【愚公系列】软考高级-架构设计师 009-输入输出技术

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文章目录

• 🚀前言
• • 🔎1.主要组成
  • 🔎2.I/O技术的类型
  • 🔎3.重要性
• 🚀一、输入输出技术
• • 🔎1.直接程序控制
  • • 🦋1.1 工作原理
    • 🦋1.2 特点
    • 🦋1.3 应用场景
  • 🔎2.程序中断方式
  • • 🦋2.1 工作原理
    • 🦋2.2 特点
    • 🦋2.3 优点与应用
  • 🔎3.DMA
  • • 🦋3.1 工作原理
    • 🦋3.2 特点
    • 🦋3.3 应用场景
  • 🔎4.输入/输出处理机（IOP）
  • • 🦋4.1 工作原理
    • 🦋4.2 特点
    • 🦋4.3 应用场景
  • 🔎5.练习
• 🚀感谢：给读者的一封信

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🚀前言

输入输出技术（I/O技术）是指计算机系统与外部世界（包括用户和其他计算机系统）进行数据交换的方法和过程。这包括从外设接收数据（输入）和向外设发送数据（输出）。输入输出技术是计算机硬件和软件领域的一个重要部分，它使计算机能够与外部设备如键盘、鼠标、显示器、打印机、网络适配器以及存储设备等进行交互。

🔎1.主要组成

1. 输入设备：允许用户或其他系统向计算机提交数据和指令。常见的输入设备包括键盘、鼠标、扫描仪、摄像头和麦克风等。

2. 输出设备：将计算机处理的结果展示给用户或传送给其他系统。常见的输出设备包括显示器、打印机、扬声器和外部存储设备等。

3. I/O接口：硬件接口或端口，它们为数据传输提供了物理连接，如USB端口、HDMI端口、以太网端口等。

4. I/O控制器：硬件组件，用于管理与特定外设的数据交换，确保数据正确、高效地传输。

5. 驱动程序：软件组件，允许操作系统和应用程序与硬件设备通信。驱动程序为操作系统提供了一种控制硬件的方法，确保软件能够利用硬件的特定功能。

🔎2.I/O技术的类型

• 同步I/O：在同步I/O操作中，应用程序发起I/O请求后会停止执行，直到I/O操作完成。
• 异步I/O：异步I/O允许应用程序在发起I/O请求后继续执行，当I/O操作完成时，应用程序会收到一个信号或回调。
• 直接内存访问（DMA）：一种高效的I/O传输方式，允许外设直接与内存交换数据，无需CPU干预，提高了数据传输的效率。

🔎3.重要性

输入输出技术对于计算机系统至关重要，它不仅影响着用户与计算机之间的交互体验，还直接关系到计算机系统与外部设备和网络之间的数据交换能力。随着技术的发展，输入输出技术也在不断进步，新的接口标准和传输技术如Thunderbolt、USB-C等的出现，极大地提高了数据传输速率和设备互操作性。

🚀一、输入输出技术

🔎1.直接程序控制

直接程序控制（Programmed I/O，PIO）是一种基础的输入输出（I/O）操作技术，分为无条件传送和程序查询方式，其中CPU直接管理所有的I/O操作。在这种方式下，CPU执行特定的指令以读取或写入数据到外设，如硬盘、网络接口卡等。直接程序控制要求CPU在整个数据传输过程中积极参与，直接与I/O设备进行数据交换，检查状态，以及处理数据传输完成后的清理工作。

🦋1.1 工作原理

当使用直接程序控制进行I/O操作时，CPU执行一个专门的I/O指令序列：

1. 检查设备状态：CPU首先检查外设是否准备好进行数据传输。这通常通过读取设备的状态寄存器来完成。
2. 执行数据传输：一旦外设准备就绪，CPU就开始传输数据。对于输出操作，CPU将数据写入设备的数据寄存器；对于输入操作，则从设备的数据寄存器读取数据。
3. 等待和轮询：在数据传输期间，CPU可能需要不断检查设备状态，以确定是否完成了数据传输。这个过程称为轮询。
4. 传输完成处理：一旦数据传输完成，CPU根据需要更新程序状态，处理任何必要的后续步骤。

