I/O系统

一、I/O硬件

1.1 I/O设备

在计算机的主板上，CPU以及各类设备之间的数据传输都是通过总线来完成

总线：一组线路和通过线路传输信息的一个协议

以CPU和内存为例，它们之间的数据传输，一条线路一次只能传输一个bit，如果想要一次传输多个bit，就需要多条线路，多条线路为一组，称为总线，这种多条线路同时传输的方式称为并行，单条线路传输的方式称为串行。

如果设备与设备之间都是并行传输，以为这需要太多的总线，计算机的体积也会复杂起来，同时碍于线路的密度太高，彼此之间的传输也会收到影响，而从传输效率上，假设并行每秒传输100次，每次可以传8bit，那么串行每秒可以传输1000次，每次传输1bit，虽然同一时刻的传输数量不同，但传输效率也不同，所以现在主要采用串行总线的方式。

PCIE、SATA、USB都是采用的串行总线

1.1.1 外围设备

在老式的主板和CPU中，CPU并不是直接与外围设备相连，而是通过两个芯片组，称为北桥和南桥，比较重要的外围设备(内存、显卡等)与北桥连接在一起，南桥连接一些非主要的外围设备(磁盘、声卡、网卡等)，然后南桥再连接到北桥上，北桥再与CPU通过总线连接在一起

随着现在CPU的集成度，北桥已经被直接集成到了CPU里面，而只剩下了南桥，称为Platform Controller Hub，所有的慢速设备都是通过它与CPU连接

每种外围设备都有一个插槽，这个插槽称为端口：

PCIE、SATA、USB(Universal Serial Bus)、VGA、HDMI、DVI、Thrunder Blot

USB称为统一串行总线，所有慢速外围设备鼠标、键盘、打印机等都通过这类接口连接

1.1.2 设备类型

块设备(block device)

存取基本单位是一个block，如磁盘、磁带、DVD等
字符设备(character device)

存取基本单位是一个字符，如显示器、键盘、鼠标

1.1.3 计算机中的I/O系统

所有的外围设备都是通过PCI总线与CPU连接，但又不是直接与CPU相连，都是通过一个控制器或适配器与CPU相连

1.2 控制器

1.2.1 控制器的功能

控制器有大有小，一般把大的控制器称为适配器，比如网络适配器、图形适配器

控制器是一个电子元件的集合，这个电子元件可以操作一个端口、一条总线或者一个设备

一个串行端口的控制器是一个简单的设备控制器，它就是一个简单的芯片或者芯片的部分，用于控制串行端口上的简单电信号
SCSI总线控制器就不再是一个简单的控制器，因为SCSI协议很复杂。它包含了一个微处理器、微代码以及一些私有的内存，为了处理复杂的SCSI协议消息。在高级的控制器一般都包含微处理器，可以分担CPU的一些任务。
有一些设备有它自己内建的控制器，可以在磁盘背面看到一组电子芯片，这个就是它内建的控制器，它负责硬盘协议的实现，包括SCSI和SATA(Serial Advanced Technology Attachment)，这个磁盘控制器还包含微代码和处理器，可以做很多任务，比如：坏道检查、预加载、缓冲和缓存

1.2.2 对控制器发布命令

控制器有一个或多个用于数据和控制信号的寄存器。CPU通过读写这些寄存器来控制通信：

控制寄存器

可以被主机发布命令或更改设备状态，存放控制命令
状态寄存器

包含一些主机可读的位信息
数据寄存器：

记录主机可读或写入的数据，数据寄存器又包括读寄存器和写寄存器

1.3 I/O地址

I/O地址：控制寄存器地址

CPU要将控制指令写入到控制寄存器，首先需要知道控制寄存器的地址

1.3.1 I/O独立编址

CPU与设备控制器通过数据总线和地址总线直接相连，使用独立的I/O指令，如IN、OUT，直接向设备控制器的寄存器读写数据

1.3.2 内存映射编址

在内存中划分出一块空间，将I/O的端口地址映射进来，这样就可以使用直接访问内存指令对控制器寄存器进行读写，因为内存中的地址与设备控制器中寄存器的地址具有映射关系，那么CPU读写内存，就相当于是读写寄存器

实际生产中,独立编址和内存映射编址是一起使用的,有的设备采用独立编址,有的采用内存映射编址

二、I/O控制方式

2.1 轮询

以打印机为例，操作步骤如下：

重复测试busy位，直至清零

打印机的状态寄存器中，有两个bit位分别表示busy bit和ready bit，当CPU需要向打印机写数据时，测试打印机的busy位是否处于忙碌，如果处于忙碌，则CPU过一段时间(循环)再次测试，直到打印机空闲
设置控制寄存器为write操作，并将要写入的字节X存入数据寄存器
设置ready位，如果ready位为1，则设置bush位
执行write命令，将字节X写入设备(打印出来)
清除ready位和bush位

优点：实现简单

缺点：CPU忙式等待，CPU的速度要比设备控制器的速度快很多，导致CPU时间片被大量耗费

2.2 中断

当CPU需要向控制器发布命令时，首先发出一个初始化I/O的信号，然后就去处理其他的任务了，I/O控制器收到初始化指令后，如果设备正在忙碌，则它就一直等待，直到设备空闲后，I/O控制器向CPU发出一个中断信号，CPU收到中断信号后启动中断处理器，中断处理器将控制数据发送到I/O控制器，然后中断程序就执行完了，接着CPU切换到原来的任务继续执行，如果要再次向I/O控制器发送指令，则需要重复上面的步骤

优点：相比轮询的方式，中断方式不需要CPU忙式等待

缺点：在数据从内存传输到I/O控制器的过程中，CPU一直处于等待状态