CPU

• 程序查询
• 中断
• DMA

I/O接口的类型

• 按字传输：每次传输一个字
  • 程序查询
  • 中断
• 按块传输：每次传输一整块
  • DMA

设备

• 霸道总裁型：
  • IO设备按自己的节奏往IO缓冲区冲入数据
  • 如果CPU不及时取走数据，就可能会导致数据的丢失
• 乖乖听话型：
  • IO设备会根据CPU的指挥，往IO缓冲区冲入数据
  • CPU从缓冲区中取走一个字的数据后，会指挥IO设备输入下一个字的数据，不会有数据丢失的问题

传输总线

• 并行：多位一起传
• 串行：
  • 一位一传
  • 可能会有附加的校验位、起始位、结束位

CPU每次介入的动作

• 程序查询方式
  • 每次检查IO接口的数据是否准备完毕
  • 一次程序查询的时间开销：需要执行多少指令？需要多少个时钟周期？
  • CPU的介入频率
    • 取决于查询程序上CPU的时间频率
• 中断控制方式
  • 中断响应（隐指令）
    • 时间开销
    • 通常以时钟数作为条件
  • 中断服务程序
    • 时钟数
    • 指令总数、结合CPI
  • CPU介入的频率
    • 取决于IO接口发来中断的频率
• DMA控制方式
  • 预处理
    • 让DMA接口输入一块数据
  • 后处理
    • 一整块数据传输完成后DMA接口给CPU中断，CPU处理中断
  • CPU介入的频率
    • 每传一块介入一次

数据丢失问题

• 程序查询方式
  • 当IO接口缓冲区大小有限时，每一次数据冲入后，CPU都需要及时把数据取走，防止丢失
  • 若CPU每次查询的时间开销太久，跟不上数据冲入的速度，则数据可能丢失
• 中断控制方式
  • 判断是否会数据丢失：中断处理的时间总共花了多少？是否大于IO接口冲入一次数据的时间？
  • 若中断处理的时间太久，可能导致IO接口数据被覆盖
• DMA控制方式
  • 不会数据丢失，DMA接口的总线使用优先级高

I/O接口的功能

• 地址译码、设备选择：通过CPU中来的外设的地址码，找到指定的设备
• 主机和外设的通信联络控制：时序配合，协调不同工作速度的外设和主机之间交换信息
• 数据缓冲：CPU与外设之间的速度不匹配，设置数据缓冲寄存器，避免丢失数据
• 信号格式的转换：电平转换、串/并转换、数/模转换
• 控制命令、状态信息：
  • CPU要启动外设时，通过I/O接口重点命令寄存器向外设发出启动命令
  • 外设准备就绪后，将“准备好”的转台信息送回I/O接口中的状态寄存器，并反馈给CPU

I/O接口的基本结构

I/O接口的类型

统一编址（存储器映射方式）

独立编址（I/O映射方式）

定义

• 把I/O端口当做存储器的单元进行地址分配
• CPU不需要设置专门的I/O指令，用统一的访存指令就可以访问I/O端口

• I/O端口的地址空间与主存地址空间无法从地址码的形式上区分
• 需要设置专门的I/O指令来访存I/O端口

特点

• 依靠地址码的不同区分存储单元和I/O设备

• 通过专门的I/O指令来区分存储单元和I/O设备

优点

• 不需要专门的I/O指令
• 可以使CPU访问I/O的操作更灵活、更方便
• 还可以使端口有较大的编址空间

• 输入/输出指令与存储器指令有明显区别
• 程序编制清晰，便于理解

缺点

• 端口占用存储器地址，使内存容量变小
• I/O设备进行数据输入/输出操作时，执行速度较慢

• 输入/输出指令少，一般只能对端口进行传送操作
• 尤其需要CPU提供存储器读/写、I/O设备读/写两组控制信号增
  加了控制的复杂性