輸入輸出系統(tǒng)

1、輸入輸出系統(tǒng)輸入輸出系統(tǒng)輸入輸出系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的主機(jī)與外部進(jìn) 行通信的系統(tǒng)。它由外圍設(shè)備和輸入輸出控制系 統(tǒng)兩部分組成，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分。 外圍設(shè)備包括輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和磁盤存儲(chǔ) 器、磁帶存儲(chǔ)器、光盤存儲(chǔ)器等。從某種意義上 也可以把磁盤、磁帶和光盤等設(shè)備看成一種輸入 輸出設(shè)備，所以輸入輸出設(shè)備與外圍設(shè)備這兩個(gè) 名詞經(jīng)常是通用的。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，通常把處 理機(jī)和主存儲(chǔ)器之外的部分稱為輸入輸出系統(tǒng)， 輸入輸出系統(tǒng)的特點(diǎn)是異步性、實(shí)時(shí)性和設(shè)備無 關(guān)性。輸入輸出系統(tǒng)-原理CPU從信息傳輸速率來講，相差也很懸殊。如果把高 速工作的主機(jī)同不同速度工作的外圍設(shè)備相連 接，保證主機(jī)與外圍設(shè)備在

2、時(shí)間上同步要討論的 外圍設(shè)備的定時(shí)問題。輸入/輸出設(shè)備同CPU交換數(shù)據(jù)的過程：輸入過程：(1) CPU把一個(gè)地址值放在 地址總線上，這一步 將選擇某一輸入設(shè)備；(2) CPU等候輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)成為有效；(3) CPU從數(shù)據(jù)總線讀入數(shù)據(jù)，并放在一個(gè)相應(yīng) 的寄存器中。輸出過程：(1) CPU把一個(gè)地址值放在地址總線上，選擇輸出設(shè)備；(2) CPU把數(shù)據(jù)放在數(shù)據(jù)總線上；(3) 輸出設(shè)備認(rèn)為數(shù)據(jù)有效，從而把數(shù)據(jù)取走。輸入輸出系統(tǒng)-定時(shí)方式遠(yuǎn)猊網(wǎng)睪荷總現(xiàn) 口 MfeSi邃理IQ一二號(hào)姑*苛總裁毗購爲(wèi)（SlVO網(wǎng)絡(luò)模型由于輸入/輸出設(shè)備本身的速度差異很大，因此, 對(duì)于不同速度的外圍設(shè)備，需要有不同的定時(shí)方

3、 式，總的說來，CPU與外圍設(shè)備之間的定時(shí)，有 以下三種情況。1. 速度極慢或簡單的外圍設(shè)備對(duì)這類設(shè)備，如機(jī)械開關(guān)、顯示二極管等等，CP 總是能足夠快地作出響應(yīng)。換句話說，對(duì)機(jī)械開 關(guān)來講，CPU可以認(rèn)為輸入的數(shù)據(jù)一直有效，因 為機(jī)械開關(guān)的動(dòng)作相對(duì)CPU的速度來講是非常 慢的，對(duì)顯示二極管來講，CPU可以認(rèn)為輸出一 定準(zhǔn)備就緒，因?yàn)橹灰o出數(shù)據(jù)，顯示二極管就 能進(jìn)行顯示，所以，在這種情況下，CPU只要接 收或發(fā)送數(shù)據(jù)就可以了。2. 慢速或中速的外圍設(shè)備由于這類設(shè)備的速度和CPU勺速度并不在一個(gè) 數(shù)量級(jí)，或者由于設(shè)備（如鍵盤）本身是在不規(guī)則 時(shí)間間隔下操作的，因此，CPU與這類設(shè)備之間 的數(shù)據(jù)交

4、換通常采用異步定時(shí)方式。其定時(shí)過程如下:鍵盤如果CPU從外設(shè)接收一個(gè)字，則它首先詢問外設(shè) 的狀態(tài)，如果該外設(shè)的狀態(tài)標(biāo)志表明設(shè)備已 "準(zhǔn) 備就緒”，那么CPU就從總線上接收數(shù)據(jù)。CPI 在接收數(shù)據(jù)以后，發(fā)出輸入響應(yīng)信號(hào)，告訴外設(shè) 已經(jīng)把數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)取走。然后，外設(shè)把“準(zhǔn) 備就緒”的狀態(tài)標(biāo)志復(fù)位，并準(zhǔn)備下一個(gè)字的交 換。如果CPU起先詢問外設(shè)時(shí)，外設(shè)沒有“準(zhǔn)備 就緒”，那么它就發(fā)出表示外設(shè)"忙”的標(biāo)志。 于是，CPU將進(jìn)入一個(gè)循環(huán)程序中等待，并在每次循環(huán)中詢問外設(shè)的狀態(tài)，一直到外設(shè)發(fā)出“準(zhǔn) 備就緒”信號(hào)以后，才從外設(shè)接收數(shù)據(jù)。CPL發(fā)送數(shù)據(jù)的情況也與上述情況相似，外設(shè)先 發(fā)