🦋1.2 特点

• CPU密集型：直接程序控制涉及到CPU在整个I/O操作过程中的密集参与，这可能会导致CPU的大量时间被用于管理I/O，而不是执行其他计算任务。
• 简单但低效：对于小量数据传输，直接程序控制简单且易于实现。然而，对于大量数据传输，这种方法效率低下，因为它占用了大量的CPU时间，并且对外部的突发事件无法做出实时响应。
• 轮询：直接程序控制通常依赖于轮询机制来检查I/O操作的完成状态，这进一步增加了CPU的负担。

🦋1.3 应用场景

直接程序控制由于其实现的简单性，在一些对性能要求不高的应用场景或是数据传输量相对较小的情况下仍然有用。然而，随着计算需求的增长和对更高效率的追求，其他I/O技术如中断驱动I/O和直接内存访问（DMA）成为了更受欢迎的选择，因为它们能够减少CPU的参与，提高系统的整体性能。

🔎2.程序中断方式

程序中断方式（Interrupt-driven I/O）是一种输入输出（I/O）操作技术，其中CPU在需要时被外部设备“中断”，从而响应I/O请求。这种方式相比于直接程序控制（Programmed I/O，PIO），能更有效地利用CPU资源，因为它允许CPU在等待I/O操作完成期间执行其他任务。当I/O设备准备好数据交换或完成数据传输时，它会发送一个中断信号给CPU，CPU随后暂停当前任务，保存其状态，然后执行与中断处理相关的服务程序来处理I/O请求。

🦋2.1 工作原理

1. I/O请求：当外部设备准备好进行数据交换（如数据读取或写入完成）时，它会向CPU发送一个中断请求（IRQ）。
2. 中断响应：CPU接收到中断请求后，会在完成当前的指令后，立即暂停正在执行的程序，并保存其当前状态。
3. 执行中断服务程序：CPU根据中断请求的类型，跳转到相应的中断服务程序（ISR）执行，该程序包含了处理I/O请求的代码。
4. 恢复执行：中断服务完成后，CPU恢复之前暂停的程序的状态，并继续执行之前的任务。

🦋2.2 特点

• 效率高：中断驱动I/O允许CPU在外部设备完成I/O准备时才处理I/O操作，这样CPU就可以在等待I/O操作期间执行其他计算任务，提高了效率。
• 复杂性增加：这种方式需要操作系统支持中断处理机制，增加了系统设计的复杂性。
• 实时响应：能够更快地响应外设的请求，适合对实时性要求较高的应用。

🦋2.3 优点与应用

• 减少CPU空闲：CPU不需要在I/O操作完成时空闲等待，可以处理更多的计算任务。
• 适用范围广：适用于需要快速响应外设请求的场景，如用户输入、网络通信和文件系统操作等。
• 提高系统吞吐量：通过允许CPU并行处理计算任务和I/O任务，中断驱动I/O可以提高系统的整体吞吐量。

程序中断方式是一种高效的I/O处理机制，通过使CPU能够在外部设备准备好进行数据交换时才处理I/O请求，从而优化了计算资源的使用，提高了系统的响应速度和效率。然而，这种方式也要求操作系统具有有效的中断管理和处理机制，以确保系统稳定运行。

🔎3.DMA

直接内存访问（DMA, Direct Memory Access）是一种高效的输入输出（I/O）技术，允许外围设备（如硬盘驱动器、网络卡等）直接与系统内存交换数据，而无需CPU的直接介入。这种方式显著提高了数据传输的效率，减轻了CPU的负担，因为它使CPU能够在数据传输过程中执行其他任务。

