输入输出系统

输入输出系统的与具体设备无关
（1）独立于具体设备的标准接口。例如，串行接口、并行接 口、SCSI（Small Computer System Interface）接口等。
（2）计算机系统的使用者，在需要更换外围设备时，各种不 同型号，不同生产厂家的设备都可以直接通过标准接口与计 算机系统连接。 处理机采用统一的硬件和软件对品种繁多的设备进行管理。 某些计算机系统已经实现了即插即用技术。
1. 自治控制
输入输出系统是独立于CPU之外的自治系统, 处理机与外围设备之间要有恰当的分工。
2. 层次结构
最内层是输入输出处理机、输入输出通道等中 间层是标准接口。 标准接口通过设备控制器与输入输出设备连接。
3. 分类组织
面向字符的设备，如字符终端、打字机等。 面向数据块的设备，如磁盘、磁带、光盘等。
1、三种基本输入输出方式存在的问题： CPU的输入输出负担很重，不能专心用于用户
程序的计算工作。 低速外围设备，每传送每个字符都由CPU执行一
段程序来完成。 高速外围设备的初始化、前处理和后处理等工作
需要CPU来完成。 大型机中的外围设备台数很多，但一般并不同时
工作。让DMA控制器能被多台设备共享，提高 硬件的利用率。
每个PPU有4个寄存器，A为累加寄存器，用于保存操作 数、主存地址、输入输出字节数等，它也是PPU与其它部件 之间进行通信的接口寄存器。P寄存器为程序计数器。Q寄 存器为多功能寄存器，用于保存直接地址、间接地址、通道 号或转移计数值等。K寄存器为指令寄存器，用来保存指令 操作码和指令执行周期。
通道的作用和功能
通常把处理机与主存储器之外的部分统称 为输入输出系统，包括输入输出设备、 输入输出接口和输入输出软件等。
运算器、控制器、主存储器和总线 等也要通过输入输出系统来管理。
输入输出系统结构设计结果直接影 响计算机系统的性能。
设备的连接
典型的总线连接
CPU－主存总线
Cache CPU
总线适配器
主存
I/O 总线
通道完成一次数据输入输出的过程分为三步：
（1）在用户程序中使用访管指令进入管理程序， 由CPU通过管理程序组织一个通道程序，并启 动通道；
（2）通道处理机执行通道程序，完成指定的数 据输入输出工作；
（3）通道程序结束后再次调用管理程序进行处 理。
每完成一次输入输出工作，CPU只需要两次调用 管理程序。
例如，CYBER170巨型计算机具有输入输出处理机。 10台输入输出处理机PPU0～PPU9通过主存-输入输出处理 机总线分时共享主存储器，并且通过输入输出交叉开关网 络（I/O Crossbar Switching）共享12个输入输出通道。每 个PPU有一个容量为4K×13位（其中一位为奇偶校验位） 的局部存储器。系统的监控程序常驻在PPU0的局部存储器 中，控制台显示程序常驻在PPU1的局部存储器中。
输入输出系统的异步性
输入输出设备通常不使用统一的中央时钟，各个设备按 照自己的时钟工作，但又要在某些时刻接受处理机的控制。
处理机与外围设备之间，外围设备与外围设备之间能并 行工作。
针对实时性，采用层次结构的方法； 针对与设备无关性，采用分类处理的方法； 针对异步性，采用自治控制的方法。
输入输出系统的组织方式
各PPU（PPU Physics Processing Unit ）的局部存储 器中均装有自己的常驻程序。
中央处理机不能直接与外围设备打交道，当用户程序需要 进行输入输出操作时，由中央处理机发出请求调用输入输出 处理机，然后由输入输出处理机管理外围设备完成全部输入 输出工作。
每台PPU都有相同的指令系统，共有66条指令，包括算 术逻辑指令、访问存储器指令，输入输出指令及程序控制指 令等。指令格式有12位的短指令和24位的长指令两种。
例1：一个处理机在一段时间内只能管理一 台打印机。处理机执行指令的速度为 1GIPS，字长32位，打印机每秒钟100个 字符。
解：处理机用一条指令就能向打印机传送4 个字符。因此，处理机的实际利用率只 有即4千万分之一。 100/1094＝0.2510-7
输入输出系统工作的三种方式：
（1）程序控制I/O； （2）直接存储器访问方式； （3）I/O处理机方式。
通道种类
I/O 控制器
I/O 控制器
图形显示
I/O 控制器 网络
3.4.1 工作原理
图 3.9 通道处理机输入输出的主要过程
输入输出系统的特点： （1）是处理机与外界进行数据交换的通道； （2）计算机系统中最具多样性和复杂性的部分； （3）涉及到机、光、电、磁、声、自动控制等多种学科； （4）最典型地反映着硬件与软件的相互结合。
输入输出系统的实时性 (1) 一般输入输出设备,如果处理机提供的服务不及时，可
能丢失数据，或造成外围设备工作的错误； (2)实时控制计算机系统，如果处理机提供的服务不及时，
可能造成巨大的损失，甚至造成人身伤害； (3)处理机本身的硬件或软件错误：如电源故障、数据校验
错、页面失效、非法指令、地址越界等，处理机必须及 时处理； (4)不同类型的设备，必须具有与设备相配合的多种工作方 式。
2、通道的主要功能：
（1）接受CPU发来的指令，选择一台指定的外围设备与通道 相连接；
（2）执行CPU为通道组织的通道程序； （3）管理外围设备的有关地址； （4）管理主存缓冲区的地址； （5）控制外围设备与主存缓冲区之间数据交换的个数； （6）指定传送工作结束时要进行的操作； （7）检查外围设备的工作状态，是正常或故障； （8）在数据传输过程中完成必要的格式变换。
I/O处理机方式可以分为通道方式（Channel） 和外围处理机方式（PPU Physics Processing Unit ）
通道处理机的工作原理
把 外 围 设 备 的 管 理 工 作 从 CPU 中 分 离 出 来 ， 主 要 用 于 IBM公司研制的机器中。
在高性能计算机系统中，为了能够使CPU摆脱繁重的 输入输出任务，充分发挥高性能的CPU的运算功能，从70 年代后期开始，首先在CDC公司研制的6600大型计算机系 统中采用输入输出处理机方式。