计算机组成与总线

计算机的三大核心部件为CPU、内存、I/O，总线是它们的连接纽带，分为PCI、前端总线、内存总线等。北桥芯片负责连接IO总线和CPU，起到桥接的作用，而前端总线也称为系统总线，是连接CPU与北桥的关键通道。内存总线则负责连接内存与北桥，确保内存数据的顺畅传输。

由于北桥的高速性能与IO总线的相对低速性能之间的差异，通常会引入南桥网桥。南桥上集成了众多外设控制器，如磁盘控制器和USB控制器等，以有效协调高速北桥与慢速IO总线之间的工作。

此外，总线本身分为数据总线、地址总线和控制总线。地址总线用于寻址操作，数据总线负责发送和接收数据，而控制总线则用于发送中断信号等控制指令。这种并行传输的方式，确保了I/O操作的高效性和稳定性。

I/O定义及理解

I/O是输入输出的简写，描述数据在计算机内部与外部设备之间的流动过程。这一过程不仅涉及数据的传输，更体现了计算机与外界的交互。理解I/O时，关键在于明确主体，因为不同的主体会对I/O的属性产生不同的解读。例如，人发出的指令是输入，而计算机的响应则是输出。

在计算机架构中，I/O描述了数据从存储设备到内存的转移过程。而从编程的角度来看，I/O操作通常被划分为IO调用和IO执行两个阶段，其中IO调用由进程发起，IO执行由操作系统负责完成。

同步与异步概述

同步IO要求进程等待操作系统的响应，而非阻塞IO则允许进程或线程在操作系统IO未就绪时执行其他任务。同步与异步是与消息通信机制相关的概念。同步意味着进程必须在发出IO调用后等待操作系统的完成通知，而异步则允许进程在请求IO操作后继续执行其他任务，操作系统会在完成后主动通知进程。

值得注意的是，阻塞与非阻塞是独立于同步与异步的概念，它们描述了进程在等待时的状态。

非阻塞与信号驱动IO

非阻塞IO允许进程在等待中运行其他任务，同时通过定期轮询检查就绪状态。以生活中类比，这样的进程就像是可以边钓鱼边做其他事情，但必须时常回来检查鱼竿，这就是一种轮询的过程。

信号驱动IO则通过信号机制来减少阻塞。在信号驱动IO中，进程通过告诉内核在数据准备就绪时发送信号，从而在不阻塞的情况下捕捉数据。这种方式下，应用进程无需持续监视描述符，也不必阻塞等待数据的到来。

多路复用与异步IO

多路复用（I/O multiplexing）是一种可以同时监控多个文件描述符的IO模型，通过select函数可以高效地监听多个文件描述符，等到任何一个就绪时进行处理。尽管多路复用本质上仍属于阻塞IO，但相比传统的阻塞IO，其效率有显著提升。

异步IO则是最高的非阻塞程度，模型允许进程发起IO请求后立即继续执行其他任务，而不必等待内核完成数据转移。在这种模型下，内核负责主动处理数据的转移，并在完成时通知进程。

总结来看，从阻塞程度来看，各IO模型从高到低排列为：阻塞IO，非阻塞IO，信号驱动IO，多路复用，异步IO。同时，它们的效率则相反，从低到高排列。下图清晰地展示了这一趋势。