I/O 系统

输入/输出系统

以主机为中心 来看，将信息从外部设备传送到 主机 的过程称为 输入；将信息从 主机 传送到外部设备的过程称为 输出。

简单架构

让我们首先来看一个早期简易 I/O 系统的架构（一般考查的也就是这种架构）：

在这个架构中，各部分的基本功能如下：

• CPU 是整个计算机系统的控制和运算核心，它负责：发出控制命令（如读/写指令）以驱动外设；通过 I/O 总线 访问设备控制器，进行地址寻址、数据传输和状态监测；与 内存 协同，完成数据的读取、处理与存储。
• 外设 是计算机与外部世界交互的工具，例如键盘、打印机和磁盘等。它们接收来自 CPU 的输出（如打印任务），也能将物理信号（如按键动作）转换为数字信号传递给 CPU。
• I/O 接口 是连接 主机 与 外设 之间信息传输的桥梁，负责协调两者之间的同步、速度匹配和数据格式转换等问题。它在结构上包含两个部分：
  • 主机侧接口：作为 内部接口，通过系统总线与 CPU 和 主存（内存）连接；
    • CPU ↔ 设备控制器：通过系统内部总线（如 PCI、PCIe）进行连接
  • 外设侧接口：作为 外部接口，通过 USB、串口、并口等电缆与具体 外设 连接。
    • 设备控制器 ↔ 外设：通过各种外部接口标准（如 USB、SATA、HDMI、VGA 等）进行连接

通过 I/O 接口，系统在 CPU、内存 和 外设 之间建立了一条高效的信息传输通路。这个通路大致如下：

现代架构

现代 I/O 硬件系统的架构更加复杂，这节不会直接考查，了解即可：

在现代系统中，CPU 本身集成了部分高速 I/O 控制逻辑（如 内存控制器、PCIe 控制器、DMI 接口等），而非核心的 I/O 控制被下放至 芯片组（PCH），也就是过去所谓的“南桥”。这将 CPU 从大量外围管理工作中解放出来，提升性能并降低功耗。

• CPU 内部
  • 包含 内存控制器 和部分 PCIe 控制器
  • 与 PCH 之间通过高速互连（如 DMI / Direct Media Interface）通信
• PCH（Platform Controller Hub）
  • 管理几乎所有非高速设备（如 USB、SATA、音频、网卡等）
  • 是现代主板上的中心管理芯片，连接大量外设控制器

硬件和软件层

上文提到的是 I/O 系统的 硬件层次，除了硬件部分，I/O 系统还包括一系列的 软件组件，用以管理和调度外设资源、提供抽象接口、增强设备的可用性和通用性。主要的 软件层次 如下：

• 用户层 I/O 软件
• 设备独立性软件
• 设备驱动程序
• 中断处理程序

软硬件协同使得 I/O 操作既可高效运行，又具有高度的可移植性和扩展性。操作系统通过抽象和分层，使得新的设备只需添加驱动程序即可兼容原有的 I/O 系统，而不需要修改上层软件。

I/O 接口

结构

• 数据缓冲：CPU 寄存器、主存 等主机部件的存取速度比外设快很多，因此为了速度匹配，可将数据提前存到 I/O 接口 中的数据缓冲区，用以中和高速系统组件和低速外部设备之间的速度差异
• 数据格式转换：主机和外设的数据格式不同，I/O 接口 提供数据格式的相互转换，如串并转换、数模转换等
• 控制和定时：为来自系统总线的控制信号和定时信号提供控制和定时逻辑，对内部资源及外设间动作的先后关系进行协调，并对数据通信过程进行控制
• 错误或状态检测：提供可以保存各种状态信息的状态寄存器，CPU 通过读取这些寄存器来了解接口和外设的出错情况或状态
• 与主机和设备通信：上述四个功能都必须通过主机与 I/O 接口之间和 I/O 接口 与 外设 之间的通信来完成

I/O 端口

I/O 端口（Input/Output Port）是指 I/O接口电路中，CPU可直接访问的寄存器。CPU通过向这些端口发送命令、读取状态或交换数据，来实现对外部设备的间接控制。I/O端口是连接主机与外设的 软件可编程窗口，是操作系统和设备驱动程序进行I/O操作的核心对象。

