知识框架

No.0 引言

这一章节和 操作系统 的最后一章节 是有很强的联系的；

操作系统：更多的讨论的是输入输出系统的软件部分，如何管理这些输入输出设备。

计算机组成：更多的讨论的是硬件的实现。

No.1 输入输出系统

一、基本概念

“I/O”就是“输入/输出”( Input/Output）

I/O设备就是可以将数据输入到计算机，或者可以接收计算机输出数据的外部设备

1. 鼠标和键盘：为输入设备，
2. 显示屏和打印机：为输出设备。
3. 而对于光盘，硬盘这些既可以输入又可以输出的的设备；也可称呼为外存设备。反正都可以。
4. 也就是说自己安装的那个固态硬盘也是外部设备，然后还有那个接口也就是I/O控制器。

IO系统：一般来说，I/o系统由I/o软件和I/o硬件两部分构成。

1：I/О硬件包括外部设备、I/O接口、IO总线等。

2：I/O软件包括驱动程序、用户程序、管理程序、升级补丁等。

通常采用IO指令和通道指令实现主机和IO设备的信息交换。

（IO指令）：IO指令是CPU指令中的一部分

​ 操作码+命令码+设备码

​ 操作码：识别是不是IO指令，与加减乘除进行区分

​ 命令码：指明了 IO设备对其的具体操作

​ 设备码：指明了对某个设备进行操作。

注:I/o指令与普通指令格式略有不同，操作码指明了CPU要对IO接口做什么，命令码指明了Io接口要对设备做什么

（通道指令）：通道能够识别的指令：

​ 通道程序提前编制好放在主存中

​ 在含有通道的计算机中，CPU执行I/o指令对通道发出命令，由通道执行一系列通道指令，代替cPU对I/o设备进行管理

二、I/O控制方式

1、主机如何与I/O设备进行交互?

也就是说计算机的主机如何与外部设备进行交互呢？

其实也就是前面说的那些 总线结构：

当然下面所说的“主机”也差不多就是 CPU+主存。

如下图的单总线结构：通过I/O接口进行 与设备n 进行交互，

1. I/O接口:又称I/O控制器（I/O Controller)、设备控制器，负责协调主机与外部设备之间的数据传输
2. 例子就是：买了键盘之后，通过USB连接线查到USB接口处。
3. ​ 其实USB插口的背后就是有一个小芯片，用来控制主机与外部设备键盘的数据交互。
4. 那么电脑可以连接的外部设备多种多样，对应不同的接口所用到的芯片即I/O控制器是不同的。
5. I/O控制器多种多样，也会制定相应的标准，如:用于控制usB设备的IO接口)用于控制SATA3.0确盘的IO接口等
6. 而通常来说呢，那个芯片会被集成在 你的 主板上， 与你的CPU、主存等进行连接。

2、CPU是如何通过I/O接口与外设交互的

接下来的解释 是以：键盘 为举例子；

char i；

scanf(“%c”,&i);

printf(“i=%c/n”,i);

也就是说 执行到scanf(“%c”,&i);这条语句的时候，CPU会等待输入设备的输入。

通过键盘 输入的时候：scanf(“%c”,&i);从键盘上敲击一个字符，然哈把这个键盘敲击的值传递、

下面是CPU具体做了什么：

​ 1：首先CPU通对控制总线向这个io接口发出读入的命令’

​ 2：同时通过地址总线指明它要读的是哪一个设备。同时地址总线也可以指明此次读入的数据应该放在 哪个寄存器里

​ 3：CPU判断IO操作是否完成：三个查询方式；查询对应的状态寄存器来判断。

​ 4：然哈通过数据寄存器通过数据总线取走数值。

5：完成了：数据流:键盘→IO接口的数据寄存器->数据总线→CPU某寄存器–>主存（变量i的对应位置)

相当于CPU当了中转站，作为 输入设备和主存的中转站了。

1. IO控制器部件里面的三大寄存器；
2. 控制寄存器：反映了某个外设它具体需要做什么动作,需要让它做什么。
3. 数据寄存器：暂存来往的数据，入和出。
4. 状态寄存器：反映了当前外设的状态，是否在忙碌，是否完成了工作(比如打印机)、是否就绪等等状态。

