【从零开始学习计算机科学】计算机组成原理（八）输入输出设备 与 输入输出系统

输入输出设备

外设的作用体现在计算机和其他机器之间，即在计算机与用户之间提供联系。

从信息的转换角度看，外设决定了信息处理的可靠性与准确性。从配置上看，外设越来越多，则计算机功能越来越强。从所占比重上看，其产值占信息产业中硬件产值的 70%以上，因此，外设是决定计算机系统可靠性、性价比及影响计算机推广应用的关键。

外设的分类

外设按功能划分，可以分成以下几类。

输入设备

输入设备主要有键盘、鼠标；图形输入设备，比如光笔、数字化仪；语音输入设备，比如话筒；自动识别输入设备，比如OCR、OMR、扫描仪、条码阅读机；触摸屏；图象输入设备，比如数码相机等等。

输出设备

输出设备主要有显示器；打印机；绘图仪；语音输出设备，比如扬声器、耳机；缩微胶卷输出设备等等。

外存储设备

比如软盘、硬盘、光盘、磁带等等。

数据通信设备。

终端设备。

键盘

键盘按照键开关的结构及工作原理，可以分成有触点式和无触点式。有触点式又分为机械簧片式、干簧管式、薄膜式、导电像胶式等。无触点式又分为电容式、霍尔效应式。

有触点式键盘结构简单、成本低、开关特性好，但是开关通断时会发生触点跳动，因引起电路干扰和机械磨损而影响寿命。
无触点式键盘无机械磨损、不存在触点跳动现象，可靠性高、寿命长，但是，其需放大、整形等较复杂的电路，成本高，且加工装配要求高。

键盘按照键盘按键分类，有机械式、电容式、导电橡胶式、薄膜式等多种，但不管何种形式，其作用都是一个使电路接通与断开的开关。

键盘按照是否存在键盘编码器，可以分为编码键盘和非编码键盘。编码键盘本身带有实现接口主要功能所必需的硬件电路。又分为静态编码器和动态编码器。而非编码键盘只简单地提供按键开关的行列矩阵。

键盘接口原理和工作流程

1，检查是否有键按下，其方法是：输出扫描码，使所有行线为0。然后读入列线状态，检查是否有列线为0。若有，则表明有行线和列线接通，意味意有键按下。

2，去抖动。当有键按下时，延时20ms左右，待抖动消失后，在稳定状态下进行被按键识别。

3，被按键识别。从第0行第0列开始，顺序对所有按键编号。通过逐行扫描确定被按键的编号。

4，产生键码。根据扫描得到的键编号查找键盘编码表，获得与被按键功能对应的键码。

鼠标器

鼠标，计算机的一种外接输入设备，也是计算机显示系统纵横坐标定位的指示器，因形似老鼠而得名（港台作滑鼠）。其标准称呼应该是“鼠标器”，英文名“Mouse”，鼠标的使用是为了使计算机的操作更加简便快捷，来代替键盘那繁琐的指令。

鼠标有光电式、光机式、机电式等多种不同的类别。但是，归根解读，鼠标的工作过程均可表述为以下过程：第一，计算鼠标的移动距离和方向；第二，将脉冲信息送给计算机；第三，显示器显示光标的坐标数据。

显示设备

以可见光形式传递和处理信息的设备叫显示设备。

按显示设备所用显示器件分类，可以分为阴极射线管（CRT）显示器、液晶显示器（LCD）、等离子显示器等。其中，CRT显示器以扫描方式不同，可分为光栅扫描和随机扫描显示器；以分辨率不同，可分为高分辨率和低分辨率显示器；以显示颜色差异，可分为单色（黑白）和彩色显示器。

按显示设备显示内容分类，可分为字符显示器、图形显示器、图象显示器。

CRT显示器

单色CRT工作原理为：当灯丝加热，阴极受热而发射电子，电子的多少受控制极控制。电子经加速，聚焦而成电子束，在高压极形成的均匀电位空间作用下高速地冲射到荧光屏上，荧光屏受电子束轰击而产生一个亮点，其亮度取决与电子束的轰击速度、电子束电流强度和荧光粉的发光效率。电子束在偏转系统的控制下，在荧光屏的不同位置产生光点，这些光点即可组成所需的字符和图象。

彩色CRT与单色CRT的原理基本相似。对于荫罩式彩色显象管，一般有三个按正三角形排列的电子枪，分别用来触发红，绿，蓝三种颜色的荧光粉发光，荧光屏上每个象元由按三角形排列的红，绿，蓝三种荧光粉组成。荧光屏附近装有一个荫罩板，上有40-50万个小孔，和三色荧光粉组数一一对应，以保证三支电子枪能够准确击中各自相应的荧光粉。涂有荧光粉的屏幕被激励而出现红蓝绿三基色或有三基色组成的其它颜色。对于栅网式的单枪三色彩色显象管，其性能进一步改进，制造工艺和控制方法比较简单。

平板显示器件

液晶显示平板器件，其具有结构简单的优点，目前已大量用于仪表，计算器和手表上。

其原理如下：在两块敷有透明导电电极平板的玻璃夹层中，封装一种既有流体性质，又有晶体性质的液晶，只要在电极上加几伏至几十伏电压，液晶的透光率，反射率，颜色等就会发生变化，即可显示字符和图形。

液晶显示器的特点是电流小，工耗低，价廉，可与集成电路配套使用，在明亮环境下仍有较好的对比度和灰度，具有较好的显示色彩和存储信息的能力。但工作温度范围小（通常在0—50摄氏度），响应速度慢。制造较大面积的液晶显示比较困难。

等离子显示平板器件

这种器件适于组装成大屏幕显示屏或高亮度大屏幕字符显示器。
其原理是在两块平面玻璃间封入电离发光气体，在玻璃板上的透明导电电极之间的电场作用下使气体电离发光。它体积小，电压低（几百伏），发光亮度大。常用于体育运动场或军事指挥中心

显示器的技术指标

分辨率

分辨率为显示设备所能表示的象素个数。象素越密，分辨率越高，图象越清晰。显示器的分辨率与显象管荧光粉的粒度，荧光屏的尺寸和CRT电子束的聚焦能力等有关。此外，还要求刷新存储器具有与显示象数相对应的存储空间，以便存储每个象素信息。

灰度级

灰度级指所显示象素点的亮暗差别，在彩显中则表现为颜色的不同。灰度级越多，图象层次越清楚逼真。灰度级与每个象素对应刷新存储器单元的位数和CRT本身的性能有关。如果用4位表示一个象素，只有16级灰度或颜色；若用8位表示一个象素。则有256级灰度或颜色。只用“0”和“1”两级灰度就能表示字符有无的显示器称为单色显示器；具有多种颜色的显示器称为彩色显示器；具有多种灰度级的黑白显示器称为多灰度级黑白显示器。图象显示器的灰度级为64级或256级。

