第五章 输入输出系统
除了CPU和存储器两大模块外，计算机硬件系统的第三个关键部分即是输入输出模块，又称输入输出系统。本章重点分析I/O与主机交换信息的三种控制方式(程序查询、中断和DMA)及其相应的接口功能和组成，并对几种常用的I/O设备也作简单介绍。
第一节 概 述
一、输入输出系统的发展概况
输入输出系统的发展大致可分为四个阶段。
1．早期阶段
早期的I/O设备种类较少， I/O设备与主机交换信息都必须通过CPU，如下图所示。
这种I/O设备具有以下几个特点：
（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，用来实现与主机交换信息，因此线路十分零散、庞杂。
（2）输入输出过程是穿插在CPU执行程序之中进行的，当I/O与主机交换信息时，CPU不得不停止其各种运算，因此，I/O与CPU是按串行方式工作的，极浪费时间。
（3）每个I/O设备的逻辑控制电路与CPU的控制器紧密构成一个不可分割的整体，它们彼此依赖，相互牵连，因此，欲增添或撤减或更换I/O设备是非常困难的。
在这个阶段中，计算机系统硬件价格十分昂贵，机器速度不高，配置的I/O设备不多，主机与I/O交换的信息量也不大，计算机应用极不普及。
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，如下图所示。
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—并变换或并—串变换。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提高。
虽然这个阶段实现了CPU和I/O并行工作，但是在主机与I/O交换信息时，CPU要中断现行程序，也即CPU与I/O还不能做到绝对的并行工作。
为了进一步提高CPU的工作效率，又出现了DMA(Direct Memory Access)技术，其特点是I/O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与主存交换信息时，能继续完成自身的工作，故其资源利用率得到了进一步的提高。
3．具有通道结构的阶段
在小型和微型计算机中， 采用DMA方式可实现高速外设与主机成组数据的交换，但在大、中型计算机中，外设配置繁多，数据传送频繁，若仍采用DMA方式会出现一系列问题：
（1）如果每台外设都配置专用的DMA接口，不仅增加了硬件成本，而且为了解决众多DMA同时访问主存的冲突问题，会使控制变得十分复杂。
（2）CPU需要对众多的DMA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，因此在大、中型计算机系统中，采用了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，它可视为一种具有特殊功能的处理器。通道有专用的通道指令，它能独立地执行用通道指令所编写的输入输出程序，但它不是一个完全独立的处理器，它受CPU的I/O指令启动、停止或改变其工作状态，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CPU的资源利用率更高。
4．具有I/O处理机的阶段
输入输出系统发展到第四阶段是具有I/O处理机的阶段。I/O处理机又叫做外围处理机(Peripheral Processor Unit或PPU)，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，还可完成码制变换、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
输入输出系统应该由I/O软件和I/O硬件两部分组成。
1．I/O软件
输入输出系统软件的主要任务是：①如何将用户编制的程序(或数据)输入至主机内；②如何将运算结果输送给用户；③如何实现I/O系统与主机工作的协调等。
不同结构的I/O系统所采用的软件技术差异很大。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。即使都采用操作系统，不同的机器其操作系统的复杂程度差异也是很大的。
(1)I/O指令。I/O指令是机器指令的一类，它能反映CPU与I/O设备交换信息的各种特点。
指令的一般格式：
操作码
命令码
操作码字段可作为I/O指令与其他类指令(如访存指令、算逻指令、控制指令等)的判别代码；命令码用来体现I/O的具体操作；设备码是作为对多台I/O设备的选择码。
I/O指令的命令码，一般可表述如下几种情况：
·将数据从I/O设备输入至主机。 例如将某台设备接口电路中的数据缓冲寄存器中的数据读至CPU的某个寄存器(如累加器ACC)中：
·将数据从主机输出至I/O设备，例如将CPU中的某个寄存器(如ACC)中的数据写入到某台设备接口电路中的数据缓冲寄存器内；
·状态测试。利用命令码检测各个I/O设备所处伪状态是“忙”(Busy) 还是“准备就绪”(Ready)，以便决定下一步是否可进入主机与I/O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，需完成不同的操作。如磁带机需要正转、反转、读、写、写文件结束等等。又如对于磁盘驱动器，需要读扇区、写扇区、找磁道、扫描记录标识符等。
I/O指令的设备码相当于设备的地址。只有对繁多的I/O设备赋以不同的编号，才能准确选择某台设备与主机交换信息。
(2)通道指令。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(写入或读出)的数据组在主存中的首地址；指明需要传送的字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。这类指令的位数一般较长， 如IBM 370机的通道指令为64位。
通道指令又叫通道控制字(CCW)。它是通道用于执行I/O操作的指令，它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。通道程序即由通道指令组成，它完成某种外围设备与主存传送信息的操作。例如，将磁带记录区的部分内容送到指定的主存缓冲区内。
通道指令是通道自身的指令，用来执行I/O操作，如读、写、反读、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。在具有通道结构的机器中，I/O指令不实现I/O数据传送，主要完成启、停I/O设备，查询通道和I/O设备的状态及控制通道所作的其他一些操作。具有通道指令的计算机，—旦CPU执行了启动I/O的指令后，就由通道来代替CPU对I/O的管理。
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。
下图是具有通道的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。如IBM 360系统的一个通道可以连接8个设备控制器，一个设备控制器又与8台设备相连，因此，一个通道可以管理64台设备。如果一台机器有6个通道，便可带动384台设备。当然，实际上由于设备利用率和通道的频带影响，主机不可能带动这么多的设备。
三、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与主机以什么方式进行联络，使它们之间彼此都知道双方处于何种状态：以及I/O与主机是怎么连接的等等。这一系列问题统称为I/O与主机的联系方式。
1．编址方式
通常将I/O设备码视为地址码，对I/O地址码的编址可采用两种方式：统一编址或不统—编址。 统一编址就是将I/O地址看作是存储器地址的一部分。如在64K地址的存储空间中，划出8K地址作为I/O的地址，凡是在这8K地址范围内的访问，就是对I/O的访问， 所用的指令与访存指令相似。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，但无需专用的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 。因此，设计机器时，需根据实际情况权衡考虑选取何种编址方式。
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输送至I/O设备，或由I/O设备输入到CPU， 这种传送方式叫做并行传送。其特点是传送速度较快，但要求数据线多，如16位信息并行传送，需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，这种传送方式叫做串行传送。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，例如远距离数据通讯。
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。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。下图示意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。
下图示意了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。图中9．09ms的低电平表示“起始”，又用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。
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。这种连接方式大多出现在计算机发展的初期阶段。
在总线连接方式，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。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，共有五种控制方式：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。
1．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设备是否已做好难备，从而控制I/O与主机交换信息。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。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。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。由图可知，CPU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。
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
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。
由图可见；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。
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。
由图可见，CPU向I/O设备发出读命令后，仍在处理其他一些事情(如继续在算题)。当设备向CPU发出请求后，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)。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。
显然，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，不出现“踏步”现象，即CPU执行程序与I/O设备作准备是同时进行的， 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。
3．DMA方式
虽然程序中断方式消除了程序查询方式的“踏步”现象，提高了CPU资源的利用率，但是CPU在响应中断请求后，必须停止现行程序而转入中断服务程序，并且为了完成I/O与主存交换信息，还不得不占用CPU内部的一些寄存器，这同样是对CPU资源的消耗。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。
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。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”。而且，在DMA窃取存取周期时，CPU尚能继续作内部操作(如乘法运算)。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。
下图 (c)示意了DMA方式的CPU效率。当然，采用DMA方式时，也需增加必要的DMA接口电路。
