一、知识点
整体概述
由于CPU无法直接控制I/O因此，设备的机械部件I/O设备还应以电子部件作为设备CPU和I/O实现设备机械部件之间的中介CPU控制设备，这个电子是I/O控制器，又称设备控制器。
I/O控制器是控制计算机输入输出的最基本的控制系统，可以根据指令的功能要求指挥计算机各部件的协调。它由指令寄存器组成IR(InstructionRegister)、程序计数器PC(ProgramCounter)操作控制器OC(OperationController)这三个部件的组成对于协调整个计算机的有序工作非常重要。
是将数据输入计算机或接收计算机输出的设备。
属于鼠标和键盘IO它们连接到的计算机接口称为设备（或称为IO控制器）。
IO接口需要多个寄存器作为设备和计算机之间的桥梁：
- ：存储设备输出或计算机输出。
- ：计算机需要控制设备进行操作，这里有必要进行操作。
- ：设备完成后，需要告知计算机的当前状态。
计算机可以通过控制寄存器告诉设备该做什么；设备可以通过状态寄存器反映是否准备好；计算机决定是否通过状态寄存器访问数据寄存器。
当计算机发送命令时，您会发现在这个过程中控制寄存器是有用的IO接口收到命令后该寄存器就无用了。所以我们可以将状态寄存器与之合并，节约空间与成本。
一个IO接口可以对应多个设备，每个设备都可以有自己的一组数据、控制和状态寄存器，这样计算机就可以不同组的寄存器。
对于计算机来说，这些寄存器都是——数据端口、状态端口、控制端口。
那么计算机呢？IO接口连接呢？
一种明显的方法：拉出系统总线，CPU、主存、IO接口连接在上面。
系统总线包括数据、地址、控制信号线，cpu可通过总线直接控制IO接口也可以让主存和IO数据在接口间传输。
例如，敲键盘上的字母，CPU获取数据有两种方式：
- ：CPU不断询问键盘状态寄存器输入是否完成，如果检测完成，将数据寄存器中的数据带到主存。
- ：CPU不用询问，IO根据状态寄存器选择接口是否需要CPU发送中断信号，CPU收到信号会来收集数据。
会导致程序查询cpu只能等键盘输入，不能做其他事情；允许程序中断CPU先做其他事情，输入完成后再来拿主存。
有一种特殊的IO接口——，它可以用DMA只要总线直接连接到主存，CPU告诉DMA接口应该数据存储在主存中，DMA接口将数据根据地址放入主存。
对于DMA接口而言，CPU如果有多个主存地址，还需要告诉它主存地址DMA接口，CPU还是会很忙。为了进一步解放CPU，可以接替CPU做一些基本操作。
它就像低级CPU，有自己的指令系统-通道指令，可以执行一些有限的操作。当它接受时CPU发出的之后，可按要求启动IO设备或执行通道指令-就像CPU的小弟。
IO逻辑上分为三个字段：
- 操作码:可以用来区分其他指令，让CPU知道这是一个IO指令。
- 命令码：代表设备的具体操作。
- 设备代码：可指定操作某一设备，用于区分设备。
不同设备的IO不同的指令是不同的。鼠标侧键、灯光或灵敏度也不同的品牌有不同的IO指令。这就是为什么在插入鼠标键盘显卡和其他部件时，如果你想更好地使用它，你需要安装驱动程序。
键盘的每一次敲击都在向计算机发出中断信号，一般情况下计算机会暂停手上的工作，先处理键盘的输入数据，之后再回到自己之前的工作。
这里出现了许多问题：
计算机内有许多中断请求标记寄存器，当设备发出中断信号时，会修改这些寄存器的数据，CPU你会知道哪些设备些设备。
可以用硬件或软件判断哪个中断信号需要优先处理。
硬件：将设备的中断信号视为输出1，可依次将设备连接到电路中，电路优先级越高。
软件:可以写一系列指令组成，逐一检查每个寄存器。
在处理中断之前，计算机将处理当前情况PC保存指令地址，然后保存指令地址PC中的值修改成中断程序地址——这一操作由指挥。处理完成后，读取保存的指令地址PC继续工作。
- 忽略信号：在输出电路中添加一个信号，当设备的屏蔽字输出为1时，屏蔽设备的中断信号。如果您不想接收中断信号，请直接输出每个设备的屏蔽字1-此操作称为。
打开另一个中断程序：像娃娃一样，再次打开当前PC保存后修改内部值。注意顺序问题——保存前必须关闭中断，以免中断保存动作。保存成功后，接收中断信息。