刷新和刷新存储器

由于CRT荧光屏发光是由电子束轰击荧光粉引起的，其发光亮度大约只能维持几十豪微秒便消失。为了人眼能看见稳定的图象，必须在图象消失之前使该电子束不断重复扫描整个屏幕，这称为刷新。每秒刷新的次数叫做刷新频率。刷新频率一般大于30次/秒就不会感觉有闪烁，显示设备中常选用每秒刷新50帧图象作为刷新频率。

存储图象的存储器叫刷新存储器，也叫“帧存储器”或“视频存储器”。其存储容量由图象分辨率和灰度级决定。分辨率越高，灰度级越多，刷新存储器的容量也越大。例如，分辨率为$512\times 512$，256级灰度的图象，其刷新存储器的容量为$512\times 512\times 8bit=256KB$。而存储周期必须满足刷新频率的要求。

字符显示器

不同的计算机系统，显示器的组成方式也不同。在大型计算机中，显示器作为终端设备独立存在，即键盘输入和CRT显示输出是一个整体，通过标准的串行接口与主机相连。在微型机系统中，CRT显示输出和键盘是两个独立的设备，显示系统由插在主机槽中的显示适配器卡和显示器两部分组成，而且将字符显示和图形显示结合为一体。

字符显示其显示字符的方法以点阵为基础。
点阵是由$m\times n$个点组成的阵列，并以此来构造字符。点阵的多少取决于显示字符的质量和字符窗口的大小。字符窗口是指每个字符在屏幕上所占的点数，它包括字符显示点阵和字符间隔。在IBM/PC系统中，屏幕共显示80列25行=2000个字符，故字符窗口数目为2000。在单色字符方式下，每个字符窗口为$9\times 14$点阵，字符为$7\times 9$点阵。通常用$5\times 7$或$7\times 9$的光点点阵组成单个字符，显示汉字时，则要用$16\times 16$，$24\times 24$，$32\times 32$或$64\times 64$的点阵，高要求还可用$128\times 128$。

图形显示器

图形显示器是用点，线（直线和曲线），面（平面和曲面）组合成要求的平面或立体图形。同时可以作平移，比例变换，旋转，坐标变换，投影变换（把三维图形变换为二维图形），透视变换，透视投影，轴侧投影（三面图），单点透视，两点或三点透视以及隐线处理等操作。主要用于CAD和CAM（计算机辅助制造），如汽车，飞机，舰船，土建以及集成电路板等的设计制造。

图形显示器通常配有键盘，光笔，数字化仪，鼠标器，CRT显示器和绘图机等。

我们可以在原有的字符显示器上加一块显示图形的逻辑电路板，即可变成简易的图形显示器；如果配上图形输入板和绘图机，则可构成一种廉价的小型图形处理系统。

图像显示器
在数字图象处理中，数字图象显示器是最后也是最重要的环节，它可以让人们通过视觉，更好地理解和解释图象的内容。图象显示器除了能存储从计算机输入的图象并在荧光屏上显示外，还具有灰度变换，窗口技术，真彩色和伪彩色显示等图象增强技术功能。

灰度变换是指可使原始图象的对比度得到增加或改变。

窗口技术是指在图象存储器中，每个象素有2048级灰度值（11位），肉眼不能分辨出这么多级（通常肉眼只能分辨40级）。若在2048级中开一个小窗口，将这个窗口内的灰度级取出，使之变换为64级显示灰度，就可以把原来被掩盖的灰度细节充分地显示出来。

真彩色是指真实图象的彩色显示，是色还原技术，电视属于这一类。

伪彩色处理和显示则是一种图象增强技术。肉眼分辨黑白色只有几十级，但能分辨出上千种彩色。伪彩色处理技术可对黑白图象进行染色，如把水的灰度染为蓝色，把植物的灰度染为绿色，把土地的灰度染为黄色等。

图象显示器还具有几何处理功能，如图象的放大：可进行2，4，8倍放大；图象分割：可在CRT的局部范围内显示一幅图象的全部或部分，并在其他范围内显示其他图象的全部或局部，或进行图象重叠；图象滚动：即是使图象显示的顺序发生变化，可以在水平和垂直两个方向滚动。

由于图形显示器显示的图形是经过计算机用一定算法产生的点，线，面，阴影等，它来自主观世界，故称主观图象或计算机图象。而图象显示器显示的图象通常来自客观世界，故称客观图象。二者之间在处理和分析上都有很大的差异，但又可以互相借鉴。有一种图形—图象两用的显示器，使得图形显示器具有某些图象处理功能。

当然，图象显示器还具有字符显示功能，以便在图象上进行注释。字符编码由键盘送入字符码存储器。显示时从字符码存储器中取出并由字符发生器变成相应的字形信号，与图象信号混合后一起显示。若字符信号不经过彩色编码器，彩色显示器上的字符则为白色。

磁表面存储器

计算机的外存储器又称磁表面存储设备。所谓磁表面存储，是用某些磁性材料薄薄地涂在金属铝或塑料表面作载磁体来存储信息。磁盘存储器、磁带存储器均属于磁表面存储器。

磁表面存储器的优点为存储容量大，位价格低；记录介质可以重复使用；记录信息可以长期保存而不丢失，甚至可以脱机存档；非破坏性读出，读出时不需要再生信息。磁表面存储器的缺点为存取速度较慢，机械结构复杂，对工作环境要求较高。
因此，磁表面存储器通常在计算机系统中作为辅助大容量存储器使用，用以存放系统软件、大型文件、数据库等大量程序与数据信息。

从磁滞回线可以看出，磁性材料被磁化以后，工作点总是在磁滞回线上。只要外加的正向脉冲电流(即外加磁场)幅度足够大，那么在电流消失后磁感应强度B并不等于零，而是处在+Br状态(正剩磁状态)。反之，当外加负向脉冲电流时，磁感应强度B将处在-Br状态(负剩磁状态)。这就是说，当磁性材料被磁化后，会形成两个稳定的剩磁状态，就像触发器电路有两个稳定的状态一样。如果规定用+Br状态表示代码“1”，-Br状态表示代码“0”，那么要使磁性材料记忆“1”，就要加正向脉冲电流，使磁性材料正向磁化；要使磁性材料记忆“0”，则要加负向脉冲电流，使磁性材料反向磁化。因此，我们可以看出，磁性材料上呈现剩磁状态的地方形成了一个磁化元或存储元，它是记录一个二进制信息位的最小单位。

