计算机组成与结构：I/O系统详解

"此资源是关于计算机组成与结构的第七讲，专注于输入/输出（I/O）的讲解。" 在计算机科学中，输入/输出（I/O）是计算机系统与外部设备进行数据交换的关键部分。本讲座主要探讨了与I/O相关的多个主题，包括外部设备、I/O模块、程序控制I/O、中断驱动I/O、直接内存访问（DMA）、I/O通道和处理器，以及外部接口如FireWire和InfiniBand。 输入/输出问题的核心在于各种外部设备的多样性。这些设备传输的数据量、速度和格式各不相同，且大多数都比CPU和RAM的速度慢。因此，需要专门的I/O模块来解决这种速度差异，以确保高效的数据交换。这些模块可以分为输入设备、输出设备和输入/输出设备三类。 I/O模块是连接外部设备与计算机系统的桥梁。它们通常包含控制设备操作的逻辑、将数据转换成适合特定环境信号形式的转换器，以及用于临时存储正在传输数据的缓冲区。接口部分，如SCSI、PS/2、串行口、并行口、USB、1394（FireWire）等，并非标准化，不同设备可能需要不同的接口进行通信。 举例来说，键盘作为输入设备，其I/O模块负责接收按键信号并将其转化为计算机可理解的指令；显示器作为输出设备，将处理后的数据显示出来；而硬盘驱动器则属于输入/输出设备，既可以从磁盘读取数据，也可以向磁盘写入数据。硬盘驱动器通常通过IDE（集成设备电子）控制器与主板相连，实现数据的传输。 程序控制I/O是一种简单的I/O方式，由CPU通过执行一系列指令来启动I/O操作，并在操作完成后继续执行其他任务。中断驱动I/O则更为高效，当设备准备好数据时会发送中断请求，CPU暂停当前任务处理中断，然后由设备控制器完成数据传输。DMA允许外部设备直接与内存交换数据，无需CPU参与，进一步提高了效率。 I/O通道和处理器是更高级别的I/O机制，它们能够独立于CPU执行复杂的I/O操作，例如在大型服务器和高性能计算中常见的光纤通道（FireWire）和InfiniBand技术，提供了高速、低延迟的网络和存储连接。 I/O在计算机系统中扮演着至关重要的角色，理解和掌握各种I/O机制对于设计高效、可靠的系统至关重要。本讲座内容深入浅出，对计算机组成原理及架构的学习者极具价值。