1. 概述

输入输出系统的发展

1. 分散连接：
   cpu 和io设备串行工作，　程序查询方式

2. 接口模块　和DMA阶段

io 接口，DMA控制器，与主机，和cpu 相互配合，完成数据的输入和输出操作。
总线连接：
io设备通过接口，　连接在总线上。　一个总线连接多个设备，总线另外一段和主机相联。

总线连接的情况下，CPU和I/O设备并行工作方式包括：中断方式和DMA方式。
并且在中断方式，和DMA方式中，　信息传输过程中，或者信息传输完成后，cpu也需要参加部分信息传输中的处理工作；

3. 具有通道结构的阶段;
   为了是cpu和 io 两者的工作可以并行起来，
   或者是输入输出系统，他的数据输入，输出，或者管理　尽可能的从主机中脱离出来，出现具有通道结构的　IO阶段；

通道可以看成是一个小型的　DMA控制器，能够执行通道程序，
通道有自身的指令系统。

通过执行通道程序，可以控制连接在通道上的io设备，和主机之间直接进行信息传输。

4. 具有io 处理机的阶段

io处理机可以是专用的处理机，
在大型计算机中，可以使用现代微处理器　直接作为io处理机来使用，　控制io　设备的工作。

在没有io设备工作的时候，　此时io处理器可以当做主机的备用处理器，　完成相应的计算任务。

随着，输入输出系统的发展，　数据的输入输出操作逐渐从
cpu中分离出来，外部设备的独立性越高。

1.1输入输出系统的组成

1.1.1 io 软件：

• io 指令，
  是主处理器或者cpu　指令集中的一部分，
  程序员使用这些io　指令，将他们编写到应用程序中；

cpu　通知执行这些io指令，控制外部设备。
是外部设备，和cpu　，主机三者之间能够协调工作

包含 操作码，命令码，　设备码;

操作码：是io指令的一个标志，　表明这是io指令

命令码：相当于cpu指令集中，普通指令的一个操作码。　表明对io 设备操作，进行查询，　输入，输出，以及其他控制。

设备码：给出io　设备的编码，io设备的地址，　或者是io设备中，某一个寄存器它的地址，　这些寄存器称为io的端口.

• 通道指令

通道指令是自身的指令，　通道有自己的控制器，通道是一种小型的ＤＭＡ处理机，能够实现io设备和主机之间直接进行信息传送。

通道自身的指令
指出数组的首地址，　传送字数，　操作命令；
如ibm/370通道指令为64位；

通道能够执行，由通道指令组成的通道程序。
编程人员在应用程序中，为了调用外部设备，让外部设备能够工作。
应用程序中，需要增加广义io指令，广义io指令需要指出参加数据传输的io　设备，　数据传输主存的首地址，传输数据的长度，　传输方向（是向io设备传输，还是向主存传输）

操作系统根据广义io指令，给出的参数，以及要求的操作，编写一个由通道指令组成的通道程序。并将通道程序放在内存，或者放在通道自身内存　中指定的位置，　然后启动，通道并工作。

通道根据通道程序的首地址后，开始工作，控制io设备，完成相应的输入和输出的工作。

1.1.2 io　硬件

输入输出设备+　io接口，
设备通过接口连接在总线上，和主机完成信息交换。

若采用通道方式：
设备连接设备控制器，　设备控制器连接子通道，　子通道连接通道。

1.2 主机和io设备之间的通信方式

1.2.1 io　设备编址方式

1. 统一编址：　将io设备的地址当做是内存地址的一部分，　将内存中的一部分地址取出，当做io设备的地址，此时cpu可以使用取数，　存数指令　来控制io设备。

2. 不统一编址：
   也称单独编址，　在内存地址空间之外，对外部设备专门设置一个地址空间。

为了区分是对内存操作，　还是io设备操作，　输入输出指令便不能在使用计算机系统中原始的取数，　存数指令。

有专门的io　指令，进行控制。

设备选址：　使用设备选择电路识别是否被选中。

传送方式：　串行，并行。

1.2.2　联络方式

外部设备接受或者发送　数据时的响应情况:

