输入输出系统（I/O系统）
1. I/O系统的定义与作用
输入输出系统是计算机与外部设备（如键盘、显示器、硬盘等）进行数据交互的硬件和软件组合，负责实现 人机交互 和 数据持久化存储。
- 核心功能：
- 控制外部设备的操作（如启动、停止）。
- 实现数据在计算机与外部设备之间的高效传输。
- 屏蔽设备差异，为上层提供统一接口（如操作系统通过设备驱动程序抽象硬件细节）。
2. I/O系统的组成
(1) 硬件部分
- I/O设备：
- 输入设备：键盘、鼠标、传感器等。
- 输出设备：显示器、打印机、执行器等。
- 存储设备：硬盘、SSD、U盘（兼具输入输出功能）。
- 设备控制器：
- 连接设备与计算机的硬件模块（如磁盘控制器、显卡），负责信号转换与协议解析。
- 包含 数据缓冲区、状态寄存器 和 控制逻辑。
- I/O接口：
- 标准化物理与电气规范（如USB、HDMI），定义设备与主机的连接方式。
(2) 软件部分
- 设备驱动程序：操作系统与硬件设备通信的底层程序，解释高层命令为设备控制信号。
- I/O管理程序：操作系统提供的资源调度模块（如中断处理、DMA控制）。
3. I/O控制方式
(1) 程序直接控制（轮询）
- 原理：CPU通过循环查询设备状态寄存器，判断是否完成数据准备。
- 优点：实现简单，无需额外硬件支持。
- 缺点：CPU利用率低，适用于低速设备（如早期打印机）。
(2) 中断驱动
- 原理：设备完成操作后主动向CPU发送中断请求，CPU暂停当前任务处理I/O。
- 流程：
- CPU启动设备并继续执行其他任务。
- 设备就绪后触发中断。
- CPU保存当前状态，执行中断服务程序（ISR）。
- 恢复原任务继续执行。
- 优点：提升CPU效率，适用于实时性要求高的场景（如键盘输入）。
- 缺点：频繁中断增加上下文切换开销。
(3) 直接存储器访问（DMA）
- 原理：由DMA控制器接管总线，直接在设备与内存间传输数据，无需CPU干预。
- 过程：
- CPU向DMA控制器发送传输参数（内存地址、数据量）。
- DMA控制器向设备发起传输请求，完成数据搬运。
- 传输完成后，DMA控制器中断CPU。
- 优点：减少CPU负担，适合高速大批量数据传输（如硬盘读写）。
- 缺点：需要额外的DMA控制器硬件。
(4) 通道控制
- 原理：通道是独立的I/O处理器，可执行通道程序（指令序列）管理复杂I/O操作。
- 特点：
- 支持多设备并行操作（如大型机中的I/O通道）。
- 硬件成本高，主要用于高性能计算场景。
4. I/O接口与总线标准
(1) 常见接口类型
- 并行接口：多线同时传输（如旧式LPT打印机接口），速度受限且抗干扰差。
- 串行接口：单线逐位传输（如USB、SATA），支持高速长距离通信。
(2) 典型总线标准
- PCIe（Peripheral Component Interconnect Express）：高速点对点串行总线，支持显卡、NVMe SSD。
- USB（Universal Serial Bus）：支持热插拔、多设备级联（如USB 3.2理论带宽20Gbps）。
- Thunderbolt：融合PCIe与DisplayPort协议，高带宽（如Thunderbolt 4达40Gbps）。
5. I/O系统的性能指标
- 吞吐率：单位时间内完成的I/O操作量（如硬盘的MB/s）。
- 响应时间：从发出I/O请求到完成操作的时间（包括设备延迟、传输时间）。
- 并发能力：同时处理多个I/O请求的能力（依赖中断优先级、DMA通道数量）。
6. I/O系统的应用场景
- 实时系统：中断驱动确保传感器数据及时响应（如工业控制）。
- 数据中心：NVMe over Fabrics实现远程高速存储访问。
- 图形处理：GPU通过PCIe总线与CPU协同渲染。
- 物联网（IoT）：低功耗I/O接口连接传感器与微控制器（如SPI、I²C）。
7. 未来发展趋势
- 异构I/O架构：CPU、GPU、FPGA共享统一I/O资源池。
- 智能I/O设备：内置AI加速器的设备（如智能摄像头）本地处理数据。
- 光互联技术：光纤接口替代铜线，提升带宽与抗干扰能力。
总结
I/O系统通过 硬件控制逻辑 与 软件分层抽象 实现高效数据交互，其设计核心在于 平衡速度、成本与通用性。从轮询到DMA的演进，体现了计算机系统“减少CPU干预、提升并行性”的优化方向。