7.1 I/O 系统与 I/O 接口

I/O 系统的组成与四种 I/O 控制方式；外部设备简介；I/O 接口的功能与基本结构；I/O 端口及其统一编址、独立编址方式。

考查要求 ★★★ 重点掌握四种 I/O 控制方式I/O 接口的功能数据/状态/控制端口统一编址与独立编址I/O 指令

I/O 系统的基本概念

输入/输出是以主机为中心而言的：把信息从外部设备传送到主机称为输入，反之称为输出。I/O 系统由 I/O 硬件和 I/O 软件两部分组成：

I/O 硬件：外部设备、I/O 接口、I/O 总线等；
I/O 软件：驱动程序、用户程序、管理程序等。I/O 软件通过 I/O 指令（CPU 指令系统的一部分，由操作码、命令码和设备码组成）或通道指令（通道自身的指令，用于编写通道程序）来控制 I/O 硬件。

随着计算机的发展，CPU 在 I/O 过程中的参与越来越少，CPU 与外设的并行程度越来越高：

方式	基本思想	CPU 的参与
程序查询	CPU 执行程序不断查询设备的状态，设备就绪后由 CPU 传送数据	全程参与，CPU 与外设串行工作，有「踏步」等待
程序中断	设备就绪后向 CPU 发出中断请求，CPU 暂停现行程序，执行中断服务程序传送数据	设备准备数据时 CPU 可执行其他程序；每传送一个数据都要中断一次
DMA	在主存与外设之间开辟直接数据通路，由 DMA 控制器（硬件）完成成块数据的传送	只在传送开始前（预处理）和结束后（后处理）参与
通道	通道是专门负责 I/O 的处理器，执行通道程序控制多台设备的 I/O	CPU 只需启动通道，进一步减少了 CPU 的干预

外部设备包括输入设备（键盘、鼠标、扫描仪等）、输出设备（显示器、打印机等）和外存储器（磁盘、固态硬盘、光盘等，磁盘的结构与调度在操作系统课程中详细讨论）。

显示器的主要参数有分辨率（屏幕上横向、纵向的像素点数）和颜色深度（每个像素用多少位表示颜色，如 24 位真彩色）。显示存储器（显存，VRAM）用来存放一帧图像，因此

\text{显存容量} = \text{分辨率} \times \frac{\text{颜色深度}}{8},\qquad \text{显存带宽} \ge \text{显存容量} \times \text{帧频（刷新频率）}

例如 1920 × 1080、24 位真彩色、60 Hz 的显示器，一帧图像需 1920 × 1080 × 3 B ≈ 6.2 MB，每秒刷新需读出约 6.2 MB × 60 ≈ 373 MB。

I/O 接口（I/O 控制器、设备控制器）是主机和外设之间的交接界面。由于外设种类繁多、速度各异、信号格式与主机不同，需要接口来协调两者之间的信息交换。

I/O 接口的基本结构

内部接口：与系统总线相连，实质上是与主存和 CPU 相连，数据传输方式只能是并行；外部接口：通过接口电缆与外设相连，数据传输方式可能是串行或并行。
CPU 通过数据线向数据缓冲寄存器写数据、从中读数据，向控制寄存器写入命令字、从状态寄存器读出状态字；地址线用于选择端口；控制线传送读/写信号、中断请求与响应等。
状态寄存器和控制寄存器的传送方向相反（一个由 CPU 读、一个由 CPU 写），访问时间也错开，因此可以合用一个寄存器。

按数据传送方式，接口分为并行接口和串行接口；按主机访问 I/O 设备的控制方式，分为程序查询接口、中断接口和 DMA 接口；按功能选择的灵活性，分为可编程接口和不可编程接口。

I/O 端口是指接口电路中可以被 CPU 直接访问的寄存器，如数据端口、状态端口和控制端口。若干端口加上相应的控制逻辑才构成接口。为了让 CPU 能访问端口，需要对端口进行编址，有两种方式：

统一编址（左）与独立编址（右）

	统一编址（存储器映射方式）	独立编址（I/O 映射方式）
做法	把 I/O 端口当作存储器的单元进行地址分配，用统一的访存指令访问端口	I/O 端口的地址空间与主存地址空间相互独立，用专门的 I/O 指令（如 x86 的 `IN`、`OUT`）访问端口
如何区分主存与 I/O	靠不同的地址码	靠不同的指令（端口地址与主存地址可以相同）
优点	不需要专门的 I/O 指令，CPU 访问 I/O 的操作更灵活、方便；端口的编址空间大	端口地址位数少、译码快；I/O 指令使程序清晰，便于理解和检查
缺点	端口占用了主存地址，主存可用的地址空间变小；端口地址位数多，地址译码速度较慢	I/O 指令少，一般只能对端口进行传送操作，程序设计灵活性差；CPU 要提供存储器读/写和 I/O 读/写两组控制信号，控制更复杂
例子	ARM、MIPS、RISC-V 等	x86

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