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https://m.toutiao.com/is/tEaukwfVmBc/ 計算機的核心能力就是運算，而快速的數(shù)學運算，甚至是早期設(shè)計計算機時的唯一目標。但是今天，計算機已經(jīng)成為了我們?nèi)粘Ｉ钪忻懿豢煞值囊徊糠?。我們平時感受更多的，可能是計算機與外界交互的能力。因此，想要了解計算機的組成，我們就必須要知道現(xiàn)代計算機當中，輸入輸出設(shè)備到底是怎么工作的。  打開今日頭條查看圖片詳情 我們先來一起回顧模型機的結(jié)構(gòu)。這個模型機由一個CPU，一個存儲器，和一個輸入輸出設(shè)備組成。在系統(tǒng)啟動后，CPU就會從地址總線發(fā)出地址給存儲器，然后從數(shù)據(jù)總線讀回對應的指令編碼，并通過指令譯碼部件，產(chǎn)生相應的控制信號，完成對應的操作，這些操作有可能是進行運算，也可能是讀寫存儲器當中的某個單元，也有可能是要進行輸入輸出的動作。 那我們來看一看，CPU如果要完成一個簡單的輸入動作，會是怎么樣的。  打開今日頭條查看圖片詳情 我們這里的輸入設(shè)備是八個手動的開關(guān)，假設(shè)前三個開關(guān)都撥到高電平，后五個開關(guān)撥到低電平。這八個開關(guān)可能連接到了一個寄存器，那這個單元當中就保存了11100000這個數(shù)，而且事先在系統(tǒng)當中，也為這個單元分配了一個地址（1111）。那么事先就編寫了一個用于輸入的程序，在這個程序當中有一條指令就是讀取1111這個地址單元。當CPU執(zhí)行了這條指令的時候，就會在地址總線上發(fā)出這個地址，與此同時，在控制總線上發(fā)出表示當前是讀操作的信號。輸入輸出設(shè)備收到1111地址和Read控制信號之后，就會從1111這個單元，取出對應的內(nèi)容，然后把它送到數(shù)據(jù)總線上去。而CPU這時會采樣數(shù)據(jù)總線上的信號，得到這個數(shù)值。然后這條指令應該是把這個數(shù)，保存到某個通用寄存器當中去，這樣后續(xù)的程序也就可以對這個數(shù)進行操作了。這就完成了一個輸入的動作。  打開今日頭條查看圖片詳情 那我們再來看一個輸出的簡單場景。我們現(xiàn)在的輸出設(shè)備是8個小燈泡，它也和一個8位的寄存器相連，并有對應的地址?，F(xiàn)在CPU執(zhí)行到某一條指令，是想點亮這8個燈泡當中的某幾個，這條指令就會在地址總線上送出1110，然后在控制總線上送出寫（Write）的控制信號。與此同時，還需要在數(shù)據(jù)總線上，送出要寫的數(shù)據(jù)11001100。這個輸入輸出設(shè)備，就會根據(jù)控制總線發(fā)現(xiàn)是一次寫操作，就找到地址總線上的信號對應的單元，并將數(shù)據(jù)總線上對應的信號寫進去。于是1110這個單元，就被寫入了11001100這個數(shù)，然后這個單元的輸出就直接通過物理的連線，連接到8個小燈泡上。數(shù)值為1代表高電平，就會點亮某個燈泡；數(shù)值為0代表低電平，對應的燈泡就是熄滅的狀態(tài)。 這樣我們就通過一條指令，完成了這幾個小燈泡亮滅的控制，從而讓計算機外部的人，可以觀察到輸出的信息。  打開今日頭條查看圖片詳情 因此，由CPU、存儲器和輸入輸出設(shè)備，就構(gòu)成了一個簡單的計算機系統(tǒng)。用于輸入輸出的可以是撥碼開關(guān)、LED管，這樣的的簡單的設(shè)備，也可能是比較復雜的設(shè)備，像打印機、硬盤。現(xiàn)在的計算機系統(tǒng)當中，輸入輸出設(shè)備變得越來越多，功能也非常的豐富。這些設(shè)備的差異非常大，有些設(shè)備要求很高的數(shù)據(jù)傳輸率，比如說顯示器；有些設(shè)備的速度卻很慢，比如鍵盤和鼠標。而且有一些接口是串行的，有一些是并行的；有數(shù)字電路的接口，也有模擬電路的接口。如此千差萬別的設(shè)備，就沒有辦法直接和CPU這一個芯片進行連接。因此，我們就需要在CPU和這些設(shè)備之間，設(shè)置一個中轉(zhuǎn)站。這就是輸入輸出接口，也被稱為I/O接口。  打開今日頭條查看圖片詳情 I/O接口主要提供了這些功能。
