計算機組成
10 輸入輸出設備
10.1 輸入輸出接口的基本功能
計算機的核心能力就是運算，而快速的數學運算，甚至是早期設計計算機時的唯一目標。但是今天，計算機已經成為了我們日常生活中密不可分的一部分。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代計算機當中，輸入輸出設備到底是怎么工作的。
我們先來一起回顧模型機的結構。這個模型機由一個CPU，一個存儲器，和一個輸入輸出設備組成。在系統啟動后，CPU就會從地址總線發出地址給存儲器，然后從數據總線讀回對應的指令編碼，並通過指令譯碼部件，產生相應的控制信號，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。
我們這里的輸入設備是八個手動的開關，假設前三個開關都撥到高電平，后五個開關撥到低電平。這八個開關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，而且事先在系統當中，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於輸入的程序，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執行了這條指令的時候，就會在地址總線上發出這個地址，與此同時，在控制總線上發出表示當前是讀操作的信號。輸入輸出設備收到1111地址和Read控制信號之后，就會從1111這個單元，取出對應的內容，然后把它送到數據總線上去。而CPU這時會采樣數據總線上的信號，得到這個數值。然后這條指令應該是把這個數，保存到某個通用寄存器當中去，這樣后續的程序也就可以對這個數進行操作了。這就完成了一個輸入的動作。
那我們再來看一個輸出的簡單場景。我們現在的輸出設備是8個小燈泡，它也和一個8位的寄存器相連，並有對應的地址。現在CPU執行到某一條指令，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，還需要在數據總線上，送出要寫的數據11001100。這個輸入輸出設備，就會根據控制總線發現是一次寫操作，就找到地址總線上的信號對應的單元，並將數據總線上對應的信號寫進去。於是1110這個單元，就被寫入了11001100這個數，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。數值為1代表高電平，就會點亮某個燈泡；數值為0代表低電平，對應的燈泡就是熄滅的狀態。
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。
因此，由CPU、存儲器和輸入輸出設備，就構成了一個簡單的計算機系統。用於輸入輸出的可以是撥碼開關、LED管，這樣的的簡單的設備，也可能是比較復雜的設備，像打印機、硬盤。現在的計算機系統當中，輸入輸出設備變得越來越多，功能也非常的豐富。這些設備的差異非常大，有些設備要求很高的數據傳輸率，比如說顯示器；有些設備的速度卻很慢，比如鍵盤和鼠標。而且有一些接口是串行的，有一些是並行的；有數字電路的接口，也有模擬電路的接口。如此千差萬別的設備，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和這些設備之間，設置一個中轉站。這就是輸入輸出接口，也被稱為I/O接口。
I/O接口主要提供了這些功能。
- 數據緩沖，用於解決高速的CPU和低速的外設之間的差距；
- 提供聯絡信息，比如打印機什么時候能夠接收數據。
- 提供格式上的轉換，比如模擬信號和數字信號之間的轉換，串行信號和並行信號之間的轉換，不同電平之間的轉換。
- 一個接口可能連接了多個設備，比如說有多個硬盤，那這個I/O接口還需要提供設備選擇的功能。
- 其它還有一些功能，在用到的時候再做介紹。
因此，在現代的計算機系統當中，往往把跟輸入輸出相關的設備分解成兩個類型（I/O接口和外設）。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。它內部會有一些寄存器，CPU可以通過系統總線，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，與外部的設備相連。這種划分的典型代表，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。
我們要注意的是，這樣的划分和馮諾依曼結構當中所定義的輸入輸出設備，是不能完全一一對應的。在這里，我們描述的是現代計算機發展過程中的，一種具體的實現。
I/O接口究竟是如何與外設相連的，我們來看一個例子。
這是一種最簡單的I/O接口，叫做並行接口。它一邊通過系統總線和CPU相連，另一邊可以連接數碼管、撥碼開關，這樣簡單的設備，也可以連接打印機這樣比較復雜的設備。
這樣的並行接口，一般有兩種常見的實現形式。一種是采用獨立的芯片，比如這個8255A就是一個並行接口芯片。那么早期的I/O接口，大多會采用這樣獨立芯片的形式；而現在可以在一個芯片當中，實現多個I/O接口的功能。所以，這個並行接口，也可能被實現在一個多功能的芯片當中。但不管是哪種實現形式，它總是要與這些外設進行連接。
我們先來看看它和那些簡單的外設是怎么連接的。比如說和一個簡單的輸出設備，就是這個數碼管。這個並行接口的芯片，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碼管。每根信號線，正好連接到其中一個可以發亮的部分，加上旁邊的這個小數點，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只要將對應的數據寫到這個數據輸出寄存器上，並行接口芯片就會直接將這個寄存器的內容，輸出到這八根信號線上，這個數碼管上對應的部分就會亮起，從而展現出我們編程想要輸出的數字。
類似的，這個並行接口芯片，還可以有8個引角，連接到撥碼開關。那撥碼開關的狀態，就會被保存在數據輸入寄存器當中，等待CPU來讀取。
這些都是非常簡單的設備。
那我們再看一些稍微復雜一點的設備，比如說打印機。那么就不能像剛才那樣簡單的傳入數據了，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，此時輸出的數據，是希望打印機接收的數據。而打印機在接收了這個數據之后，還要給出一個回答的信號，以表示它已經完成了這個數據的接收工作。這樣才能保證，這個並行接口和打印機進行數據傳輸時，既不丟失數據，也不會傳輸重復的數據。
那么對於掃描儀這樣的輸入設備，也是類似的情況。掃描儀在將掃描了的數據進行輸入時，也需要給出一個輸入准備好的信號，並行接口電路在采樣了數據輸入之后，也需要給出輸入的回答信號。因此，並行接口芯片，在連接這些比較復雜的設備時，除了那8根數據信號之外，還需要有兩根用於通訊聯絡的信號，而這兩根信號，又被稱為握手信號，在數據傳輸中，起着協調和聯絡的作用。對於稍微復雜一些的外設，都得采用帶握手信號的數據傳輸的方式。
在現代的計算機當中，這種並行接口電路，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，與對應的外設相連，從而讓CPU可以與外部進行交互。
外面的世界很精彩，但也很復雜。我們的CPU雖然有超群的計算能力，然而它的交往技巧卻是很貧乏。所以，我們為它找到了I/O接口這個好幫手。