接下来，介绍一个重要的介绍IO设备-机械硬盘，其工作状态如下：
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磁盘上存储数据，用磁头读写磁盘。其工作原理是:
表面有一层磁性物质，通电通过磁盘的某个位置后，该位置随机方向的磁极将与通电磁头产生的磁场方向相同。当磁头需要读取数据时，磁头会通过不同方向的磁极产生不同方向的感应电流，通过这些微弱的感应电流形成二进制信息。
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所以问题是，磁头如何知道它应该划向哪个区域？
首先，我们需要知道分为哪些区域：
当磁盘高速旋转，磁头固定时，磁头会在磁盘上画一个环，这个环是，通过移动磁头来改变磁道。
磁盘像切蛋糕一样分成多个部分，每个扇面有多个分割磁道，每个磁道称为——每个扇区大小不一，但存储的数据量相同。
侵删图源网络
多个磁盘垂直重叠，相同的磁道形成一个。
为了高速旋转磁盘和摆动磁头，我们需要控制磁盘和磁头。
而磁盘驱动器是听从是的，磁盘控制器接收计算机发出的指令，指挥磁盘驱动器工作。
计算机发出的指令包括但不限于以下字段：
- 驱动号：从多个设备中选择一个。
- 柱面(磁道)号:将磁头移动到相应的磁道。
- 盘面号：选择对应盘面，激活盘面磁头。
- 扇区号：旋转磁盘，使磁头穿过相应的磁盘。
延迟时间，传输时间――与磁盘转速有关
启动时间――与磁盘驱动器的物理和电气特性有关
找时间/找时间――与磁盘调度算法、磁臂移动速度有关
1.程序直接访问模式和循环检测IO方式是最古老的方式。CPU和IO串行，每读一个字节(或字)，CPU状态寄存器需要不断检测busy标志，当busy=1时，表示IO还没完成；当busy=0时，表示IO完成。读一个字的过程结束了，然后读下一个字。
2.中断控制模式:循环检测先进，IO设备和CPU可以并行工作，只有在开始IO和结束IO时，才需要CPU。但。
3、DMA方式：Direct Memory Access，直接存储器访问，比中断先进的地方是每次可以读取一个块，而不是一个字。
4、通道方式：比DMA先进的地方是，每次可以处理多个块，而不只是一个块。
分散知识点
1、IO接口：向CPU提供I/O设备的状态信息和进行命令译码。对传送数据提供缓冲，以消除计算机与外设在“定时”或数据处理速度上的差异。
IO端口：是指电路中的一些，这些寄存器分别用来存放数据信息、控制信息和状态信息。
2、
3、DMA周期挪用：IO设备每挪用一个主存周期都要申请总线控制权、建立总线控制权和归还总线控制权.
4、当I/O设备通过接口与主机相连时，CPU可以通过接口地址来访问IO设备。因为一个接口对应一个IO设备。
5、
尽管第5章讲解过中断向量地址形成部件，但是这里还是需要提一点。中断向量地址形成部件的输入来自排队器的输出 INTP, NTP2，…，INTP，很显然是一串二进制代码，而此二进制代码就是中断向量，其位数与计算机可以处理中断源的个数有关，即一个中断源对应一个向量地址。可见，该部件实质上是一个编码器。在I/O接口中的编码器又称为设备编码器。
6、中断服务程序的最后指令是中断返回指令。
中断返回指令和无条件转移指令本质都是通过修改PC值改变程序执行顺序。而中断返回指令还需要将CPU中的所有寄存器都恢复到中断前的状态。
二、 例题
答案：B
可能疑问点1：为什么采用中断方式不需要加上0.2μs×1200? 解析:前面讲解过，中断方式的中断和 DMA 的中断不是一回事，中断方式的中断包含数据的传输时间，而 DMA 的中断仅仅是后处理的时间，并不包含数据传输的时间，所以此处的中断方式不需要加上0.2μsx1200。
可能疑问点2：DMA方式下，在主存和外设之间有一条物理通路直接相连吗?
解答:没有。通常所说的 DMA方式下数据在主存和外设之间直接进行传送，其含义并不是说在主存和外设之间建立一条物理上的直接通路,而是在主存和外设之间通过外设接口、系统总线以及总线桥接部件等连接，建立起一个信息可以互相通达的通路。“直接通路”是逻辑上的含义，物理上磁盘和主存不是直接相连的。
可能疑问点3：CPU对DMA请求和中断请求的响应时间是否一样?
