计算机组成原理 — 输入输出系统

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输入输出系统

大家好呀！我是小笙，本章我主要分享计算机组成原理的输入输出系统知识，主要讲解 I/O 设备与主机传送的三种控制方式（程序查询、中断、DMA方式），希望内容对你有所帮助！

概述

发展概况

• 早期阶段：I/O 设备与主存交换信息都必须通过CPU

  

• 接口模块和DMA阶段：I/O 设备通过接口模块与主机连接，计算机系统采用了总线结构

  

• 具有通道结构的阶段：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

  

• 具有I/O处理机的阶段：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

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输入输出系统的组成

I/O软件

• I/O指令（机器指令的一种）

  
  • 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
  • I/O指令的设备码相当于设备的地址

• 通道指令（通道自身的指令）

  对具有通道的I/O系统专门设置的指令，这类指令一般指出数据组的首地址、传送字数、操作命令

• 上述两者的区别

  • 通道指令是通道自身的指令，用来执行I/O操作，如读、写、磁带走带及磁盘找道等
  • 而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

I/O硬件（了解）

计算机系统中用于与外部设备进行数据传输的物理设备。这些硬件组件使得计算机能够与用户、存储设备、网络以及其他计算机进行交互

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I/O 设备和主机的联系方式

I/O 设备编址方式

• 统一编制（用取数、存数指令）

  统一编址就是将 I/O 地址看做是存储器地址的一部分

• 不统一编址（有专门的 I/O 指令）

  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

设备寻址

用设备选择电路识别是否被选中

传送方式

• 串行：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
• 并行：在同一瞬间，n 位信息同时从CPU输出至 I/O 设备

联络方式

• 立即响应：主要事对于一些工作速度十分缓慢的 I/O 设备，当他们与 CPU 发生联系的时候，通过都已经处于等待的状态，只要 CPU 的 I/O 指令一到就会立即响应

• 异步工作采用应答信号

  主要应对一些 I/O 设备与主机工作速度不匹配的时候，通常采用异步工作方式

  

• 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

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I/O设备与主机的连接方式

辐射式连接

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（计算机发展的初级阶段）

总线连接

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（现代大多数计算机系统所采用的方式）

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I/O设备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5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

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 设备是否已做好雅备，从而控制 I/O 设备与主机交换信息

缺少：CPU 和 I/O 处于串行传输，CPU 的工作效率不高

程序中断方式

徜若CPU在启动I/O设备后，不查询设备是否已准备就绪，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以响应，这将大大提高CPU的工作效率