计算机组成原理学习笔记——输入输出系统整章概述

---

一、输入输出系统的发展概况

1. 早期阶段

早期采用的是分散连接的方式。
每一个设备都有专门的控制线路，这些控制电路甚至和CPU的控制电路设计在一起。这个时候增加外部设备就很难，但是当时外部设备的数量比较少，价格和又比较昂贵，所以这种设计应用了很长时间

这个时候外部设备和主机的连接主要是采用程序查询的方式，在这个方式当中CPU的工作和I/O的工作是串行进行的,.I/O设备进行输入输出的时候，CPU必须运行相应的程序或者是处在停等状态.

出现的问题
这个阶段种，计算机系统硬件的价格十分昂贵，机器运行速度也不高，配置的I/O设备不多，主计算机应用也尚未普及。

2. 接口模块和DMA阶段

随着计算机的发展，外部设备越来越多，外部设备也在一直发展，这种情况下就出现了 I/O接口和DMA控制器，由I/O接口和DMA控制器与主机CPU相互配合完成数据的输入和输出操作，连接方式也发生了变化，采用总线方式进行连接。I/O设备通过接口连接在总线上，一个总线可以连接多个设备，总线另外一端和主机相连。

这种情况下I/O设备和主机CPU的信息传输方式也发生了变化，要求CPU和I/O之间要进行并行的工作，也就出现了另外两种信息传输方式：中断方式和DMA方式

出现的问题
虽然这个阶段实现了CPU与I/O设备并行工作，但是主机与I/O交换信息时，CPU要中断现行的程序，即CPU与I/O设备还不能做到绝对的并行工作。

3. 具有通道结构的阶段

“通道”可以认为是简单的处理器或者是一个小型的DMA控制器，它能够执行通道程序，控制连接在通道上的I/O设备和主机之间直接进行信息传输

出现的问题
在小型和微型计算机中，采用DMA方式可实现高速I/O设备与主机之间成组数据的交换，但在大中型计算机中，I/O设备配置繁多，数据传送频繁，若仍采用DMA方式会出现一系列问题。

4. 具有I/O处理机的阶段

I/O处理机又称为外围处理机，它基本独立于主机工作，既可完成I/O通道要完成的I/O控制，又可完成编码制变换、格式处理、数据块检错等操作。具有I/O处理机的输入输出系统与CPU工作的并行性更高。

