引言
在之前的章節中，我們詳細講解了計算機系統中一些核心組成部分，如中央處理器（CPU）、記憶體、硬碟等。這些元件負責處理和儲存資料，使得計算機能夠有效地執行。然而，除了這些核心元件，計算機系統還包含許多其他重要的部分，其中之一就是輸入輸出裝置。它們使得計算機能夠與使用者進行有效的溝通和交流，提升了計算機的實用性和使用者體驗。因此，在學習計算機系統的過程中，深入瞭解輸入輸出裝置的原理和工作方式也非常重要。
輸入輸出裝置
I/O介面，又被稱為I/O控制器或裝置控制器，是一種負責協調主機與外部裝置之間資料傳輸的關鍵元件。其主要功能是管理資料的輸入和輸出，在資料傳輸過程中起到橋樑的作用。透過有效地控制和排程資料流，I/O介面能夠實現高效的資料傳輸，提升系統的整體效能。
I/O控制器涵蓋了多種多樣的型別和標準。其中，針對不同外部裝置的控制需求，相應的I/O介面也會制定相應的標準。舉例來說，我們有用於控制USB裝置的I/O介面，它提供了可靠的資料傳輸和連線效能，使得計算機可以方便地與各類USB裝置進行通訊。另外，還有用於控制SATA 3.0硬碟的I/O介面，它支援高速資料傳輸，並具備熱插拔和高可靠性的特點。
如今，隨著技術的不斷進步和積體電路的發展，現代的I/O介面（晶片）也趨向於被整合到南橋晶片內部。
CPU如何控制I/O裝置
程式直接控制和中斷控制方式
- 首先，我們來討論資料暫存器（Data Register）。當CPU需要將資料寫入I/O裝置時，例如列印內容為“GeekTime”，首先要將字元“G”傳送給對應的I/O裝置。
- 接下來是命令暫存器（Command Register）。CPU向印表機傳送一個命令，告訴它開始列印工作。此時，印表機的控制電路將執行兩個動作。首先，它會設定狀態暫存器中的狀態為not-ready，表示印表機正在工作中。然後，它會實際操作印表機進行列印。
- 而狀態暫存器（Status Register）的作用是向CPU報告裝置狀態。當裝置開始工作時，狀態暫存器會告知CPU裝置正在工作中。在這個階段，CPU傳送的任何資料或命令都是無效的。只有當前面的動作完成，狀態暫存器重新變為ready狀態時，CPU才能傳送下一個字元或命令。
現在，讓我們討論快速的I/O裝置（如磁碟），如果每準備好一個字就向CPU傳送一次中斷請求，會導致什麼問題呢？
這種情況下，CPU需要花費大量的時間來處理中斷服務程式，從而導致CPU利用率嚴重下降。每次中斷請求都會打斷CPU正在執行的任務，使其無法充分利用時間進行其他計算工作。這種頻繁的中斷請求會導致CPU的效率下降，影響系統的整體效能。
為了解決這個問題，可以採取一些最佳化措施。例如，可以引入緩衝區，將多個位元組的資料一次性傳輸給CPU，減少中斷請求的次數。另外，也可以使用DMA（直接記憶體訪問）技術，將資料直接傳輸到記憶體，減輕CPU的負擔。透過這些最佳化措施，可以提高CPU的利用率，提升系統的整體效能。
DMA存取方式
DMA控制方式是一種最佳化技術，它透過在主存和裝置之間建立一條直接資料通路（DMA匯流排）來實現高速資料傳輸。在這種方式下，CPU只需向DMA介面傳送讀/寫命令，並指示主存地址、裝置地址以及讀寫資料的數量等引數，然後DMA控制器便會自動控制裝置與主存之間的資料讀寫操作。
具體而言，當CPU發出讀/寫命令後，DMA控制器會透過DMA匯流排直接訪問裝置，並將資料傳輸到主存或從主存傳輸到裝置。為了保證資料的完整性，在每傳輸一整塊資料（如1KB）後，DMA控制器才會向CPU發出一次中斷請求，通知CPU資料傳輸已完成。這樣，CPU就能夠及時處理其他任務，而不需要等待每個資料傳輸的完成。
