【计算机组成原理】计算机系统的硬件结构输入输出系统

学习目标：对输入输出系统有一个较清晰的认识,加深对整机工作的理解。

一、输入输出系统概况

输入输出系统的发展大致可分为4个阶段。

1.早期阶段
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.接口模块和DMA阶段
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结构。

（DMA英文全称是Direct Memory Access，意思是直接存储器访问。他的作用就是不需要经过CPU进行数据传输，也就是替CPU分担点事情做，什么事情据传输方面的事情。也就是说，你只要使能并配置好了DMA，DMA就可以将一批数据从源地址搬运到目的地址去而不经过CPU的干预，这样可以为CPU节省好多精力去干更重要的事情）

3.具有通道结构的阶段
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，通道是用来负责管理1/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。

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(Per-ipheralProcessor),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。

输入输出系统的组成

输入输出系统由I/O软件和0硬件两部分组成。

1.I/O软件
输人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。

(1) I/O指令
I/O指令是机器指令的一-类,其指令格式与其他指令既有相似之处,又有所不同。

I/O指令的命令码-般可表述如下几种情况。，
●将数据从I/O设备输入主机。
●将数据从主机输出至I/O设备。例如，将CPU的某个寄存器(如ACC)中的数据写人某台设备接口电路的数据缓冲寄存器内。
●状态测试。利用命令码检测各个I/O设备所处的状态是“忙”(Busy)还是“准备就绪”(Ready),以便决定下一步是否可进入主机与LO设备交换信息的阶段。
●形成某些操作命令。不同I/O设备与主机交换信息时,需要完成不同的操作。

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

I/O设备与主机交换信息和CPU与主存交换信息相比,有许多不同点。例如,CPU如何对I/O设备编址;如何寻找I/O设备号;信息传送是逐位串行还是多位并行;I/O设备与主机以什么方式进行联络,使它们彼此都知道对方处于何种状态;I/O设备与主机是怎么连接的，等等。这一系列问题统称为I/O设备与主机的联系方式。

1.I/O设备编址方式
通常将I/O设备码看做地址码,对I/O地址码的编址可采用两种方式:统-编址或不统一编址。统一编址就是将I/O地址看做是存储器地址的一部分。

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输出至I/O设备,或由I0设备输人到CPU,这种传送方式称为并行传送。其特点是传送速度较快,但要求数据线多。例如,16位信息并行传送需要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,这种传送方式称为串行传送。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,例如远距离数据通信。

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
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。这就是I/O设备与主机之间的联络问题。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人等,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,它们便立即响应,故这种设备无须特殊联络信号,称为立即响应方式。

(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,彼此才准备交换信息。

(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。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
I/O设备与主机的连接方式通常有两种:辐射式和总线式。

I/O设备大致可分为三类。

(1)人机交互设备
它是实现操作者与计算机之间互相交流信息的设备,能将人体五官可识别的信息转换成机器可识别的信息,如键盘、鼠标、手写板、扫描仪、摄像机、语音识别器等。反之,另一类是将计算机的处理结果信息转换为人们可识别的信息,如打印机、显示器、绘图仪、语音合成器等。

(2)计算机信息的存储设备
系统软件和各种计算机的有用信息,其信息量极大,需存储保留起来。存储设备多数可作为计算机系统的辅助存储器,如磁盘光盘、磁带等。

(3)机 – 机通信设备
它是用来实现一台计算机与其他计算机或与其他系统之间完成通信任务的设备。例如，两台计算机之间可利用电话线进行通信,它们可以通过调制解调器(Modem)完成。

(1)数据线
数据线是I/O设备与主机之间数据代码的传送线,其根数一般等于存储字长的位数或字符的位数,它通常是双向的,也可以是单向的。若采用单向数据总线,则必须用两组才能实现数据

(2)设备选择线
设备选择线是用来传送设备码的,它的根数取决于I/O指令中设备码的位数。如果把设备码看做是地址号,那么设备选择线又可称为地址线。

(3)命令线
命令线主要用以传输CPU向设备发出的各种命令信号,如启动、清除、屏蔽、读、写等。它是一组单向总线,其根数与命令信号多少有关。

(4)状态线
状态线是将I/O设备的状态向主机报告的信号线,例如，设备是否准备就绪,是否向CPU.发出中断请求等。它也是一组单向总线。

2.接口的功能
根据上述设置接口的理由,可归纳出接口通常应具有以下几个功能。
(1)选址功能
(2)传送命令的功能
(3)传送数据的功能
(4)反映I/O设备工作状态的功能

来源：gxhlh