I/O 接口的功能和特性
Q: I/O 接口有哪些主要功能？
A: I/O 接口的主要功能有：
- 进行地址译码和设备选择；
- 实现主机和外设的通信联络控制；
- 实现数据缓冲；4
- ) 信号格式的转换；
- 传送控制命令和状态信息。
Q: CPU 如何选择外设进行信息交换？
A: CPU 通过地址总线发送选择外设的地址码，I/O 接口对地址码进行译码，选中相应的设备。
Q: I/O 接口如何解决主机与外设速度不匹配的问题？
A: 通过设置数据缓冲寄存器, 用于数据的暂存，以避免因速度不一致而丢失数据。
Q: I/O 接口如何解决主机与外设之间电平、数据格式的差异？
A: 接口提供信号格式的转换功能，如电平转换、并/串或串/并转换、模/数或数/模转换等。
例如，RS-232 串口将 CPU 发送的并行数据转换为串行数据传输给外设。
Q: CPU 如何启动外设？
A: CPU 通过向 I/O 接口中的控制寄存器写入启动命令来启动外设。外设工作结束后，会将状态信息写入状态寄存器反馈给 CPU。
I/O 接口的结构
Q: I/O 接口的基本结构包括哪些？
A: I/O 接口在主机侧连接 CPU 和内存，在设备侧连接外设。
其基本结构包括：数据线、地址线、控制线、数据缓冲寄存器、状态寄存器、控制寄存器、I/O 控制逻辑等。
Q: I/O 接口中数据线、地址线和控制线分别传输什么信息？
A: - 数据线：双向传输，用于在 CPU、内存和外设之间传输数据、控制信息、状态信息以及中断类型号等。
- 地址线：单向传输，CPU 通过地址线发送 I/O 端口地址，选中 I/O 接口中的某个寄存器。
- 控制线：用于传送读/写控制信号、中断请求和响应信号、总线仲裁信号和握手信号等。
Q: 数据缓冲寄存器有什么作用？为什么需要它？
A: 数据缓冲寄存器用于暂存 CPU 与外设之间传输的数据。
由于 CPU 和外设的速度往往不匹配，设置数据缓冲寄存器可以起到缓冲作用，避免数据丢失。
例如，CPU 将数据写入打印机接口的缓冲区后即可继续执行其他任务，打印机则可以从缓冲区读取数据进行打印。
Q: 状态寄存器有什么作用？它记录哪些状态信息？
A: 状态寄存器用于记录接口和外设的工作状态信息，例如 “设备忙”、“数据准备好”、“出现错误” 等，CPU 可以通过读取状态寄存器了解外设的工作状态。
Q: 控制寄存器有什么作用？它保存哪些控制信息？
A: 控制寄存器保存 CPU 对外设的控制命令，例如启动、停止、复位等命令，以及设置外设工作方式的控制信息。
Q: 为什么状态寄存器和控制寄存器可以合二为一？
A: 因为它们在传送方向上是相反的，在访问时间上也是错开的，所以可以合用同一个寄存器。
Q: I/O 控制逻辑有哪些功能？
A: I/O 控制逻辑的功能主要包括：
- 对 CPU 发出的控制命令进行译码。
- 将译码后的控制信号发送给外设。
- 控制数据缓冲寄存器与外设之间的数据传输。
- 收集外设状态信息并保存到状态寄存器。
Q: 什么是 I/O 指令？它有什么特点？
A: I/O 指令是 CPU 指令系统中专门用于访问 I/O 端口的指令，例如 IN 指令和 OUT 指令分别用于从 I/O 端口读数据和向 I/O 端口写数据。I/O 指令只能在操作系统内核程序中使用，是一种特权指令。
I/O 接口的分类
按数据传送方式分类
Q: 按数据传送方式分类，I/O 接口可以分为哪两种？它们有什么区别？
A: 按数据传送方式分类，I/O 接口可以分为并行接口和串行接口。
- 并行接口：数据线有多条，一次可以传输多个数据位，速度快，但成本高，常用于连接高速设备，例如打印机、扫描仪等。
- 串行接口：只有一条数据线，数据逐位传输，速度慢，但成本低，常用于连接低速设备，例如鼠标、键盘等。
按主机访问 I/O 设备的控制方式分类
Q: 按主机访问 I/O 设备的控制方式分类，I/O 接口可以分为哪几种？它们分别有什么特点？
A: 按主机访问 I/O 设备的控制方式分类，I/O 接口可以分为：
- 程序查询接口：CPU 不断查询外设状态，效率低，适用于简单、低速的外设。
- 中断接口：外设主动向 CPU 发出中断请求，CPU 响应中断进行数据传输，效率较高，适用于速度较快的外设。
- DMA 接口：DMA 控制器直接控制数据在内存和外设之间传输，CPU 不参与数据传输过程，效率最高，适用于高速外设，例如磁盘。
按功能选择的灵活性分类
Q: 按功能选择的灵活性分类，I/O 接口可以分为哪两种？它们有什么区别？
A: 按功能选择的灵活性分类，I/O 接口可以分为：
- 可编程接口：可以通过软件编程改变接口的功能，灵活性高，例如 UART 接口。
- 不可编程接口：功能固定，灵活性低，例如一些简单的打印机接口。
I/O 端口和编址
Q: 什么是 I/O 端口？它有什么作用？
A: I/O 端口是指 I/O 接口电路中可被 CPU 直接访问的寄存器，例如数据缓冲寄存器、状态寄存器和控制寄存器等。I/O 端口是 CPU 与外设之间进行数据交换的桥梁。