磁性材料的记录方式

磁性材料写入二进制代码0或1，是靠不同的写入电流波形实现的。形成不同写入电流波形的方式，称为记录方式。记录方式是一种编码方式，它按某种规律将一串二进制数字信息变换成磁层中相应的磁化元状态，用读写控制电路实现这种转换。在磁表面存储器中，由于写入电流的幅度、相位、频率变化不同，从而形成了不同的记录方式。常用记录方式可分为不归零制(NRZ)，调相制(PM)，调频制(FM)几大类。记录方式的评价标准主要有编码效率、自同步能力、检读分辨力、信息相关性、抗干扰能力、信道带宽、编码译码电路的复杂性等。

其中，编码效率指位密度与最大磁化翻转密度之比，也就是指每次磁层状态翻转所存储的数据信息位的多少。

自同步（从专门设置用来记录同步信号的磁道中取得同步信号，这种方法称为外同步。但对于高密度的记录系统来说，还希望能直接从磁盘读出的信号中提取同步信号，这种方法称为自同步)能力是指从读出数据(脉冲序列)中自动提取同步信号(时间基准信号) (从磁表面存储器读出信号时，为了分离出数据信息必须要有时间基准信号，称为同步信号)的能力。自同步能力的大小可以用最小磁化翻转间隔与最大磁化翻转间隔的比值R来衡量。R越大，自同步能力越高。如果说某种编码方法具有自同步能力，就是指能从读出数据（脉冲序列）中提取同步信号。

检读分辨力是指磁记录系统对读出信号的分辨能力。

信息相关性是指漏读或错读一位是否会传播误码，所以是衡量精度的指标。

磁表面存储器的读写原理

在磁表面存储器中，利用一种称为磁头的装置来形成和判别磁层中的不同磁化状态。磁头实际上是由软磁材料做铁芯绕有读写线圈的电磁铁。
对于写操作，当写线圈中通过一定方向的脉冲电流时，铁芯内就产生一定方向的磁通。由于铁芯是高导磁率材料，而铁芯空隙处为非磁性材料，故在铁芯空隙处集中很强的磁场。
在这个磁场作用下，载磁体就被磁化成相应极性的磁化位或磁化元。若在写线圈里通入相反方向的脉冲电流，就可得到相反极性的磁化元。如果我们规定按图中所示电流方向为写“1 ”，那么写线圈里通以相反方向的电流时即为写“0”。上述过程称为写入。

显然，一个磁化元就是一个存储元，一个磁化元中存储一位二进制信息。当载磁体相对于磁头运动时，就可以连续写入一连串的二进制信息。对于读操作，当磁头经过载磁体的磁化元时，由于磁头铁芯是良好的导磁材料，磁化元的磁力线很容易通过磁头而形成闭合磁通回路。不同极性的磁化元在铁芯里的方向是不同的。当磁头对载磁体作相对运动时，由于磁头铁芯中磁通的变化，使读出线圈中感应出相应的电动势e，其值为$e=-k\cdot d\Phi /dt$，负号表示感应电势的方向与磁通的变化方向相反。不同的磁化状态，所产生的感应电势方向不同。这样，不同方向的感应电势经读出放大器放大鉴别，就可判知读出的信息是“1”还是“0”。因此，我们可以通过电-磁变换，利用磁头写线圈中的脉冲电流，可把一位二进制代码转换成载磁体存储元的不同剩磁状态；反之，通过磁-电变换，利用磁头读出线圈，可将由存储元的不同剩磁状态表示的二进制代码转换成电信号输出。

硬磁盘机的基本组成和分类

硬磁盘机是指记录介质为硬质圆形盘片的磁表面存储器。它主要由磁记录介质、磁盘控制器、磁盘驱动器三大部分组成。磁盘控制器包括控制逻辑与时序、数据并-串变换电路和串-并变换电路。磁盘驱动器包括写入电路与读出电路、读写转换开关、读写磁头与磁头定位伺服系统等。

写入时，将计算机并行送来的数据取至并-串变换寄存器，变为串行数据，然后一位一位地由写电流驱动器作功率放大并加到写磁头线圈上产生电流，从而在盘片磁层上形成按位的磁化存储元。

读出时，当记录介质相对磁头运动时，位磁化存储元形成的空间磁场在读磁头线圈中产生感应电势，此读出信息经放大检测就可还原成原来存入的数据。由于数据是一位一位串行读出的，故要送至串-并变换寄存器变换为并行数据，再并行送至计算机。

硬磁盘机通常按以下方法分类：

(1)根据磁头的工作方式分类

移动头硬盘存储器。其存取数据时磁头在磁盘盘面上径向移动，磁头与盘面不接触，且随气流浮动，称为浮动磁头。这种存储器可以由一个盘片或多个盘片组成，装在主轴上。盘片的每面都有一个磁头。这种结构的硬磁盘存储器应用很广，其典型结构为温彻斯特磁盘。

固定头磁盘存储器的磁头位置固定，磁盘的每一个磁道都对应一个磁头，盘片也不可更换。其特点是存取速度快，省去了磁头沿盘片径向运动找磁道的时间，磁头处于工作状态即可开始读写。

(2)根据磁盘可换与否分类

可换盘存储器。其是指磁盘不用时可以从驱动器取出脱机保存。这种磁盘可以在兼容的磁盘存储器间交换数据，由于可脱机保存，故便于扩大存储容量。为了达到可靠地交换数据的目的，磁盘的道密度要适当降低，从而使可换磁盘记录密度的提高受到限制。根据可换磁盘存储器每轴盘片数目的不同，通常把每轴装有一至四片的存储器称为盒式磁盘存储器；六片以上的称为盘组，常用的有六片、十一片、十二片等。在盒式磁盘存储器中，只有部分磁盘是可换的，如四片盒式磁盘存储器中，三片磁盘是固定的，一片是可换的。

固定盘存储器。其是指磁盘不能从驱动器中取出，更换时要把整个“头盘组合体”一起更换。这种结构的磁盘存储器称为温彻斯特磁盘（Winchester Disk）。温彻斯特磁盘简称温盘，是一种可移动磁头固定盘片的磁盘存储器，它是目前应用最广，最有代表性的硬磁盘存储器。所谓温彻斯特磁盘实际上是一种技术，这种技术是由IBM公司位于美国加州坎贝尔市温彻斯特大街的研究所研制的，它于1973年首先应用于IBM3340硬磁盘存储器中，因此将这种技术称作温彻斯特技术。温彻斯特技术是磁盘向高密度、高容量发展的产物。温盘的主要特点是一种密封组合式的硬磁盘，将磁头、盘片、电机等驱动部件甚至读写电路等制成一个不可随意拆卸的整体，也叫“头盘组合体”。它的防尘性能好，可靠性高，对使用环境要求不高。而普通的硬磁盘要求具有超净环境，只能用于中大型计算机中。

