计算机组成原理（4）IO

目录

4.1.概述

4.2.组成

4.3.编址

4.4.IO接口

4.5.传输控制

4.5.1.程序查询方式

4.5.2.程序中断方式

4.5.3.DMA方式

---

4.1.概述

IO，input output的缩写，即计算机的输入输出系统。这里我们要明确输入输出的边界是哪里。向主机内部送称为输入，向主机外部送称为输出，直白且笼统的来说的话向磁盘或者网络里送称为输出，向内存里送称为输入。

整个IO的发展经历了以下几个阶段：

• 分散连接
• IO总线
• 通道
• IO处理机

分散链接：

早期主机和IO设备分散直连，IO的控制由CPU来负责，因此整个IO期间IO和CPU需要一直保持联络，由于速率的不对等，因此一个IO周期中CPU大部分时间处于是停等状态。

IO总线：

为了提高效率，出现了IO接口和DMA控制器。IO设备通过IO接口连入IO总线，DMA控制器专门负责IO的控制，从而解放出CPU，使得CPU在IO周期间不必停等。CPU和IO之间是并行的。此方式中IO的控制均交给DMA控制器来完成（指令交给控制器来负责），但是控制器不具备数据的处理功能（如读数、写数），因此数据的处理功能仍然要走CPU。

通道：

通道，一种简单的处理器，比起DMA多了数据处理功能，使得IO的控制、数据处理完全从CPU中剥离出来，为CPU减负。一个通道可以连接多个IO设备，即一条通道供多个IO设备“行走”。

IO处理机：

通道技术的升级版，直接采用和主机CPU结构相同的小型CPU来完全负责IO的控制和数据处理。

4.2.组成

IO系统由软件、硬件两部分组成：

• 软件
  • IO指令
  • 通道指令
• 硬件

IO指令：

CPU指令集中的一部分

操作码，IO指令的标志，标识该指令为IO指令。

命令码，指出对IO指令做什么操作。

设备吗，标识所要操作的IO设备是哪个。

通道指令：

由于通道本质上是一个简单的处理器因此有自己的一套指令集。通道指令中指出要传输的成块数据的首地址、传输的长度、操作指令。

硬件：

IO系统中的硬件包括：设备、IO接口、通道、设备控制器。

4.3.编址

IO设备接入以后会被分配一个设备地址，主机根据设备地址找到相应的IO设备。分配设备地址的方式有如下几种：

• 统一编址
• 非统一编址

统一编址：

内存中留出一块来作为IO地址，也就是说使用内存地址为IO设备编址，只要寻址时，地址落在IO地址中则说明是一次IO操作。IO操作沿用CPU的指令集，直接向该地址进行读写，即可实现输入输出。

非统一编址：

在内存之外设计一块存储空间用来为设备进行编址，IO操作有专门的IO指令，对IO设备进行输入输出操作。

4.4.IO接口

IO接口，用于IO设备接入主机的接口，IO接口的作用主要是：

• 数据转换
• 速度适配

数据转换：

由于不同外设的协议可能不同，IO接口要设配各种外设。

速度适配：

不同的IO设备速度不同，如键盘，输入的速度较慢，数据量较小，及时传输，但如硬盘，输入的速度较快，输入的量也较大，可能来不及及时传输，就需要先缓存起来。总的来说就是做一个速度的适配。

4.5.传输控制

IO中因为数据是来自外部，数据不是主机随叫随到的，有一个等待数据输入的过程，CPU怎样去感知IO是否完成，数据是不是准备好了？这就要CPU和IO设备之间打交道，进行信息传递了，IO设备和主机之间的信息传送方式由如下几种：

• 程序查询方式
• 程序中断方式
• DMA方式

4.5.1.程序查询方式

在程序查询方式中，CPU和IO设备是串行执行的。每次CPU遇到IO指令时，都要去主动询问IO，数据是否准备好，准备好，开始读写IO，没有准备好的话，CPU会等待并且循环发送信息去询问IO——是否准备好？

由于CPU和IO速率存在级差，CPU会大量时间处于空转等待，浪费了CPU资源。

4.5.2.程序中断方式

程序中断方式是对程序查询方式的一种改进，在程序中断方式中，CPU和IO并发执行。CPU执行到IO指令后，启动IO，但不等待，直接转而执行其他任务。IO自己准备好以后发送中断信号给CPU，CPU再转而执行IO。

4.5.3.DMA方式

程序查询方式、程序中断方式，本质上都是CPU来管理IO，IO和内存之间想要传输数据，都必须通过CPU。无论如何进行优化，只要CPU参与了IO操作、内存读写操作，对于CPU来说都会有不小的时间浪费。

DMA的出现就是为了彻底将CPU从IO、内存之间的交互中拿掉。DMA方式中，主存和IO之间存在一条直接的数据通道，两者之间直接进行交互。DMA控制IO和内存交互的方式叫做——“周期窃取”，即一个IO周期中，从CPU手中获取到系统总线的使用权，沿用总线控制的方式来控制整个IO周期，这个周期内CPU对系统总线无使用权，但是并不意味着CPU就停下等待、无法工作。现代计算机系统中CPU有指令缓存器，一般会准备多条待执行指令，总线使用权被DMA窃取后，CPU可以继续执行后面的，不需要访存的指令。