第三章 存储、中断、总线与I/O系统

3.4 I/O系统

3.4.1 I/O系统概述

I/O系统包括输入/输出设备、设备控制器与输入/输出操作有关的软硬件。

低性能大农户计算机的输入/输出操作多数仍由程序员直接安排，I/O系统的设计主要是解决好CPU、主存和I/O设备在速度上的巨大差异。

I/O系统结构设计的好换直接影响计算机系统的性能，不仅影响输入/输出速度，各用户从程序输入到运算结果输出的时间，CPU、主存的利用率，还会影响I/O系统的兼容性、可扩展性、综合处理能力和性能价格比等。

I/O系统发展经历了3个阶段，对应3种方式。

  • 程序控制I/O(全软件、程序查询、中断驱动)
  • 直接存储器访问（DMA）
  • I/O处理机方式

I/O处理机方式又有通道（Channel）方式和外微处理机方式（PPU）之分。

通道方式中，通道可看做是处理机，有自己的指令系统和程序。功能简单，适用面窄。

3.4.2 通道处理机的工作原理与流量设计

IBM首先提出的一种I/O处理及方式。

1. 通道处理机的工作原理

出于对防止用户窃取系统中不该让其读出的内容以及防止用户可以自行输入而破坏其他用户程序和系统程序的考虑，计算机系统不再由用户直接安排输入/输出。因此，中央处理机用来控制外围设备操作用的输入/输出指令被定义成管态程序。

用户在目态程序中不能使用管态指令，只能在目态程序中安排要求输入/输出的广义指令，进入相应管理程序执行这些输入/输出管态指令。

广义指令由访管指令和若干参数组成。它的操作码对应此广义指令的管理程序入口。

访管指令是目态指令，当目态程序执行输入/输出的访管指令后，产生自愿访管中断，CPU响应中断请求，转向改管理场序入口，键入管态。

管态程序根据广义指令参数编制通道程序，该程序完成CPU一条I/O指令所要求执行的许多操作，存在主存对应通道的通道缓冲区中。入口地址被置入主存通道地址字单元，并由管理程序指明操作方式。管理程序开始操作。

2.通道流量的设计

通道流量是通道在数据传送期内，单位时间内传送的字节数。它能达到的最大流量称通道极限流量。通道的极限流量与其工作方式、数据传送期内选择一次设备的时间Ts和传送一个字节的时间TD的长短有关。

字节多路通道每选择一台设备只传送一个字节，其通道极限流量：

数组多路通道每选择一台设备可传送完K个字节。如果要传送N个字节，就得分次传送才行，每次传送都需要选一次设备。通道极限流量：

选择通道每选择一台设备就把N个字节全部传送完，通道极限流量

若Ts、TD一定，且N>K，字节多路方式的极限流量最小。数组多路方式居中，选择方式最大。

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