系统分析师-计算机系统-输入输出系统
目录
一、输入输出系统
1. 输入输出工作方式
2. 总线
总线的分类
总线的性能指标
3. I/O 接口
接口的主要功能
接口的分类
常见接口
端口
二、体系结构分类
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一、输入输出系统
1. 输入输出工作方式
输入输出系统简称I/O系统，它由I/O设备、I/O接口(I/O控制器)I/O控制管理软件等组成。
I/O 系统的5种工作方式：
（1）程序控制方式：是由CPU执行一段I/O程序来实现主机与外设之间的数据传送，根据外设的不同性质，可分为无条件传送和程序查询方式两种。
a. 在无条件传送方式中，I/O端口总是准备好接收主机的输出数据，或总是准备好向主机输入数据因而CPU无须查询外设的工作状态，而默认外设始终处于准备就绪状态。在CPU认为需要时，随时可直接利用I/O指令访问相应的I/O端口，实现与外设之间的数据交换。
b. 许多外设的工作状态是很难事先预知的，为了保证数据传送的正确进行，就要求CPU在程序中查询外设的工作状态。如果外设尚未准备就绪，CPU就循环等待，只有当外设已做好准备时，CPU才能执行1/0指令进行数据传送，这就是程序查询方式。
（2）程序中断方式：为了提高I/O能力和CPU的效率，计算机系统引进了中断方式。整个中断过程大体上可以分为5个阶段，分别是中断请求、中断判优、中断响应、中断处理和中断返回。
当I/O系统与外设间用中断控制方式交换数据时，CPU无须等待也不必去查询I/O的状态。 进行中断响应时，CPU保存正在执行程序的现场，转入I/O中断服务程序完成与I/O系统的数据交换，然后返回原主程序继续执行。与程序控制方式相比，中断方式因为CPU无须等待而提高了效率。
（3）DMA工作方式(直接主存存取)：是为了在主存与外设之间实现高速、批量数据交换而设置的，使用DMA控制器(DMAC) 来控制和管理数据传输。DMAC和CPU共享系统总线,并且具有独立访问存储器的能力。
（4）通道方式：通道是一种高级的I/O控制部件，它在一定的硬件基础上利用软件手段实现对I/O的控制和传送，更多地免去了 CPU的介入，从而使主机和外设的并行工作程度更高。◆
按照所采取的传送方式，可将通道分为字节多路通道、选择通道和数组多路通道。
（1）字节多路通道。这是一种简单的共享通道，用于连接与管理多台低速设备。
（2）选择通道，又称为高速通道。该通道在物理上也可以连接多个设备，但这些设备不能同时工作在一段时间内通道只能选择一台设备进行数据传送，此时该设备可以独占整个通道。
（3）数组多路通道。该通道是把字节多路通道和选择通道的特点结合起来的一种通道结构，它有多个子通道，既可以执行多路通道程序，即像字节多路通道那样，所有子通道分时共享总通道，又可以用选择通道那样的方式成组地传送数据。
（5）I/O处理机：也称为外围处理机，具有丰富的指令系统和完善的中断系统。专用于大型、高效的计算机系统处理外围设备的I/O,并利用共享存储器或其他共享手段与主机交换信息，从而使大型计算机系统更加高效地工作。I/O处理机具有比较丰富的指令系统，结构接近于一般的处理机，可以有自己的局部存储器。
2. 总线
总线(Bus)，是指计算机设备和设备之间传输信息的公共数据通道。总线是连接计算机硬件系统内多种设备的通信线路，它的一个重要特征是由总线上的所有设备共享，因此可以将计算机系统内的多种设备连接到总线上。
总线的分类
总线有不同的分类方式，主要有如下4种分类方法：
（1）按总线功能，可分为地址总线、数据总线、控制总线三类。
-
数据总线，用于传送需要处理或者需要存储的数据。
-
地址总线，用于指定在 RAM 之中存储的数据的地址。
-
控制总线，将微处理器控制单元的信号传送到周边设备。
（2）按总线在微机系统中的位置，可分为机内总线和机外总线两种。上面所说的总线都是机内总线，而机外总线是指与外部设备接口相连的，是一种外设的接口标准。
（3）按总线功用，主要分为局部总线、系统总线、通信总线三类。局部总线是在传统的 ISA总线和CPU总线之间增加的一级总线或管理层;系统总线是计算机系统内部各部件(插板)之间进行连接和传输信息的一组信号线;通信总线是计算机系统之间或计算机系统与其他系统之间进行通信的一组信号线。
（4）按总线中数据线的多少，可分为并行总线和串行总线两类。并行总线是含有多条双向数据线的总线，它可以实现一个数据的多位同时传输；串行总线是只含有一条双向数据线或两条单向数据线的总线，可以实现一个数据的各位按照一定的速度和顺序依次传输，适用于远距离通信。
总线的性能指标
总线的主要性能指标包括如下5种:
（1）总线宽度。总线宽度指的是总线的线数，它决定了总线所占的物理空间和成本。对总线宽度最一直接的影响是地址线和数据线的数量。例如，32位的PCI总线允许寻址的主存空间的大小为232=4G个单元。
