本文主要是介绍计算机组成原理——输入输出系统，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！
除了cpu和存储器两大模块之外，计算机硬件系统的第三个关键部分是输入输出模块，又称为输入输出系统。随着计算机系统的不断发展，应用范围的不断扩大，i/o设备的数量和种类也越来越多，它们与主机的联络方式及信息的交换方式也各不相同。
一.输入输出系统的发展概况
1.早期阶段 这个阶段i/o设别种类较少，i/o设备与主存交换信息都必须通过cpu。当时的特点是：每个i/o设备都必须配有一套独立的逻辑电路与cpu相连实现信息交换，因此电路复杂；输入输出设备是穿插在cpu执行过程中进行的，当i/o设备与主机交换信息时，cpu会停止工作，因此浪费时间；每个i/o设备与cpu的控制器都是紧密相连，所以独立性差。
2.接口模块与DMA阶段 这个阶段i/o设备通过接口模块与主机连接，计算机系统采用了总线结构，通常接口中都设有数据通路和控制通路，数据经过接口起缓冲作用，又可以完成串并交换，控制通路既可传送cpu向i/o设备的控制命令，也可以接收来自i/o设备的反馈信号。许多接口也可以满足中断请求处理的要求，使设备和cpu可按并行方式工作，提高效率。采用接口技术还可以多台i/o设备分别占用总线，也可以实现并行工作方式，提高整机效率。
3.具有通道结构的阶段 通道使用来负责管理i/o设备以及是啊先主存与i/o设备之间交换信息的部件，可以视为一种具有特殊功能的处理器。通道有专门的通道指令，能独立的执行用通道指令所编写的输入输出程序，但不是一个完全独立的处理器。它依据cpu的i/o指令进行启动，停止或改变工作状态，是从属于cpu的一个专用处理器。依赖通道管理的i/o设备在与主机进行交换信息时，cpu不直接参与管理，故提高了cpu的资源利用率。
4.具有i/o处理机的阶段 i/o处理机基本独立于主机工作，既可以完成i/o通道要完成的i/o控制，又可以完成码制转换，格式处理等操作，具有i/o处理机的输入输出系统与cpu工作的并行性更高，说明i/o系统具有更大的独立性。
二.输入输出系统的组成
输入输出系统由i/o软件和i/o硬件组成。
三.i/o设备与主机的联系方式
首先要明确i/o设备与主机交换信息是与cpu与主存交换信息是不同的，其次存在多种方式：i/o设备编址方式，设备寻址，传送方式，联络方式。i/o设备编址方式：统一编址将i/o地址看作是存储器地址的一部分，统一编址占用了存储空间，减少了主存容量，但无需专用i/o专用指令；设备寻址：将每台设备赋予一个设备号，当启动某一设备时，可有i/o指令的设备码字段直接指出该设备的设备号。传送方式：n位信息同时由cpu输出至i/o设备，或由i/o设备输入cpu，这种方式称为并行传送，其优点传送速度快，但要求数据线多。联络方式：不论是并行还是串行传送，都必须在合适的状态下才能传送，根据i/o设备工作速度的不同，可分为三种：1.立即响应方式：对于工作速度十分缓慢的i/o设备，当他们与cpu发生联系时，通常已都起处于某种等待状态，此时会立刻响应到来的i/o指令。2.异步工作采用应答信号联络：i/o设备与主机工作速度不匹配时，常采用此方式，这种方式在交换信息前，i/o设备与cpu各自完成自身任务后，一旦出现联络信号，彼此准备交换信息，为一应一答的联络方式。3.同步工作采用同步时标联络：要求i/o设备与cpu的工作速度完全同步，这种联络互相之间配有专用电路，用以生产同步时标来控制工作。
i/o设备与主机的联络方式：辐射式和总线式，采用辐射式连接方式，要求每台i/o设备都有一套控制线路和一组信号线，多适用于计算机的发展的初级阶段；总线连接方式：通过一组总线将所有的i/o设备与主机连接，大多计算机系统所采用的方式。
四.i/o设备与主机交换信息传送的控制方式
程序查询方式，程序中断方式，直接存储器存取方式，i/o通道方式，i/o处理机方式。
程序查询方式：是由cpu通过程序不断查询i/o设备是否已经做好准备，从而控制i/o设备与主机交换信息。若查得i/o设备未准备就绪，就继续查询，若查得i/o设备准备就绪，就将数据从i/o接口送至cpu，再由cpu送至主存，这样一个一个字的查询，直至这个数据块的数据全部传送至此，cpu又重新回到原现行程序。只要一启动i/o设备，cpu便不断查询i/o设备的准备情况，从而中止了原程序的执行，i/o涉笔准备就绪后，cpu要一个一个字的从i/o设备取出，经cpu送至主存，此刻cpu也不能执行原程序，所以这种方式时cpu和i/o设备处于串行工作状态，cpu的工作效率不高。