磁盘驱动器

磁盘驱动器是一种精密的电子和机械装置，因此各部件的加工安装有严格的技术要求。各类磁盘驱动器具体结构虽有差别，但基本结构相同，主要由定位驱动系统、主轴系统和数据转换系统组成。

磁头定位驱动系统在可移动磁头的磁盘驱动器中，驱动磁头沿盘面径向位置运动以寻求目标磁道位置的机构叫磁头定位驱动系统，它由驱动部件、传动部件、运载部件（磁头小车）组成。当磁盘存取数据时，磁头小车的平移运动驱动磁头进入指定磁道的中心位置，并精确地跟踪该磁道。一般，磁头小车有两种驱动方式：步进电机，这种方式靠脉冲信号驱动，控制简单，整个驱动定位系统是开环控制，因此定位精度较低，一般用于软磁盘驱动器和磁道密度不高的硬磁盘驱动器；音圈电机是线性电机，这种方式可以直接驱动磁头做直线运动，整个驱动定位系统是一个带有速度和位置反馈的闭环控制系统，驱动速度快，定位精度高，因此用于较先进的磁盘驱动器。

主轴系统的作用是安装盘片，并驱动它们以额定转速稳定旋转。其主要部件是主轴电机和有关控制电路。

数据转换系统的作用是控制数据的写入和读出，包括磁头、磁头选择电路、读写电路以及索引和区标电路等。

磁盘控制器

磁盘控制器是主机与磁盘驱动器之间的接口。由于磁盘存储器是高速外存设备，故与主机之间采用成批交换数据方式。磁盘控制器作为主机与驱动器之间的控制器，它需要有两个方面的接口，一个是与主机的接口，控制外存与主机总线之间交换数据；另一个是与设备的接口，根据主机命令控制设备的操作。前者称为系统级接口，后者称为设备级接口。

一般，磁盘上的信息经读磁头读出以后送读出放大器，然后进行数据与时钟的分离，再进行串-并变换、格式变换，最后送入数据缓冲器，经DMA控制将数据传送到主机总线。

由于控制器与驱动器之间的任务分工没有明确的界限，因而控制器与驱动器之间的交界面划分有多种方式。

(1) 如果交界面设在A处，驱动器只完成读写和放大，因而数据分离以后的控制逻辑构成磁盘控制器，例如ST506磁盘控制器是插在PC机总线上的一块电路板，控制器与设备之间就采用了这种形式的接口。

(2) 如果交界处在B处，则驱动器中包含数据分离器，而磁盘控制器仅有串—并变换，格式控制等逻辑构成。例如，ESDI（增强型小型设备接口）就属于这种型式。

(3) 将接口交界设在C处，则磁盘控制器的功能全部转移到设备中，主机与设备间采用标准的通用接口。例如SCSI（小型计算机系统接口）属于这种型式。

目前的发展趋势是采用C种接口，以增强设备的功能，使设备相对独立。

磁盘上信息的分布

盘片的上下两面都能记录信息，通常把磁盘片表面称为记录面。记录面上一系列同心圆称为磁道。每个盘片表面通常有几十到几百个磁道，每个磁道又分为若干个扇区。

磁道的编址是从外向内依次编号，最外一个同心圆叫0磁道，最里面的一个同心圆叫n磁道，n磁道里面的圆面积并不用来记录信息。扇区的编号有多种方法，可以连续编号，也可间隔编号。磁盘记录面经这样编址后，就可用n磁道m扇区的磁盘地址找到实际磁盘上与之相对应的记录区。除了磁道号和扇区号之外，还有记录面的面号，以说明本次处理是在哪一个记录面上。例如对活动头磁盘组来说，磁盘地址是由记录面号(也称磁头号)、磁道号和扇区号三部分组成。在磁道上，信息是按区存放的，每个区中存放一定数量的字或字节，各个区存放的字或字节数是相同的。

为进行读/写操作，要求定出磁道的起始位置，这个起始位置称为索引。索引标志在传感器检索下可产生脉冲信号，再通过磁盘控制器处理，便可定出磁道起始位置。

磁盘存储器的每个扇区记录定长的数据，因此读/写操作是以扇区为单位一位一位串行进行的。每一个扇区记录一个记录块。每个扇区开始时由磁盘控制器产生一个扇标脉冲。扇标脉冲的出现即标志一个扇区的开始。 两个扇标脉冲之间的一段磁道区域即为一个扇区(一记录块)。每个记录块由头部空白段、序标段、数据段、校验字段及尾部空白段组成。其中，空白段用来留出一定的时间作为磁盘控制器的读写准备时间；序标被用来作为磁盘控制器的同步定时信号；序标之后即为本扇区所记录的数据；数据之后是校验字，它用来校验磁盘读出的数据是否正确。

磁盘存储器的技术指标

磁盘存储器的主要指标包括存储密度、存储容量、存取时间及数据传输率。

1.存储密度。存储密度分道密度、位密度和面密度。道密度是指沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数，单位为道/英寸。位密度是指磁道单位长度上能记录的二进制代码位数，单位为位/英寸。面密度是指位密度和道密度的乘积，单位为位/平方英寸。

2.存储容量。一个磁盘存储器所能存储的字节总数，称为磁盘存储器的存储容量。存储容量有格式化容量和非格式化容量之分。格式化容量是按照某种特定的记录格式所能存储信息的总量，也就是用户可以真正使用的容量。非格式化容量是磁记录表面可以利用的磁化单元总数。将磁盘存储器用于某计算机系统中，必须首先进行格式化操作，然后才能供用户记录信息。格式化容量一般是非格式化容量的60%—70%。目前，3.5英寸的硬盘机容量可达80GB。

3.平均存取时间。存取时间是指从发出读写命令后，磁头从某一起始位置移动至新的记录位置，到开始从盘片表面读出或写入信息所需要的时间。这段时间由两个数值所决定：一个是将磁头定位至所要求的磁道上所需的时间，称为定位时间或找道时间；另一个是找道完成后至磁道上需要访问的信息到达磁头下的时间，称为等待时间，这两个时间都是随机变化的， 因此往往使用平均值来表示。平均存取时间等于平均找道时间与平均等待时间之和。平均找道时间是最大找道时间与最小找道时间的平均值，目前平均找道时间为10—20ms。

