一、I/O 设备的分类

（一）、I/O设备的分类——按使用特性

人机交互类外设：鼠标、键盘、打印机等——用于人机交互。数据传输速度慢。

存储设备：移动硬盘、光盘等——用于数据存储。数据传输速度快。

网络通信设备：调制解调器等——用于网络通信。数据传输速度介于
上述二者之间。

（二）、I/O设备的分类——按传输速率分类

低速设备：鼠标、键盘等——传输速率为每秒几个到几百字节。

中速设备：如激光打印机等——传输速率为每秒数千至上万个字节。

高速设备：如磁盘等——传输速率为每秒数千字节至千兆字节的设备。

（三）、I/O设备的分类——按信息交换的单位分类

块设备：如磁盘等——数据传输的基本单位是“块”；传输速率较高，可寻址，即对它可随机地读/写任一块。

字符设备：鼠标、键盘等——数据传输的基本单位是字符。传输速率较慢，不可寻址，在输入/输出时常采用中断驱动方式。

（四）、总结

二、I/O 控制器

（一）、I/O 设备的组成

I/O 设备由机械部件和电子部件组成。

• I/O 设备的机械部件主要用来执行具体I/O操作。如我们看得见摸得着的鼠标/键盘的按钮；显示器的LED屏；移动硬盘的磁臂、磁盘盘面。
• I/O 设备的电子部件通常是一块插入主板扩充槽的印刷电路板。

（二）、I/O 控制器的功能

（三）、I/O 控制器的组成

CPU 无法直接控制 I/O 设备的机械部件，因此 I/O设备还要有一个电子部件作为 CPU和 I/O设备机械部件之间的“中介”，用于实现CPU对设备的控制。
这个电子部件就是I/O控制器，又称设备控制器。CPU可控制I/O控制器，又由I/O控制器来控制设备的机械部件。

注：设备控制器也称 I/O 接口。在计算机组成原理的总线结构中我们可以看到设备与CPU之间有 I/O 接口 相连接。

值得注意的小细节：
①一个I/O控制器可能会对应多个设备；
② 数据寄存器、控制寄存器、状态寄存器可能有多个（如：每个控制/状态寄存器对应一个具体的设备），且这些寄存器都要有相应的地址，才能方便CPU操作。有的计算机会让这些寄存器占用内存地址的一部分，称为内存映像I/O；另一些计算机则采用I/O专用地址，即寄存器独立编址。

内存映像I/O v.s. 寄存器独立编址

（四）、总结

三、I/O 控制方式

I/O 控制方式，即用什么样的方式来控制 I/O设备的数据读/写。

需要注意的问题：

1. 完成一次读/写操作的流程；
2. CPU干预的频率；
3. 数据传送的单位；
4. 数据的流向；
5. 主要缺点和主要优点。

1. 程序直接控制方式

1. 完成一次读/写操作的流程（见下图，Key word：轮询）

2. CPU干预的频率
   很频繁，I/O操作开始之前、完成之后需要CPU介入，并且在等待 I/O完成的过程中CPU需要不断地轮询检查。

3. 数据传送的单位：每次读/写一个字

4. 数据的流向
   读操作（数据输入）：I/O设备 → CPU（指的是CPU的寄存器） → 内存；
   写操作（数据输出）：内存 → CPU（指的是CPU的寄存器） → I/O设备；
   每个字的读/写都需要CPU的帮助。

5. 主要缺点和主要优点

优点：实现简单。在读/写指令之后，加上实现循环检查的一系列指令即可（因此才称为“程序直接控制方式”）；

缺点：CPU和I/O设备只能串行工作，CPU需要一直轮询检查，长期处于“忙等”状态 ，CPU利用率低。

2. 中断驱动方式

中断驱动方式：引入中断机制。由于I/O设备速度很慢，因此在CPU发出读/写命令后，可将等待I/O的进程阻塞，先切换到别的进程执行。当I/O完成后，控制器会向CPU发出一个中断信号，CPU检测到中断信号后，会保存当前进程的运行环境信息，转去执行中断处理程序处理该中断。处理中断的过程中，CPU从I/O控制器读一个字的数据传送到CPU寄存器，再写入主存。接着，CPU恢复等待I/O的进程（或其他进程）的运行环境，然后继续执行。

