输入输出系统
复习
- 控制器：控制器按时序发出控制信号，协调各部件
- 中央处理器：CPU 由运算器、寄存器和控制器构成，循环取指译码执行
- 计算机总线：总线让 CPU、存储器与外设共享一组通信线路
TL;DR
- I/O 接口在总线与外设之间缓冲和翻译
- CPU 可以等待设备，也可以让设备准备好后通知自己
- 大量数据可以由 DMA 直接在设备与主存之间搬运
正文
到现在为止，机器一直在关起门来计算。它没有键盘可听，没有屏幕可说，也无法把自己算出的东西告诉外面的世界。前面留下的输入与输出，终于轮到我们补上。
先加一个翻译者
CPU 的节奏很快，键盘可能几百毫秒才来一个按键；而硬盘一次又会送来一大块数据。让 CPU 亲自去适应每一种设备，会把控制器做得又乱又重。
所以在设备与总线之间，先加一位翻译者——I/O 接口。它负责：
- 暂存数据，缓和两边的速度差
- 把设备信号翻译成总线上的统一格式
- 保存设备当前是忙、就绪还是出错
有了接口，CPU 只需和接口打交道，不必关心键盘下面的按键究竟是怎样弹回来的。又是“加一层”：在计算机里，没有什么问题是加一层解决不了的。
怎么知道设备准备好了
最简单粗暴的办法是查询：CPU 反复读取状态，“好了吗？好了吗？”设备一就绪，再传数据。它容易实现，却把 CPU 的时间大量浪费在空等上。
更自然的办法，是让设备准备好后主动通知 CPU——这就是中断（interrupt）。CPU 可以先去忙别的事，听到通知再回来处理。
如果硬盘要搬一大批数据，连每个字节都让 CPU 转一次手也很浪费。于是有了 DMA（直接存储器访问）：DMA 控制器直接在设备与主存之间搬运，CPU 只负责告诉它从哪里搬、搬多少，并在完成时收到通知。
从查询，到中断，再到 DMA，CPU 亲手参与搬运的程度越来越低。这背后是一条清晰的主线：把 CPU 从繁琐的等待和搬运中解放出来，让它专注在真正需要它的计算上。
不过，“设备突然通知 CPU”意味着要打断正在运行的程序。下一章，我们就来看看机器怎样暂时离开一会儿，又如何准确地回到原处。
思考题 1
键盘更适合让 CPU 持续查询，还是在按键到来时发出中断？为什么？
思考题 2
查询、中断、DMA 三者其实都在回答同一个问题：“这段时间谁来盯着设备？”它们各自的答案是什么？
小结
知识点
- I/O 接口负责缓冲、转换与状态管理
- 查询会让 CPU 主动等待
- 中断让设备主动通知 CPU
- DMA 适合大批量数据传输
参考资料
- Wikipedia(zh)：输入/输出：计算机与外界交换数据的方式
- Wikipedia(zh)：直接存储器访问：设备与主存之间直接搬运数据
思考题答案（仅供参考）
思考题 1
通常适合中断。人的按键相对 CPU 极慢，而且到达时间完全不确定，让 CPU 持续查询会浪费大量周期。改成按键到来时再通知，CPU 平时就能继续执行其他工作。
思考题 2
查询的答案是“CPU 自己盯着”；中断的答案是“设备盯着，好了再喊 CPU”；DMA 的答案是“专门的小搬运工盯着并搬，CPU 只在完工时签字”。盯的人越来越专职，CPU 也就越来越自由。
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设计师 | 南国微雪