（2）总线带宽。总线宽度指总线的最大数据传输速率，即每秒传输的字节数，单位可以用字节/秒(B/s)表示。在同步通信中，总线的带宽与总线时钟密不可分，总线时钟频率的高低决定了总线带宽的大小：总线带宽=总线宽度X总线频率
例如，假设某系统总线在一个总线周期中并行传输4B信息，一个总线周期占用2个时钟周期，总线时钟频率为10MHz。此时，时钟周期T=1/10M=0.1us,总线周期-2T=0.2us，则总线带宽为4/0.2=20MB/s。
（3）总线负载。总线负载是指连接在总线上的最大设备数量。
（4）总线分时复用。总线分时复用是指在不同时段利用总线上同一个信号线传送不同信号。
（5）总线猝发传输。猝发式数据传输是一种总线传输方式，即在一个总线周期中可以传输存储地址连续的多个数据。
3. I/O 接口
I/O接口也称为I/O控制器，它是主机和外设(外部设备) 之间的界面，通过接口可以实现主机和外设之间的信息交换。
接口的主要功能
I/O接口的功能主要包括如下5个方面：
（1）实现主机和外设的通信联络控制。
（2）进行地址译码和设备选择。
（3）实现数据缓冲。数据缓冲寄存器用于数据的暂存，以避免丢失数据。
（4）数据格式的变换。
（5）传递控制命令和状态信息。
接口的分类
按信号分类，可分为数字接口和模拟接口；
按通用性分类，可分为通用接口和专用接口；
按功能选择的灵活性分类，可分为可编程接口和不可编程接口；
根据外部设备与I/O模块交换数据的方式，可分为串行接口和并行接口。
串行通信又可分为异步通信方式和同步通信方式两种。
（1）异步通信。该方式在发送字符时，所发送字符之间的时间间隔可以是任意的。必须在每一个字符加上开始位和停止位，以便使接收端能够正确地将每一个字符接收下来。异步通信的好处是通信设备简单、便宜，但传输效率较低。
（2）同步通信。该方式要求收发双方具有同频同相的同步时钟信号，只需在传送报文的最前面附加特定的同步字符，使收发双方建立同步，此后，便在同步时钟的控制下逐位发送和接收。
常见接口
（1）IDE是最常用的磁盘接口，分为普通IDE接口和增强型IDE(EIDE)接口。
（2）ATA-7是ATA接口的最后一个版本，也称为Ultra DMA 133,支持1064Mb/s(133MB/s)的数据传输速率。
（3）SATA是一种基于行业标准的串行硬件驱动器接口。SATA的优势是支持热插拔、传输速度快、执行效率高。
（4）eSATA(externaI SATA)。eSATA 支持 3.2Gb/s 的传输速率，是一种扩展的 SATA 接口，用来连接外部SATA设备。
（5）SCSl是大容量存储设备、音频设备和CD-ROM驱动器的一种标准。
（6）PCMCIA是一种广泛用于笔记本电脑的接口标准，体积小，扩展较方便、灵活.
（7）IEEE-1394。1394能够在同一条总线上支持不同速率的设备，支持设备的热插拔。
（8）USB接口是一种串行总线式的接口，在串行接口中可达到较高的数据传输速率,最多可连接127个设备。USB的最大特点是允许热插拔。USB 1.0的速度是12Mb/s(1.5MB/s)，USB 2.0的速 度达到了 480Mb/s，USB 3.0的速度可达4.8Gb/s。
端口
I/O端口(简称为端口)是指接口电路中可以被CPU直接访问的寄存器，由若干个端口加上相应的控制逻辑电路组成接口。端口编址的方式分为独立编址和统一编址两种。
（1）独立编址又称为I/O映射。在该编址方式中，主存地址空间和端口地址空间相对独立，分别单独编址。在指令系统中设置专门的I/O指令，当CPU使用I/O指令时，其指令的地址字段直接或间接地指示出端口地址，
（2）统一编址又称为存储器映射。在该编址方式中，端口地址和主存单元地址是统一编址的，把I/O接口中的端口视为同主存单元一样进行访问，不设置专门的I/O指令，就用一般的数据传送类指令来实现I/O操作。
二、体系结构分类
按处理机的数量进行分类：
单处理系统(一个处理单元和其他设备集成)；
并行处理系统(两个以上的处理机互联)；
分布式处理系统(物理上远距离且松耦合的多计算机系统)。
Flynn分类法：分类有两个因素，即指令流和数据流。
指令流由控制部分处理，每一个控制部分处理一条指令流，多指令流就有多个控制部分；
数据流由处理器来处理，每一个处理器处理一条数据流，多数据流就有多个处理器；
至于主存模块，是用来存储的，存储指令流或者数据流。
因此，无论是多指令流还是多数据流，都需要多个主存模块来存储，对于主存模块，指令和数据都一样。
依据计算机特性，是由指令来控制数据的传输，因此，一条指令可以控制一条或多条数据流，但一条数据流不能被多条指令控制，否则会出错，就如同上级命令太多还互相冲突不知道该执行哪个，因此多指令单数据MISD不可能存在。
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