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目錄

一、I/O 系統的發展

1. 早期階段

2. 接口模塊和 DMA 階段

3. 通道結構階段

4. 處理機階段

二、I/O 系統的組成

1. I/O 軟件

2. I/O 硬件

三、I/O 設備

1. I/O 設備分類

2. I/O 設備的組成

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????????在計算機中，除 CPU 和主存兩大模塊之外，第三個重要部分就是 輸入輸出模塊，也叫做 輸入輸出系統，簡寫為 I/O 系統。

????????I/O 系統的主要功能，就是對不同類型數據信息的輸入輸出，進行高效的控制管理。

一、I/O 系統的發展

????????I/O 系統的結構，從簡單到復雜，發展主要經歷了四個階段。

1. 早期階段

????????早期的輸入輸出設備比較少，計算機的結構是以 CPU 為中心的分散連接方式；所有 I/O 設備都直接連接到 CPU ，與主存交換數據必須通過 CPU。

????????這樣，每個 I/O 設備都必須配備一套獨立的邏輯電路與 CPU 連接，線路復雜、難以維護和擴展；而且輸入輸出數據會打斷 CPU 運行，效率比較低。

2. 接口模塊和 DMA 階段

????????之后計算機的連接方式發展出了總線結構，I/O 設備通過接口模塊與總線相連，通過總線進行數據傳輸。

????????通常，在接口模塊中都會設有 數據通路 和 控制通路。數據可以通過接口起到緩沖作用，也可以完成串并轉換；控制通路則可以傳送 CPU 發來的控制命令，或者向 CPU 發送來自 I/O 設備的反饋信號。許多接口還可以滿足中斷請求處理的要求，使 I/O 設備和 CPU 可以并行工作。

????????為了進一步提高 CPU 的效率，又出現了 直接存儲器存取（Direct Memory Access，DMA）技術。在 I/O 設備和主存之間增加一條專門的數據通路，讓它們可以直接交換信息，而無需經過 CPU。

????????在現代的小型或微型計算機中，一般都會采用接口模塊和 DMA 的接口來實現 I/O 設備和主存的數據交換。

3. 通道結構階段

????????對于大中型計算機，I/O 設備數量龐大、數據傳輸非常頻繁，采用 DMA 方式需要為每個設備都配置專用的 DMA 接口，CPU 也需要對眾多的 DMA 接口進行管理；控制非常復雜、工作效率也會受到很大影響。

????????因此在大中型計算機中，采用 I/O 通道 的方式來進行數據交換。

????????通道 可以看作一種從屬于 CPU 的專用處理器，專門負責管理 I/O 設備，實現主存和 I/O 設備之間的數據交換。采用通道結構的計算機，I/O 設備的數據傳輸就全部交給通道來處理，提高了 CPU 的資源利用率。

4. 處理機階段

????????I/O 系統進一步發展，出現了 I/O 處理機。I/O 處理機基本獨立于主機工作，又稱為 外圍處理機。 具有 I/O 處理機的 I/O 系統與 CPU 的并行性更高，進一步解放了 CPU ，提升了 CPU 的工作效率。

二、I/O 系統的組成

????????I/O 系統主要由兩部分組成： I/O 軟件 和 I/O 硬件。

1. I/O 軟件

????????I/O 系統軟件的主要功能包括：

• 將用戶編寫的程序輸入主機；

• 將運算結果傳送給用戶；

• 協調 I/O 系統和主機的工作。

????????不同結構的 I/O 系統采用的軟件技術不同。

????????生活中常見的計算機一般采用接口模塊方式，指令系統中需要設置專門的 I/O 指令；調用 I/O 指令并配合系統軟件中的管理程序，就可以實現 I/O 設備與主機的協調工作。

????????如果采用通道管理方式，除 I/O 指令外，還需要有 通道指令 和相應的操作系統。

（1）I/O 指令

????????I/O 指令也是一種機器指令，它的指令格式與普通的機器指令類似。

????????上面的 I/O 指令格式中，分為三個字段：

• 操作碼：指明當前是一條 I/O 指令；

• 命令碼：指明 I/O 設備的具體操作；

• 設備碼：用來對多臺 I/O 設備進行區分和選擇，相當于設備地址。

????????其中，命令碼一般會包括以下幾種情況：

• 將數據從 I/O 設備輸入主機；

• 將數據從主機輸出至 I/O 設備；

• 狀態測試。檢測 I/O 設備的狀態（”忙“ 還是 ”準備就緒“），來確定接下來是否可以進行數據交換；

• 形成具體的操作命令。例如磁盤驅動器的磁頭讀扇區、寫扇區、尋找磁道等等。

（2）通道指令

????????通道指令是具有通道的 I/O 系統專門設置的指令，又稱為 通道控制字（Channel Control Word，CCW），是通道用來執行 I/O 操作的指令。

????????這類指令位數一般會比較多，主要功能有：

• 指明要交換的一組數據在主存中的首地址；

• 指明要傳送數據的字節數，或者在主存中的末地址；

• 指明所選設備的設備碼，以及要完成的具體操作的命令碼。

????????對于采用了通道結構的計算機，CPU 執行的 I/O 指令就只負責啟、停 I/O 設備，查詢通道和設備狀態以及對通道進行操作控制；而具體的數據傳輸則交給通道來完成。

2. I/O 硬件

????????I/O 系統的硬件組成是多種多樣的，不同結構的 I/O 系統硬件組成也會有所不同。

• 采用接口模塊結構的 I/O 系統，硬件主要包括 接口模塊 和 I/O 設備 兩大部分。I/O 設備通過接口連接到主機；

• 采用通道或處理機結構的 I/O 系統，硬件主要包括 通道/處理機 、設備控制器 和 I/O 設備；一個通道/處理機可以和多個設備控制器相連，一個設備控制器又可以控制多臺同類型的設備。

  此外，連接各模塊的數據通路（I/O 總線）也是 I/O 硬件的一部分。

三、I/O 設備

????????計算機硬件系統中，主要由三部分組成：CPU 、主存儲器和輸入輸出設備。輸入輸出設備和它們對應的接口模塊，就構成了輸入輸出系統。

????????CPU 與主存合稱 主機，主機之外的大部分硬件設備都可以稱為 I/O 設備，統稱為 外部設備，簡稱 外設。

1. I/O 設備分類

????????從應用場景和功能上看，I/O 設備可以分為三大類：

（1）人機交互設備

????????實現用戶（操作者）和計算機之間信息交流的設備，又可以分為兩類：

• 輸入設備：將人們熟悉的信息形式轉換為機器能識別的信息形式，如鍵盤、鼠標、攝像頭等。

• 輸出設備：將機器運算結果轉換為人們熟悉的信息形式，如打印機、顯示器等。

（2）信息存儲設備

????????系統軟件和各種有用信息，都需要進行存儲保留，這就需要能夠持久化保存的外部存儲設備。這類存儲設備一般可以作為計算機的輔助存儲器，比如磁盤、光盤、固態硬盤等。

（3）機-機通信設備

????????多臺計算機之間、或者是計算機和其它系統之間如果需要進行通信，必須借助專門的通信設備。比如調制解調器（Modem），A/D、D/A 轉換設備等。

2. I/O 設備的組成

????????I/O 設備的基本組成如下：

• 設備控制器用來控制 I/O 設備的具體動作，不同的 I/O 設備需要完成的控制功能也不同；

• 機、電、磁、光部件是 I/O 設備的工作部件，與具體功能有關；內部結構涉及到機、電、磁、光工作原理；

• 現代 I/O 設備一般還會通過 I/O 接口與主機相連。