计算机组成原理 第四章（输入输出系统）—第一节（概述）

写在前面：

1. 本系列笔记主要以《计算机组成原理（唐朔飞）》为参考，大部分内容出于此书，笔者的工作主要是挑其重点展示，另外配合下方视频链接的教程展开思路，在笔记中一些比较难懂的地方加以自己的一点点理解（重点基本都会有标注，没有任何标注的难懂文字应该是笔者因为强迫症而加进来的，可选择性地忽略）。

2. 视频链接：计算机组成原理（哈工大刘宏伟）135讲（全）高清_哔哩哔哩_bilibili

一、输入输出系统的发展概况

1、早期阶段

（1）早期的I/O设备种类较少，I/O设备与主存交换信息都必须通过CPU。

（2）早期阶段的I/O设备有如下特点：

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（也就是分散连接），用来实现I/O设备与主机之间的信息交换，因此线路十分散乱、庞杂。

②输入输出过程是穿插在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PU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，很浪费时间。

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，它们彼比依赖、相互牵连，因此，欲增添、撤减或更换I/O设备是非常困难的。

2、接口模块和DMA阶段

（1）这个阶段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连接。

（2）通常，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。控制通路用以传送CPU向I/O设备发出的各种控制命令，或使CPU接受来自I/O设备的反馈信号。许多接口还能满足中断请求处理的要求，使I/O设备与CPU可按并行方式工作，大大地提高了CPU的工作效率。采用接口技术还可以使多台I/O设备分时占用总线，使多台I/O设备互相之间也可实现并行工作方式，有利于整机工作效率的提高。

（3）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。

（4）为了进一步提高 CPU的工作效率，又出现了直接存储器存取（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。

3、具有通道结构的阶段

（1）在大型计算机中，通常采用I/O通道的方式来进行数据交换。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。

（2）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。（当然，这也意味着通道的造价不会低）

（3）在大型计算机中I/O设备配置繁多，数据传送频繁，如果选择采用DMA方式进行数据传输，可能会出现一系列问题：

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。

②CPU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。

4、具有I/O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，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。

二、输入输出系统的组成

1、I/O软件

（1）输入输出系统软件的主要任务如下：

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软件包括驱动程序、用户程序、管理程序、升级补丁等。

（3）一般而言，当采用接口模块方式时，应用机器指令系统中的I/O指令及系统软件中的管理程序便可使I/O设备与主机协调工作；当采用通道管理方式时，除I/O指令外，还必须有通道指令及相应的操作系统。

（4）I/O指令：

①I/O指令是机器指令的一类（CPU指令的一部分），它能反映CPU与I/O设备交换信息的各种特点，比如它必须反映出对多台I/O设备的选择，以及在完成信息交换的过程中，对不同设备应做哪些具体操作等。

②下图所示的是I/O指令的一般格式，图中的操作码字段可作为I/O指令与其它指令（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（各台I/O设备应有不同的编号）。

③I/O指令的命令码一般可表述如下几种情况：

[1]将数据从I/O设备输入主机。例如将某台设备接口电路的数据缓冲寄存器中的数据读入CPU中的某个寄存器（如累加器ACC）。

[2]将数据从主机输出至I/O设备。例如将CPU的某个寄存器中的数据写入某台设备接口电路的数据缓冲寄存器内。

[3]状态测试。利用命令码检测各个I/O设备所处的状态是“忙”还是“准备就绪”，以便决定下一步是否可进入主机与I/O设备交换信息的阶段。

[4]形成某些操作指令（多条简单指令组成一条复杂指令）。不同I/O设备与主机交换信息时需要完成不同的操作，例如磁带机需要正转、反转、读、写、写文件结束等，磁盘驱动器需要读扇区、写扇区、找磁道、扫描记录标识符等。

（5）通道指令：

①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。

②通道指令又称通道控制字（CCW），它是通道用于执行I/O操作的指令，可以由管理程序存放在主存的任何地方，由通道从主存中取出并执行。

③通道程序即由通道指令组成的程序，它完成某种外围设备与主存之间传送信息的操作。

（6）通道指令是通道自身的指令，用来执行I/O操作，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。在具有通道结构的计算机中，I/O指令不实现I/O数据传送（数据传送由通道指令实现），主要完成启、停I/O设备，查询通道和I/O设备状态及控制通道所做的其它操作。具有通道指令的计算机，一旦CPU执行了启动I/O设备的指令，就由通道来代替CPU对I/O设备的管理。

2、I/O硬件

（1）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，下图所示的接口电路实际上包含许多数据传送通路和有关数据，还包含控制信号通路及相应的逻辑电路。

（2）下图所示的是具有通道的I/O系统示意图，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。

三、I/O设备与主机的联系方式

1、I/O设备编址方式

（1）通常将I/O设备码看作地址码，对I/O地址码的编址可采用统一编址或不统一编址两种方式。

①统一编址就是将I/O地址看作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。

（2）统一编址方式将会占用存储空间，减少主存容量，但无需有专用的I/O指令，不统一编址方式则相反，设计机器时需根据实际情况权衡考虑选取哪种编址方式。

（3）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

由于每台设备都被赋予一个设备号，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

（1）若在同一瞬间，n位信息同时从CPU输出至I/O设备，或由I/O设备输入CPU，这种传送方式称为并行传送，其特点是传送速度快，但要求的数据线数量多。

（2）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，这种传送方式称为串行传送，其特点是传送速度较慢，但只需一根数据线和一根地线。