🦋3.1 工作原理

1. 初始化：CPU初始化DMA传输，包括设置源地址、目标地址、传输的数据量以及传输的方向（读取或写入）。
2. DMA请求：当外围设备准备好数据传输时，通过DMA控制器向CPU发出DMA请求（DMA Request, DRQ）。
3. DMA授权：CPU接收到DMA请求后，授予DMA控制器访问内存的权限，此时CPU会暂停其对内存的访问，以避免访问冲突。
4. 数据传输：DMA控制器直接管理从外围设备到内存（或从内存到外围设备）的数据传输过程，而CPU则可以继续执行其他任务。
5. 传输完成：数据传输完成后，DMA控制器会向CPU发送中断信号（DMA完成中断），以通知CPU数据已经成功传输，CPU可以继续对内存进行访问。

🦋3.2 特点

• 高效率：通过减少CPU参与数据的逐字节移动，DMA能够提供比程序控制I/O（PIO）和中断驱动I/O更高的数据传输效率。
• 减轻CPU负担：DMA使CPU在数据传输期间可以不被占用，从而有更多资源处理其他计算任务。
• 复杂性：虽然DMA可以提高效率，但其实现比PIO和中断驱动I/O更复杂，需要专门的硬件支持和正确的配置，DMA传送数据时要占用系统总线，此时，CPU不能使用总线。

🦋3.3 应用场景

• 大量数据传输：DMA特别适用于需要移动大量数据的场景，如高清视频播放、高速网络通信和大型数据库操作。
• 多媒体应用：多媒体应用通常需要高速地在内存和设备之间传输数据，DMA在这些应用中非常关键，以保证流畅的用户体验。
• 实时系统：在实时系统中，DMA可以帮助减少数据处理的延迟，确保系统能够快速响应外部事件。

DMA是一种在现代计算机系统中广泛使用的I/O技术，它通过允许外围设备直接与内存交换数据来提高数据传输效率，从而优化了系统资源的使用，并提高了整体性能。

🔎4.输入/输出处理机（IOP）

输入/输出处理机（I/O Processor, IOP）或输入/输出控制器（I/O Controller, IOC）是一种专门设计用于处理输入/输出操作的硬件设备。在复杂的计算机系统中，尤其是在需要大量I/O操作的环境中，IOP可以有效地管理和执行这些操作，减轻主CPU的负担。IOP具有自己的处理能力和局部存储，能够独立于主CPU执行I/O任务，包括数据传输、设备状态监控、以及错误处理等。

🦋4.1 工作原理

1. 任务分配：主CPU将I/O任务指令和相关信息（如数据传输的源地址和目标地址）传递给IOP。
2. 独立操作：IOP接管这些任务，直接与外设通信，执行数据传输和其他I/O操作。在此过程中，IOP可以利用自己的指令集和控制逻辑来优化操作。
3. 中断和通知：一旦I/O操作完成或遇到错误，IOP通过中断或其他机制通知主CPU，以便进行后续处理。

🦋4.2 特点

• 减轻主CPU负担：IOP可以接管大部分I/O操作，使主CPU能够专注于执行其他计算密集型任务。
• 提高I/O效率：由于IOP专门用于处理I/O操作，它可以更高效地管理数据传输和设备控制，提高系统的整体I/O性能。
• 增加系统复杂度：引入IOP增加了系统的硬件复杂度，需要在系统设计和维护中额外考虑。
• 支持并发I/O操作：IOP可以同时管理多个I/O设备，支持并发数据传输，提高了系统的吞吐率。

🦋4.3 应用场景

• 高性能计算（HPC）和大型服务器：在需要处理大量并发I/O请求的环境中，如大型数据库、文件服务器和高性能计算集群。
• 嵌入式系统和实时应用：在需要快速响应外部事件和设备的嵌入式系统和实时控制系统中，IOP可以帮助实现高效的设备管理和数据处理。
• 存储系统：在高端存储阵列和网络附加存储（NAS）设备中，IOP用于优化数据传输和存储管理。

