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前言

今天给大家介绍计算机的输入输出设备，包括三个板块：常见的输入输出设备、输入输出接口的通用设计、CPU与IO设备的通信。

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一、常见的输入输出设备

常见的输入设备包括两种：字符输入设备、图形输入设备。

1.字符输入设备

字符输入设备主要就是键盘，键盘大家都用的比较多，但是细分种类很多人还是不知道。键盘分为三类：薄膜键盘、机械键盘、电容键盘。

2.图形输入设备

常见的图形输入设备有：鼠标、数位板、扫描仪。

鼠标不多说了，大家都在用。数位板主要是给设计师使用的，常用于绘图设计创作。包括输入板和压感笔，如下图所示：

扫描仪的作用是将图形信息转换为数字信号，现在很多打印机也集成了扫描仪的功能，如下图：

3.图像输出设备

图像输出设备主要有：显示器、打印机、投影仪。

显示器有CRT显示器、液晶显示器，如下图：

二、输入输出接口的通用设计

了解通用设计之前，大家不妨来想想：如果说要设计输入输出接口，需要完成哪些功能呢？比如能否读取数据？能否向设备发送数据？能否判断设备有无被占用？能否判断设备是否已经连接？能否判断设备是否已经启动？

完成上述这些功能才能称之为通用的输入输出接口设计，其实完整的输入输出接口的通用设计包含以下几部分：

• 数据线
• 状态线
• 命令线
• 设备选择线

接下来逐一了解这些线的具体功能，首先是数据线，其特征如下：

• 是I/O设备与主机之间进行数据交换的传送线
• 有单向传输数据线
• 也有双向传输数据线

状态线特征如下：

• I/O设备状态向主机报告的信号线
• 查询设备是否已经正常连接并就绪
• 查询设备是否已经被占用

命令线特征如下：

• CPU向设备发送命令的信号线
• 发送读写信号
• 发送启动停止信号

设备选择线特征如下：

• 主机选择I/O设备进行操作的信号线
• 对连在总线上的设备进行选择

三、CPU与IO设备的通信

CPU与IO设备通信方法主要有两种：程序中断、DMA（直接存储器访问）。介绍这两种通信方法之前，我们先要明白一个前提：CPU速度与IO设备速度不一致，CPU速度比IO设备速度快多了。

1.程序中断

程序中断过程如下：

• 当外围IO设备就绪时，向CPU发出中断信号
• CPU有专门的电路响应中断信号
• CPU收到中断信号时会暂停当前手上工作，转为处理外围IO设备的工作，等外围IO设备事件处理完毕才会继续加载之前的工作

我们通过如下图示来理解这里面的程序中断：

图中下面的最长的红色箭头代表时间轴，有CPU和外围的打印机这两个设备。我们现在以时间推进的方式来理解整个程序中断过程。首先在某个时刻，CPU在执行主程序，这时候打印机处于待机状态，接着在某一时刻，CPU发出一个信号，就是启动打印机的信号，启动之后呢，CPU继续执行主程序。打印机在接收到这个启动信号之后，就会进行准备工作，准备一段时间之后，准备完成了。这时候打印机会向CPU发出一个中断，CPU在得到这个中断之后就会响应这个中断。需要注意的是：这个响应不是立即发生的，可能会延时。这里为了简要介绍，图示会显示为立即响应中断。CPU响应中断之后，会进行发送数据的操作，同时打印机也会进行接收数据的操作，接着在某一时刻，CPU发送完成了，那么CPU就会进行中断返回，继续执行前面所执行的主程序，同时打印机也会开始打印数据，这就是程序中断的一个简化流程。

简单总结下程序中断的方法：程序中断提供低速设备通知CPU的一种异步的方式，这个方式就是低速设备发出一个中断，然后让CPU来响应这个中断。因为有了程序中断，CPU可以高速运转的同时兼顾低速设备的响应。CPU在没有中断的时候可以执行自己的主程序，当外围的低速设备发出了中断之后，CPU可以结束手上的工作，来处理低速设备的请求，这就是程序中断的全过程方法。

在这里面，虽然说通过程序中断，CPU可以在高速运转的同时兼顾低速设备的响应。但是，如果频繁的打断CPU，并不是一个很好的方法，因为这样会降低CPU的使用效率。所以接下来，我们学习第二个方法：DMA（直接存储器访问）。

2.DMA（直接存储器访问）

DMA其实也是一种硬件设备，其特征如下：

• DMA直接连接主存与IO设备
• DMA工作时不需要CPU的参与

DMA图示过程如下：

如图所示，对于主存与IO设备的缓存，他们之间并不是直接连接，而是通过DMA的设备进行连接。当主存与IO设备交换信息时，不需要中断CPU，因为有DMA就可以处理主存与IO设备进行信息交换的操作。所以通过DMA直接存储器访问的方法，可以大大提高CPU的效率。

DMA在我们常见的硬盘和外置显卡中都有存在。