4.平均等待时间。平均等待时间和磁盘转速有关，它用磁盘旋转一周所需时间的一半来表示。目前固定头盘转速高达6000转/分，故平均等待时间为5ms。

5.数据传输率。磁盘存储器在单位时间内向主机传送数据的字节数，叫数据传输率，传输率与存储设备和主机接口逻辑有关。从主机接口逻辑考虑，应有足够快的传送速度向设备接收 /发送信息。从存储设备考虑，假设磁盘旋转速度为每秒n转，每条磁道容量为N个字节，则数据传输率$D_r=n\cdot N$(字节/秒)。因此，其也可以写成$D_r=D\cdot v$(字节/秒)，其中D为位密度，v为磁盘旋转的线速度。目前磁盘存储器的数据传输率可达几十兆字节/秒。

光盘存储设备

光盘分为只读型、Worm型、可擦写型三类。

(1) 只读型。其采用凹坑信息记录载体，压制形成，边界代表1，平面代表0。

(2) WORM型，其采用强激光烧灼出凹坑。

(3) 可擦写型。可擦写型又分为以下两种：相变型，采用晶态与非晶态转换存储时间；磁光型，采用激光与磁场调制记录，克尔效应读取数据。

光盘的数据结构如下图所示

输入输出系统

总线系统

现代计算机系统多采用模块结构，一个模块就是一个功能部件，如主机板、显示适配器、解压卡、声卡、A/D板等。各模块之间进行信息传送的公共通路称为总线。

借助于总线连接，计算机在各功能部件间实现地址、数据和控制信息的交换，并在争用资源的基础上进行工作。

一个单处理器系统中的总线，大致分为三类：

内部总线：CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线。

系统总线：CPU同计算机系统的其他高速功能部件，如存储器、通道等互相连接的总线。

I/O总线： 中、低速I/O设备之间互相连接的总线。

当然，总线还有多种分类方法。按相对于CPU与其他芯片的位置可分为片内总线和片外总线。按总线传送信息的类别，可把总线分为地址总线、数据总线和控制总线。

按照总线传送信息的方向，可把总线分为单向总线和双向总线。按总线的层次结构可分为CPU总线、存储总线、系统总线和外部总线。

总线的特性

总线的特性分为物理特性，功能特性，电器特性和时间特性。

物理特性指总线的物理连接方式，包括总线的根数，总线的插头、插座的形状，引脚线的排列方式等。

功能特性指描述总线中每一根线的功能。如地址总线的宽度指明了总线能够直接访问的存储器的地址空间范围；数据总线的宽度指明了访问一次存储器或外设时能够交换的数据的位数；控制总线包括了CPU发出的各种命令, 请求信号和仲裁信号, 中断信号等。

电气特性定义了每一根线上信号的传递方向及有效电平范围。比如，规定送入CPU的信号叫输入信号(IN)，从CPU发出的信号叫输出信号(OUT)。地址总线是输出线，高电平有效；数据总线是双向传输线，高电平有效；控制总线中各条线一般是单向的，有CPU发出的，也有进入CPU的，有高电平有效的，也有低电平有效的；但是，总线的电平都符合TTL电平的定义。

时间特性定义了每根线在什么时间有效。只有规定了总线上各信号有效的时序关系，CPU才能正确无误地使用。

总线的标准化

相同的指令系统，相同的功能，不同厂家生产的各功能部件在实现方法上几乎没有相同的，但各厂家生产的相同功能部件却可以互换使用，其原因在于它们都遵守了相同的系统总线的要求，这就是系统总线的标准化问题。

目前，总线通常有两类标准：正式公布的标准和实际存在的工业标准。正式公布的标准由IEEE（国际电气电子工程师学会）或CCITT（国际电报电话咨询委员会）等国际组织正式确定和承认。实际的工业标准首先由某一公司提出，而又得到其它公司广泛使用，有可能经过一段时间后提交有关组织讨论从而成为正式标准。

在标准中，对插件引线的几何尺寸、引线数、各引线的定义、时序及电气参数等都做出明确规定，据此，人们可方便的进行系统设计和功能扩充。

常用的微机结构与系统总线

PC/XT结构与PC总线，其针对IBM PC/XT机(8086)开发。PC总线时钟频率4.77MHz，总线宽度8位，寻址能力1MB，最快存储器访问周期由4个时钟周期组成——带宽约1MBps。

PC/AT结构与AT总线，其针对IBM PC/AT机(286)开发。AT总线时钟频率8MHz，总线宽度16位，寻址能力16MB，最快存储器访问周期由3个时钟周期组成——带宽约5MBps。

PC总线与AT总线后来经过标准化，称为 ISA总线（Industry Standard Architecture——工业标准体系结构）

EISA总线（Extended ISA——扩展工业标准体系结构），其针对 386、486开发。其总线时钟频率8.33MHz，总线宽度32位，寻址能力4GB，支持突发传送——带宽约33MBps。

VESA总线（Video Electronic Standard Association——视频电子标准协会。VESA总线也称为VL-bus(VESA Local Bus)），针对 486开发。总线时钟频率33MHz，总线宽度32位，寻址能力4GB，支持突发传送——带宽约132MBps。

PCI总线（PCI: Peripheral Component Interconnect——外部设备互连），针对 Pentium以上处理器开发。

总线的性能指标

1，总线宽度、数据总线的根数。16位总线，指其数据总线为16根。

2，寻址能力。寻址能力取决于地址总线的根数。比如PCI总线的地址总线为32位，寻址能力达4GB。

3，传输率。传输率也称为总线带宽，通常指总线所能达到的最高数据传输率，单位是Bps（每秒传送字节数）。计算公式为$D_r=D\times f/N$，其中D为数据宽度；F为总线时钟频率；N为完成一次数据传送所需的时钟周期数。比如，PCI总线1.0版的总线带宽132MBps。

4，是否支持突发传送。总线上数据传送方式有正常传送和突发传输两种。正常传输在每个传送周期先传送数据的地址，再传送数据。突发传送支持成块连续数据的传送，只需给出数据块的首地址，后续数据地址自动生成。比如，PCI总线支持突发传送，ISA不支持。

5，负载能力。负载能力指总线上能够连接的设备数。

总线的连接方式

在计算机系统中，总线的排列布置与其他各功能部件的连接方式对计算机系统的性能有重要影响。总线的组织方法很多，单机系统中采用的总线结构基本上可分成三类：单总线结构、双总线结构、三总线结构。
在许多单处理器的计算机中，使用一条单一的系统总线来连接CPU、主存和I/O设备，叫做单总线结构。