通道控制方式
有的商用中型機、大型機可能會接上超多的I/0裝置。如果都讓CPU來直接管理這些裝置的資料傳輸和操作，那麼CPU的負擔將會非常沉重，無法充分發揮其處理計算任務的能力。為了解決這個問題，引入了通道的概念。
通道是具有特殊功能的處理器，可以將CPU與I/0裝置之間的通訊過程進行統一管理。通道有自己的資料暫存器、命令暫存器和狀態暫存器，可以完成與I/0裝置之間的資料傳輸、裝置控制和錯誤處理等任務。CPU只需要傳送指令給通道，然後通道會自動完成與裝置之間的資料傳輸和操作，不再需要CPU的直接參與。
通道可以被理解為是一種功能較為有限的處理器，類似於“弱雞版的CPU”，它能夠識別並執行一系列通道指令，通常這些指令的種類和功能比較單一。
訊號和地址
一旦我們理解了實際的I/O裝置和介面之間的關係，就會面臨一個新的問題：CPU到底需要向匯流排傳送怎樣的命令，才能與I/O介面上的裝置進行通訊呢？
在計算機系統中，CPU和I/O裝置之間的通訊是透過CPU支援的特定機器指令來實現的。這些機器指令被稱為I/O指令，用於控制和操作I/O裝置。CPU可以使用這些指令來傳送命令、讀取資料、寫入資料以及查詢裝置狀態等操作。
為了簡化已經足夠複雜的CPU，計算機系統將I/O裝置的各個暫存器和I/O裝置內部的記憶體地址都對映到主記憶體地址空間中。主記憶體的地址空間中會為不同的I/O裝置預留一段一段的記憶體地址。當CPU想要與這些I/O裝置進行通訊時，它會向這些預留的地址傳送資料。
而我們的I/O裝置會監控地址線，並在CPU向其傳送資料時，將傳輸過來的資料接入到對應裝置的暫存器和記憶體中。無論是向I/O裝置傳送命令、查詢裝置狀態還是傳輸資料，CPU都可以透過這種方式進行。這種方式被稱為記憶體對映I/O（Memory-Mapped I/O，簡稱MMIO）。
CPU 和 I/O 裝置之間的通訊
在計算機系統中，CPU和I/O裝置之間的通訊是透過以下方式來解決的。
首先，在I/O裝置一側，我們將I/O裝置分成可以與CPU通訊的介面電路和實際的I/O裝置本身。介面電路包含狀態暫存器、命令暫存器、資料暫存器、資料緩衝區和裝置記憶體等元件。介面電路透過匯流排與CPU通訊，接收來自CPU的指令和資料。介面電路中的控制電路會解碼接收到的指令，並實際操作相應的硬體裝置。
而在CPU一側，CPU透過訪問記憶體地址或埠地址進行資料的傳輸和讀取。對於CPU來說，它並不直接與特定裝置進行互動，而是透過讀寫特定的記憶體地址或埠地址來實現與I/O裝置的通訊。在軟體層面，透過定義傳輸命令和資料的方式，而不是引入新的指令，來實際操作對應的I/O硬體。這樣，CPU可以透過與介面電路的通訊來與I/O裝置進行互動，完成輸入和輸出的功能。
總結
本文主要介紹了計算機系統中輸入輸出裝置的原理和工作方式。輸入輸出裝置是計算機系統中的重要組成部分，它們使得計算機能夠與使用者進行有效的溝通和交流。文章介紹了I/O介面的功能和作用，以及不同型別的I/O介面的標準。同時，還介紹了CPU如何控制I/O裝置的程式直接控制和中斷控制方式，以及使用DMA和通道控制方式進行最佳化的方法。最後，文章解釋了CPU和I/O裝置之間的通訊方式。透過深入瞭解輸入輸出裝置的原理和工作方式，可以更好地理解計算機系統的工作原理，提升系統的整體效能。