基本分类

根据寄存器所承担的功能不同，I/O端口通常分为以下三类：

• 数据端口：用于存放CPU与外设之间待传输的实际数据，可读可写。
• 状态端口：用于存放外设或接口自身的状态信息（如“忙/闲”“就绪/未就绪”），通常为只读。
• 控制端口：用于接收CPU发出的控制命令（如“启动”“停止”“复位”），通常为只写。

编址方式

为了方便 CPU 对于 I/O 端口的访问，需要对各个端口进行编号，每个端口对应一个端口地址。

编址方式主要分为 统一编址 和 独立编址 两种。

统一编址也叫做 内存映射 I/O（Memory-Mapped I/O，MMIO），具备如下特点：

• I/O 设备的寄存器 直接映射到内存地址空间，CPU 将设备寄存器当作普通内存来访问。
• CPU 使用普通的内存访问指令（如 MOV、LDR、STR 等）即可完成读写，不需要专门的 I/O 指令。
• 优点是 统一寻址、编程方便、指令通用性强，但会占用一部分主存地址空间。

例如，假设某设备的控制寄存器映射到了地址 0xF0001000，CPU 可以像访问普通变量一样：

MOV EAX, [0xF0001000]    ; 读取设备寄存器
MOV [0xF0001000], EBX    ; 向设备寄存器写数据

实际上访问的是设备寄存器，而不是 RAM。

现代计算机（如 ARM、RISC-V、以及 x86 中的大多数 PCIe 设备）几乎都采用 MMIO。

独立编址也叫做 端口映射 I/O（Port-Mapped I/O，PMIO），具备如下特点：

• I/O 地址空间与内存地址空间 完全分离，CPU 维护一套独立的 I/O 地址。
• CPU 不能使用普通内存读写指令，而必须使用专门的 IN、OUT 指令访问 I/O 端口。
• 每个设备被分配一组 固定的端口号，例如传统 PC 中：
  • 键盘控制器：0x60、0x64
  • 串口 COM1：0x3F8
  • 并口 LPT1：0x378

例如，在 x86 中读取键盘控制器的数据：

IN  AL, 0x60     ; 从端口 0x60 读取一个字节

向串口发送一个字节：

OUT 0x3F8, AL    ; 将 AL 中的数据写入串口

由于 IN/OUT 指令只能访问 I/O 端口，因此普通的内存地址不能使用这两条指令进行访问。

下表给出了 MMIO 和 PMIO 这两种方式的对比：

I/O 方式

I/O 设备的速度通常远低于 CPU，如果 CPU 一直等待设备完成操作，将会造成大量时间浪费。

因此，操作系统和硬件提供了多种 I/O 方式，核心目的都是：

• 协调 CPU 与 I/O 设备之间的速度差异；
• 尽可能减少 CPU 等待 I/O 的时间，提高系统整体效率。

根据 CPU 在数据传输过程中参与程度 的不同，常见的 I/O 方式可分为四种：

下面分别介绍这四种 I/O 方式。

程序查询方式

程序查询方式不断轮询设备状态以判断其是否可以进行数据传输，数据从 设备 → CPU → 主存。

程序查询方式包含以下步骤：

1. 查询：CPU 定期查询或检查 I/O 设备的状态寄存器，查看设备是否准备就绪。
2. 判断：如果设备未就绪，CPU 会继续执行其他任务或持续轮询；如果设备就绪，则进行数据传输。
3. 数据传输：CPU 直接与 I/O 设备交换数据，可以是读操作或写操作。
4. 结束：数据传输完成后，CPU 继续执行其他任务，同时继续轮询 I/O 设备状态。

程序中断方式

在程序中断方式中，当 I/O 设备 准备好 进行数据传输时，会触发一个 中断 来通知 CPU。CPU 会暂停当前正在执行的任务，处理中断，然后恢复执行被中断的任务。

相比于轮询方式，CPU 在执行程序中断之前不需要一直检查 I/O 设备的状态，这提升了效率。

DMA 方式

DMA（Direct Memory Access，直接内存访问）是一种计算机系统的 I/O（输入/输出）方式，它允许 外部设备直接与主内存交换数据，而无需 CPU 在数据传输过程中逐次参与。

有了上面的 程序中断方式，虽然在 一定程度上 实现了 CPU 和外设的并行工作，但这种并行并不彻底。CPU 只是在外设准备数据期间可以继续执行其他程序，而当外设完成一次数据准备后，仍需响应中断，进入中断服务程序，将数据从 I/O 接口寄存器 搬运到 主存。

