I/O 计算

I/O 题围绕设备与主存之间的数据传送展开。设备何时准备好、谁搬数据、CPU 为此忙多久，是三个相关但不同的问题。查询、中断和 DMA 的区别，也要放在这条传送路径里理解。

这个板块包含哪些知识

参照输入输出系统图谱，先认识连接关系，再分析传送方式：

• 总线与接口：数据、地址、控制信号；状态、控制和数据端口；总线宽度、频率、事务与突发传送。
• I/O 控制方式：程序查询、程序中断、DMA，以及各阶段 CPU 和控制器的分工。
• 中断机制：请求、响应、现场保存与恢复、屏蔽和优先级，硬件动作与软件处理的边界。
• 操作系统 I/O：驱动、设备独立软件、缓冲和进程唤醒。
• 设备性能：传输率、处理开销与磁盘的寻道、旋转、传输时间。

计算时要分开看数据传输量、CPU 工作量、经过的实际时间。DMA 搬运数据不需要 CPU 执行逐字传送指令，但仍占用总线，也需要初始化和完成处理。磁盘调度的完整题型见文件系统与磁盘。

常见考点与题型

综合题可能组合下面几类小问。先看要求求什么，再确定需要调用哪些知识。

解题前要弄清的关系

在 408 常见的单设备、无并行重叠简化题中，一次 I/O 可按下面的路径分析；三种方式的区别包括如何检测就绪，以及第 4 步由谁搬运数据。若题目出现总线竞争、周期窃取或多设备并行，应以题设为准。

一、路径

1. CPU 通过 I/O 接口下发命令字 —— 接口里有三类寄存器：状态、控制、数据缓冲，见 I/O 接口
2. 设备准备一个传送单位（准备时间由数据传输率决定）
3. 通知 CPU 数据就绪：程序查询 / 程序中断，或由 DMA 控制器管理传送，见 I/O 方式
4. 传送这个单位：查询与中断经 CPU 寄存器搬，DMA 由控制器直接与主存交换，见 DMA 方式
5. 全部传完后收尾：中断次数按设备与缓冲机制确定；常见简化题设为每单位一次中断、DMA 每块完成一次中断

二、三种方式的分工边界

三、中断响应这一段的软硬件分界（选择题的固定落点）

1. 硬件（中断隐指令）：关中断 → 保存断点 PC 与 PSW → 切内核态 → 按向量转入
2. 软件（中断服务程序）：保存其余现场 → 具体传送 → 恢复现场 → 开中断返回

见 中断处理流程。

四、磁盘这一段是独立的时间模型

平均存取时间 = 寻道 + 旋转延迟 + 传输 + 控制器延迟，见 磁盘性能指标。

五、总线是所有传输率的上限

总线带宽 = 总线宽度（字节）× 总线时钟频率 ÷ 一次传送占用的时钟周期数
一次突发传送 = 一次寻址 + 连续若干个数据传送周期

三种问法各对应一个除法：**「至少需要多大主存带宽」用每秒要搬的字节数（2012#43 由每秒缺失次数反推）、「一个主存块要几次突发传送」用块大小除以一次突发能传的字节数（2013#43）、「总线请求几次」**用传送总量除以总线宽度（2022#44）。见 总线指标、突发总线传输事务、总线周期。

各类题的解法

CPU 占用率：次数乘单次处理开销

1. 一次传送多少字节？—— 看 I/O 接口数据缓冲寄存器的宽度，或总线宽度
2. 每秒传送多少次？  —— 数据传输率 ÷ 一次传送的字节数
3. 一次花多少周期？  —— 指令条数 × CPI，或题目直接给

CPU 占用率 = 次数 × 单次周期数 ÷ 主频

分子分母都统一成「周期 / 秒」，就不会算错量级。在上述简化假设下，查询和中断把传送本身也算进 CPU 时间，DMA 只算预处理和后处理；DMA 仍会占用总线带宽。

DMA 题有几种不同层次的“次数”，需要区分：按数据块算的是 DMA 请求次数和结束中断次数，每次只传一个总线字时，按总线宽度算的是总线事务次数；突发方式另看每次可连续传多少字。2022#44 问的是后者——一个 512B 扇区按 64 位总线要请求 64 次。

可行性：比较到达速度与服务能力

在单缓冲、数据持续到达且不能暂停的题设下，比较设备准备一个传送单位的间隔与该方式的单次响应处理时间；若来不及处理，会发生覆盖或丢失。有 FIFO、多缓冲或突发到达时，还需分析缓存容量和积压。

2018#43 第 2 问是这个套路最干净的样本：设备 B 传输率 40MBps，接口是 32 位缓冲寄存器，准备 4 字节需 4B ÷ 40MBps = 0.1μs；而中断响应加处理需 400 ÷ 500MHz = 0.8μs。0.1 < 0.8，所以设备 B 不能用中断方式。

同一道题的第 1 问和第 3 问则用上面的模型算出查询方式和 DMA 方式的 CPU 占用率都是 4%——这说明占用率相同的两种方式，可行性可以完全不同。

磁盘时间必须四项齐全

平均存取时间 = 寻道时间 + 旋转延迟（随机到达时平均转半圈）+ 传输时间 + 控制器延迟（题目给了才加）

调度题只数磁头移动的磁道数：SCAN 要走到端点再折返，CSCAN 回端点的那一整段位移也要计入，起点上就有的请求距离记 0。见 磁盘性能指标 和 磁盘调度算法。

单位统一

• 优先采用题设对 MB / MiB 的定义；常见题中传输率 MB/s 取 10⁶ B/s，容量常按 2²⁰ B 换算，不能不看约定直接混用；
• 转速先换成一圈多少毫秒：60 ÷ rpm；
• 主频、周期数、时间三者只保留一种，全部化到「周期 / 秒」再相除。

除了单位，还要检查处理次数、缓冲条件和并行重叠。每个中间结果都带上单位，便于复核量纲。

总线与 DMA：明确“一次”指什么

假设按题设每次总线事务只传一个 64 位字，传完 512 B 需要 512÷8=64 次事务；若每次获总线后可突发传 8 个字，则是 8 次突发事务、64 个数据拍。两者传输字节数相同，寻址和仲裁开销却可能不同。

所以先分别列出块数、每块事务数、每事务数据拍数，再计算 DMA 完成中断次数和总线占用时间。“每块中断一次”不能推出“每块只请求总线一次”。题干若不允许最后一拍传部分数据，次数还要向上取整。

概念题的高频落点

选择题这部分几乎不考计算，考的是分工边界：

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