立即响应：　适用于结构简单的设备

异步工作：　采用应答信号

并行方式：　io设备接受数据，io端口将数据准备好后，　发送ready信号，告诉io设备，端口中的数据已经准备好。

此时，io设备对端口中的数据进行读取，并且给出应答信号。

同步工作：采用同步时标

设备与主机之间，如果要同步工作的话，
必须有一个定宽，定距的指标，　规定某个时间点必须开始规定的工作，　并且在另一时间点，该工作必须结束。

1.3　io设备与主机之间的连接方式

辐射式　连接
每台设备都配有一套，控制线路和一组信号线。　　不便于增删设备。

总线连接：　便于增删设备
外部设备通过接口和主机进行连接。
接口能够向外部设备传送主机的控制命令，
可以向主机传送外部设备的状态信息。

并且接口，也可以完成数据缓冲，外部设备的输入数据可以先缓存到接口当中，完成数据的格式转换等操作，然后输入到主机当中。

或者是主机中的数据，在接口中进行缓冲，经过格式的变换，传送给外部设备。

2. 　io设备与主机信息传送的控制方式

2.1　程序查询方式

cpu　和外设是采用串行方式进行工作的，
在这种方式下，数据想要在io设备和内存之间实现信息交换的话，必须要通过cpu,

而cpu的处理速度远远大于io设备，　导致cpu会有较长的时间处于等待状态，而没有工作。

数据准备好之后，　将数据送到io接口当中的数据缓冲，　将状态置为数据准备好。

在这个过程中，cpu除了读取数据，　还起到了一种数据中转的角色，即数据先放到cpu的寄存器中，　然后再从cpu的寄存器中放到内存中

程序查询的方式：　在数据准备过程中，　cpu　一致处于等待状态。

2.2 　程序中断方式

cpu和io设备之间实现了部分的并行工作，
即io设备在进行数据准备过程中，cpu可以运行自己的程序。

程序中断方式　对　程序查询方式进行了改进。
io工作可以分为两个阶段:

• 自身准备阶段：　cpu　不查询；
• 与主机交换信息阶段：　cpu　暂停现行程序;
  

在发出启动设备的指令后，　cpu继续执行原来的程序。

当外部设备准备好接受数据或者发出数据后，会向cpu提出中断请求，cpu停止当前的执行程序，从而和io设备进行数据交换。

在执行中断时候，要保存现场，保存程序断点。　
程序返回时，需要恢复现场，恢复程序断点。

程序查询执行方式，　程序中断方式; 这两种方式仍然是cpu　必须需要参与的。 内存和io设备在两端，cpu在中间，相当于一个中转站，并且也负责处理数据。

那么，能否有一种方式，数据的输入，输出工作，不需要 cpu　参与工作。

2.3　DMA方式

DMA 控制器：在主存和io 之间有一条直接数据通道。

• cpu交出总线控制权，　DMA 借用一个存取周期

DMA控制器，　控制主存和外设之间进行信息交换时，一定会使用到总线，包括数据线，　地址线，　控制线。 这个时候，需要cpu将总线的控制权交出来，让DMA使用，　交出的时间是一个存取周期。在该存取周期中， dma 直接在内存和io设备之间，进行数据交换，并且此时cpu不能使用总线.

使得cpu不再参与数据的输入，输出工作。

使得外部设备和内存之间，建立直接的连接，由DMA 控制器和DMA接口直接控制外部设备和内存之间，进行数据交换。

2.4 三种方式比较

从程序查询方式–> 程序中断方式　—> DMA 方式

io系统的自治能力越来越强

3. 外部设备

外部设备通过io接口与主机之间进行数据交换。

主机则通过io接口，获取外部设备的当前状态。

外部设备大致分类：

• 人机交互设备：　键盘，　鼠标，　打印机，　显示器
• 计算机信息存储设备：　磁盘，　光盘，　磁带
• 计算机与计算机之间的通信设备，　　调制解调器

3.1　输入设备

按键，　判断哪个键按下，　将此键翻译成ascii　码，　
鼠标：
机械式，　金属球，　电位器
光电式，　光电转换器；

触摸屏

3.2　输出设备

显示器：

• 字符显示，　　字符发生器
• 图形显示，　　主观图形，　人工自己画出的。
• 图像显示，　　客观图像

打印机

• 击打式，　　点阵式　(逐字，　逐行)
• 非击打式，　　激光，逐页显示，　喷墨　逐字

3.3　小模块

A/D, D/A 　模拟，数字，　　数字模拟　转换器；
终端：　由键盘和显示器组成
完成　显示控制，　与存储，　键盘管理以及通信控制；

汉字处理:　　汉字输入，　汉字存储，　汉字输出。

多媒体技术