【计算机组成原理】输入输出（I/O）系统总结

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【此部分内容与总线部分的知识联系密切，总线相关知识详细见本栏文章《总线系统总结——基本知识要点汇总》】

最近更新：

2021计算机统考408考纲计算机组成原理学科考察目标

2021计算机统考408计算机组成原理考纲变动情况 2021计算机统考408考纲对输入输出（I/O）系统部分考察要求

发展：

早期阶段：I/O设备种类较少，I/O设备与主存信息交换须通过CPU（即I/O设备与CPU直接串行相连） 每个I/O设备都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，线路散乱复杂；CPU运算耗费时间长；增添、撤减或更换I/O设备困难

接口模块和DMA阶段：I/O设备通过接口模块与主机连接（采用总线结构）

通道结构阶段：通道是用来负责管理I/O设备，实现主存与I/O设备间信息交换的部件，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，能独立地执行用通道指令编写的输入输出程序，但不是完全独立的处理器，它依据CPU的I/O指令进行启动、停止或改变工作状态，是一个从属于CPU的专用处理器。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

I/O处理机阶段：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的并行性更高，有更大的独立性

【详细见本栏文章《总线系统总结——基本知识要点汇总》总线结构部分】

组成： I/O软件与I/O硬件，即外部设备、接口总线、总线以及相应的管理软件统称为计算机的输入输出系统，简称I/O系统

基本功能：

概况说即完成信号转换、数据暂存、地址译码、控制设备、暂存设备状态等功能

特点：

性能：

基本结构：

功能：

I/O端口及其编址： 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两种方式：统一编制或不统一编址，详细见下文I/O设备同主机的联系方式

I/O端口： 接口电路中可被CPU直接访问的寄存器，主要有

I/O设备编址方式： 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两种方式：统一编制或不统一编址

设备寻址： 每台设备都赋予一个设备号，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

传送方式： 串行方式或并行方式

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

不需要定时的设备采用立即响应方式，只要指令一到，它们便立即响应

异步定时工作采用应答信号联络

同步定时工作采用同步时标联络

不同速度I/O设备与CPU的定时与控制详细见下文，与总线相关知识详细见本栏文章《总线系统总结——基本知识要点汇总》总线通信与总线控制部分

I/O设备与主机的连接方式：

由于不同I/O设备速度差异很大，为保证CPU与外部设备工作有序，在进行数据传送时，对于不同速度的外围设备，需要有不同的定时方式与控制方式

简单外围设备：

CPU和这类设备的数据交换不需要定时，CPU认为它们始终处于就绪状态，例如机械开关， CPU认为输入设备的数据一定就绪，因为只要根据开关的闭/合就可以输入0/1信号

CPU和这类设备的数据交换一般采用无条件传送方式

慢速外围设备：

高速外围设备：

在程序的适当位置直接安排I/O指令，当程序执行到这些I/O指令时，CPU默认外设始终是准备就绪的（I/O总是准备好接收CPU的输出数据，或总是准备好向CPU输入数据），无需检查I/O的状态，就进行数据的传输

中断I/O方式概述：

中断概念： 计算机执行现行程序的过程中，出现某些急需处理的异常情况或特殊请求，CPU暂时中止现行程序，转而处理异常或特殊请求，处理完毕后CPU又自动返回现行程序断点处

中断过程（可屏蔽中断）：

单重中断（单极中断）：

多重中断（多级中断）：

多重中断与单重中断的区别在于多重中断在保护现场后需要开中断，以便响应更高优先级的中断请求，而在恢复现场前又需要关中断，恢复现场的过程不能被中断

DMA方式概述：

DMA概念： 直接内存访问技术，在DMA方式下，外部设备利用专门的接口电路直接和内存进行高速的数据交换，不需要CPU的干预。这样在进行数据传输时就不需要像中断那样要进行保护断点之类的一系列操作，使CPU的利用率得到大幅度的提高

DMA特点：

基本DMA控制器：

DMA传送过程： 如果外设向内存传送一个数据块（输入过程），使用DMA方式时，系统按照下面的过程动作：

DMA传送方式：

DMA方式与中断方式对比：

通道概念： 是能够专门执行I/O指令的处理机，它可以实现对外围设备的统一管理，以及外设与主存之间的数据传输

通道的基本功能： 执行通道指令，组织外围设备和内存进行数据传输，按I/O指令要求启动外围设备，向CPU报告中断等，具体含以下几项任务：

I/O处理机： 是通道方式的进一步发展，它的结构更接近于一般处理机

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