[电脑基础知识]第8章输入输出系统bak

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主 机 I/O接口
I/O总线
பைடு நூலகம்
I/O接口
…
I/O接口
外部设备 1
外部设备 2
…
外部设备 n
图8-2 外部设备通过I/O接口和主机交换信息
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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，或者使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，使得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，使得 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。
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I/O接口可以分为两类：串行接口和并行接口。 串行接口与I/O设备之间，按顺序逐位传送信息;接 口与主机之间，按字或字节并行传送数据，数据格 式的变换在接口内部完成。并行接口与I/O设备之间， 或者与主机之间都是按字或字节并行传送数据。显 然，并行接口传输效率高。目前计算机的I/O接口正 向标准化、通用化和系列化方向发展。
第8章 输入/输出系统
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本章要点：
I/O系统的任务和功能 计算机的I/O方式
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8.1 I/O系统
计算机的输入输出系统（I/O系统）由I/O接口、 I/O管理部件以及有关的I/O软件组成，其主要作用 是实现计算机系统的输入输出功能。I/O系统具体要 解决的问题是：怎样在主机和外部设备之间建立一 个高效、可靠的信息传输“通路”；如何对外设进 行编址，使CPU方便地寻找到要访问的外设；I/O接 口、管理部件如何协调完成主机和外部设备之间的 数据交换等等。
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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。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，使控制 变得十分复杂。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。
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8.1.2 I/O系统组成
CP U I/O 接 口 主存 设 备 控 制器 I/O 设 备
图8-4 I/O系统的组成
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外部设备能够利用光、电、磁及机械传动等 手段，把信息转换为二进制代码的形式，如显示器， 键盘等。 设备控制器能将设备生成的各种形式的二进 制代码转换成电信号，并根据输入信号的要求对设 备进行控制。设备控制器是设备与计算机连接的部 件，是外部设备的一个组成部分。 I/O接口负责交换主机和I/O设备的状态信息， 使主机与I/O设备的速度相匹配，实现主机与I/O设 备之间的数据交换，并且实现数据格式的变换。
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8.1.1 I/O系统概述
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。工作模式如图8- 1所示。
内存 CPU I/O
图8-1 I/O通过CPU与主机交换信息
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这种交换方式延续了相当长的时间。当时的 I/O系统具有以下几个特点：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 备与主机交换信息，因此线路十分零散、庞杂；输 入输出过程是穿插在CPU执行程序期间进行的，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设备与CPU是按串行方式工作的，极 大的浪费了CPU的时间；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，想要增加、删除 或者更换I/O设备就非常困难。
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虽然这个阶段实现了CPU和I/O设备并行工作， 但是在主机与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。 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 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，而不需要打断CPU的工作， 故其资源利用率得到了进一步的提高。
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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设备交换的信息量也不大，计算机应用的普及程 度还比较低。 2．接口模块和DMA阶段 在这个阶段，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，工作模式如图8-2 所示。
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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,PPU)，它基本独立于 主机工作，不仅可完成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。
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外围设备的输入/输出方式
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小结
程序查询方式和程序中断方式适用于数据传输 率比较低的外围设备，而DMA方式、通道方 式 和PPU方式适用于数据传输率比较高的设 备。目前，单片机和微型机中多采用程序查询 方式、程序中断方式和DMA方式。通道方式 和PPU方式大都用在中、大型计算机中。
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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。 图8-3表示了具有通道结构的计算机系统。
CPU 内存 通 道 I/O
图8-3 I/O通过通道与主机交换信息
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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，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。