解答:不一样。
DMA方式下，向CPU 请求的是总线控制权，要求CPU让出总线控制权给DMA控制器，由DMA 控制器来控制总线完成主存和外设之间的数据交换，所以CPU只要用完总线后就可以响应请求，释放总线，让出总线控制权。CPU总是在一次总线事务完成后响应，所以DMA响应时间应该少于一个总线周期；
而中断方式下请求的是CPU时间，要求CPU中止正在执行的程序，转到中断服务程序去执行，通过执行中断服务程序，对中断事件进行相应的处理。CPU总是要等到一条指令执行结束后，才去查询有无中断请求，所以响应时间少于一个指令周期的时间。
可能疑问点4：挪用周期方式下,DMA控制器窃取的是什么周期?
解答:周期挪用法的基本思想是，当外设准备好一个数据时，DMA 控制器就向CPU申请一次总线控制权，CPU在一个总线事务结束时一旦发现有 DMA请求，就立即释放总线，让出一个周期给DMA 控制器，由 DMA 控制器控制总线在主存和外设之间传送一个数据，传送结束后立即释放总线，下次外设准备好数据时，又重复上述过程，直到所有数据传送完毕。这种情况下，CPU的工作几乎不受影响，只是在万一出现访存冲突时，CPU挪出一个周期给DMA，由 DMA 访问主存，而CPU延迟访问主存。这里CPU挪出的是主存的存储周期。
答案：C
程序控制方式：即用软件方式实现
DMA纯纯的硬件。
直接程序传送→程序查询方式。
答案：C
Cache完全是由硬件实现的，不会涉及中断层面。
浮点数运算下溢：当做机器零，正常处理
答案：A
IO中断是由外部设备发起的。
中断响应周期：中断周期，执行中断隐指令。
答案：D
中断响应次序→硬件（硬件排队电路）所决定，无法改变
中断处理次序→通过中断屏蔽字实现，可改变
答案：B
IR、AR、DR等，暂存中间数据,辅助其他硬件工作
答案：B、D
程序查询方式，CPU与外设串行工作，传送与主程序串行工作。
中断方式，CPU与外设并行工作，当数据准备时是仍需中断主程序以执行数据传送，因此传送与主程序仍是串行的。
DMA，全并行。
答案：C
答案：B
键盘、鼠标属于低速设备。
CPU 中断处理：预处理后处理。
三、408统考真题
1、
四、Q/A
1、I/O接口就是I/O端口吗?
解答:不是。IO接口和IO端口是两个不同的概念，但相互之间有关联。I/O接口是主机和外设之间传送信息的“桥梁”，介于主机和外设之间。主机控制外设的命令信息、传送给外设的数据或从外设取来的数据、外设送给主机的状态信息等都要先存放到IO接口中。所以，接口中有一些寄存器，用于存放这些命令、数据和状态信息。把IO接口中的这些寄存器称为IO端口。
2、IO接口与设备控制器是同一个东西吗？
解答:I/O设备可以分为机械部件和电子部件，其中，电子部件就是常说的I/O控制器（也叫I/O接口），也称为设备控制器。
之所以称谓不同，是因为在计算机体系结构中，操作系统是最接近硬件的软件部分，其更侧重从软件和功能的角度出发去描述部件，所以称之为设备控制器；而在计算机组成原理中，研究的重点在于硬件组成部分，其更青睐于从硬件的角度出发去描述部件，所以称之为I/O接口。
但是，说句题外话，I/O端口和I/O接口并不等同，两者还是有区别的。简单粗略地说，I/O端口加上电路部分才等效于I/O接口。
所以，本质上，I/O接口和设备控制器是同一种东西。
3、一个IO接口只能有一个地址吗?
解析:一个I/O 接口可能有多个地址。因为一个 I/O接口中可能有多个用户可访问的寄存器，也就是多个I/O端口，而每个IO端口有一个地址，所以一个IO接口可能有多个地址。
3、禁止中断和屏蔽中断是同一个概念吗?
解答:它们是两个完全不相关的概念。
禁止中断就是关中断，即使中断允许触发器置为“0”，此时任何中断请求都得不到响应。
屏蔽中断是多重中断系统中的一个概念，是指某个中断正在被处理的时候，如果有其他新的中断请求发生，是否允许响应新发生的中断。它反映了正在处理的中断与其他各个中断之间的处理优先级顺序，所以每个中断都有一个中断屏蔽字，其中的每一位对应一个中断的屏蔽位，为“1”则对应的中断不能被响应。响应某个中断后，就会把它的中断屏蔽字送到中断屏蔽字寄存器中，在中断排队前，其中的每一位和中断请求寄存器中的对应位进行与操作。因而，只有未被屏蔽的中断源进入排队线路，才有可能得到响应。
参考于
计算机组成原理笔记-IO接口与设备 - 知乎