I_O系统

I/O系统概念

外部设备：包括输入/输出设备及通过输入/输出接口才能访问的外部设备；
接口：在各个外设与主机之间传输数据时进行各种协调工作的逻辑部件。协调包括传输过程中速度的匹配、电平和格式转换；
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；
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；
外存设备：指除计算机内存及CPU缓存外的存储器。如硬磁盘、光盘等；

I/O系统构成

I/O软件。包括驱动软件、用户程序、管理程序、升级补丁等。通常采用I/O指令和通道指令实现CPU与I/O设备的信息交换。
I/O硬件。包括外部设备、设备控制器和接口、I/O总线等。通过设备控制器来控制I/O设备的具体动作，通过I/O总线与主机（总线）相连。

I/O接口

I/O接口的主要功能如下：

进行地址译码和设备选择。

CPU送来选择外设的地址码后，接口需要进行译码以产生设备选择信息。

实现主机和外设的通信联络机制。

解决主机与外设的时序配合问题。

实现数据缓冲。

设置数据缓冲器以缓解CPU与外设之间速度的不匹配。

信号格式的转换。

外设与主机的电平、数据格式等可能存在差异，接口应提供计算机与外设的信号格式的转换功能，如电平转换、并/串转换或串/并转换、模/数或数/模转换等。

传送控制命令和状态信息。

CPU要启动某一外设时，通过接口中的命令寄存器向外设发送启动命令；外设准备就绪时，将“已准备”状态信息送回接口的状态寄存器，并反馈给CPU。
外设向CPU提出中断请求时，CPU也应有相应的响应信号反馈给外设。

I/O接口结构

数据缓冲寄存器、状态/控制寄存器

I/O接口在主机侧通过I/O总线与内存、CPU相连。通过数据总线，在数据缓冲寄存器和内存或CPU的寄存器之间进行数据传送。

接口和设备的状态信息被记录在状态寄存器中，通过数据线将状态信息送到CPU。
CPU对外设的控制命令也通过数据线传送，一般将其送到I/O接口的控制寄存器。
控制寄存器和状态寄存器在传送方向上是相反的，并且使用时间上是错开的，所以可以将二者合二为一。

对数据缓冲寄存器、状态/控制寄存器的访问是通过相应的指令来完成的，通常这类指令叫做I/O指令。
I/O指令只能在操作系统内核的底层I/O软件中使用，是一种特权指令。

I/O控制逻辑部件

地址线用于给出要访问的I/O接口中的寄存器（端口）的地址，和控制线上的读写控制信号一起被送到I/O控制逻辑部件。此外，控制线还会传递一些仲裁信号和握手信号。
I/O控制逻辑部件还要有对控制寄存器里的命令字进行译码的功能，并将译码信号传递给外设界面控制逻辑以送给外设，同时将数据缓冲寄存器中的数据发送给外设或从外设读入数据。同时，它还有收集外设状态到状态控制寄存器的功能。

端口是接口电路中可以读/写的寄存器。
若干端口 + 相应的控制逻辑 = 接口

I/O端口类型

按数据传送方式分类
- 并行接口（一次一字节所有位同时传送）
- 串行接口（一位一位地传送）
按主机访问I/O设备的控制方式分类
- 程序查询接口
- 中断接口
- DMA接口
- 通道接口
按功能选择的灵活性分类
- 可编程接口
- 不可编程接口

I/O端口编址

I/O端口是指接口电路中可被CPU直接访问的寄存器，主要由数据接口、状态接口、控制接口。
通常，CPU能对数据接口执行读/写操作，对状态接口只能执行读操作，对控制接口只能执行写操作。

I/O控制方式

程序查询方式

信息交换的控制完全由CPU执行程序实现。

程序中断方式

关于中断：操作系统概述

DMA方式

预处理用以测试I/O设备状态，启动I/O设备后，CPU继续执行原来的程序，直至I/O设备准备好发送的数据或接收的数据时，I/O设备向DMA控制器发送DMA请求，再由DMA控制器向CPU发送总线请求（有时这两步统称为DMA请求）。
数据传送中，DMA的数据传输可以以单字节（或字）为单位，也可以以数据块为单位。

对于以数据块为单位的传送（如磁盘），DMA占用总线后的数据输入和输出都是通过循环来实现的。