漫谈计算机组成原理（七）I/O系统

本文讲什么？

这个系列的文章其实可以分成两个部分，计算机系统的其他硬件结构和CPU。 而我们今天要讲述的内容，就是其他硬件结构中的最后一个部分——I/O（输入输出）系统。 这篇文章主要讲述的就是I/O系统的组成以及I/O系统的工作原理，下面就正式开始I/O系统之旅吧！

I/O设备的组成

说起输入输出系统，其实我们一点都不陌生。从我们开始接触计算机到现在，鼠标、键盘、显示器等可能是我们一直在使用的，但仅仅是这些设备并没有办法组成I/O系统，这只能算是I/O系统的一部分——外围设备（I/O硬件）。除了外围设备，I/O硬件还包括I/O接口。只有硬件没有软禁，这个系统只能是一堆废铁，所以，I/O软件和I/O硬件共同组成了计算机的I/O系统。

I/O软件

所谓I/O软件，简单讲就是用来控制I/O硬件的，分成I/O指令和通道指令两个部分。I/O系统的主要任务就是**将用户输入的数据经过处理转换成人能够识别的数据再输出。**就比如我现在正在努力的敲键盘，而通过键盘输入的字符经过输入法转换成汉字，最终显示在屏幕上，尽管有些不太准确，但大致上就这这样一个过程。

• I/O指令 I/O指令实际上是CPU指令的一部分，基本格式是这样的：【操作码|命令码|设备码】。操作码是一种控制指令，如访存、算数逻辑运算等，命令码是执行具体的指令，比如说算数逻辑运算中的加减乘除，而设备码就是外围设备在I/O系统中的编号。通过I/O指令，就能够实现对I/O设备的基本控制。

• 通道指令 说道通道指令，我们需要先了解一下I/O系统的发展史。 早期的I/O系统，因为设备较少，所以采用I/O设备直接与CPU连接的方式，很明显，设备一旦多了，就会对CPU造成严重的负担，所以有了接口这种连接方式；接口连接在I/O总线和I/O设备之间，起到了桥梁的作用，接口不但能够对数据进行缓冲，还能对中断进行处理，最终采用正确的逻辑，设备们就能分时占用CPU，大大的提高了速率。后来出现的DMA，同样起到了提高效率的作用，DMA能够在主存和I/O设备之间直接交换数据，进一步解放了CPU；虽然DMA方式不错，但是在大型机上面，I/O设备太多，交互十分频繁，CPU不但需要对众多的DMA进行管理，而且控制起来十分复杂，直接影响了CPU的效率，又有了通道这种结构。通道可以理解为一种特殊的处理器，功能和CPU类似，但肯定不如CPU强大，它的作用仅仅是处理经过通道的数据，减轻CPU负担而已。最后就是I/O处理机，这玩意独立于系统而存在，功能更加强大，但不是重点，就不展开介绍了。 继续说通道指令，通道指令是通道自身的指令，用来执行I/O指令，比如读写磁盘、控制I/O设备的工作状态等等。