3、如何判断读入的数据有没有被输入完成呢？

那么你就要判断 该IO设备的 操作是否已经完成？ 通过 IO控制器里面的 状态寄存器。

不同的IO控制方式导致不同的方法。

下面的几种方式：各有节奏。

大致流程如下：

​ 1、当需要IO操作的时候，会通过IO指令来启动一次数据的读或者写。

​ 2、在IO设备准备数据的这一段时间：不同IO控制方式，不同反应，

1. 程序查询方式:CPU不断轮询检查I/O控制器中的“状态寄存器”，检测到状态为“已完成”之后，再从数据寄存器取出输入数据。
   1. 对于这一种的查询方式，因为CPU一直问询，那么你不输入，它CPU就一直在这耗着，CPU不能去做其他的事情。其它那些后台程序的运行就一直被暂停着；很明显这种查询方式不好。所以我们采取另外一种I/O设备的控制方式如第二条。
   2. 即执行到了到scanf(“%c”,&i);这条语句的时候，CPU会等待输入设备的输入，如果你不输入的话那么CPU就卡在这里了。
2. 程序中断方式:等待键盘l/O时CPU可以先去执行其他程序，键盘I/o完成后，I/o控制器向CPU发出中断请求，CPU响应中断请求，并取走输入数据。
   1. 对于这一种的查询方式，CPU并没有被这一个简单的输入给困在这，即你什么时候输入好了，让IO控制器通知一下(发终端请求)就可以了，然哈CPU再停下手中的工作来处理这边 已经完成的IO操作即将数据寄存器的数据取走。
   2. 即执行到了到scanf(“%c”,&i);这条语句的时候，CPU就转而执行其他程序去了。这样CPU不用陷入盲等。
   3. 其实当IO接口发生中断请求；CPU在每一个指令执行周期的末尾都会检查一下 此时有没有中断请求的到来，

4、对于快速I/o设备，如“磁盘”，每准备好一个字就给CPu发送一次中断请求，会导致什么问题?

因为在3中所提到的是键盘 输入 慢速设备，因为最快人 也就是 需要秒来计数的，比较慢；对于CPU来说，中断的频率并不高，属于可接受的。那么如果是快速设备，我们还能用程序中断方式吗？

每一次的中断请求，都需要我们的CPU调用一次中断处理服务程序；CPU需要花大量的时间来处理中断服务程序，CPU利用率严重下降。相当于一直被打断了好像。

那么如何解决这种的快速IO设备呢？因为主要是一直频繁的打断CPU，即我们直接绕过CPU与主存联系。

我们为了解决这种快速的，我们可以采用DMA控制方式，也就是第三种IO控制方式。

1. DMA接口DMA接口，即DMA控制器，也是一种特殊的I/o控制器，不过控制的外部设备比较特殊。

2. DMA接口是用来管理这些高速的外部设备的，如果：磁盘、

3. 那么DMA控制方式的原理是什么样的？？

4. 是这样的：DMA控制方式:主存与高速I/o设备之间有一条直接数据通路（DMA总线）。CPU向DMA接口发出“读/写”命令，并指明主存地址、磁盘地址、读写数据量等参数。（差不多就是CPU给直接各种设置参数都说明好，然哈剩下的不管了。)

DMA控制器自动控制磁盘与主存的数据读写，每完成一整块数据读写（如1KB为一整块)，才向CPU发出一次中断请求。也就是说DMA控制器是在完成一大部分数据挪到DMA控制器里面的数据寄存器之后才向CPU发中断请求表示自己将数据准备完成了；然哈CPU进行一个响应和中断程序服务处理，进而将这些数据取走，占用一个存取周期，这样就大大的较少了控制接口对于CPU的频繁打扰打断。

5、对于大型商用的DMA方式还是比较累对于CPU；

有的商用电型机、大型机可能会接上超多的I/o设备，如果都让CPU来管理，那么CPU就太累了…

如果IO设备非常多的话，就算是DMA也是非常很多的繁杂的IO中断；

为了将CPU从中解脱出来，人们专门发明了一个用于专门管理各种IO设备的硬件部件：叫做通道

其实通道也是一种特殊的处理器。功能远远没有CPU强大，相当于小CPU

1. 通道:可以理解为是（弱鸡版的CPU”。通道可以识别并执行一系列通道指令，通道指令种类、功能通常比较单一

三、外部设备

外部设备也称外围设备，是除了主机以外的、能直接或间接与计算机交换信息的装置。

1、输入设备

用于向计算机系统输入命令和文本、数据等信息的部件。键盘和鼠标是最基本的输入设备。

2、输出设备

用于将计算机系统中的信息输出到计算机外部进行显示、交换等的部件。显示器和打印机是最基本的输出设备。

3、外存设备

是指除计算机内存及CPU缓存等以外的存储器。硬磁盘、光盘等是最基本的外存设备。

四、IO接口

1、IO接口的作用

2、IO接口的结构和工作原理

3、IO端口

4、IO接口的分类

五、IO控制方式DMA方式

这种控制方式存在的意义呢？

之前在前面已经说过了：对于程序中断方式来说，每一次IO设备准备好了大概一个字的信息数据之后（在数据寄存器）

CPU就需要运行一次中断服务程序(这个是比一个运行周期还要长的)；把这个字的数据存储到主存当中去。而对于那些快速IO设备来说就CPU比较就会使得cpu执行中断服务程序的时间开销会特别大效率低；因此提出了DMA方式。

DMA控制方式：需要一个DMA控制器即IO接口，IO控制器。

​ 这个IO接口比普通的IO接口更厉害一点。

​ 可以控制数据传输的过程。

DMAkzz