I/O系统练习题

I/O 系统的基本功能：

1. 数据交换：

   • 在 CPU 和 I/O 设备间传输数据
   • 支持不同数据格式
   • 保证数据传输的可靠性

2. 设备控制：

   • 控制 I/O 设备的工作状态
   • 管理设备的启动和停止
   • 处理设备异常

3. 信息转换：

   • 转换数据格式
   • 适配不同设备接口
   • 处理信号电平转换

4. 设备管理：

   • 管理设备资源
   • 处理设备冲突
   • 提供设备驱动

5. 错误处理：

   • 检测设备错误
   • 处理传输错误
   • 提供错误恢复机制

输入设备：

1. 键盘：字符输入设备，支持多种输入法
2. 鼠标：图形界面输入设备，支持点击、拖拽
3. 扫描仪：图像输入设备，支持 OCR 文字识别
4. 摄像头：视频输入设备，支持实时视频传输
5. 麦克风：音频输入设备，支持语音识别

输出设备：

1. 显示器：图像输出设备，支持不同分辨率
2. 打印机：文字和图像输出设备，支持彩色打印
3. 音箱：音频输出设备，支持立体声
4. 投影仪：大屏幕显示设备，支持高分辨率
5. 绘图仪：图形输出设备，用于工程绘图

外部存储器：

1. 硬盘：大容量存储设备，支持快速读写
2. 光盘：便携存储设备，支持只读和可写
3. U 盘：便携存储设备，支持热插拔
4. 存储卡：小型存储设备，用于数码设备
5. 磁带：大容量备份设备，成本低

I/O 接口的主要功能：

1. 信号转换：

   • 转换信号电平
   • 适配不同设备接口
   • 处理信号时序

2. 数据缓冲：

   • 缓存传输数据
   • 平衡速度差异
   • 提高传输效率

3. 设备控制：

   • 控制设备工作状态
   • 管理设备寄存器
   • 处理设备中断

4. 协议转换：

   • 转换数据传输协议
   • 适配不同设备标准
   • 保证兼容性

5. 错误处理：

   • 检测传输错误
   • 提供错误恢复机制
   • 保证数据传输可靠性

6. 资源管理：

   • 管理接口资源
   • 处理设备冲突
   • 优化资源使用

三种 I/O 方式的区别：

1. 程序查询方式：

   • 工作原理：CPU 主动轮询设备状态
   • CPU 利用率：低，CPU 大部分时间在等待
   • 实现复杂度：简单，易于实现
   • 适用场景：简单系统，低速设备
   • 效率：最低，CPU 浪费严重

2. 程序中断方式：

   • 工作原理：设备就绪时中断 CPU
   • CPU 利用率：高，CPU 可以执行其他任务
   • 实现复杂度：中等，需要中断处理
   • 适用场景：大多数 I/O 设备
   • 效率：较高，CPU 利用率好

3. DMA 方式：

   • 工作原理：数据在内存和外设间直接传输
   • CPU 利用率：最高，CPU 只发起和结束控制
   • 实现复杂度：复杂，需要 DMA 控制器
   • 适用场景：高速设备，大块数据传输
   • 效率：最高，CPU 负担最轻

性能比较：

• DMA > 中断 > 程序查询
• 复杂度：DMA > 中断 > 程序查询
• 成本：DMA > 中断 > 程序查询

I/O 端口编址的两种方式：

1. 统一编址：

   • 特点：内存和 I/O 统一编址
   • 地址空间：共享同一地址空间
   • 指令：使用相同的访问指令
   • 优点：指令简单，编程方便
   • 缺点：地址空间被分割，内存空间减少
   • 应用：大多数现代计算机

2. 独立编址：

   • 特点：内存和 I/O 分别编址
   • 地址空间：各自独立的地址空间
   • 指令：使用专门的 I/O 指令
   • 优点：地址空间独立，内存空间完整
   • 缺点：指令复杂，需要专门的 I/O 指令
   • 应用：早期计算机，某些嵌入式系统

比较：

• 地址空间：独立编址保护内存空间
• 指令复杂度：统一编址指令简单
• 编程便利性：统一编址编程方便
• 硬件复杂度：独立编址硬件复杂

不同 I/O 方式对系统性能的影响：

1. 程序查询方式：

   • CPU 利用率：极低，CPU 大部分时间在等待
   • 响应时间：长，需要轮询等待
   • 吞吐量：低，无法充分利用 CPU
   • 适用场景：简单系统，低速设备

2. 程序中断方式：

   • CPU 利用率：高，CPU 可以执行其他任务
   • 响应时间：中等，中断响应时间
   • 吞吐量：较高，CPU 利用率好
   • 适用场景：大多数 I/O 设备

3. DMA 方式：

   • CPU 利用率：最高，CPU 负担最轻
   • 响应时间：短，直接传输
   • 吞吐量：最高，适合大块数据传输
   • 适用场景：高速设备，大块数据传输

4. 性能优化建议：

   • 选择合适的 I/O 方式：根据设备特点选择
   • 优化中断处理：减少中断开销
   • 使用 DMA：对于大块数据传输
   • 平衡考虑：考虑成本、复杂度、性能

5. 系统影响：

   • 整体性能：I/O 方式影响系统整体性能
   • 用户体验：影响系统响应速度
   • 资源利用：影响 CPU 和 I/O 设备利用率

计算过程：

1. 数据传输速率：1MB/s = 1,048,576 字节/秒

2. 中断频率：

   • 假设每次传输 1KB 数据
   • 中断频率 = 1,048,576 ÷ 1,024 = 1,024 次/秒

3. CPU 时间消耗：

   • 每次中断处理时间：10μs = 10 × 10^-6 秒
   • 每秒 CPU 时间消耗：1,024 × 10 × 10^-6 = 0.01024 秒

4. CPU 利用率：

   • CPU 利用率 = 0.01024 ÷ 1 = 1.024%
   • 即 CPU 只有 1.024%的时间用于 I/O 处理

5. 分析：

   • CPU 利用率很低
   • 大部分时间可以执行其他任务
   • 中断方式效率较高

多方式 I/O 系统设计：

1. 系统架构：

   • I/O 控制器：管理不同 I/O 方式
   • 设备接口：统一设备接口
   • 中断控制器：管理中断请求
   • DMA 控制器：管理 DMA 传输

2. 方式选择：

   • 低速设备：使用程序查询方式
   • 中速设备：使用中断方式
   • 高速设备：使用 DMA 方式
   • 动态选择：根据传输量动态选择

3. 资源管理：

   • 中断管理：分配中断号，处理中断冲突
   • DMA 管理：分配 DMA 通道，管理传输
   • 设备管理：设备注册、初始化、释放

4. 性能优化：

   • 缓存机制：减少 I/O 次数
   • 批量传输：提高传输效率
   • 优先级管理：重要设备优先

5. 错误处理：

   • 超时处理：处理设备故障
   • 错误恢复：自动重试机制
   • 状态监控：监控设备状态