 打開今日頭條查看圖片詳情 因此，在現(xiàn)代的計算機系統(tǒng)當中，往往把跟輸入輸出相關(guān)的設(shè)備分解成兩個類型（I/O接口和外設(shè)）。一部分是I/O接口，這可能是插在計算機主板上的一塊插卡，也有可能是主板上的一個芯片。它內(nèi)部會有一些寄存器，CPU可以通過系統(tǒng)總線，去訪問I/O接口當中的這些寄存器。而這個I/O接口芯片，還會有一些管角，與外部的設(shè)備相連。這種劃分的典型代表，就是顯卡和顯示器。顯卡是一個I/O接口，顯示器則被稱為外設(shè)。 我們要注意的是，這樣的劃分和馮諾依曼結(jié)構(gòu)當中所定義的輸入輸出設(shè)備，是不能完全一一對應的。在這里，我們描述的是現(xiàn)代計算機發(fā)展過程中的，一種具體的實現(xiàn)。 I/O接口究竟是如何與外設(shè)相連的，我們來看一個例子。 這是一種最簡單的I/O接口，叫做并行接口。它一邊通過系統(tǒng)總線和CPU相連，另一邊可以連接數(shù)碼管、撥碼開關(guān)，這樣簡單的設(shè)備，也可以連接打印機這樣比較復雜的設(shè)備。 這樣的并行接口，一般有兩種常見的實現(xiàn)形式。一種是采用獨立的芯片，比如這個8255A就是一個并行接口芯片。那么早期的I/O接口，大多會采用這樣獨立芯片的形式；而現(xiàn)在可以在一個芯片當中，實現(xiàn)多個I/O接口的功能。所以，這個并行接口，也可能被實現(xiàn)在一個多功能的芯片當中。但不管是哪種實現(xiàn)形式，它總是要與這些外設(shè)進行連接。  打開今日頭條查看圖片詳情 我們先來看看它和那些簡單的外設(shè)是怎么連接的。比如說和一個簡單的輸出設(shè)備，就是這個數(shù)碼管。這個并行接口的芯片，對外會有8根引角，通過主板上的連線，就可以連接到這個數(shù)碼管。每根信號線，正好連接到其中一個可以發(fā)亮的部分，加上旁邊的這個小數(shù)點，一共有8個。因此，這和我們剛才用模型機演示的例子一樣，CPU只要將對應的數(shù)據(jù)寫到這個數(shù)據(jù)輸出寄存器上，并行接口芯片就會直接將這個寄存器的內(nèi)容，輸出到這八根信號線上，這個數(shù)碼管上對應的部分就會亮起，從而展現(xiàn)出我們編程想要輸出的數(shù)字。 類似的，這個并行接口芯片，還可以有8個引角，連接到撥碼開關(guān)。那撥碼開關(guān)的狀態(tài)，就會被保存在數(shù)據(jù)輸入寄存器當中，等待CPU來讀取。 這些都是非常簡單的設(shè)備。  打開今日頭條查看圖片詳情 那我們再看一些稍微復雜一點的設(shè)備，比如說打印機。那么就不能像剛才那樣簡單的傳入數(shù)據(jù)了，除了連接剛才那8根輸出的信號之外，還需要有一根信號，告訴打印機，此時輸出的數(shù)據(jù)，是希望打印機接收的數(shù)據(jù)。而打印機在接收了這個數(shù)據(jù)之后，還要給出一個回答的信號，以表示它已經(jīng)完成了這個數(shù)據(jù)的接收工作。這樣才能保證，這個并行接口和打印機進行數(shù)據(jù)傳輸時，既不丟失數(shù)據(jù)，也不會傳輸重復的數(shù)據(jù)。 那么對于掃描儀這樣的輸入設(shè)備，也是類似的情況。掃描儀在將掃描了的數(shù)據(jù)進行輸入時，也需要給出一個輸入準備好的信號，并行接口電路在采樣了數(shù)據(jù)輸入之后，也需要給出輸入的回答信號。因此，并行接口芯片，在連接這些比較復雜的設(shè)備時，除了那8根數(shù)據(jù)信號之外，還需要有兩根用于通訊聯(lián)絡(luò)的信號，而這兩根信號，又被稱為握手信號，在數(shù)據(jù)傳輸中，起著協(xié)調(diào)和聯(lián)絡(luò)的作用。對于稍微復雜一些的外設(shè)，都得采用帶握手信號的數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞健? 在現(xiàn)代的計算機當中，這種并行接口電路，算是最簡單的I/O接口了。它和許多其它更為復雜的I/O接口，都會在集成在南橋芯片當中。而還有少數(shù)對性能要求比較高的接口，則會采用獨立的芯片或者板卡的形式。而在一些緊湊型的設(shè)備中，比如說平板電腦和智能手機，這些I/O接口甚至會和CPU一起，集成在一個芯片當中。 不管是哪種形式，這些I/O接口的功能都是獨立存在的，而且它們也需要各自的管角、連線，與對應的外設(shè)相連，從而讓CPU可以與外部進行交互。 |
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