I/O设备的发展

第一阶段

早期计算机采用 分散连接(指计算机各个部件间相连的方式) 的结构，如下图所示。每一个部件之间都需要连接。

以下是分散连接的抽象图

缺点：

1. 由于一个I/O设备需要一个专用的逻辑控制电路才能连接使用，所以线路会很多很繁琐。
2. 该结构下对I/O设备的读写基本都是串行的，会严重影响CPU的运行速度
3. 由于I/O设备和CPU之间的耦合性过于紧密，所以对于设备的增减过于麻烦

第二阶段

这个阶段计算机采用 总线连接的结构，(这里关注点在于I/O设备，所以拿单总线结构距离)。如下图所示

这个阶段I/O设备通过 接口 挂在在总线上与CPU相连。I/O接口通常包含 数据通路、 控制通路 两个部分：

• 数据通路：用于缓冲数据，可以进行串-并转换，匹配I/O设备和CPU的速度。
• 控制通路：用于接收I/O指令

这个阶段相比第一阶段，补足了缺点，并让CPU和I/O设备并发处理的时间更多，但是还不能做到完全的并发处理

第三阶段

这个阶段更适用于I/O设备数量繁多的大型计算机，即在CPU和I/O接口之间又加入了 通道，通道用于负责管理整个I/O过程。当通道接收到CPU的指令后，先从主存中取出通道程序，然后单独执行，直至I/O设备输入或输出完毕，再通知CPU完成。这个过程不需要CPU参与，就大大提高了CPU和I/O设备的并行能力。

第四阶段

采用I/O处理机，I/O处理机又称 外围处理机，其相当于一个小型CPU，基本是独立于CPU进行工作的

输入输出系统的组成

输入输出系统主要包含两个部分：I/O软件、I/O硬件

I/O软件

I/O指令

I/O指令时CPU指令集的一部分，如下图所示

• 操作码：标明该指令是 I/O指令还是其他指令
• 命令码： 标明该指令具体做什么事，比如从I/O设备取出数据到CPU里、或者将数据送到I/O设备里
• 设备码：标明要处理的目标对象

通道指令

通道指令不是CPU指令集的一部分，通道指令是为拥有通道的I/O系统专门设置的指令，这类指令结构通常如下图所示

该指令通常存放再主存中，当需要运行时，由通道从主存中取出并执行。通道程序即由通道指令组成，它完成了某种外围设备与主存之间传送信息的操作。

区别

通道是通道自身的指令，用来执行I/O操作；
I/O指令是CPU指令系统的一部分，是CPU用来控制输入输出的操作命令。
在有通道结构的计算机中，I/O指令不实现I/O数据传输，主要是用于启动、暂停I/O设备；或者查询通道和I/O设备的状态及控制通道所做的其他操作。

一旦CPU启动了I/O设备后，就由通道接管CPU对I/O设备的管理。

I/O硬件

通常包括接口模块和I/O设备两大部分

I/O设备与主机的联系方式

这个部分主要解决三个部分：

• 设备地址
• 设备选择
• 传送方式
• CPU和设备间的传输方式

设备地址

• 统一编址：
  将主存划分一部分地址出来作为设备地址，比如在64K地址的存储空间中，划出8K地址作为I/O设备的地址，只要访问的地址在这8K范围内，就是对I/O设备的访问。

• 单独编址
  单独设置一个存储空间作为I/O设备的地址，使用专用的指令来存储。

设备选择

用设备选择电路识别是否被选中

传送方式

• 串行
• 并行

联络方式

立即响应

信号一到，立即响应

异步工作 + 应答信号

1. 在读过程中，I/O接口发送 READY 信号 给 I/O设备
2. I/O设备收到信号后，从I/O接口中取出数据，并回应一个 Strobe 信号给I/O接口

1. 在写过程中，I/O设备发送数据到I/O接口中，并发送信号Strobe
2. I/O接口收到信号后，通知CPU中断处理，然后返回READY信号给I/O设备

同步工作采用同步时钟

I/O设备的控制方式

程序查询控制

该方式主要在于CPU读I/O设备状态，然后检查状态是否就绪，如果没有就绪就循环查询。该查询方式会消耗很多时间在状态检查上（一直检查），同时还会花费部分时间在数据交互上。

程序中断控制

当CPU执行原程序时，如果遇到了I/O指令启动了I/O设备后，等待I/O接口数据缓冲区满了后，再通知CPU中断，执行中断服务程序

这个控制方式相比中断方式，CPU不需要长时间轮询状态，只需要启动I/O设备后，就能转头去做其他事情。直到I/O设备发回中断请求，CPU停止做事情，转去执行中断服务程序（交换信息）。

DMA控制

由于程序中断在数据交换过程仍然要CPU参与，会在一定程度上影响CPU速度。

DMA控制主要通过以下三个手段实现：

1. 主存和I/O之间架一条通路
2. 不中断现行程序
3. 周期挪用