输入输出系统

 输入输出系统的组成
　　输入输出系统应该由I/O软件和I/O硬件两部分组成。

1．I/O软件
　　输入输出系统软件的主要任务是：①如何将用户编制的程序(或数据)输入至主机内；②如何将运算结果输送给用户；③如何实现I/O系统与主机工作的协调等。

 (1)I/O指令。I/O指令是机器指令的一类，反映CPU与I/O设备交换信息的各种特点。是：操作码+ 命令码+设备码。其中，操作码字段可作为I/O指令与其他类指令(如访存指令、算逻指令、控制指令等)的判别代码；命令码用来体现I/O的具体操作；设备码是作为对多台I/O设备的选择码。

(2)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；通道指令也是通道自身的指令，用来执行I/O操作，如读、写、反读、磁带走带及磁盘找道等。I/O指令是CPU指令系统的一部分，是CPU用来控制输入输出操作的指令，由CPU译码后执行。

在具有通道结构的机器中，I/O指令不实现I/O数据传送，主要完成启、停I/O设备，查询通道和I/O设备的状态及控制通道所作的其他一些操作。具有通道指令的计算机，—旦CPU执行了启动I/O的指令后，就由通道来代替CPU对I/O的管理。

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

 

I/O设备与主机的联系方式

　　1．编址方式
　　通常将I/O设备码视为地址码，对I/O地址码的编址可采用两种方式：统一编址或不统—编址。 统一编址就是将I/O地址看作是存储器地址的一部分。如在64K地址的存储空间中，划出8K地址作为I/O的地址，凡是在这8K地址范围内的访问，就是对I/O的访问， 所用的指令与访存指令相似。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，但无需专用的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 。因此，设计机器时，需根据实际情况权衡考虑选取何种编址方式。
　　当设备通过接口与主机相连时，CPU可以通过接口地址来访问I/O设备。

　　2．设备寻址
　　由于每台设备都赋予一个设备号，因此，当要启动某一设备时，可由I/O指令的设备码字段直接指出该设备的设备号。通过接口电路中的设备选择电路，便可选中要交换信息的设备。

　　3．传送方式
　　在同一瞬间，n位信息同时从CPU输送至I/O设备，或由I/O设备输入到CPU， 这种传送方式叫做并行传送。其特点是传送速度较快，但要求数据线多，如16位信息并行传送，需16根数据线。
　　若在同一瞬间只传送一位信息，在不同时刻连续逐位传送一串信息，这种传送方式叫做串行传送。其特点是传送速度较慢，但它只需一根数据线和一根地线。当I/O设备与主机距离很远时，采用串行传送较为合理，例如远距离数据通讯。
　　不同的传送方式需配置不同的接口电路，如并行传送接口、串行传送接口或串并联用的传送接口等。用户可按需要选择合适的接口电路。

　　4．联络方式
　　按I/O设备工作速度的不同，可分为三种联络方式。
　　(1)立即响应方式。对于一些工作速度十分缓慢的I/O设备， 如指示灯的亮与灭；开关的通与断；A/D转换器缓变信号的输入等等。当它们与CPU发生联系时，通常都已使其处于某种等待状态，因此，只要CPU的I/O指令一到，它们使立即响应，故这种设备无需特殊联络信号，称作立即响应方式。
　　(2)异步工作采用应答信号联络。当I/O设备与主机工作速度不匹配时， 通常采用异步工作方式。这种方式在交换信息前，I/O与CPU各自完成自身的任务，一旦出现联络信号时，彼此才准备交换信息。

 

　　（并行传送的异步联络方式。）

　　（串行传送的异步联络方式。）

　　(3)同步工作采用同步时标联络。同步工作要求I/O设备与CPU的工作速度完全同步，例如在数据采集过程中，若外部数据以2400位/秒速率传送至接口，则CPU也必须以1/2400秒的速率接收每一位数。这种联络互相之间还得配有专用电路，用以产生同步时标来控制同步工作。

　　5．I/O与主机的连接方式
　　I/O设备与主机的连接方式通常有两种：辐射式和总线式。
　　采用辐射式连接方式时， 要求每台I/O设备都有一套控制线路和一组信号线，因此所 用的器件和连线较多，对I/O设备的增删都比较困难。这种连接方式大多出现在计算机发展的初期阶段。
　　在总线连接方式，通过一组总线(包括地址线、数据线、控制线等)，将所有的I/O设备与主机连接。这种连接方式是现代大多数计算机系统所采用的方式。

I/O与主机信息传送的控制方式

　　I/O设备与主机交换信息时，共有五种控制方式：程序查询方式、程序中断方式、直接存储器存取方式(DMA)、I/O通道方式、I/O处理机方式。

　　1．程序查询方式
　　程序查询方式是由CPU通过程序不断查询I/O设备是否已做好难备，从而控制I/O与主机交换信息。采用这种方式实现主机和I/O交换信息，要求I/O接口内设置一个能反映设备是否准备就绪的状态标记，CPU通过对此标记的检测，可得知设备的准备情况。这种方式使CPU和I/O处于串行工作状态，CPU的工作效率不高。

 　　2．程序中断方式
　　倘若CPU在启动I/O设备后，对设备是否已准备就绪不加过问，继续执行自身程序，只是当I/O设备准备就绪并向CPU发出中断请求后才予理睬。这将大大提高CPU的工作效率。

 

 　　3．DMA方式
　　在DMA方式中，主存与I/O设备之间有一条数据通路，主存与I/O设备交换信息时，无需处理中断服务程序。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的这种占有叫做“窃取”或“挪用”。窃取的时间一般为一个存储周期，故又把DMA占用的存取周期叫做“窃取周期”或“挪用周期”。而且，在DMA窃取存取周期时，CPU尚能继续作内部操作(如乘法运算)。可见，DMA方式与程序查询和程序中断方式相比，又进一步提高了CPU的资源利用率。