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计算机组成原理知识点汇总（四）输入输出系统

news 来源：原创 2025/4/21 11:36:47

一、概述

发展分为四个阶段：

早期阶段：CPU与外设分散连接，每一个外部设备都直接与CPU进行连接，没有统一的标准接口。
接口与DMA阶段：系统采用总线结构，将CPU、内存和各种外设连接在一起。
通道阶段：通道具有自己的指令系统和程序，可以根据CPU的要求，独立地执行输入输出操作。
处围处理机阶段：外围处理机具有自己的内存、指令系统和操作系统，可以独立地完成输入输出设备的控制、数据处理和通信等任务。

题外话：什么是DMA？

想象你开了一家小超市，你既是老板，又是收银员，还是搬运工。有顾客来买东西付款，你得停下手里搬货的活，去收银台给顾客结账（处理数据），结完账又接着去搬货。CPU就像你这个“身兼数职”的老板，当外部设备（比如键盘、鼠标、硬盘等）要和内存交换数据时，CPU就得停下正在进行的计算任务，亲自来处理数据传输的事。这不仅让CPU忙得不可开交，还会导致计算任务的处理速度变慢。

后来，你觉得这样太累了，于是雇了一个专门的收银员。当有顾客来结账时，这个收银员就负责收钱找零，你就可以继续安心搬货。在计算机里，DMA就相当于这个专门的“收银员”。它是一种硬件机制，有自己独立的控制电路。当外部设备需要和内存交换数据时，DMA控制器会接管数据传输的工作，不需要CPU一直盯着。

二、I/O设备与主机联系方式

（1）编址方式

统一编址：

统一编址也称为存储器映射方式，它是将I/O端口和主存单元统一编址，即把I/O端口当作主存单元对待，从整个地址空间中划出一部分地址给I/O端口，对I/O端口的访问就如同对主存单元的访问一样。

优点
- 由于对I/O端口的访问和对主存单元的访问使用相同的指令，因此可以使用所有的内存访问指令来操作I/O端口，这使得对I/O设备的操作更加灵活和方便。例如，在进行数据传输时，可以直接使用MOV指令将数据从I/O端口传输到寄存器或主存中，也可以将数据从主存或寄存器传输到I/O端口。
- 程序员无需专门的I/O指令，减少了对指令系统的依赖，降低了编程的难度。同时，也便于对I/O设备进行管理和控制。
缺点
- I/O端口占用了一部分主存地址空间，这会减少主存的可用地址范围，限制了主存的容量扩展。
- 因为访问I/O端口和访问主存使用相同的指令，而主存的访问通常需要经过地址译码、数据读写等多个步骤，所以对I/O端口的访问速度可能会受到影响。

独立编址：

独立编址也称为I/O映射方式，它是将I/O端口和主存单元分开编址，即I/O端口有自己独立的地址空间，主存也有自己独立的地址空间。对I/O端口的访问需要使用专门的I/O指令。

优点
- I/O端口有独立的地址空间，不会影响主存的地址范围和容量扩展，主存可以使用全部的地址空间。
- 专门的I/O指令通常比访问主存的指令执行速度快，因为I/O指令的操作对象是I/O端口，不需要进行复杂的主存地址译码等操作。
缺点
- I/O指令的种类相对较少，功能不如内存访问指令丰富，这在一定程度上限制了对I/O设备的操作灵活性。
- 程序员需要专门学习和使用I/O指令，增加了编程的难度和复杂性。

（2）传送方式

并行和串行

（3）联络方式

异步和同步

（4）连接式

辐射式和总线式

三、I/O设备与主机信息传送控制方式

（1）程序查询方式

CPU不断地查询外部设备的状态，只有当外部设备准备好进行数据传输时，CPU才会进行数据的读写操作。

效率低。因为CPU需要不断地查询设备状态，在设备未准备好的时间里，CPU处于等待状态，不能进行其他有效的工作。而且，每次数据传输都需要CPU的干预，对于大量数据的传输，CPU的负担会很重，导致系统的整体效率低下。

（2）程序中断方式

外部设备在准备好进行数据传输时，会向CPU发出中断请求信号。CPU在接收到中断请求后，会暂停当前的程序，转去执行中断服务程序，完成数据的传输。

与程序查询方式相比，程序中断方式提高了CPU的利用率。因为CPU不需要不断地查询设备状态，在设备准备数据的过程中，CPU可以继续执行其他程序，只有在设备准备好时才会响应中断进行数据传输。但是，每次中断处理都需要进行现场保护和恢复等操作，会消耗一定的CPU时间，对于频繁的小数据量传输比较合适，对于大量数据的连续传输，效率仍然不够高。