（3）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

（1）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，如相互是否可以传送，传送是否已结束等等，这就是I/O设备与主机之间的联络问题。

（2）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设备与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。

        下图所示的是并行传送的异步联络方式。当CPU将数据输出到I/O接口后，接口立即向I/O设备发出一个“Ready”（准备就续）信号，告诉I/O设备可以从接口内取数据，I/O设备收到“Ready”后，通常便立即从接口中取出数据，接着便向接口回发一个“Strobe”信号，并让接口转告CPU，接口中的数据已被取走，CPU还可继续向此接口送数；同理，倘若I/O设备需向CPU传送数据，则先由I/O向接口送数据，并向接口发“Strobe”信号，表明数据已送出，接口接到联络信号后便通知CPU可以来取数，一旦CPU取走时，接口便向I/O设备发“Ready”信号，告诉I/O设备，数据已被取走，尚可继续送数。这种一应一答的联络方式称作异步联络。

        下图所示的是串行传送的异步联络方式，I/O设备与CPU双方设定一组特殊标记，用“起始”和“终了”来建立联系，下图中9．09ms的低电平表示“起始”，2×9.09ms的高电平表示“终了”。

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设备与主机的连接方式

（1）辐射式连接：每台I/O设备都有一套控制线路和一组信号线，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。

（2）总线式连接：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，对I/O设备的增删比较简单，这种连接方式是现代大多数计算机系统所采用的方式。

四、I/O设备与主机信息传送的控制方式

1、程序查询方式

（1）程序查询方式是由CPU通过程序不断查询I/O设备是否已做好准备，从而控制I/O与主机交换信息。

（2）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。

（3）下图示意了CPU欲从某一外设读数据块（例如从磁带上读一记录块）至主存的查询方式流程。

①当现行程序需启动某设备工作时，即将此程序流程插入到运行的程序中。

②CPU启动I/O后便开始对I/O的状态进行查询。若查得I/O未准备就绪，就继续查询；若查得I/O准备就绪，就将数据从I/O接口送至CPU，再由CPU送至主存，这样一个字一个字地传送，直至这个数据块的数据全部传送结束，CPU又重新回到原现行程序。

（4）由这个查询过程可见，只要CPU启动I/O设备，CPU便不断查询I/O的准备情况，从而终止了原程序的执行，CPU在反复查询过程中，犹如就地“踏步”。另一方面，I/O准备就绪后，CPU要一个字一个字地从I/O设备取出，经CPU送至主存，此刻CPU也不能执行原程序，可见这种方式使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

（1）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，这种方式就是程序中断方式。

（2）采用程序中断方式时，CPU启动I/O后仍继续执行原程序，在第K条指令执行结束后，CPU响应了I/O的请求，中断了现行程序，转至中断服务程序，等处理完后又返回到原程序断点处，继续从第K+1条指令往下执行。由于这种方式使原程序中断了运行，故叫程序中断方式。

（3）下图是采用程序中断方式从外设读数据块到主存的程序流程示意图。

①CPU向I/O设备发出读命令后，仍在处理其它一些事情（这时I/O设备应该还没准备好需要传送的数据）。

②当设备向CPU发出请求后（这时I/O设备已经准备好了需要传送的数据），CPU才从I/O接口读一个字经CPU送至主存（这是通过执行中断服务程序完成的）。

③如果I/O设备的一批数据（一个数据块的全部数据）尚未传送结束时，CPU再次启动I/O设备，命令I/O设备再作准备，一旦又接收到I/O设备中断请求时，CPU又重复上述中断服务过程，这样周而复始，直至一批数据传送完毕。

（4）程序中断方式在I/O进行准备时，CPU不必时刻查询I/O的准备情况，不会出现“踏步”现象，即CPU执行程序与I/O设备做准备是同时进行的，这种方式和CPU与I/O是串行工作的程序查询方式相比，其CPU的资源得到了充分的利用。

（5）CPU执行中断服务程序是需要暂停现行程序的，而且为了完成I/O设备与主存之间的信息交换，CPU的一些寄存器还要被占用，这同样是对CPU资源的消耗。对于快速I/O设备，如果每准备好一个字就给CPU发送一次中断请求，这样CPU将会花费大量时间来处理中断服务程序，以至于CPU的利用率严重下降，为此还需要另寻解决方案。

3、DMA方式

（1）如果I/O设备能直接与主存交换信息而不占用CPU，那么CPU的资源利用率显然又可进一步提高，这就出现了直接存储器存取的DMA方式。

（2）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。

（3）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”。另外，在DMA窃取存取周期时，CPU尚能继续做内部操作，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。

4、通道控制方式

（1）通道可以识别并执行一系列通道指令（通道指令的种类、功能通常比较单一）。

（2）下图所示的是采用通道控制方式的I/O系统结构（简图）及其工作流程。

①CPU向通道发出I/O指令，指明通道程序在内存中的位置，并指明要操作的是哪个I/O设备，之后CPU可以去做其它事情。

②通道执行存储在内存中的通道程序（由通道指令组成），控制I/O设备完成一系列任务。

③通道执行完成规定的任务后向CPU发送中断请求，之后CPU对中断进行处理。