1. 完成一次读/写操作的流程（见下图，Key word：中断）

2. CPU干预的频率
   每次I/O操作开始之前、完成之后需要CPU介入。
   等待I/O完成的过程中CPU可以切换到别的进程执行。

3. 数据传送的单位
   每次读/写一个字

4. 数据的流向

读操作（数据输入）：I/O设备 → CPU → 内存
写操作（数据输出）：内存 → CPU → I/O设备

5. 主要缺点和主要优点

优点：与“程序直接控制方式”相比，在“中断驱动方式”中，I/O控制器会通过中断信号主动报告I/O已完成，CPU不再需要不停地轮询。CPU和I/O设备可并行工作，CPU利用率得到明显提升。

缺点：每个字在I/O设备与内存之间的传输，都需要经过CPU。而频繁的
中断处理会消耗较多的CPU时间。

注意：
①CPU会在每个指令周期的末尾检查中断；
②中断处理过程中需要保存、恢复进程的运行环境，这个过程是需要一定时间开销的。可见，如果中断发生的频率太高，也会降低系统性能。

3.DMA方式

与“中断驱动方式”相比，DMA方式（ Direct Memory Access，直接存储器存取。主要用于块设备的 I/O控制）有这样几个改进：
①数据的传送单位是“块”。不再是一个字、一个字的传送；
②数据的流向是从设备直接放入内存，或者从内存直接到设备。不再需要CPU作为“快递小哥”。
③仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需要CPU干预。

DR （Data Register，数据寄存器）：暂存从设备到内存，或从内存到设备的数据。
MAR （Memory Address Register，内存地址寄存器）：在输入时，MAR 表示数据应放到内存中的什么位置；输出时 MAR 表示要输出的数据放在内存中的什么位置。
DC （Data Counter，数据计数器）：表示剩余要读/写的字节数。
CR（Command Register，命令/状态寄存器）：用于存放CPU发来的I/O命令，或设备的状态信息。

注： DMA控制器是 I/O接口中的一种。

1. 完成一次读/写操作的流程（见下图）

2. CPU干预的频率
   仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需要CPU干预。

3. 数据传送的单位
   每次读/写一个或多个块（注意：每次读写的只能是连续的多个块，且这些块读入内存后在内存中也必须是连续的）

4. 数据的流向（不再需要经过CPU）
   读操作（数据输入）：I/O设备 → 内存
   写操作（数据输出）：内存 → I/O设备

5. 主要缺点和主要优点
   优点：数据传输以“块”为单位，CPU介入频率进一步降低。数据的传输不再需要先经过CPU再写入内存，数据传输效率进一步增加。CPU和I/O设备的并行性得到提升。
   缺点：CPU每发出一条I/O指令，只能读/写一个或多个连续的数据块。如果要读/写多个离散存储的数据块，或者要将数据分别写到不同的内存区域时，CPU要分别发出多条 I/O指令，进行多次中断处理才能完成。

4. 通道控制方式

通道：一种硬件，可以理解为是 “弱版的CPU”。通道可以识别并执行一系列通道指令。通道可以执行的指令很单一，并且通道程序（通道指令）是放在主机内存中的，也就是说通道与CPU共享内存。

1. 完成一次读/写操作的流程（见右图）

2. CPU干预的频率
   极低，通道会根据CPU的指示执行相应的通道程序，只有完成一组数据块的读/写后才需要发出中断信号，请求CPU干预。

3. 数据传送的单位
   每次读/写一组数据块

4. 数据的流向（在通道的控制下进行）
   读操作（数据输入）：I/O设备 → 内存
   写操作（数据输出）：内存 → I/O设备

5. 主要缺点和主要优点
   缺点：实现复杂，需要专门的通道硬件支持。
   优点：CPU、通道、I/O设备可并行工作，资源利用率很高。

5. 总结