（3）DMA方式

DMA方式是一种在外部设备和内存之间直接进行数据传输的方式，不需要CPU的干预。DMA控制器负责控制数据的传输，在数据传输过程中，CPU可以继续执行其他程序。

效率最高。它可以实现高速的数据传输，尤其是对于大量数据的传输，如硬盘和内存之间的数据交换。因为DMA控制器可以直接控制数据在内存和外部设备之间的传输，减少了CPU的干预，大大提高了数据传输的速度和系统的整体效率。

四、I/O接口

（1）采用原因

1. 数据缓冲功能

外部设备的数据传输速度和计算机主机的速度往往存在很大差异。例如，硬盘的读写速度相对CPU的处理速度要慢很多。I/O接口可以提供数据缓冲区，暂存数据。当主机要向外部设备输出数据时，先将数据送到接口的缓冲区，然后由外部设备慢慢读取；当外部设备向主机输入数据时，先将数据存入缓冲区，主机再根据需要从缓冲区读取，这样可以解决速度不匹配的问题，提高系统的效率。

2. 设备选择功能

在计算机系统中，通常会连接多个外部设备。I/O接口可以通过地址译码等方式，根据主机发出的设备地址信号，选择与之对应的外部设备进行数据传输，使得主机能够准确地与指定的外部设备进行通信。

3. 数据格式转换功能

不同的外部设备可能采用不同的数据格式。例如，有些设备采用串行数据传输方式，而计算机主机内部通常采用并行数据传输方式。I/O接口可以进行数据格式的转换，将串行数据转换为并行数据，或者将并行数据转换为串行数据，以实现主机和外部设备之间的数据传输。

4. 中断管理功能

在某些情况下，外部设备需要及时向主机报告一些事件，如设备完成数据传输、设备出现故障等。I/O接口可以产生中断请求信号，通知主机进行相应的处理。主机在接收到中断请求后，会暂停当前的工作，转去处理外部设备的请求，处理完成后再返回原来的工作继续执行。

五、DMA

（1）DMA与主存交换数据的方式

停止CPU访问主存

解释：

在这种方式下，当DMA控制器访问主存时，CPU会被暂停，它不会再直接访问主存。DMA控制器在此期间负责完成数据的传输，直到它完成任务后，CPU再恢复对主存的访问。

类比：

可以把它比作一个办公室中的电话会议。假设CPU就像是一个老板，它正在忙着处理一些事务，而DMA控制器就像秘书，它暂时接管了数据传输任务，直到它完成，CPU才会恢复继续工作。

周期挪用

解释：

周期挪用是指DMA控制器在CPU的一些空闲周期中插入数据传输操作。也就是说，CPU仍然可以访问主存，但在它空闲时，DMA控制器会“偷走”一个或多个周期来完成数据传输。

类比：

可以把它比作是一个忙碌的办公室员工（CPU），在等待回电的时候，临时把自己的桌面上的一部分工作交给另一个同事（DMA），但工作是间歇进行的。

DMA与CPU交替访问

解释：

在这种方式下，DMA和CPU交替访问主存。两者轮流操作主存，DMA控制器在一段时间内负责数据传输，然后CPU获得访问权，继续执行其任务。这种方式允许DMA和CPU同时进行任务，虽然它们共享资源，但通过适当的调度避免冲突。

类比：

可以把它比作两个司机轮流开车，每个人都按照轮班制度进行工作，确保车子一直在运行，但不会发生冲突。

（2）DMA接口的功能与工作流程

（1）功能

数据传输：DMA控制器可以在主存和外部设备之间直接传输数据，减少了CPU的负担。它可以把数据从一个设备或存储区域直接传输到另一个，而不需要经过CPU的处理。
CPU负担减轻：DMA使得CPU可以在数据传输的过程中做其他计算任务，从而提高了系统的整体效率。DMA完成数据传输后，CPU只需处理少量的控制信息。
支持多种传输模式
中断控制：DMA传输完成后，会生成一个中断信号，通知CPU数据传输已完成，CPU可以接着处理后续任务。
传输优先级：如果有多个DMA请求，DMA控制器可能会通过优先级控制来决定哪个设备先进行数据传输。

（2）工作流程