IOP提供了一种有效的方法来增强计算机系统处理I/O操作的能力，尤其是在数据密集型和I/O密集型应用中。通过在硬件级别优化I/O处理，IOP有助于提升整体系统性能和响应速度。

🔎5.练习

1、DMA控制方式是在（ ）之间直接建立数据通路进行数据的交换处理。（2019年上半年试题软设）
A.CPU与主存
B.CPU与外设
C.主存与外设
D.外设与外设

解析：

直接内存访问（DMA）控制方式允许外部设备直接与计算机的主存储器（内存）交换数据，而不需要CPU的直接介入。这种方式显著提高了数据传输的效率，并减轻了CPU的负担，因为CPU在数据传输过程中可以执行其他任务。

A. CPU与主存：这不是DMA控制方式的特征。CPU与主存之间的数据交换是计算机基本操作的一部分，但不涉及DMA。

B. CPU与外设：虽然CPU确实与外设进行数据交换，这种交换不是通过DMA控制方式直接进行的。DMA的目的就是减少CPU在数据交换过程中的参与。

C. 主存与外设：这是DMA控制方式的正确描述。DMA允许外设直接与主存之间进行数据交换，无需CPU介入，从而提高数据传输效率并减少CPU负担。

D. 外设与外设：虽然理论上DMA技术可以支持外设之间的数据传输，但这个选项没有准确描述DMA控制方式的典型应用场景。DMA主要用于主存与外设之间的数据交换。

因此，正确答案是 C. 主存与外设。这反映了DMA控制方式的核心特征，即在外设和主存之间直接建立数据通路进行数据交换处理，而不需要CPU的直接介入。

2、计算机运行过程中，CPU需要与外设进行数据交换。采用（ ）控制技术时，CPU与外设可并行工作。
（2017年下半年)
A.程序查询方式和中断方式
B.中断方式和DMA方式
C.程序查询方式和DMA方式
D.程序查询方式、中断方式和DMA方式

解析：

在计算机系统中，为了实现CPU与外设的数据交换，存在几种不同的控制技术：程序查询方式（也称为轮询方式）、中断方式和直接内存访问（DMA）方式。这些技术在CPU与外设之间进行数据交换的效率和方式上有所不同。

A. 程序查询方式和中断方式：

• 程序查询方式要求CPU主动检查外设的状态，这意味着CPU在等待外设准备好数据交换时不能执行其他任务，因此CPU和外设不能真正并行工作。
• 中断方式允许外设在准备好进行数据交换时通过发送中断信号给CPU，这样CPU在处理其他任务时不需要持续检查外设状态，可以在接收到中断信号时暂停当前任务处理外设请求，从而实现一定程度上的并行工作。

B. 中断方式和DMA方式：

• 中断方式允许CPU在外设准备好数据交换时通过中断处理进行数据交换，从而CPU在等待过程中可以执行其他任务。
• DMA方式则进一步提高了并行工作的效率，它允许外设直接与主存进行数据交换而无需CPU介入，这样CPU可以与外设完全并行工作。

C. 程序查询方式和DMA方式：

• 程序查询方式，如之前解释的，不支持CPU和外设的真正并行工作。
• DMA方式支持并行工作，但将它与程序查询方式组合并不完全说明在哪种情况下CPU与外设可以并行工作。

D. 程序查询方式、中断方式和DMA方式：

• 这个选项列出了三种技术，但并不是所有这些技术都支持CPU与外设的并行工作。程序查询方式实际上限制了并行性。

正确答案是 B. 中断方式和DMA方式。这两种技术都允许CPU在外设进行数据交换时执行其他任务，从而实现并行工作。中断方式通过允许CPU响应外设中断来实现部分并行，而DMA方式通过允许外设直接与内存交换数据而无需CPU干预，提供了最大程度的并行性。

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