Q: I/O 端口有哪些类型？它们分别有什么作用？
A: I/O 端口主要有三种类型：
- 数据端口：用于 CPU 与外设之间进行数据传输。
- 状态端口：CPU 通过读取状态端口获取外设的状态信息。
- 控制端口：CPU 通过向控制端口写入控制命令来控制外设的工作方式。
Q: CPU 对数据端口、状态端口和控制端口分别可以进行什么操作？
A: - 数据端口：CPU 可以对其进行读/写操作。
- 状态端口：CPU 只能对其进行读操作。
- 控制端口：CPU 只能对其进行写操作。
Q: I/O 端口的编址方式有哪两种？它们有什么区别？
A: I/O 端口的编址方式有独立编址和统一编址两种。
- 独立编址：I/O 端口的地址空间与主存地址空间相互独立，使用专门的 I/O 指令来访问 I/O 端口。
- 统一编址：I/O 端口的地址空间是主存地址空间的一部分，使用访存指令就可以访问 I/O 端口。
独立编址
Q: 什么是独立编址？它有什么特点？
A: 独立编址是指为 I/O 端口分配独立的地址空间，与主存地址空间分离。其特点是：
- 需要专门的 I/O 指令来访问 I/O 端口。
- I/O 端口地址译码简单，寻址速度快。
- 程序清晰易懂，便于理解和检查。
Q: 独立编址的优缺点是什么？
A: 优点：
- I/O 端口译码简单，寻址速度快。
- 程序清晰易懂，便于理解和检查。
缺点： - 需要专门的 I/O 指令，指令系统复杂度增加。
- I/O 指令的功能比较简单，程序设计的灵活性较差。
统一编址
Q: 什么是统一编址？它有什么特点？
A: 统一编址是指把 I/O 端口的地址映射到主存地址空间中，将 I/O 端口视为内存单元进行访问。其特点是：
- 可以使用访存指令访问 I/O 端口，不需要专门的 I/O 指令。
- CPU 对 I/O 端口的访问更加灵活方便。
- I/O 端口的地址空间更大。
Q: 统一编址的优缺点是什么？
A: 优点：
- 可以使用访存指令访问 I/O 端口，不需要专门的 I/O 指令。
- CPU 对 I/O 端口的访问更加灵活方便。
- I/O 端口的地址空间更大。
缺点： - I/O 端口地址占用了一部分主存地址空间，使主存可用容量减少。
- 地址译码电路更复杂，译码速度降低。
I/O 控制方式
Q: 什么是程序查询方式？它的原理和优缺点是什么？
A: 程序查询方式是指 CPU 不断查询外设状态寄存器的 “准备好” 标志位，判断外设是否准备好进行数据传输。
- 原理：CPU 通过循环执行查询指令来读取外设状态，直到外设准备好为止。
- 优点：硬件结构简单，易于实现。
- 缺点：CPU 效率低，大部分时间浪费在查询外设状态上，不适用于高速外设。
Q: 什么是中断方式？它的原理和优缺点是什么？
A: 中断方式是指当外设准备好进行数据传输时，向 CPU 发送中断请求信号，CPU 暂停当前程序的执行，转去处理 I/O 请求。
- 原理：外设通过中断控制器向 CPU 发送中断请求信号，CPU 响应中断后，根据中断向量找到中断服务程序入口地址，执行中断服务程序。
- 优点：CPU 效率高，不必浪费时间查询外设状态，响应速度快。
- 缺点：硬件结构比程序查询方式复杂。
Q: 什么是 DMA 方式？它的原理和优缺点是什么？
A: DMA (直接内存访问) 方式是指在 DMA 控制器的控制下，数据直接在内存和外设之间进行高速传输，无需 CPU 干预。
- 原理：DMA 控制器向 CPU 请求总线控制权，获得总线控制权后，直接控制内存和外设之间的数据传输。
- 优点：数据传输速度快，CPU 效率高。
- 缺点：硬件结构复杂，需要 DMA 控制器。
I/O 设备
Q: 请列举一些常见的 I/O 设备类型，并简要描述它们的工作原理。
A: 常见的 I/O 设备包括：
- 输入设备：键盘、鼠标、扫描仪、麦克风等。
- 键盘：按下按键时，对应的电路闭合，产生相应的字符编码，发送给计算机。
- 鼠标：通过光电传感器或机械传感器检测鼠标的移动和点击，并将信息发送给计算机。
- 输出设备：显示器、打印机、音箱等。
- 显示器：通过电子枪发射电子束轰击屏幕上的像素点，使其发光显示图像。
- 打印机：激光打印机通过激光束在感光鼓上形成图像，然后将墨粉吸附到感光鼓上，再转印到纸张上。
- 存储设备：硬盘、光盘、U 盘等。
- 硬盘：通过磁头在磁盘表面读写数据。
- 光盘：通过激光束读写光盘上的数据。
- 网络设备：网卡、路由器、交换机等。
- 网卡：将计算机连接到网络，并进行数据传输。
I/O 系统性能指标
Q: I/O 系统的性能指标有哪些？
A: I/O 系统的主要性能指标包括：
- 带宽：指单位时间内传输的数据量，通常用字节/秒 (B/s) 或位/秒 (bps) 来表示。
- 延迟：指从发出 I/O 请求到数据传输完成所经历的时间，通常用毫秒 (ms) 或微秒 (μs) 来表示。
- 吞吐量：指单位时间内完成的 I/O 操作次数，例如每秒钟读写的磁盘块数。
- 响应时间：指从用户发出 I/O 请求到系统给出响应所经历的时间。