程序中断方式：cpu在启动i/o设备后，不查询设备是否已准备就绪，继续执行自身程序，只是当i/o设备准备就绪并向cpu发出中断请求后才给予响应，这将大大提高cpu的工作效率。
DMA方式：程序中断方式虽然消除了程序查询方式的等待现象，提高了cpu资源的利用率，但是cpu在响应中断请求后，必须通知现行程序而转入中断服务程序，并且为了完成i/o设备与主存进行交换信息，还不得占用cpu内部的一些寄存器，这同样是对cpu资源的损耗，如果i/o设备能直接与主存交换信息而不占用cpu，那么cpu的资源利用率显然进一步提高，，这就出现了DMA的方式。在DMA方式中，主存与i/o设备之间有一条数据通路，主存与i/o设备交换信息时，无需调用中断服务程序。
五.i/o接口
接口可以看作两个系统或两个部件之间的交接部分，它既可以是两种硬设备之间的连接电路，也可以时两个软件之间的共同逻辑边界。i/o接口通常是主机与i/o设备之间设置的一个硬件电路及相应的软件控制。不同的i/o设备都有相应的设备控制器，并且往往都是通过i/o接口与主机取得联系。
接口的功能和组成：数据线，设备选择线，命令线，状态线。
六.程序查询方式
程序查询的核心问题在于每时每刻需不断查询i/o设备是否准备就绪。通常会执行如下三条指令：测试指令：查询i/o设备是否准备就绪；传送指令：当i/o设备准备就绪时，执行传送指令；转移指令：若i/o设备为准备就绪时执行转移指令，转至测试指令，继续测试i/o设备的状态。
七.程序中断方式
计算机在执行过程中，当出现异常情况或特殊请求时，计算机停止现行程序的运行，转向对这些异常情况或特殊情况的处理，处理结束后再返回到现行程序的间断处，继续执行该程序。在i/o设备与主机进行交换信息时，由于设备本身机电特性的影响，，其工作效率低，与pcu无法匹配，因此在启动设备后，往往需要等待一段时间才能实现主机和i/o设备之间的信息交换，如果在设备准备的同时，cpu不做无谓的等待，而继续执行现行程序，只有当i/o设备准备就绪后向cpu提出请求后，再暂时中断cpu现行程序转入i/o服务程序，这便产生了i/o中断。总之，为了提高计算机的整机效率，为了应付突发事件，为了实时控制需要，在计算机技术的发展过程中产生了中断技术。
八.程序中断方式的接口电路
为处理i/o中断，i/p接口电路必须配置相关的硬件线路：中断请求触发器，中断屏蔽触发器。每台设备必须配置一个中断请求触发器，当其为1时，表示该设备向cpu发出了中断请求。但凡能向cpu提出中断请求的各种因素称为中断源。当多个中断源向cpu发出请求时，cpu必须坚持任何瞬间只能接受一个中断源的请求。这样再i/o接口需设置一个屏蔽触发器，当其为1时，表示被屏蔽，即封锁其中断源的请求，同时cpu会根据中断源的不同性质对其进行排队，速度越快的i/o设备优先级越高。
九.中断服务程序的流程
不同设备的服务程序是不同的，但程序流程是相似的，一般分为四大部分：保护现场，中断服务，恢复现场，中断返回。保护现场：其有两个含义，一是保护程序的断点，其二是保存通用寄存器和状态寄存器的内容。中断服务：其是中断服务程序的主体部分，对于不同的中断请求源，其中断服务操作内容是不同的。回复现场：其是中断服务程序的结尾部分，要求在退出程序前，将原程序中断的现场恢复到原有的寄存器中。中断返回：其通常是中断服务的最后一条指令，使其返回程序的断点处，以便继续执行原程序。
十.DMA方式
DMA的数据传送过程分为：预处理，数据传送和后处理三个阶段。DMA接口与系统的连接方式：具有公共请求线的DMA方式，若干个DMA接口通过一条公共的DMA请求线向cpu申请总线控制权。cpu发出响应信号，用链式查询方式通过DMA接口，首先选中的设备获得总线控制权，即可占用总线和主存传送信息；独立的DMA请求方式：每一个DMA接口各有独自的DMA请求线和DMA响应线。
与程序中断方式相比，DMA具有如下特点：1.从数据传送上看，程序中断方式靠程序传送，DMA靠硬件传送。2.从cpu响应时间看，程序中断方式是在一条指令执行结束后响应，而DMA方式可以在在指令周期的任一周期结束时响应。3.程序中断方式有处理异常事件的能力，DMA方式没有，主要用于大批数据的传送。4.程序中断方式需要中断现行程序，故需保护现场，DMA方式不中断现行程序，故无需保护现场。5.DMA方式优先级比程序中断的优先级高。
第五章课后题部分答案如下：
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