I/O系统 - 408计算机组成原理

1. I/O 系统概述

I/O系统是计算机系统中负责与外部设备进行信息交换的系统，包括I/O设备、I/O接口和I/O控制软件。

1.1 I/O设备的分类

分类方式	类型	举例
按功能	输入设备	键盘、鼠标、扫描仪、触摸屏
	输出设备	显示器、打印机、绘图仪
	输入输出兼用	磁盘、光盘、网络适配器
按速度	低速设备	键盘、鼠标（每秒几个字节）
	中速设备	打印机、扫描仪（每秒几千字节）
	高速设备	磁盘、网卡（每秒兆字节以上）

2. I/O 接口

I/O接口（I/O控制器）是主机和外设之间的连接部件，负责实现主机和外设之间的信息交换控制。

2.1 I/O接口的基本结构

🧠

CPU

主机侧

数据总线

🔌

I/O 接口

数据端口 / 状态端口 / 控制端口

外设接口

🖨️

I/O 设备

外设侧

2.2 I/O端口及其编址

数据端口：存放要传输的数据，可以读/写
状态端口：存放设备的状态信息，只能读
控制端口：存放CPU发出的控制命令，只能写

统一编址（存储器映射）

I/O端口和存储器地址统一编址，I/O端口占用部分存储器地址空间。

优点：访问I/O和访存指令一样，指令丰富
缺点：占用内存地址空间，译码稍复杂

独立编址（I/O映射）

I/O端口有独立的地址空间，使用专门的IN/OUT指令访问。

优点：不占用内存空间，地址译码简单
缺点：I/O指令少，功能单一

3. I/O 控制方式

I/O控制方式决定了CPU和外设之间数据传输的控制方式，共发展出四种基本方式。

🔄

程序查询方式

CPU不断查询设备状态，就绪才传送数据。CPU和外设串行工作。

CPU效率最低

⚡

程序中断方式

CPU启动外设后继续执行程序，外设就绪后发中断请求CPU。

CPU效率中等

🚀

DMA方式

DMA控制器直接控制总线在内存和外设间传送数据，CPU只需预处理。

CPU效率最高

💡

第四种：通道方式 通道是具有特殊功能的处理器，专门负责I/O管理。进一步提高CPU效率，常见于大型机系统。

4. 程序中断方式

中断是指CPU在执行程序的过程中，遇到异常情况或特殊请求时，暂停当前程序，转去处理这些事件，处理完毕后返回原程序继续执行。

4.1 中断处理流程动画演示

点击播放，观看一次完整的中断处理过程。

中断处理完整流程

① 中断请求

I/O设备准备就绪，向CPU发送中断请求信号INT

② 中断判优

若同时有多个中断，按优先级选择最高优先级的中断请求

③ 中断响应

CPU在每条指令执行结束时检测中断，发中断响应信号INTA，关中断，保护断点

④ 中断向量（硬件）

硬件提供中断向量，找到中断服务程序入口地址，装入PC

⑤ 保护现场（软件）

中断服务程序开头，将寄存器内容压入堆栈保护

⑥ 中断服务（核心）

执行中断服务程序的主体，完成I/O操作等具体功能

⑦ 恢复现场（软件）

中断服务程序末尾，从堆栈中恢复寄存器内容

⑧ 中断返回

执行中断返回指令IRET，恢复PC和PSW，开中断

等待开始

硬件操作 vs 软件操作：中断请求、判优、响应、向量是硬件完成的；保护现场、中断服务、恢复现场是软件（中断服务程序）完成的。中断返回由IRET指令完成。

4.2 中断向量表

中断向量表是存放中断服务程序入口地址的表格，位于内存的固定区域。中断向量号是中断向量表的索引。

中断向量表示例（80x86）

000H~003H 中断 0：除法错误

004H~007H 中断 1：单步调试

014H~017H 中断 5：打印屏幕

020H~023H 中断 8：时钟中断

024H~027H 中断 9：键盘中断

028H~02BH 中断 10：VGA视频

... ... 更多中断向量...

4.3 多重中断与中断屏蔽

单重中断：执行中断服务程序时不能被新的中断打断
多重中断（中断嵌套）：处理中断时可以响应更高优先级的中断
中断屏蔽：通过设置中断屏蔽字，可以有选择地禁止某些中断

📌

开中断与关中断 CPU响应中断后会自动关中断，以保护断点。若要支持多重中断，需要在中断服务程序中用开中断指令（STI）重新打开中断。

5. DMA 方式

直接存储器存取（DMA）方式是指在DMA控制器的控制下，数据直接在主存和外设之间传送，不需要CPU干预。

5.1 DMA工作过程演示

DMA 数据传送过程

🧠

CPU

🎛️

DMA控制器

DMAC

💾

主存储器

💿

I/O设备

就绪

DMA传送三阶段：预处理（CPU向DMAC发送参数）→ 数据传送（DMAC控制总线，传送数据）→ 后处理（传送结束，DMAC发中断，CPU处理）

5.2 DMA与中断方式对比

⚡ 中断方式

靠程序（中断服务程序）传送数据
CPU参与数据传送过程
传送过程需要保护/恢复现场
只能在指令周期结束时响应
适合低速设备
可处理复杂事件

🚀 DMA方式

靠硬件（DMA控制器）传送数据
CPU不参与数据传送
只需挪用几个总线周期
可在每个总线周期结束时响应
适合高速设备大批量数据
功能相对简单

5.3 DMA的传送方式

方式	原理	特点
停止CPU访问	DMA期间CPU暂停访存	简单，但CPU利用率低
周期挪用（周期窃取）	DMA挪用一个或几个总线周期	最常用，兼顾效率与公平
DMA与CPU交替访存	将总线周期分成两段，各用一段	效率高，但需要CPU配合

⚠️

易混点 DMA传送前的预处理和传送后的后处理，都是由CPU完成的；只有中间的数据传送阶段，才由DMA控制器控制完成。