输入输出系统的发展概况

输入输出系统的发展大致可分为4各阶段．

1．早期阶段

早期的I/O设备种类较少，I/O设备与主存交换信息都必须通过CPU，如图8.1所示．

这种方式沿用了相当长的时间．当时的I/O设备具有以下几个特点．

（1）每个I/O设备都必须配有一套独立的逻辑电路与CPU相连，用来实现I/O设备与主机之间的信息交换，因此线路十分散乱、庞杂．

（2）输入输出过程是穿插在CPU执行程序过程中进行的，当I/O设备与主机交换信息时，CPU不得不停止各种运算，因此，I/O设备与CPU是按串行方式工作的，极浪费时间．

（3）每个I/O设备的逻辑控制电路与CPU的控制器紧密构成一个不可分割的整体，它们彼此依赖，相互牵连，因此，欲增添、删减或更换I/O设备是非常困难的．

在这个阶段中，计算机系统硬件价格十分昂贵，机器运行速度不高，配置的I/O设备不多，主机与I/O设备之间交换的信息量也不大，计算机应用尚未普及．

2．接口模块和DMA阶段

这个阶段I/O设备通过接口与主机相连，计算机系统采用了总线结构，如图8.2所示．

通常，在接口中都设有数据通路和控制通路．数据经过接口既起到缓冲作用，又可完成串-并变换．控制通路用以传送CPU向I/O设备发出的各种控制命令，或使CPU接收来自I/O设备的反馈信号．有的接口还能满足中断请求处理的要求，使I/O设备与CPU可按并行方式工作，大大提高了CPU的工作效率．采用接口技术还可以是多台I/O设备分时占用总线，使多台I/O设备互相之间也可实现并行工作方式，有利于整机效率的提高．

虽然这个阶段实现了CPU与I/O设备的并行工作，但是在主机与I/O设备交换信息时，CPU要中断现行程序，即CPU与I/O设备还不能做多绝对的并行工作．

为了进一步提高CPU的工作效率，又出现了直接存储器存取（DMA, DirectMemory Access）技术，其特点是I/O设备与主机之间有一条直接数据通路，I/O设备可以与主存直接交换信息，使CPU在I/O设备与主存交换信息时能继续完成自身的工作，故资源利用率得到了进一步提高．

3．具有通道结构阶段

在小型和微型计算机中，采用DMA方式可实现高速I/O设备与主机之间成组数据的交换，但在大中型计算机中，I/O设备配置繁多，数据传送频繁，若仍采用DMA方式会出现一系列问题．

（1）如果每台I/O设备都配置专用的DMA接口，不仅增加了硬件成本，而且为了解决众多DMA接口同时访问主存的冲突问题，会使控制变得十分复杂．

（2）CPU需要对众多的DMA接口进行管理，同样会占用CPU的工作时间，而且因频繁进入周期挪用阶段，也会直接影响CPU的整体工作效率（详见后面关于DMA的介绍）.

因此在大中型计算机系统中，采用I/O通道的方式来进行数据交换．图8.3所示为具有通道结构的计算机系统．

通道是用来负责管理I/O设备以及实现主存与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．通道有专用的通道指令，能独立地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

输入输出系统发展到第四阶段，出现了I/O处理机．I/O处理机又称为外围处理机，它基本独立于主机工作，既可完成I/O通道要完成的I/O控制，又可完成码制转换、格式处理、数据块检错、纠错等处理．具有I/O处理机的输入输出系统与CPU工作的并行性更高，这说明I/O系统对主机来说具有更大的独立性．

总结

要提高CPU的使用效率