2019-12-26-I/O system-overview

一、输入输出系统的发展阶段

1. 早期阶段：分散连接；CPU和I/O设备串行工作，I/O设备与主机的信息交换必须通过CPU，具有以下特点

早期阶段

（1）每个I/O设备都必须配有一套独立的逻辑电路与CPU相连，用以实现I/O设备与主机的信息交换。

（2）输入输出过程是穿插在CPU执行程序过程之中进行的（程序查询方式），极其浪费时间。

（3）每个I/O设备的逻辑控制电路与CPU的控制器紧密构成一个不可分割的整体，不便于设备的删减。

早期程序程序查询方式

2. 接口模块和DMA阶段：总线连接；CPU与I/O设备并行工作

（1）接口模块：I/O设备通过接口模块与主机连接；在接口中都设有数据通路和控制通路。数据经过接口既起到缓冲作用，又可完成串-并变换。采用程序中断方式使I/O设备与CPU以并行的方式进行工作。虽然这个阶段实现了CPU与I/O设备并行工作，但是在主机与I/O设备交换信息时，CPU要中断现行程序（关于为何要中断先行程序，请看下面程序中断方式的介绍），即CPU与I/O设备还不能做到绝对的并行工作。

接口模块

（2）程序中断方式：I/O设备进行自身准备时，CPU不查询；I/O与主机交换信息时，CPU暂停现行程序，去处理中断服务程序，中断服务程序处理完成之后，继续执行程序。

程序中断方式

（3） DMA（Direct Memory Access）技术：I/O设备与主存直接交换信息，特点如下：

    1）主存和I/O之间有一条直接数据通道

    2）不中断现行程序

    3）周期挪用：在I/O准备完成之后，DMA请求一个总线周期，完成信息交换

DMA方式

3. 通道结构

    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：

（1） 如果每台I/O设备都配置专用的DMA接口，不仅增加了硬件成本，而且为了解决众多DMA接口同时访问主存的冲突问题，会使控制变得十分复杂。

（2）CPU需要对众多的DMA接口进行管理，同样会占用CPU的工作时间，而且因频繁地进入周期挪用阶段，也会直接影响CPU的整体工作效率。

    因此在大中型计算机系统中，采用I/O通道的方式来进行数据交换。

具有通道结构的计算机系统

    通道是用来负责管理I/O设备以及实现主存与I/O设备之间交换信息的部件，可以视为一种具有特殊功能的处理器。通道有专用的通道指令，能独立地执行用通道指令所编写的输入输出程序，但不是一个完全独立的处理器。它依据CPU的I/O指令进行启动、停止或改变工作状态，是从属于CPU的一个专用处理器。依赖通道管理的I/O设备在与主机交换信息时，CPU不直接参与管理，故提高了CPU的资源利用率。

4. I/O处理机

    输入输出系统发展到第四阶段，出现了I/O处理机。I/O处理机又称为外围处理机（Peripheral Processor），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，又可完成码制变换、格式处理、数据块检错、纠错等操作。具有I/O处理机的输入输出系统与CPU工作的并行性更高，I/O系统对主机来说具有更大的独立性。

二、输入输出系统的组成

1. I/O软件

（1）主要任务：

    1）将用户编制的程序（或数据）输入主机内。

    2）将运算结果输送给用户。

    3）实现输入输出系统与主机工作的协调等。

（2）I/O指令：机器指令的一类；操作码字段可作为I/O指令与其他指令（如访存指令、算逻指令、控制指令等）的判别代码，命令码体现I/O设备的具体操作，设备码是多台I/O设备的选择码。

I/O指令的一般格式

（3）通道指令：通道指令是对具有通道的I/O系统专门设置的指令；这类指令一般用以指明参与传送（写入或读取）的数据组在主存中的首地址；指明需要传送的字节数或所传送数据组的末地址；指明所选设备的设备码及完成某种操作的命令码。这类指令的位数一般较长。

2. I/O硬件

    输入输出系统的硬件组成是多种多样的，在带有接口的I/O系统中，一般包括接口模块及I/O设备两大部分。具有通道的I/O系统，一个通道可以和一个以上的设备控制器相连，一个设备控制器又可以控制若干台同一类型的设备。例如，IBM360系统的一个通道可以连接8个设备控制器，一个设备控制器又与8台设备相连，因此，一个通道可以管理64台设备。

具有通道的I/O系

参考文档：1. https://blog.csdn.net/dongyanxia1000/article/details/53785266

                  2. https://www.icourse163.org/learn/HIT-309001?tid=1206616250#/learn/content?type=detail&id=1211495299&cid=1214169767