单总线结构具有控制简单、易扩充、使用率高的优点，但是也具有分时工作，导致很大的时间延迟，总效率低的缺点。
单总线系统中，由于所有功能部件都连在同一组总线上，总线只能分时工作，即某一时间只允许在两个部件之间传送信息。
由于CPU频繁的访问主存，在高档微型机和一些小型机中专门设置了主存总线，形成了双总线结构。

双总线结构在CPU和主存之间专门设置了一组高速的存储总线，CPU与存储器可通过专用总线交换信息。这样，CPU可通过专用总线与存储器交换信息，减轻了系统总线的负担；并且高速外设与主存之间仍可通过系统总线实现DMA操作，以及CPU通过系统总线与中低速外部设备交换信息。

双总线结构保持了单总线系统简单、易于扩充的优点，又提高了信息传送的吞吐量。但这是以增加硬件为代价的。

在双总线系统的基础上增加I/O总线，便形成了三总线系统结构。其中系统总线是CPU、内存和通道之间进行信息传送的公共通路，I/O总线是多个外部设备与通道之间进行信息传送的公共通路

在三总线结构中，通道实际上是一台具有特殊功能的处理器，又称为IOP(I/O处理器), 它分担了一部分CPU的功能，以实现对外设的统一管理及外设与主存之间的数据传送。显然，由于增加了IOP，使整个系统的效率大大提高。然而这是以增加更多的硬件代价换来的。

总线结构会对计算机系统性能产生影响，比如对于最大存储容量、指令系统、吞吐量的影响。

早期总线的内部结构

早期的总线实际上是处理器芯片引脚的延伸，是处理器与I/O设备适配器的通道。这种简单的总线一般由50~100条线组成，这些线按其功能可分为三类：地址线、数据线和控制线。

简单总线结构的不足之处在于：第一，CPU是总线上的唯一主控者。第二，总线信号是CPU引脚信号的延伸，故总线结构紧密，与CPU相关，通用性较差。

当代流行的总线的内部结构

它是一些标准总线，追求与结构、CPU、技术无关的开发标准，并满足包括多个CPU在内的主控者环境需求。

在当代总线结构中，CPU和它私有的cache一起作为一个模块与总线相连。系统中允许有多个这样的处理器模块。而总线控制器完成几个总线请求者之间的协调与仲裁。

整个总线分成如下四部分：

数据传送总线。其由地址线、数据线、控制线组成。

仲裁总线。其包括总线请求线和总线授权线。

中断和同步总线。其用于处理带优先级的中断操作，包括中断请求线和中断认可线。

公用线。其包括时钟信号线、电源线、地线、系统复位线以及加电或断电的时序信号线等。

目前，大多数计算机采用了分层次的多总线结构。在这种结构中，速度差异较大的设备模块使用不同速度的总线，速度相近的设备模块使用同一类总线。

信息传送与总线接口

数字计算机使用二进制数，它们或用电位的高、低来表示，或用脉冲的有、无来表示。 习惯上用高电位表示“1”，低电位表示“0”；或用有脉冲表示“1”，无脉冲表示"0"。计算机系统中，传输信息采用三种方式：串行传送、并行传送和分时传送。但是出于速度和效率上的考虑，系统总线上传送的信息必须采用并行传送方式。

当信息以串行方式传送时，只有一条传输线且采用脉冲传送。在串行传送时，按顺序来传送表示一个数码的所有二进制位(bit)的脉冲信号，每次一位，通常以第一个脉冲信号表示数码的最低有效位，最后一个脉冲信号表示数码的最高有效位。传送时低位在前，高位在后。在串行传送时，被传送的数据需要在发送部件进行并—串变换，这称为拆卸；而在接收部件又需要进行串—并变换，这称为装配。

串行传输中的位时间概念是指一个二进制位在传输线上占用的时间长度。“位时间”是由同步脉冲来体现的。

用并行方式传送二进制信息时，对每个数据位都需要单独一条传输线。信息有多少二进制位组成，就需要多少条传输线，从而使得二进制数“0”或“1”在不同的线上同时进行传送。并行传送一般采用电位传送。

分时传送

分时传送有两种概念。1，总线复用方式。即某个传输线上既传送地址信息，又传送数据信息。为此必须划分时间片，以便在不同的时间间隔中完成传送地址和传送数据的任务；2，共享总线的部件分时使用总线。

总线的仲裁

连接到总线上的功能模块有主动和被动两种形态。主方：可以启动一个总线周期；从方：只能响应主方的请求。每次总线操作，只能有一个主方占用总线控制权，但可以有多个从方。除CPU外，I/O模块也可提出总线请求。为了解决多个主设备同时竞争总线控制权，必须具有总线仲裁部件，以某种方式选择其中一个主设备作为总线的下一次主方。对单处理器系统总线来说，中央仲裁器又称总线控制器，它是CPU的一部分。按照目前的总线标准，中央仲裁器一般是一个单独的功能模块。

按照总线仲裁电路的位置不同，仲裁方式分为集中式仲裁和分布式仲裁两类。

集中式仲裁

若总线仲裁逻辑集中于一个单元，称为集中式仲裁。集中式仲裁中每个功能模块有两条线连到中央仲裁器：一条是送往仲裁器的总线请求信号线BR，一条是仲裁器送出的总线授权信号线BG。BS（总线忙）：当某外设正使用总线时，BS=“1”。

集中控制是单总线、双总线和三总线结构机器中主要采用的方式。集中控制方式又分为以下几类。

链式查询方式

链式查询方式的主要特点是总线授权信号BG串行地从一个I/O接口传送到下一个I/O接口。假如BG到达的接口无总线请求，则继续往下查询；假如BG到达的接口有总线请求，BG信号便不再往下查询，该I/O接口获得了总线控制权。这样，我们可知，离中央仲裁器最近的设备具有最高优先级，通过接口的优先级排队电路来实现。链式查询方式的优点是只用很少几根线就能按一定优先次序实现总线仲裁，很容易扩充设备。链式查询方式的缺点是对询问链的电路故障很敏感，如果第i个设备的接口中有关链的电路有故障，那么第i个以后的设备都不能进行工作。查询链的优先级是固定的，如果优先级高的设备出现频繁的请求时，优先级较低的设备可能长期不能使用总线。

定时器查询方式

总线上的任一设备要求使用总线时，通过BR线发出总线请求。中央仲裁器接到请求信号以后，在BS线为“0”的情况下让计数器开始计数，计数值通过一组地址线发向各设备。每个设备接口都有一个设备地址判别电路，当地址线上的计数值与请求总线的设备地址相一致时，该设备置“1”BS线，获得了总线使用权，此时中止计数查询。