5. 总结

随着输入输出系统的发展，数据的输入输出操作逐渐的从CPU当中分离出来，外部设备的独立性越来越强。

二、 输入输出系统的组成

1. I/O软件

(1) I/O指令 ：CPU指令的一部分

(2) 通道指令 ： 通道自身的指令

指出数组的首地址、传送字数、操作命令
比如 IBM/370通道指令为64位

2. I/O硬件

三、 I/O设备与主机的联系方式

1. I/O设备的编址方式

I/O设备是有地址的，主机要和I/O设备进行联系的话，主机必须要给出I/O设备的地址。首先就需要对I/O设备进行编址。

I/O设备的编址有两种方式

(1) 统一编址

就是把I/O设备的地址堪称内存地址的一部分 。用取数、存数指令

(2) 不统一编址/单独编址

在内存地址空间之外专门设置一个地址空间。有专门的I/O指令。

2. 设备选址

编址以后我们就需要选址了，用设备选择电路识别是否被选中

只要把CPU给出的地址和设备当中保存的字节地址相比较，如果是相同的那这个设备就被选中了。

3. 传送方式

设备被选中之后，信息就开始传送了，传送方式也有多种。

(1) 串行传输，数据一位一位的进行传输，传输速度比较慢，但适合远程传输
(2) 并行传输，同时又位数据在数据线上进行传送，通常数据线也有多条

4. 联络方式

主要是外部设备接受或者发送数据的详细情况

(1) 立即响应

对于一些结构简单的设备，状态和数量都比较少，那么接受到或者输入数据的话可以直接进行解释，比如LED灯。

(2) 异步工作

一般采用应答信号，可以并行传输也可以串行传输

(3) 同步工作

采用同步定宽定步时钟

5. I/O设备与主机的连接方式

(1) 辐射式连接

(2) 总线连接

便于增删设备

四、 I/O设备与主机信息传送的控制方式

1. 程序查询方式

CPU和外设采用串行方式工作

在数据准备的过程中，CPU一直处于原地踏步的状态，这样极大的降低了CPU的效率。

程序查询方式是最早的一种方式

2. 程序中断方式

CPU在一定程度上从输入输出的过程当中解放出来

CPU实现了和I/O设备之间部分的并行工作。

当I/O准备好输入或者输出数据以后，就会向CPU提出一个中断请求，让CPU停止对当前程序的执行，转而对I/O设备进行信息交换

这个图的意思是CPU在执行第K条指令的时候收到了外部设备发来的中断请求，执行外第K条指令以后，执行完当前指令就会断连，跳转到中断服务程序，来完成数据的输入和输出操作，执行完之后CPU又转会到之前执行的程序中。

程序中断方式流程

CPU没有原地等待的现象，但是在原来现场(原程序链)恢复的时候，依然会消耗CPU较大的时间

程序中断方式是对程序查询方式的一种改进。

3. DMA方式

在程序查询方式和程序中断方式中，内存和I/O设备分别在CPU的两端，如果内存和I/O设备要进行数据交换，必须要经过CPU，所以即使在中断的过程当中，需要CPU通过执行程序的方式对主机进行输入和输出

DMA方式可以把CPU进一步从输入输出种解放出来，使外部设备和内存之间可以建立直接的联系，由DMA控制器直接控制外部设备与内存进行连接。

主存和I/O之间有一条直接数据通道，不中断现行的程序

周期窃取/周期挪用

DMA控制主存和外设之间进行数据交换，那么一定会使用到总线包括地址线、数据线、控制线，如果DMA要利用这些进行数据交换，那么CPU就要把总线的控制权让出来
让出的时间，就是一个存周期，在这个存取周期当中，如果DMA需要完成I/O和内存之间的数据交换，那么这个周期就交给DMA使用，同样总线的控制权也交给DMA。

4. 三种工作方式效率的总结

1.程序查询方式
由CPU通过程序不断查询I/O设备是否准备就绪，从而控制I/O设备与主机交换信息。采用这种这种方式实现主机与I/O设备交换信息，要求I/O接口类设置一个能反映I/O设备是否准备就绪的状态标记，CPU通过对此标记的检测，可得知I/O设备的准备情况。
只要一启动I/O设备，CPU便不断查询I/O设备的准备情况，从而中止了原程序的执行。CPU在反复的查询过程中，犹如原地踏步。另一方面，I/O设备准备就绪后，CPU要一个字一个字地从I/O设备取出，经CPU送至主存，此刻CPU也不能执行原程序，可见这种方式使CPU和I/O设备处于穿行工作状态，CPU的效率不高。

2.程序中断方式
只是当I/O设备准备就绪并向CPU发出中断请求后才予以响应，这将大大提高CPU的工作效率。
采用这种方式，CPU和I/O接口不仅在硬件方面需要增加相应的电路，而且在软件方面还必须编制中断服务程序。而且CPU在相应中断请求后，必须停止现行程序而转入中断服务程序，并且为了完成I/O设备与主存交换信息，还必须占用CPU内部的寄存器，消耗CPU的资源。

3.直接存储器（DMA）方式
主存与I/O设备间有一条数据通路，主存和I/O设备交换信息时，无需调用中断服务程序。若出现DMA和CPU同时访问主存，CPU总是将总线占有权让给DMA，通常把DMA的这种占有称为窃取或挪用。窃取的时间一般为一个存取周期，故又把DMA占用的存取周期称为窃取周期或挪用周期。而且，在DMA窃取存取周期时，CPU尚能继续做内部操作（不需要访存的操作，如乘法运算）。