输入输出系统
复习
- 第二章：了解了计算机由输入设备、存储器、运算器和输出设备组成
- 第四十章：学习了计算机总线如何连接各个部件
TL;DR
- 输入输出（I/O）系统，负责计算机和外部世界交换数据
- I/O 设备不能直接挂在总线上，要靠一个“翻译官“——I/O 接口
- CPU 和设备打交道有三种方式：程序查询、中断、DMA
- 现代计算机还能“即插即用“，自动识别新设备
正文
到这里，CPU、内存、总线都齐了。可回头看看第二章那张四大部件图：输入和输出还空着。
没有它们，计算机就是一个关起门来自娱自乐的盒子——它算得再快，也没法从外面拿数据，更没法把结果告诉任何人。这一章，我们把“手“和“口“接上。
设备有多快
外部设备五花八门，速度天差地别：
- 低速：键盘、鼠标、打印机、扫描仪，速率在 KB/s 级别
- 中速：声卡、调制解调器，速率在 MB/s 级别
- 高速：硬盘、固态硬盘、显卡、网卡，速率可达 GB/s 级别
键盘敲一下，可能隔几百毫秒才来一个字符；而硬盘一秒钟能吞吐好几个 G。让 CPU 直接去伺候这些脾气迥异的家伙，显然不现实。
中间加一层：I/O 接口
于是又用上了老办法——加一层。
I/O 设备不直接连总线，而是先接到一个 I/O 接口（也叫设备控制器）上，由它代表 CPU 和设备打交道。它的职责有三样：
- 数据缓冲：设备慢，CPU 快，接口先攒着，凑够再传，两边都不必迁就对方
- 格式转换：把设备的数据格式，翻译成计算机内部认得的格式，反之亦然
- 控制与状态管理：接收 CPU 的命令去驱动设备，同时把设备的忙闲状态汇报回去
你可以把它想象成翻译官兼收发室：外面的人（设备）和里面的人（CPU）说的话不一样、快慢也不一样，全靠它居中转达。
CPU 怎么和设备打交道
接口搭好了，接下来是“CPU 何时、以何种方式跟设备传数据“。历史上有三种典型做法：
- 程序查询：CPU 不停地问“好了没？好了没？“，设备就绪才传。
- 简单，但 CPU 大把时间浪费在傻等上
- 中断：设备准备好了，主动去“叫“CPU。
- CPU 不用傻等，利用率高——这正是第四十二章的主角
- DMA（直接存储器访问）：让设备直接和内存搬数据，CPU 只负责开头和结尾。
- 效率最高，适合硬盘这类大批量传输，代价是需要专门的硬件支持
一条规律很清楚：从查询到中断再到 DMA，CPU 参与得越来越少，效率越来越高。 谁也不想让昂贵的 CPU 去做搬砖的活。
即插即用
你大概有过这样的体验：USB 设备一插上，电脑“叮“一声，马上就能用了，根本不用手动配置。
这叫即插即用。设备内部存着一小段“自我介绍“（设备描述符），里面写着它是什么、谁家产的、型号多少。插入时，系统读一读这段介绍，就知道该加载哪个驱动、分配哪些资源。
再加上 USB、HDMI、蓝牙、Wi-Fi 这些标准化接口，以及热插拔、电源管理等智能机制，如今的 I/O 早就不是“插错了就冒烟“的年代了。
思考题
为什么现代计算机可以自动识别新插入的 USB 设备？它是如何知道这个设备的类型和该用哪个驱动程序的？
小结
知识点
- I/O 设备的速率分类
- I/O 接口的三项职责
- 三种 I/O 控制方式：程序查询、中断、DMA
- 即插即用与标准化接口
参考资料
- Wikipedia(zh)：输入输出：计算机输入输出的基本概念
- Wikipedia(zh)：USB：USB 接口的详细说明
- Wikipedia(zh)：直接内存访问：DMA 的基本原理
思考题答案（仅供参考）
USB 设备内部有一小段存储区域，存着“设备描述符“。插入时，USB 控制器先读取这些描述符，就能知道设备的类型、厂商、产品 ID 等信息。操作系统再拿这些信息去匹配对应的驱动程序；如果本地没有，现代系统通常还会自动从网络下载。换句话说，设备在“自我介绍“，系统负责“对号入座“。
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设计师 | 南国微雪