每次计数可以从“0”开始，也可以从中止点开始。如果从“0”开始，各设备的优先次序与链式查询法相同，优先级的顺序是固定的。如果从中止点开始，则每个设备使用总线的优先级相等。计数器的初值也可用程序来设置，这可以方便地改变优先次序，但这种灵活性是以增加线数为代价的。

独立请求方式

每一个共享总线的设备均有一对总线请求线BRi和总线授权线BGi。当设备要求使用总线时，便发出该设备的请求信号。中央仲裁器中的排队电路决定首先响应哪个设备的请求，给设备以授权信号BGi。独立请求方式的优点是响应时间快，确定优先响应的设备所花费的时间少，用不着一个设备接一个设备地查询。其次，对优先次序的控制相当灵活，可以预先固定也可以通过程序来改变优先次序；还可以用屏蔽(禁止)某个请求的办法，不响应来自无效设备的请求。因此，当代总线标准普遍采用独立请求方式。

分布式仲裁

分布式仲裁不需要中央仲裁器，每个潜在的主方功能模块都有自己的仲裁号和仲裁器。当它们有总线请求时，把它们唯一的仲裁号发送到共享的仲裁总线上，每个仲裁器将仲裁总线上得到的号与自己的号进行比较。如果仲裁总线上的号大，则它的总线请求不予响应，并撤消它的仲裁号。最后，获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上。并且，分布式仲裁是以优先级仲裁策略为基础。

总线的定时

总线的一次信息传送过程，大致可分为如下五个阶段：请求总线，总线仲裁，寻址（目的地址），信息传送，状态返回（或错误报告）。为了同步主方、从方的操作，必须制订定时协议。其中，定时是指事件出现在总线上的时序关系。

定时主要分为同步定时和异步定时。

同步定时

在同步定时协议中，事件出现在总线上的时刻由总线时钟信号来确定。

由于采用了公共时钟，每个功能模块什么时候发送或接收信息都由统一时钟规定，因此具有较高的传送频率。因此同步定时适用于总线长度较短、各功能模块存取时间比较接近的情况。

异步定时

在异步定时协议中，后一事件出现在总线上的时刻取决于前一事件的出现，即建立在应答式或互锁机制基础上。在这种系统中，不需要统一的共公时钟信号。总线周期的长度是可变的。

异步定时的优点是总线周期长度可变，不把响应时间强加到功能模块上，因而允许快速和慢速的功能模块都能连接到同一总线上。但这以增加总线的复杂性和成本为代价。

总线的同步方式

同步通信。同步通信可以采用基于信号编码的串行同步或者基于专用时钟信号线的并行同步方式。同步通信的优点时序关系简单，实现简单。缺点是在设备速度不一致时按最坏情况确定，不能太长。

异步通信。异步通信可以采用基于起始检测的串行异步通信或者基于握手信号的并行异步通信。

总线数据传送方式

当代的总线标准大都能支持以下四类模式的数据传送：

1. 读、写操作。读操作是由从方到主方的数据传送；写操作是由主方到从方的数据传送。一般，主方先以一个总线周期发出命令和从方地址，经过一定的延时再开始数据传送总线周期。为了提高总线利用率，减少延时损失，主方完成寻址总线周期后可让出总线控制权，以使其他主方完成更紧迫的操作。然后再重新竞争总线，完成数据传送总线周期。
2. 传送操作。只需给出块的起始地址，然后对固定块长度的数据一个接一个地读出或写入。对于CPU（主方）、存储器（从方）而言的块传送，常称为猝发式传送，其块长一般固定为数据线宽度（存储器字长）的4倍。例如：64位数据线的总线，一次猝发式传送可达256位。
3. 写后读、读修改写操作。只给出地址一次，或进行先写后读操作，或进行先读后写操作。先写后读操作一般用于校验；先读后写操作一般用于多道程序系统中对共享存储资源的保护。这两种操作和猝发式操作一样，主方掌管总线直到整个操作完成。
4. 广播、广集操作。一般而言，数据传送只在一个主方和一个从方之间进行。但有的总线允许一个主方对多个从方进行写操作，这种操作称为广播。与广播相反的操作称为广集，它将选定的多个从方数据在总线上完成AND或OR操作，用以检测多个中断源。

常用的总线

ISA总线

为了利用市场上丰富的各类中、低速适配卡，如声卡、CD-ROM适配器、以太网卡等，一些微型机如pentium机主板上保留有ISA总线的插槽。

ISA总线此时连接中、低速I/O设备，由PCI/ISA桥芯片提供对ISA总线的全面控制逻辑，包括中断和DMA控制。ISA总线的时钟频率典型值为8.33MHz，其中8位ISA总线也称为PC总线或XT总线。

上图为8位ISA总线，共有62引脚，其中，数据线8根、地址线20根、控制线21根、状态线2根，还有时钟、电源、地线。

16位ISA总线

16位ISA总线在IBM PC/AT（80286）机上首先使用，故又称为AT总线，在8位PC总线上扩展而成。16位ISA总线在扩展PC总线时，保留了原62芯PC总线信号的大部分定义，仅做了少量更改。并且，在扩展的36芯插座上，ISA重新定义了部分信号。

PCI总线

PCI（PCI: Peripheral Component interconnect——外围设备互连）是一个与处理器无关的高速外围总线，又是至关重要的层间总线。它采用同步时序协议和集中式仲裁策略，并具有自动配置能力。

PCI总线连接各种高速的PCI设备。PCI设备可以是主设备，也可以是从设备，或兼而有之。

在PCI设备中不存在DMA的概念，这是因为PCI总线支持无限的猝发式传送。这样，传统总线上用DMA方式工作的设备移植到PCI总线上时，采用主设备工作方式即可。

系统中允许有多条PCI总线，它们可以使用HOST桥与HOST总线相连，也可使用PCI/PCI桥与已和HOST总线相连的PCI总线相连，从而得以扩充整个系统的PCI总线负载能力。

在PCI总线体系结构中有三种桥。桥连接两条总线，使彼此间相互通信。桥又是一个总线转换部件，可以把一条总线的地址空间映射到另一条总线的地址空间上，从而使系统中任意一个总线主设备都能看到同样的一份地址表。我们可以利用桥实现总线间的猝发式传送，即在写操作时，桥把上层总线的写周期先缓存起来，以后的时间再在下层总线上生成写周期，即延迟写。在读操作时，桥可早于上层总线，直接在下层总线上进行预读。无论延迟写和预读，桥的作用可使所有的存取都按CPU的需要出现在总线上。

PCI总线实现了参数自动配置功能。每个PCI设备必须提供256字节的空间结构，软件利用这一结构可以测定什么板插入了PCI插槽，从而使软件能够自动地为PCI接口配置系统。