由于一次中断通常只能完成少量数据的传输，因此面对高速 I/O 设备或大量数据传输时，CPU 需要频繁地暂停现行程序，不断进入中断服务程序完成数据搬运。这不仅增加了中断处理的开销，也使 CPU 花费大量时间充当 数据搬运者，影响了系统的整体性能。

DMA 方式正是为了解决程序中断方式的这一缺陷而提出的。它通过增加 DMA 控制器（DMA Controller），使数据能够直接在 I/O 接口 和 主存 之间传输，CPU 只需在传输开始前完成参数配置，在整个数据传输过程中无需参与具体的数据搬运，仅在传输结束后接收一次完成中断即可。因此，DMA 不仅实现了 数据传输过程与主程序真正并行工作，还大幅减少了 CPU 的数据搬运开销和中断次数，从而显著提高了高速、大批量数据传输的效率。

原理

DMA 让数据传送直接在 外设和内存之间 开辟一条 数据通路，使得数据传送期间不再需要占用 CPU 时间处理中断、保护断点和恢复 CPU 现场等繁琐操作。

在 DMA 方式中，CPU 只参与预处理（CPU 通过初始化程序来设置 DMA 控制器的各参数寄存器的初始值，如内存首地址、字计数值等）和后处理过程（传送完成后 CPU 会进行数据校验等工作）。通常适用于以块读写的设备。

这意味着在 DMA 方式下，CPU 的核心计算资源几乎不受数据传输的影响。

DMA 控制器

DMA 控制器是实现 DMA 传输的专用硬件，其主要负责接收 CPU 的配置、申请系统总线控制权，并在 I/O 接口 与 主存 之间自动完成数据传输。其主要组成如下：

• 主机 - 控制器接口
  • DR（数据寄存器）：暂存一次总线传输的数据。
  • MAR（内存地址寄存器）：保存当前主存地址，每完成一次数据传输后自动更新。
  • DC（数据计数器）：记录剩余待传输的数据量，每完成一次数据传输后自动递减。
  • CR（命令/状态寄存器）：保存 CPU 配置的 DMA 工作参数（如传输方向、工作方式等），同时记录 DMA 的工作状态。
• I/O 控制逻辑
• 块设备 - 控制器接口

教材中常说 DMA 以"块"为单位进行传输，这里的"块"并不是指 DMA 在一次总线周期内就传输完整块数据。实际上，DMA 底层仍然按照总线传输单位（如字节、字、Cache Line 等）逐次完成数据交换，每完成一次传输都会自动更新 MAR 和 DC。所谓"块传输"，是指 CPU 只需配置一次 DMA 控制器，DMA 便能够自动、连续地完成整块数据的传输，而无需 CPU 在每次数据搬运时参与。

举个例子，对于 MAR = 0x100000，DC = 4096，那么 DMA 的逻辑就类似于以下代码描述的流程：

while (DC > 0) {
    搬一个总线传输单位;
    MAR += unit;
    DC  -= unit;
}

当 DC 减到 0 时，DMA 传输结束，通过一个中断告诉 CPU 传输完成。

步骤

DMA 方式与中断 I/O 方式都采用“请求—响应”的工作机制，但二者请求的对象不同：

• 中断 I/O 方式请求 CPU 暂停当前程序，进入中断服务程序处理数据传输。
• DMA 方式主要请求系统总线的控制权，由 DMA 控制器代替 CPU 完成外设与主存之间的数据传输。