I/O硬件

I/O硬件基本包括接口和I/O设备两个部分，上面说的其实已经十分全面了，就不再赘述。

I/O系统与主机的信息传输方式

我们之前讲的只是一个铺垫，这一章节最重要的还是主机和I/O系统之间的数据传输。 在讲之前需要先了解一下I/O设备与主机之间的连接方式。

• 分散连接（辐射式连接）：就是I/O系统发展阶段中的第一个阶段，各种设备都直接连接在主机上。这种方式不便于维护，成本相对较高。

• 总线连接：即用接口将总线和I/O设备连接起来，这样的便于增删设备。

I/O系统与主机的信息传输方式共有5种，这里我值介绍三种，即程序查询方式、程序中断方式、DMA方式。

程序查询方式

这种方式，一张图就很好说明了。

程序查询方式就是利用CPU向I/O设备发送读取指令，然后再检查I/O设备的状态，如果I/O设备已经准备就绪，则一个一个字节的将数据传输到CPU中；如果I/O设备没有准备就绪，则CPU将会不断的向I/O设备发送查询请求，直到I/O设备准备好了。 注意，在CPU不断查询的过程中，原有的程序是被打断了的，如果I/O设备没有准备好，那么原来执行的程序就不会执行，直到I/O设备就绪，且数据读取完毕，程序才会恢复。 上面说的是只有一个设备的情况，CPU会采取踏步查询的方式查询I/O设备是否准备好了。那么如果一个接口连接着多个I/O设备又当如何呢？如下图，当一个设备没有准备好的时候，就向下查询，然后如果还是没有准备好，则循环这个过程。

可以看到，这种方式存在非常鲜明的优先级问题，极端一些，如果第一个设备请求完成一次，接着就进行下一次请求，那么后面的设备可能永远也没有办法得到CPU的“临幸”。

程序中断方式

这种方式就要比第一种方式聪明了，上一种方式是由CPU占据主导地位，而这种方式是由I/O设备占据主导。 只有当I/O设备准备好了以后，才会向CPU发送一个中断请求，表示我已经准备好了，然后CPU执行中断，与I/O设备进行数据交互。 图示如下：

这种方式没有CPU的“原地踏步”式的查询，即CPU不会去等待设备准备好，而是设备准备好了，你直接通知CPU就好了，这无疑大大提高了效率。 注：中断程序的流程如下：保护现场-->中断服务-->恢复现场-->中断返回 这里额外讲述一下中断，实际上有两种中断方式，一种是单重中断，另外一种就是多重中断。

单重中断很好理解，就是中断现行的程序，转而去执行另外一个服务，而多重中断则是在单重中断的基础上建立的。一般来讲，I/O接口中的是否允许中断标记，在一个I/O设备发起中断后就关闭了，也就是不再允许设备中断现在的中断程序，如果遇到特殊情况，如遇到紧急事件需要处理，那么就会中断现在的中断。就叫做你多重中断。

DMA方式

DMA方式就如同一开始讲的那样，DMA直接与主存进行数据交互，不占用CPU的时钟周期，直接I/O设备之间建立通路，再次提升了效率。 我们来看一下DMA方式传送数据的过程：

如图所示，DMA传输数据的过程包括三个过程。 首先是预处理，找到I/O设备输入的数据要存放在主存中的地址，然后找到I/O设备的地址，接着设定数据传送的个数。 接着是数据传送，因为DMA方式并不占用CPU，所以可以在主程序执行的过程中，完成I/O设备的数据传送。 然后是后处理，即将DMA终结掉。

I/O接口

最后，我们来了解下起到了桥梁作用的I/O接口。

如上图所示，I/O接口由数据缓冲寄存器、设备选择电路、设备状态标记、命令寄存器和命令译码器组成。之所以说I/O接口起到了桥梁的作用，是指它一端连接了CPU，另一端则连接了I/O设备，能够有效的保证设备和CPU间 正确的数据交换。 接下来说一下各个模块的作用： 设备选择电路：这个电路是一种比较器，简单可以理解为CPU向接口发送了一个设备地址，而比较器就是拿着这个设备地址去判断究竟那个I/O设备的地址和这个地址相同，如果找到则建立连接。 命令寄存器和命令译码器：起到了传送命令的作用 数据缓冲寄存器：缓冲从I/O设备中读取到的信息，或者是把CPU中传给I/O设备的数据缓存。 设备状态标记：可以用于标记设备的工作状态、标记设备是否准备完成、标记是否可以向CPU发送中断请求等

总结

本文介绍了I/O系统的组成，重点在介绍三种数据的传送方式。希望能够帮助到大家更好的理解I/O系统，感谢阅读！ 喜欢我文章的同学，可以帮忙点个赞、关注一下我。 公众号：最高权限比特流