2.2.4　輸入/輸出設備

輸入/輸出（Input and Output，I/O）設備又稱外圍設備（Peripheral Equipment），它由兩部分構(gòu)成：接口電路和相應的輸入/輸出裝置。

1.接口

CPU作為整個計算機的核心，它把存儲器看作是同構(gòu)的，即每一個存儲單元的讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)的操作是相同的。但對I/O設備情況就不一樣了，有許多種不同類型的輸入/輸出設備，它們的功能也是千差萬別的。輸入/輸出設備的工作速度許多是基于機械和光學的，其工作速度要比以電子速度運行的CPU和存儲器慢了許多，為此必須進行設計使得能夠和CPU及存儲器協(xié)同工作，這個協(xié)同設計就是接口（Interface），接口位于I/O設備和CPU、存儲器之間，如圖2-10所示。

接口技術是一個復雜的概念，其復雜性在于不同的設備和不同的數(shù)據(jù)傳輸要求接口有兩個部分，一部分是連接計算機的CPU和存儲器的，通常這一部分是一個公共的數(shù)據(jù)傳輸平臺，可以支持特定類型的設備，如打印設備、存儲設備等。另外一個重要部分就是接口電路。接口電路通過總線與CPU和存儲器連接，以較高的速度運行，適應CPU和存儲器高速運行的需要；接口電路還通過外部總線和外設連接，以較低的速度從外設輸入或輸出數(shù)據(jù)。因此，接口是在高速的主機和低速的外設之間的緩沖，實現(xiàn)了主機和外設交換數(shù)據(jù)速度的匹配。常用的接口有SATA、SCSI、USB和IEEE 1394等。

2.總線

從物理上來說，總線（Bus）就是一組導線，計算機的所有部件都通過總線連接。從邏輯上來看，總線就是傳送信息的公共通道。為了將信號從一個部件傳送到另一個部件，源部件先將數(shù)據(jù)送到總線上，目標部件再從總線上接收這些數(shù)據(jù)。隨著計算機的復雜性的增長，和部件之間直接連接相比，使用總線連接更有效地減少了連接的復雜性，同時總線還減少了電路的使用空間，使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)小型化、微型化設計。圖2-11為基于總線結(jié)構(gòu)的計算機系統(tǒng)示意圖。

根據(jù)總線上傳送的信息的不同，可以把總線分為地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線3種。

（1）地址總線

地址總線（Address Bus）傳送的是CPU對存儲器和外設進行數(shù)據(jù)讀寫的地址信息，其包含的地址總線的條數(shù)決定了計算機系統(tǒng)的尋址空間大小，包括內(nèi)存空間和可連接的外設端口數(shù)量。每條地址總線對應CPU的一條地址引腳，不同CPU的地址線其條數(shù)不同，如奔騰級CPU芯片有32條地址總線，其最大內(nèi)存尋址空間可達232B=4GB。地址總線傳送的地址信息是單向的，它總是接收來自CPU發(fā)出的地址信息（請注意圖2-11中地址總線的方向）。

（2）數(shù)據(jù)總線

數(shù)據(jù)是通過數(shù)據(jù)總線（Data Bus）傳送的。當CPU需要對存儲器和外設進行數(shù)據(jù)操作時，先通過地址總線選擇被操作的存儲器單元或外設接口，再將數(shù)據(jù)放到總線上或者從數(shù)據(jù)總線上讀取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)總線具有雙向性，即在CPU、存儲器和外設之間可以雙向傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)總線的寬度是計算機處理能力的重要指標。一般說16位CPU就是指數(shù)據(jù)總線有16位，64位CPU就是數(shù)據(jù)總線有64位。顯然，一次從存儲器或者外設存取的數(shù)據(jù)越多，說明CPU的處理能力越強。

（3）控制總線

控制總線（Control Bus）和前面兩種總線都不同，它是由CPU根據(jù)指令操作的類型，發(fā)出不同的控制信號，控制地址總線和數(shù)據(jù)總線或其他I/O部件。地址總線、數(shù)據(jù)總線是一組相同性質(zhì)的信號線的集合，而控制總線是單個信號線的集合，在某個操作發(fā)生時，只有一個或幾個控制信號線起作用。CPU分別控制存儲器和外設的信號，如“存儲器讀”和“存儲器寫”信號，“I/O讀”和“I/O寫”信號，當CPU對存儲器讀數(shù)據(jù)時，就會產(chǎn)生“存儲器讀”信號，此時“存儲器寫”信號就不會產(chǎn)生，同樣在進行I/O操作時，存儲器控制信號也不會產(chǎn)生。另一方面，存儲器或者外設也會發(fā)出請求信號要求CPU為其服務，如中斷方式時外設或接口發(fā)出的“中斷”請求信號，這類信號也屬于控制總線。盡管在圖2-11中控制總線的方向是雙向的，但對每一個信號而言則是單一方向的。

根據(jù)總線的位置和功能，可以把總線分為3個層次。第一層為處理器級總線，也叫前端總線，從CPU引腳上引出，用來實現(xiàn)CPU與控制芯片（包括主存、Cache等）之間的連接。第二層為系統(tǒng)級總線，因為該總線是用來連接計算機各功能部件而構(gòu)成一個完整系統(tǒng)的，因此稱為系統(tǒng)總線，一般用于CPU與接口卡的連接。系統(tǒng)總線上傳送的信息包括數(shù)據(jù)信息、地址信息、控制信息，因此，系統(tǒng)總線包含有3種不同功能的總線，即數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。最后一層為外設（I/O）總線，用來連接外設控制芯片，如主機板上的I/O控制器和鍵盤控制器，實際上是一種外設接口標準。常用的I/O總線有ISA/EISA總線、PCI總線、AGP總線等。

3.輸入設備

輸入設備是用來輸入程序和數(shù)據(jù)的部件，它由兩部分構(gòu)成：輸入接口電路和輸入裝置。輸入裝置不能與CPU直接交換信息，必須通過接口電路進行。常見的輸入裝置有很多，如鍵盤、鼠標、掃描儀、磁盤驅(qū)動器和光盤驅(qū)動器等。它們的物理性能不同，各有各的工作特點。

4.輸出設備

輸出設備是用來輸出處理結(jié)果的部件。輸出設備同樣包括兩部分：輸出接口電路和輸出裝置。輸出裝置只有通過輸出接口電路才能與CPU交換信息。常見的輸出裝置有顯示器、打印機、繪圖儀和磁盤驅(qū)動器等。