如下图所示，为进程 P1 通过 DMA 在磁盘和主存之间进行数据交换的过程：

一次完整的 DMA 传输通常可以分为 预处理、数据传输和后处理 三个阶段。

1. 预处理

   CPU 首先对 DMA 控制器进行初始化，设置本次传输所需的参数，主要包括：

   • 外设地址或 I/O 接口地址；
   • 主存起始地址；
   • 数据传输长度；
   • 数据传输方向；
   • DMA 的工作方式。

   设置完成后，CPU 启动外设和 DMA 控制器，随后便可以继续执行其他程序。

2. DMA 请求

   当外设准备好数据，或者具备接收数据的条件后，外设向 DMA 控制器发出 DMA 请求。

   DMA 控制器接收到请求后，向 CPU 或总线仲裁器申请获得系统总线的控制权。

3. 取得总线控制权

   CPU 在完成当前总线周期后，向 DMA 控制器发出总线响应信号，并暂时让出总线控制权。

   DMA 控制器取得总线控制权后，开始执行 DMA 传输周期。

4. 数据传输

   DMA 控制器直接在 I/O 接口和主存 之间传输数据，不需要 CPU 逐次参与数据搬运。

   每传输一个数据单位，DMA 控制器通常会自动：

   • 修改主存地址；
   • 更新传输计数；
   • 判断本次传输是否已经完成。

   在 DMA 传输期间，CPU 仍可继续执行不依赖该总线的操作；当 CPU 与 DMA 控制器同时需要使用总线时，需要通过总线仲裁决定使用权。

5. 释放总线控制权

   当规定数量的数据全部传输完成后，DMA 控制器结束 DMA 操作，并释放系统总线，使总线控制权重新交还给 CPU。

6. 后处理

   DMA 传输完成后，DMA 控制器通常向 CPU 发出一次 完成中断。

   CPU 响应中断后进入相应的中断服务程序，完成后续处理，例如：

   • 检查 DMA 传输是否成功；
   • 读取并清除 DMA 状态；
   • 更新进程或 I/O 请求的状态；
   • 唤醒等待数据传输完成的进程；
   • 启动下一次 I/O 操作。

因此，在 DMA 方式下，CPU 主要负责传输前的初始化和传输后的处理，而大批量数据的实际搬运由 DMA 控制器完成。

使用总线方式

在 DMA 方式中，DMA 接口和 CPU 共享主存，因此它们同时访问主存时，会出现总线的争用问题，为了实现主存的分时复用，有以下三种方法：

1. 总线独占 （Bus Mastering）:
   • 在这种模式下，DMA 控制器会取得对总线的 独占控制权。在传输期间，CPU 将无法访问内存，因为总线已经被 DMA 控制器占用了。
   • 在独占期间，CPU 通常会执行不涉及内存访问的指令，如计算或寄存器操作，或者进入等待状态直到 DMA 操作完成。
2. 周期挪用 （Cycle Stealing，也叫做循环窃取）:
   • 在循环窃取模式下，DMA 控制器会 逐个窃取总线周期 来进行数据传输，而不是一次性占据所有的总线周期。
   • 这意味着 CPU 在 DMA 控制器未使用总线时仍然可以访问内存。因此，DMA 和 CPU 会交替使用总线，通常不会显著影响 CPU 的操作。
3. 分时多路复用 （Time-Division Multiplexing）:
   • 在分时多路复用模式下，DMA 控制器和 CPU 会在 预定的时钟周期内轮流使用总线。
   • 这种方式确保了 CPU 和 DMA 控制器都可以在它们的时隙内访问内存，但都无法全时段访问。

通道方式

通道方式（Channel I/O）是在 DMA 的基础上进一步发展而来的 I/O 方式，主要用于大型机和早期高性能计算机。

DMA 方式虽然能够实现 设备与主存之间直接传输数据，但 每完成一次 DMA 传输，CPU 都需要重新启动下一次 DMA 操作。当系统同时管理大量高速 I/O 设备时，CPU 仍需要频繁参与各个 DMA 的初始化工作。

为了解决这一问题，引入了 通道（Channel）。

通道本质上是一种 专门负责 I/O 的处理器（又称 I/O Processor），能够独立执行一系列 I/O 指令，因此也称为 通道处理机。

CPU 只需向通道下达一次 I/O 命令，之后整个 I/O 过程都由通道负责完成，无需 CPU 再参与具体的数据传输和设备控制。

因此，数据传输路径变为：设备 ↔︎ 通道 ↔︎ 主存

CPU 与通道之间仅交换控制信息，而数据在设备和主存之间直接传输。

工作过程

通道方式通常包含以下几个步骤：

1. CPU 初始化：CPU 将通道程序（Channel Program）的首地址告诉通道，并启动通道工作。
2. 通道执行：通道依次执行通道程序中的各条 I/O 指令，自动控制设备完成数据传输。
3. 数据传输：数据直接在 设备 ↔ 主存 之间传输，不经过 CPU。
4. 结束中断：整个 I/O 操作完成后，通道向 CPU 发出中断，通知任务结束。

整个过程中，CPU 可以一直执行其他程序，只需在开始和结束时参与。

通道程序

通道程序（Channel Program）是一组存放在主存中的 通道指令。

这些指令规定了：

• 操作哪个设备；
• 数据存放的位置；
• 数据传输长度；
• 下一条通道指令的位置等。

CPU 不负责执行这些指令，而是由 通道 独立解释和执行。

通道与 DMA 的区别