5、出請(qǐng)求輸出信號(hào)，而后，CPU詢問外設(shè)是否準(zhǔn) 備就緒。如果外設(shè)已準(zhǔn)備就緒，CPU便發(fā)出準(zhǔn)備 就緒信號(hào)，并送出數(shù)據(jù)。外設(shè)接收數(shù)據(jù)以后，將 向CPU發(fā)出“數(shù)據(jù)已經(jīng)取走”的通知。通常，把這種在CPU和外設(shè)間用問答信號(hào)進(jìn)行定 時(shí)的方式叫做應(yīng)答式數(shù)據(jù)交換。3. 高速的外圍設(shè)備由于這類外設(shè)是以相等的時(shí)間間隔操作的，而 CPU也是以等間隔的速率執(zhí)行輸入/輸出指令的， 因此，這種方式叫做同步定時(shí)方式。一旦CPU和 外設(shè)發(fā)生同步，它們之間的數(shù)據(jù)交換便靠時(shí)鐘脈 沖控制來進(jìn)行。輸入輸出系統(tǒng)-控制方式程序查詢方式和程序中斷方式適用于數(shù)據(jù)傳輸 率比較低的外圍設(shè)備，而DMA方式、通道方式和 PPU方式適用于數(shù)據(jù)傳輸率比較高

6、的設(shè)備。在 單 片機(jī)和微型機(jī)中多采用程序查詢方式、程序中斷 方式和DMA方式。通道方式和PPU方式大都用在 中、大型計(jì)算機(jī)中。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，CPU管理外圍設(shè)備也有幾種類 似的方式：1 程序查詢方式程序查詢方式是早期計(jì)算機(jī)中使用的一種方式。 數(shù)據(jù)在CPU和外圍設(shè)備之間的傳送完全靠計(jì)算 機(jī)程序控制，查詢方式的優(yōu)點(diǎn)是CPU的操作和外 圍設(shè)備的操作能夠同步，而且硬件結(jié)構(gòu)比較簡 單。但問題是，外圍設(shè)備動(dòng)作很慢，程序進(jìn)入查 詢循環(huán)時(shí)將白白浪費(fèi)掉CPU很多時(shí)間。這種情況 同上述例子中第一種方法相仿，CPL此時(shí)只能等 待，不能處理其他業(yè)務(wù)。即使CPU采用定期地由 主程序轉(zhuǎn)向查詢?cè)O(shè)備狀態(tài)的子程序進(jìn)行掃描輪 詢

7、的辦法，CPU寶貴資源的浪費(fèi)也是可觀的。因 此當(dāng)前除單片機(jī)外，很少使用程序查詢方式。2 程序中斷方式中斷是外圍設(shè)備用來“主動(dòng)”通知 CPU準(zhǔn)備送 出輸入數(shù)據(jù)或接收輸出數(shù)據(jù)的一種方法。通常， 當(dāng)一個(gè)中斷發(fā)生時(shí)，CPU暫停它的現(xiàn)行程序，而 轉(zhuǎn)向中斷處理程序，從而可以輸入或輸出一個(gè)數(shù) 據(jù)。當(dāng)中斷處理完畢后，CPU又返回到它原來的 任務(wù)，并從它停止的地方開始執(zhí)行程序。這種方 式和我們前述例子的第二種方法相類似?？梢钥?出，它節(jié)省了 CPU寶貴的時(shí)間，是管理I/O操作 的一個(gè)比較有效的方法。中斷方式一般適用于隨 機(jī)出現(xiàn)的服務(wù)，并且一旦提出要求，應(yīng)立即進(jìn)行 同程序查詢方式相比，硬件結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜一些， 服務(wù)

8、開銷時(shí)間較大。3 直接內(nèi)存訪問（DMA）方式用中斷方式交換數(shù)據(jù)時(shí)，每處理一次I/O交換, 約需幾十微秒到幾百微秒。對(duì)于一些高速的外圍 設(shè)備，以及成組交換數(shù)據(jù)的情況，仍然顯得速度 太慢。直接內(nèi)存訪問（DMA方式是一種完全由硬 件執(zhí)行I/O交換的工作方式。這種方式既考慮到中斷響應(yīng)，同時(shí)又要節(jié)約中斷開銷。此時(shí)，DMA控制器從CPL完全接管對(duì)總線的控制，數(shù)據(jù)交換 不經(jīng)過CPU而直接在內(nèi)存和外圍設(shè)備之間進(jìn)行， 以高速傳送數(shù)據(jù)。這種方式和前述例子的第三種 方法相仿，主要優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳送速度很高，傳送 速率僅受到內(nèi)存訪問時(shí)間的限制。與中斷方式相 比，需要更多的硬件。DMA方式適用于內(nèi)存和高 速外圍設(shè)備之間大批

