Chapter 3 Basic Input/Output(1)

英文	中文
I/O capability	输入/输出能力
programmer’s point of view	程序员的视角
basic I/O operations	基本输入/输出操作
Accessing I/O Devices	访问输入/输出设备
I/O Device Interface	输入/输出设备接口
Communication Methods with CPU	与 CPU 的通信方法
Program controlled I/O (Polling)	程序控制输入/输出（轮询）
Interrupt driven I/O	中断驱动输入/输出
Direct Memory Access (DMA)	直接内存访问（DMA）

英文	中文
Accessing I/O Devices	访问输入/输出设备
Memory mapped I/O	内存映射输入/输出
Separated I/O (Isolated I/O)	独立（隔离）输入/输出
I/O Device Interface	输入/输出设备接口

访问输入/输出设备

（1）

计算机系统各组件通过互联网络进行通信。

（2）

前一章所讲的地址空间和内存访问概念同样适用于输入/输出设备。
每个输入/输出设备都必须包含一些可寻址的位置。
- 这些位置可通过加载（Load）和存储（Store）指令来访问。
- 这些位置是通过输入/输出寄存器来实现的。

（3）

内存映射输入/输出（Memory mapped I/O）：
- 输入/输出设备和内存共享同一个地址空间。
- 不需要用于输入/输出的特殊命令。
- 输入/输出操作看上去就如同内存的读/写操作一样。
- 例如：加载指令“Load R2, DATAIN”（将输入设备中某个寄存器地址DATAIN处的数据加载到寄存器R2中），存储指令“Store R2, DATAOUT”（将寄存器R2中的数据存储到输出设备中某个寄存器地址为DATAOUT的地方）。
- 其中，DATAIN是输入设备中一个寄存器的地址，DATAOUT是输出设备中一个寄存器的地址。

（4）

内存映射输入/输出（Memory mapped I/O）：
- 优点：
  - 任何能够访问内存的机器指令都可用于在输入/输出设备和其他部件之间传输数据。
- 缺点：
  - 宝贵的内存地址空间会被占用。

（5）

独立（隔离）输入/输出（Separated I/O 或 Isolated I/O）：
- 有独立的地址空间。
- 需要使用专门的输入/输出指令来执行输入/输出传输操作，例如“IN”（输入指令）、“OUT”（输出指令）。
- 优点：
  - 输入/输出设备只需处理较少的地址线。
- 注意事项：
  - 独立的输入/输出地址空间并不一定意味着输入/输出地址线在物理上与内存地址线是完全分开的。

I/O设备接口

（1）

I/O设备相关问题：
- 外设种类繁多：
  - 传输的数据量各不相同。
  - 传输速度有差异。
  - 数据格式也不一样。
- 所有外设的速度都比CPU和内存（RAM）慢。
- 因此需要I/O接口来协调。

（2）

I/O设备接口：
- 定义：I/O设备接口是位于设备和互联网络之间的电路。
- 功能：
  - 为数据传输以及状态和控制信息的交换提供途径。
  - 包含了数据寄存器、状态寄存器以及控制寄存器，这些寄存器可通过加载（Load）和存储（Store）指令进行访问。
  - 内存映射I/O使得软件能够将这些寄存器视作内存中的存储单元来操作。

Quiz (1)

问题
- 关于内存映射I/O，以下哪一项是不正确的？
选项
- A. 输入/输出设备和内存共享同一个地址空间。
- B. 任何能够访问内存的机器指令都可用于在输入/输出设备和其他部件之间传输数据。
- C. 宝贵的内存地址空间会被占用。
- D. 输入/输出设备只需处理较少的地址线。
答案
- D
解释
- 选项A：内存映射I/O的特点之一就是I/O设备和内存共享相同的地址空间，这是其基本定义的一部分，所以该选项正确。
- 选项B：在内存映射I/O方式下，由于I/O设备和内存共享地址空间，所以可以使用任何访问内存的机器指令来对I/O设备进行数据传输，这个说法是正确的。
- 选项C：内存映射I/O会占用内存地址空间，这是它的一个缺点，所以该选项正确。
- 选项D：“输入/输出设备只需处理较少的地址线”这是独立（隔离）I/O（Separated I/O或Isolated I/O）的优点，而不是内存映射I/O的特点，所以该选项错误。

Quiz (2)

问题
- 内存映射I/O和独立（隔离）I/O之间的区别是什么？
答案
- 内存映射I/O：
  - I/O设备和内存共享同一个地址空间。
  - 不需要用于I/O的特殊命令，任何能够访问内存的机器指令都可以用于在I/O设备和其他部件之间传输数据。
  - 会占用宝贵的内存地址空间。
- 独立（隔离）I/O：
  - 有独立的地址空间。
  - 需要使用特殊的I/O指令来执行I/O传输。
  - I/O设备只需处理较少的地址线。
解释
- 地址空间方面：
  - 内存映射I/O是让I/O设备和内存共享地址空间，这意味着在操作系统或程序看来，I/O设备的寄存器就像是内存中的单元，通过访问内存的方式就可以操作I/O设备。例如，在某些体系结构中，对特定内存地址范围的读写操作实际上就是对I/O设备进行数据传输。
  - 独立I/O则是为I/O设备设置独立的地址空间，与内存地址空间分开。这样的设计使得I/O设备的地址空间和内存地址空间相互独立，便于管理和区分。
- 指令使用方面：
  - 内存映射I/O不需要特殊的I/O指令，因为可以直接使用内存访问指令（如加载和存储指令）来操作I/O设备。这种方式使得程序设计更加灵活，因为程序员可以像操作内存一样方便地操作I/O设备。
  - 独立I/O需要专门的I/O指令（如IN和OUT指令）来进行I/O传输。这些指令专门用于在CPU和I/O设备之间进行数据交换，使得对I/O设备的操作和对内存的操作在指令层面就区分开来。
- 地址线处理方面：
  - 内存映射I/O由于共享内存地址空间，I/O设备可能需要处理较多的地址线，以适应内存地址空间的范围。这是因为它要在共享的地址空间中占据一定的位置。
  - 独立I/O设备因为有自己独立的地址空间，通常可以只处理较少的地址线，这些地址线仅用于在其独立的地址范围内进行寻址，相对简单一些。