一台计算机的显示存储器用DRAM芯片是西安，若要求显示分辨率位1600x1200像素，颜色深度为24位，帧频为85Hz，显存总带宽的50%用来刷新屏幕，则需要的显存总带宽至少约为( ) 。
A、245Mbit/s
B、979Mbit/s
C、1958Mbit/s
D、7834Mbit/s

刷新所需带宽=分辨率x色深x帧频 1600x1200x24bitx85Hz=3916.8Mbit/s 显存总带宽的50%用来刷屏，所以需要的显存总带宽为3916.8Mbit/s/0.5=7833.6Mbit/s≈7834Mbit/s
补充：
为了不断提高刷新图像的信号，必须把图像信息存储在刷新存储器(也称视频存储器)。其存储容量由图像分辨率和灰度级决定，分辨率越高，灰度级越高，刷新储存器容量越大。
假如分辨率为1024x1024像素，256级灰度的图像(需要8位二进制数来表示)储存容量为1024x1024xlog256=1MB

2、打印机
印字原理：

击打式——成本低，质量好，噪声大，速度慢
非击打式——速度快，噪声小，质量更好，贵

工作方式：
串行打印机——逐字打印
行式打印机——逐行打印

磁盘存储器的平均存取时间计算：
平均存取时间包括寻道时间(磁头移动到目的磁道)、旋转延迟时间(磁头定位到所在扇区)、传输时间(传输数据所花费的时间)3部分构成。其中旋转延迟时间为磁盘转速倒数的一半，即磁盘转半圈所需的时间，这是由于磁盘既可以顺时针旋转，也可以逆时针旋转，因此定位到所在扇区只需要转半圈。

I/O接口

为什么设置接口

实现设备的选择
实现数据缓冲达到速度匹配
实现数据串——并格式转换
实现电平转换
传送控制命令
反映设备的状态？（“忙”、“就绪”、“中断请求”）

I/O接口的功能和基本结构

数据线(双向)：用作I/O设备与主机之间传送数据
设备选择线(单向):用来传送设备码
命令线(单向)：用来传输CPU向设备发出各种命令信号，如启动、停止、读、写。
状态线(单向)：将I/O设备的状态向主机报告的信号线。

I/O设备的功能

选择设备功能
传送命令功能
传送数据功能
反映I/O设备的工作状态

接口类型

按数据传送方式分类——并行接口、串行接口
按功能选择的灵活性分类——可编程接口、不可编程接口
按通用性分类——通用接口、专用接口
按数据传送的控制方式分类——中断接口、DMA接口

I/O端口
端口指可以由CPU进行读或写的寄存器。
分别用来存放数据信息——数据端口、控制信息——控制端口和状态信息——状态端口。
若干个端口加上相应的控制逻辑电路就组成了接口。

I/O端口的编址
I/O设备与主机交换信息和CPU与主存交换信息有很多的不同点。
一般将I/O设备码看作地址码。

地址码的编址方式：
统一编址
存储器统一编址,即从存储空间中划出一部分地址给I/O端口。CPU访问端口和访问存储器的指令在形式上完全相同，只能从地址范围来区分两种操作

优点：类型多，功能全
缺点：使存储器的可用地址空间变小

独立编址
I/O端口编址和存储器的编址相互独立，即I/0端口地址空间和存储器地址空间分开设置，互不影响。采用这种编址方式，对I/O端口的操作使用输入/输出指令(I/O指令)

优点：不占用内存空间，使用I/O指令，程序清晰，很容易看出是I/O操作还是存储器操作；译码电路比较简单。

**注意：**当I/O设备通过接口与主机相连时，CPU可以通过接口地址来访问I/O设备。因为一个接口对应一个I/O设备。

习题：

1、CRT的分辨率为1024x512像素，像素的颜色数位256，则刷新存储器的容量为©.
A、256MB
B、1MB
C、512KB
D、2MB

解析：刷新存储器的容量=分辨率x表示像素颜色数的位数。由于2^8=256，因此需要8位来表示像素的颜色数。故刷新存储器的容量=1024x512x8bit=512KB.

2、若每个汉字用16x16的点阵表示，7500个汉字的字库容量是(B).
A、16KB
B、240KB
C、320KB
D、1MB

解析：每个16x16点阵需占用32B(256bit),汉字的字库容量=7500x32B=240000B=240KB

3、某计算机的I/O设备采用异步串行传送方式传送字符信息，字符信息的格式为：1位起始位、7位数据位、1位检验位、1位停止位。若要求每秒传送480个字符，那么该I/O设备的数据传输速率应为(B)bit/s.
A、1200
B、4800
C、9600
D、2400

解析：由于每个字符都由10位（1+7+1+1），且每秒传送480个字符，故480x10=4800bit/s。

4、设一个磁盘盘面共有200个隧道，盘面总存储容量60MB，磁盘旋转一周的时间为25ms，每个磁道有8个扇区，各扇区之间有一间隙，磁头通过每个间隙需1.25ms。则磁盘通道所需最大传输速率(D).
A、10MB/s
B、60MB/s
C、83.3MB/s
D、20MB/s

解析：每个磁道的容量=60MB/200=0.3MB
读一个磁道数据的时间=25ms-1.25msx8=15ms
磁盘的数据传输速率=0.3MB/15ms=0.3MB/0.015s=20MB/s