9、數(shù)據(jù)交換的場(chǎng)合。s J 9 a 9: II - i I 9Tlfl-g dm 匸r: b -外圍處理機(jī)(PPU)方式4 通道方式DMA方式的出現(xiàn)已經(jīng)減輕了 CPU對(duì)I/O操作的控 制，使得CPU的效率有顯著的提高，而通道的出 現(xiàn)則進(jìn)一步提高了 CPU的效率。這是因?yàn)?，CPU 將部分權(quán)力下放給通道。通道是一個(gè)具有特殊功 能的處理器，某些應(yīng)用中稱為輸入輸出處理器 (IOP)，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍設(shè)備的統(tǒng)一管理和外 圍設(shè)備與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳送。這種方式與前述 例子的第四種方法相仿，大大提高了 CPU的工作 效率。然而這種提高CPU效率的辦法是以花費(fèi)更 多硬件為代價(jià)的 5 外圍處理機(jī)方式 外圍處理機(jī)(PP

10、U)方式是通道方式的進(jìn)一步發(fā) 展。由于PPUS本上獨(dú)立于主機(jī)工作，它的結(jié)構(gòu) 更接近一般處理機(jī)，甚至就是微小型計(jì)算機(jī)。在 一些系統(tǒng)中，設(shè)置了多臺(tái) ppu分別承擔(dān)I/O控 制、通信、維護(hù)診斷等任務(wù)。從某種意義上說， 這種系統(tǒng)已變成分布式的多機(jī)系統(tǒng)。輸入輸出系統(tǒng)-外圍設(shè)備外圍設(shè)備的種類相當(dāng)繁多，有 機(jī)械式和電動(dòng)式， 也有電子式和其他形式。其輸入信號(hào)，可以是數(shù) 字式的電壓，也可以是模擬式的電壓和電流。 外 圍設(shè)備包括輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和磁盤存儲(chǔ)器、 磁帶存儲(chǔ)器、光盤存儲(chǔ)器等。輸入設(shè)備輸入設(shè)備：向計(jì)算機(jī)輸入數(shù)據(jù)和信息的設(shè)備。 是 計(jì)算機(jī)與用戶或其他設(shè)備通信的橋梁。 輸入設(shè)備 是用戶和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間進(jìn)行信

11、息交換的主要 裝置之一。鍵盤，鼠標(biāo)，攝像頭，掃描儀，光筆, 手寫輸入板，游戲桿，語音輸入裝置等都屬于輸 入設(shè)備。輸入設(shè)備(InputDevice )是人或外部 與計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互的一種裝置，用于把原始數(shù)據(jù) 和處理這些數(shù)的程序輸入到計(jì)算機(jī)中。計(jì)算機(jī)能 夠接收各種各樣的數(shù)據(jù)，既可以是數(shù)值型的數(shù) 據(jù)，也可以是各種非數(shù)值型的數(shù)據(jù)，如圖形、圖 像、聲音等都可以通過不同類型的輸入設(shè)備輸入 到計(jì)算機(jī)中，進(jìn)行存儲(chǔ)、處理和輸出。輸出設(shè)備輸出設(shè)備(OutputDevice)是人與計(jì)算機(jī)交互的 一種部件，用于數(shù)據(jù)的輸出。它把各種計(jì)算結(jié)果 數(shù)據(jù)或信息以數(shù)字、字符、圖像、聲音等形式表 示出來。常見的有 顯示器、打印機(jī)、繪圖儀、影 像輸出系統(tǒng)、語音輸出系統(tǒng)、磁記錄設(shè)備等。將 計(jì)算機(jī)輸出信息的表現(xiàn)形式轉(zhuǎn)換成外界能接受 的表現(xiàn)形式的設(shè)備。利用各種輸出設(shè)備可將計(jì)算 機(jī)的輸出信息轉(zhuǎn)換成印在紙上的數(shù)字、文字、符 號(hào)、圖形和圖像等，或記錄在磁盤、磁帶、紙帶 和卡片上，或轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)直接送給有關(guān)控制 設(shè)備。有的輸出設(shè)備還能將計(jì)算機(jī)的輸出轉(zhuǎn)換成 語聲。存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器（Memory是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的記憶設(shè)備， 用來存放程序和數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)中的全部信息，包 括輸入的原始數(shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)程序、中間運(yùn)行結(jié)果 和最終運(yùn)行結(jié)果都保