I/O接口

I/O设备适配器简称为接口。接口指CPU和主存、外围设备之间通过总线进行连接的逻辑部件。

接口部件在它动态连接的两个部件之间起着“转换器”的作用，以便实现彼此之间的信息传送。

为了使所有的外围设备能够兼容，并能在一起正确地工作，CPU规定了不同的信息传送控制方法。接口使外部设备用计算机系统特性所要求的形式发送和接收信息，并且接口逻辑通常做成标准化。

接口功能

1. 控制。接口靠程序的指令信息来控制外围设备的动作，如启动、关闭设备等。
2. 缓冲。接口在外围设备和计算机系统其他部件之间用作为一个缓冲器，以补偿各种设备在速度上的差异。
3. 状态。接口监视外围设备的工作状态并保存状态信息。状态信息包括数据“准备就绪”、“忙”、“错误”等等，供CPU询问外围设备时进行分析之用。
4. 转换。接口可以完成任何要求的数据转换，例如并-串转换或串-并转换，因此数据能在外围设备和CPU之间正确地进行传送。
5. 整理。接口可以完成一些特别的功能，例如在需要时可以修改字计数器或当前内存地址寄存器。
6. 程序中断。每当外围设备向CPU请求某种动作时，接口即发送一个中断请求信号到CPU。

事实上，一个适配器必有两个接口，一是和系统总线的接口，CPU和适配器的数据交换一定的是并行方式；二是和外设的接口，适配器和外设的数据交换可能是并行方式，也可能是串行方式。根据外围设备供求串行数据或并行数据的方式不同，适配器分为串行数据接口和并行数据接口两大类。

外设的定时方式

输入/输出设备同CPU交换数据的过程如下：

对于输入过程，首先，CPU把一个地址值放在地址总线上，这一步将选择某一输入设备；第二步，CPU等候输入设备的数据成为有效；最后，CPU从数据总线读入数据，并放在一个相应的寄存器中。

对于输出过程：首先，CPU把一个地址值放在地址总线上，选择输出设备；第二步，CPU把数据放在数据总线上；第三步，输出设备认为数据有效，从而把数据取走。

外围设备的种类相当繁多，有机械式和电动式，也有电子式和其他形式。而且其输入信号，可以是数字式的电压，也可以是模拟式的电压和电流。外围设备从信息传输速率来讲，相差也很悬殊。因此，我们首先需要解决主机与外围设备在时间上的同步问题。这个问题的关键在于：究竟什么时候数据才成为有效？

很显然，由于输入/输出设备本身的速度差异很大，因此，对于不同速度的外围设备，需要有不同的定时方式，总的说来，CPU与外围设备之间的定时，有以下三种情况。

1. 对于速度极慢或简单的外围设备，CPU认为数据一直有效，CPU只要接收或发送数据就可以了。例如，对机械开关来讲，CPU可以认为输入的数据一直有效，因为机械开关的动作相对CPU的速度来讲是非常慢的；对显示二极管来讲，CPU可以认为输出一定准备就绪，因为只要给出数据，显示二极管就能进行显示。所以，在这种情况下，CPU只要接收或发送数据就可以了。

2. 对于慢速或中速的外围设备，由于这类设备的速度和CPU的速度并不在一个数量级，或者由于设备（如键盘）本身是在不规则时间间隔下操作的。因此，CPU与这类设备之间的数据交换通常采用异步定时方式。

3. 对于高速的外围设备，由于这类外设是以相等的时间间隔操作的，而CPU也是以等间隔的速率执行输入/输出指令的，因此，这种方式叫做同步定时方式。一旦CPU和外设发生同步，它们之间的数据交换便靠时钟脉冲控制来进行。例如：外设是一条2400位/秒的传输线，则CPU每隔1/2400秒执行一次串行数据输入操作。通常，更快的同步传送要采用直接内存访问（DMA）方式。

外设的寻址

外设主要有以下两种编址方法。

• 统一编址法。即存储器映像的外设寻址，其将接口中的控制寄存器、数据寄存器、状态寄存器和内存单元一样看待，可以利用访存指令进行输入输出操作。
• 单独编址法。即接口与存储器采用不同的两个地址空间，访问存储器和访问外围设备采用不同的指令。

信息的交换方式

外设主要有以下几种信息交换方式：

1. 程序查询方式。程序查询方式是早期计算机中使用的一种方式。数据在CPU和外围设备之间的传送完全靠计算机程序控制。

2. 程序中断方式。中断是外围设备“主动”通知CPU，准备送出输入数据或接收输出数据的一种方法。

3. **直接内存访问（DMA）**是一种完全由硬件执行I/O交换的工作方式。在这种方式中，DMA控制器从CPU完全接管对总线的控制，数据交换不经过CPU，而直接在内存和I/O设备之间进行。DMA方式一般用于高速传送成组数据。DMA控制器将向内存发出地址和控制信号，修改地址，对传送的字的个数计数，并且以中断方式向CPU报告传送操作的结束。DMA能执行以下一些基本操作：

   1. 从外围设备发出DMA请求；
   2. CPU响应请求，把CPU工作改成DMA操作方式，DMA控制器从CPU接管总线的控制；
   3. 由DMA控制器对内存寻址，即决定数据传送的内存单元地址及数据传送个数的计数，并执行数据传送的操作；
   4. 向CPU报告DMA操作的结束。需要注意的是，在DMA方式中，一批数据传送前的准备工作，以及传送结束后的处理工作，均由管理程序承担，而DMA控制器仅负责数据传送的工作。

4. 通道方式。DMA方式的出现已经减轻了CPU对I/O操作的控制，使得CPU的效率有显著的提高，而通道的出现则进一步提高了CPU的效率。这是因为，CPU将部分权力下放给通道。通道是一个具有特殊功能的处理器，某些应用中称为输入输出处理器（IOP），它可以实现对外围设备的统一管理和外围设备与内存之间的数据传送。当然，这种提高CPU效率的办法是以花费更多硬件为代价的。

5. 外围处理机方式。外围处理机（PPU）方式是通道方式的进一步发展。由于PPU基本上独立于主机工作，它的结构更接近一般处理机，甚至就是微小型计算机。在一些系统中，设置了多台PPU，分别承担I/O控制、通信、维护诊断等任务。从某种意义上说，这种系统已变成分布式的多机系统。

几种方式相较而言，程序查询方式和程序中断方式适用于数据传输率比较低的外围设备，DMA方式、通道方式和PPU方式适用于数据传输率比较高的设备。目前，单片机和微型机中多采用程序查询方式、程序中断方式和DMA方式。通道方式和PPU方式大都用在中、大型计算机中。