目录

一、I/O 系统的发展

1. 早期阶段

2. 接口模块和 DMA 阶段

3. 通道结构阶段

4. 处理机阶段

二、I/O 系统的组成

1. I/O 软件

2. I/O 硬件

三、I/O 设备

1. I/O 设备分类

2. I/O 设备的组成

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        在计算机中，除 CPU 和主存两大模块之外，第三个重要部分就是 输入输出模块，也叫做 输入输出系统，简写为 I/O 系统。

        I/O 系统的主要功能，就是对不同类型数据信息的输入输出，进行高效的控制管理。

一、I/O 系统的发展

        I/O 系统的结构，从简单到复杂，发展主要经历了四个阶段。

1. 早期阶段

        早期的输入输出设备比较少，计算机的结构是以 CPU 为中心的分散连接方式；所有 I/O 设备都直接连接到 CPU ，与主存交换数据必须通过 CPU。

        这样，每个 I/O 设备都必须配备一套独立的逻辑电路与 CPU 连接，线路复杂、难以维护和扩展；而且输入输出数据会打断 CPU 运行，效率比较低。

2. 接口模块和 DMA 阶段

        之后计算机的连接方式发展出了总线结构，I/O 设备通过接口模块与总线相连，通过总线进行数据传输。

        通常，在接口模块中都会设有 数据通路 和 控制通路。数据可以通过接口起到缓冲作用，也可以完成串并转换；控制通路则可以传送 CPU 发来的控制命令，或者向 CPU 发送来自 I/O 设备的反馈信号。许多接口还可以满足中断请求处理的要求，使 I/O 设备和 CPU 可以并行工作。

        为了进一步提高 CPU 的效率，又出现了 直接存储器存取（Direct Memory Access，DMA）技术。在 I/O 设备和主存之间增加一条专门的数据通路，让它们可以直接交换信息，而无需经过 CPU。

        在现代的小型或微型计算机中，一般都会采用接口模块和 DMA 的接口来实现 I/O 设备和主存的数据交换。

3. 通道结构阶段

        对于大中型计算机，I/O 设备数量庞大、数据传输非常频繁，采用 DMA 方式需要为每个设备都配置专用的 DMA 接口，CPU 也需要对众多的 DMA 接口进行管理；控制非常复杂、工作效率也会受到很大影响。

        因此在大中型计算机中，采用 I/O 通道 的方式来进行数据交换。

        通道 可以看作一种从属于 CPU 的专用处理器，专门负责管理 I/O 设备，实现主存和 I/O 设备之间的数据交换。采用通道结构的计算机，I/O 设备的数据传输就全部交给通道来处理，提高了 CPU 的资源利用率。

4. 处理机阶段

        I/O 系统进一步发展，出现了 I/O 处理机。I/O 处理机基本独立于主机工作，又称为 外围处理机。 具有 I/O 处理机的 I/O 系统与 CPU 的并行性更高，进一步解放了 CPU ，提升了 CPU 的工作效率。

二、I/O 系统的组成

        I/O 系统主要由两部分组成： I/O 软件 和 I/O 硬件。

1. I/O 软件

        I/O 系统软件的主要功能包括：

• 将用户编写的程序输入主机；

• 将运算结果传送给用户；

• 协调 I/O 系统和主机的工作。

        不同结构的 I/O 系统采用的软件技术不同。

        生活中常见的计算机一般采用接口模块方式，指令系统中需要设置专门的 I/O 指令；调用 I/O 指令并配合系统软件中的管理程序，就可以实现 I/O 设备与主机的协调工作。

        如果采用通道管理方式，除 I/O 指令外，还需要有 通道指令 和相应的操作系统。

（1）I/O 指令

        I/O 指令也是一种机器指令，它的指令格式与普通的机器指令类似。

        上面的 I/O 指令格式中，分为三个字段：

• 操作码：指明当前是一条 I/O 指令；

• 命令码：指明 I/O 设备的具体操作；

• 设备码：用来对多台 I/O 设备进行区分和选择，相当于设备地址。

        其中，命令码一般会包括以下几种情况：

• 将数据从 I/O 设备输入主机；

• 将数据从主机输出至 I/O 设备；

• 状态测试。检测 I/O 设备的状态（”忙“ 还是 ”准备就绪“），来确定接下来是否可以进行数据交换；

• 形成具体的操作命令。例如磁盘驱动器的磁头读扇区、写扇区、寻找磁道等等。

（2）通道指令

        通道指令是具有通道的 I/O 系统专门设置的指令，又称为 通道控制字（Channel Control Word，CCW），是通道用来执行 I/O 操作的指令。

        这类指令位数一般会比较多，主要功能有：

• 指明要交换的一组数据在主存中的首地址；

• 指明要传送数据的字节数，或者在主存中的末地址；

• 指明所选设备的设备码，以及要完成的具体操作的命令码。

        对于采用了通道结构的计算机，CPU 执行的 I/O 指令就只负责启、停 I/O 设备，查询通道和设备状态以及对通道进行操作控制；而具体的数据传输则交给通道来完成。

2. I/O 硬件

        I/O 系统的硬件组成是多种多样的，不同结构的 I/O 系统硬件组成也会有所不同。

• 采用接口模块结构的 I/O 系统，硬件主要包括 接口模块 和 I/O 设备 两大部分。I/O 设备通过接口连接到主机；

• 采用通道或处理机结构的 I/O 系统，硬件主要包括 通道/处理机 、设备控制器 和 I/O 设备；一个通道/处理机可以和多个设备控制器相连，一个设备控制器又可以控制多台同类型的设备。

  此外，连接各模块的数据通路（I/O 总线）也是 I/O 硬件的一部分。

三、I/O 设备

        计算机硬件系统中，主要由三部分组成：CPU 、主存储器和输入输出设备。输入输出设备和它们对应的接口模块，就构成了输入输出系统。

        CPU 与主存合称 主机，主机之外的大部分硬件设备都可以称为 I/O 设备，统称为 外部设备，简称 外设。

1. I/O 设备分类

        从应用场景和功能上看，I/O 设备可以分为三大类：

（1）人机交互设备

        实现用户（操作者）和计算机之间信息交流的设备，又可以分为两类：

• 输入设备：将人们熟悉的信息形式转换为机器能识别的信息形式，如键盘、鼠标、摄像头等。

• 输出设备：将机器运算结果转换为人们熟悉的信息形式，如打印机、显示器等。

（2）信息存储设备

        系统软件和各种有用信息，都需要进行存储保留，这就需要能够持久化保存的外部存储设备。这类存储设备一般可以作为计算机的辅助存储器，比如磁盘、光盘、固态硬盘等。

（3）机-机通信设备

        多台计算机之间、或者是计算机和其它系统之间如果需要进行通信，必须借助专门的通信设备。比如调制解调器（Modem），A/D、D/A 转换设备等。

2. I/O 设备的组成

        I/O 设备的基本组成如下：

• 设备控制器用来控制 I/O 设备的具体动作，不同的 I/O 设备需要完成的控制功能也不同；

• 机、电、磁、光部件是 I/O 设备的工作部件，与具体功能有关；内部结构涉及到机、电、磁、光工作原理；

• 现代 I/O 设备一般还会通过 I/O 接口与主机相连。