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(pán)存儲(chǔ)器、磁帶存儲(chǔ)器、光盤(pán)存儲(chǔ)器等。從某種意義上也可以把磁盤(pán)、磁帶和光盤(pán)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(chēng)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(wú)關(guān)性。
原理
從信息傳輸速率來(lái)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)備在時(shí)間上同步要討論的外圍設(shè)備的定時(shí)問(wèn)題。
輸入/輸出設(shè)備同CPU交換數(shù)據(jù)的過(guò)程：
輸入過(guò)程：
(1)CPU把一個(gè)地址值放在地址總線(xiàn)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(xiàn)讀入數(shù)據(jù)，并放在一個(gè)相應(yīng)的寄存器中。
輸出過(guò)程：
(1)CPU把一個(gè)地址值放在地址總線(xiàn)上，選擇輸出設(shè)備；
(2)CPU把數(shù)據(jù)放在數(shù)據(jù)總線(xiàn)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。
定時(shí)方式
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)方式，總的說(shuō)來(lái)，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(jiǎn)單的外圍設(shè)備
對(duì)這類(lèi)設(shè)備，如機(jī)械開(kāi)關(guān)、顯示二極管等等，CPU總是能足夠快地作出響應(yīng)。換句話(huà)說(shuō)，對(duì)機(jī)械開(kāi)關(guān)來(lái)講，CPU可以認(rèn)為輸入的數(shù)據(jù)一直有效，因?yàn)闄C(jī)械開(kāi)關(guān)的動(dòng)作相對(duì)CPU的速度來(lái)講是非常慢的，對(duì)顯示二極管來(lái)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(lèi)設(shè)備的速度和CPU的速度并不在一個(gè)數(shù)量級(jí)，或者由于設(shè)備(如鍵盤(pán))本身是在不規(guī)則時(shí)間間隔下操作的，因此，CPU與這類(lèi)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換通常采用異步定時(shí)方式。其定時(shí)過(guò)程如下：
如果CPU從外設(shè)接收一個(gè)字，則它首先詢(xún)問(wèn)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(xiàn)上接收數(shù)據(jù)。CPU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(xiàn)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(xún)問(wèn)外設(shè)時(shí)，外設(shè)沒(méi)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(xún)問(wèn)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)。
CPU發(fā)送數(shù)據(jù)的情況也與上述情況相似，外設(shè)先發(fā)出請(qǐng)求輸出信號(hào)，而后，CPU詢(xún)問(wèn)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(wèn)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(lèi)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(lái)進(jìn)行。
控制方式
程序查詢(xún)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)傳輸率比較高的設(shè)備。在單片機(jī)和微型機(jī)中多采用程序查詢(xún)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(lèi)似的方式：
1.程序查詢(xún)方式
程序查詢(xún)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(xún)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(jiǎn)單。但問(wèn)題是，外圍設(shè)備動(dòng)作很慢，程序進(jìn)入查詢(xún)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，CPU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(xún)?cè)O(shè)備狀態(tài)的子程序進(jìn)行掃描輪詢(xún)的辦法，CPU寶貴資源的浪費(fèi)也是可觀(guān)的。因此當(dāng)前除單片機(jī)外，很少使用程序查詢(xún)方式。
2.程序中斷方式
中斷是外圍設(shè)備用來(lái)“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(lái)的任務(wù)，并從它停止的地方開(kāi)始執(zhí)行程序。這種方式和前述例子的第二種方法相類(lèi)似。可以看出，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(xún)方式相比，硬件結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜一些，服務(wù)開(kāi)銷(xiāo)時(shí)間較大。
3.直接內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)(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(fǎng)問(wèn)(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(kāi)銷(xiāo)。此時(shí)，DMA控制器從CPU完全接管對(duì)總線(xiàn)的控制，數(shù)據(jù)交換不經(jīng)過(guò)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(fǎng)問(wèn)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)備之間大批數(shù)據(jù)交換的場(chǎng)合。
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)椋珻PU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(chēng)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)(PPU)方式是通道方式的進(jìn)一步發(fā)展。由于PPU基本上獨(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(shuō)，這種系統(tǒng)已變成分布式的多機(jī)系統(tǒng)。
外圍設(shè)備
外圍設(shè)備的種類(lèi)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(pán)存儲(chǔ)器、磁帶存儲(chǔ)器、光盤(pán)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(hù)或其他設(shè)備通信的橋梁。輸入設(shè)備是用戶(hù)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間進(jìn)行信息交換的主要裝置之一。鍵盤(pán)，鼠標(biāo)，攝像頭，掃描儀，光筆，手寫(xiě)輸入板，游戲桿，語(yǔ)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(guò)不同類(lèi)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(lái)。常見(jiàn)的有顯示器、打印機(jī)、繪圖儀、影像輸出系統(tǒng)、語(yǔ)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(pán)、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(yǔ)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(lái)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)果都保存在存儲(chǔ)器中。它根據(jù)控制器指定的位置存入和取出信息。存儲(chǔ)器是用來(lái)存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)的部件，有了存儲(chǔ)器，計(jì)算機(jī)才有記憶功能，才能保證正常工作。按用途存儲(chǔ)器可分為主存儲(chǔ)器（內(nèi)存）和輔助存儲(chǔ)器（外存）。外存通常是磁性介質(zhì)或光盤(pán)等，能長(zhǎng)期保存信息。內(nèi)存指主板上的存儲(chǔ)部件，用來(lái)存放當(dāng)前正在執(zhí)行的數(shù)據(jù)和程序，但僅用于暫時(shí)存放程序和數(shù)據(jù)，關(guān)閉電源或斷電，數(shù)據(jù)就會(huì)丟失。
參考資料 >