计算机组成结构—IO系统概述
计算机组成结构—IO系统概述
计算机的I/O系统是连接CPU和外部设备的重要桥梁，负责不同类型数据信息的输入输出控制管理。从早期的直接连接方式到现代的处理机阶段，I/O系统经历了显著的技术演进。本文将详细介绍I/O系统的发展历程、组成结构以及设备分类等内容。
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。