计算机组成原理之机器：输入输出系统

笔记来源：哈尔滨工业大学计算机组成原理（哈工大刘宏伟）

Chater3：输入输出系统

3.1 输入输出系统的发展概况

早期阶段
外部设备与主机之间采用分散连接，即每一个设备都有专门的控制线路，这些控制电路和CPU控制电路设计在一起，增加或删除设备很难
输人输出过程是穿插在CPU执行程序过程之中进行的，当I/O设备与主机交换信息时，CPU不得不停止各种运算，因此，I/O设备与CPU是按串行方式工作的，极浪费时间。
外部设备和主机的信息交换采用程序查询方式

接口模块和DMA阶段
外部设备通过接口模块与主机连接，计算机系统采用总线结构，CPU和I/O设备并行工作。

虽然这个阶段实现了CPU和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，即CPU与I/O设备还不能做到绝对的并行工作。为了进一步提高CPU的工作效率，又出现了直接存储器存取(Direct Memory Access,DMA)技术，其特点是I/O设备与主存之间有一条直接数据通路，I/O设备可以与主存直接交换信息，使CPU在I/O设备与主存交换信息时能继续完成自身的工作，故资源利用率得到了进一步提高。

具有通道结构的阶段
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
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，因此采用I/O通道方式进行数据交换

具有I/O处理机（外围处理机）的阶段
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，这说明I/O系统对主机来说具有更大的独立性。

3.2 输入输出系统的组成

输入输出系统由I/O软件和I/O硬件组成
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）
通道程序即由通道指令组成，它完成某种外围设备与主存之间传送信息的操作。

I/O硬件
硬件组成一般包括接口模块以及I/O设备两部分

3.3 I/O设备与主机的联系方式

I/O设备是有地址的，若要与主机连接必须要给出I/O设备的地址
I/O设备编址方式
（1）统一编址
统一编址就是将I/O地址看做是存储器地址的一部分。例如，在64K地址的存储空间中，划出8K地址作为I/O设备的地址，凡是在这8K地址范围内的访问，就是对I/O设备的访问，所用的指令与访存指令相似。
（2）不统一编址
不统一编址就是指I/O地址和存储器地址是分开的，所有对I/O设备的访问必须有专用的I/O指令。

显然统一编址占用了存储空间，减少了主存容量，但无须专用的I/O指令。
不统一编址由于不占用主存空间，故不影响主存容量，但需设I/O专用指令。

设备选址
用设备选择电路识别是否被选中
传送方式
串行和并行

联络方式
不论是串行传送还是并行传送，I/O设备与主机之间必须互相了解彼此当时所处的状态，如是否可以传送、传送是否已结束等。