计算机组成原理———I\O系统精讲＜1＞

本篇文章主要介绍输入输出系统的发展概况

一.输入输出系统的发展概况

1.早期阶段

该阶段的特点是I/O设备与主存交换信息都必须通过CPU
当时的I/O设备有如下几个特点：
（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，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）输入输出过程穿插在CPU执行程序过程中进行，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设备和CPU按串行方式工作，极浪费时间
（3）每个I\O设备的逻辑控制电路与CPU的控制器构成不可分割的整体，彼此相互牵连，相互依赖，因此增添，撤减或者更换I\O设备非常困难

阶段特征：硬件价格昂贵，机器运行速度不高，配置的I\O设备不多，主机与I/O设备之间交换的信息量不大，计算机应用尚未普及

2.接口模块和DMA阶段

（1）接口模块阶段

接口中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以完成串并变换。

控制通路用于传送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，大大提高了CPU的工作效率，接口技术可以使多台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

阶段特征：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

（2）DMA阶段

DMA,又称直接存储器存取技术，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，而不用再通过CPU，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，资源利用率得到了进一步的提高

3.具有通道结构的阶段

DMA方式在小型和微型计算机中可以实现高速I\O设备与主机之间成组数据的交换，但是在大中型计算机中，I\O设备配置繁多，数据传送频繁，采用DMA方式会出现一系列问题：

问题1：每台I\O设备都配置专用DMA接口，增加了硬件成本
问题2：为了解决众多DMA接口同时访问主存的冲突问题，控制会变得十分复杂
问题3：CPU对众多的DMA接口管理，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会影响CPU的整体工作效率

因此在大中型计算机系统中，采用I\O通道的方式进行数据交换

通道是用来负责管理I\O设备以及实现主存与I\O设备时间交换信息的部件，可以视为一种具有特殊功能的处理器。通道有专用的通道指令，能独立的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。它根据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

阶段特征：CPU不直接参与I\O设备管理而是依赖通道进行管理，提高了CPU的资源利用率

4.具有I\O处理机的阶段

I\O处理机又称为外围处理机，基本独立于主机工作。既可完成I/O通道要完成的I\O控制又可以完成码制变换，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

下期预告：I\O系统组成及I\O设备与主机的联系方式