什么是输入-输出控制系统?

什么是输入-输出控制系统?

[拼音]：shuru-shuchu kongzhi xitong

[外文]：input-output control system

在计算机中对外围设备实施控制的系统。它包含同输入输出 *** 作有关的硬件、软件和输入-输出设备控制器等。输入-输出设备和辅助存储器都须通过输入-输出控制系统同中央处理器和主存储器交换数据。输入-输出控制系统的主要功能是：

（1）向外围设备发送动作命令；

（2）控制输入输出数据的传送；

（3）检测外围设备的状态。

早期的计算机，由中央处理器直接控制外围设备。60年代初引入中断系统，使外围设备能和中央处理器并行工作。以后又研究出输入-输出控制系统直接控制主存储器存取数据的方式。随着分时系统的出现，要求许多外围设备高效率地并行工作。于是在60年代中期研制出专门执行输入输出 *** 作的通道和外围处理机，遂成为大、中型计算机输入-输出控制系统的主要形式。

各种输入-输出控制系统的系统结构按控制方式分为中央处理器程序控制、直接存储器存取控制和输入－输出处理机控制三种方式。

中央处理器程序控制方式

输入和输出 *** 作的执行（包括外围设备和主存储器之间的数据传送）全部由中央处理器通过指令直接控制。中央处理器直接控制外围设备的启动、停止、运行方式和数据传送长度。输入时，中央处理器先从外围设备接收数据，再将数据送到主存储器。输出时，中央处理器先从主存储器取出数据，再发送到外围设备。借助中断系统，中央处理器能同一台或若干台外围设备并行工作（图1）。这种方式的结构简单，但输入输出占用中央处理器的时间太多，影响整机效率。它只适用于外围设备速度较慢且台数不多的小型或微型计算机。

直接存储器存取控制方式

输入输出设备同主存储器之间的数据传送由输入输出控制系统直接控制，至于其他控制 *** 作，例如外围设备的启动和状态检测等，仍由中央处理器控制（图2）。这种方式常用成组传输形式传送数据。成组传输就是每次连续传送一组数据，并且这组数据的字节数是预先置定的。

在直接存储器存取方式的输入输出控制过程中，首先通过中央处理器在直接存储器存取控制器（简称 DMA控制器）中装入必要的输入输出控制数据，例如传输方式、主存储器起始地址、外围设备编号和成组传输字节数等。然后中央处理器启动 DMA控制器和外围设备控制器使之动作，中央处理器继续执行主程序。当外围设备需要传送数据时，便向DMA控制器发送请求信号，DMA控制器响应后直接控制并完成外围设备和主存储器之间的数据传送。每次传送一个数据后，DMA控制器计数一次并修改主存储器存取地址，为下一次传送作好准备。重复执行上述的传送、计数和地址修改 *** 作，直到传送字节数达到成组传输的设定数为止。最后，外围设备和DMA控制器复原、控制过程到此结束。

DMA 控制器对主存储器存取数据常采用周期挪用方式，即是在中央处理器执行程序期间 DMA控制器为存取数据，强行插入使用主存储器若干周期。在周期挪用期间，中央处理器仅处于等待使用存储器的状态，中央处理器本身的数据和状态不受干扰。这种方式适用于外围设备速度较快而台数不多的情况（如磁盘机、磁带机），多用于小型、微型计算机。对于大、中型计算机、外围设备速度较快而且台数较多，需要应用通道或外围处理机控制方式。

输入-输出处理机控制方式

在这种控制方式的输入-输出控制系统中，有专门的处理机执行输入-输出的主要 *** 作，包括外围设备的控制、检测和输入－输出的数据传送等。输入－输出处理机和中央处理器并行 *** 作。输入－输出处理机有通道控制和外围处理机控制两种方式。

通道控制方式

通道是专门用于控制输入输出过程的处理机，它在系统中与其他部件和外围设备的关系如图3。它有自己的指令和程序，分别称为通道指令（或称通道控制字）和通道程序。通道按通道指令对外围设备实施控制的过程是：首先中央处理器转入输入－输出管理程序，在主存储器形成通道程序并启动通道，然后中央处理器返回原来程序继续运行。接着通道启动相应的外围设备，再从主存储器的通道程序中读取通道指令并一一执行。通道完成按通道程序所要求的数据传送以后，便向中央处理器发出中断信号。中央处理器响应后进行必要的登记和善后处理，再返回原来的程序继续运行下去。

通道能执行下列 *** 作：

（1）通过输入－输出接口向外围设备发送控制命令或从外围设备接收信号；

（2）传送数据并对它进行奇偶校验和计数；

（3）及时向中央处理器发出请求中断的信号或对外围设备送来的中断信号实行排队和控制；

（4）接收并保存外围设备的状态信息，或将它存入主存储器的指定单元内，并随着所接收的中断信号而更新（通道内具有通道状态字寄存器，用以保存通道和外围设备的状态信息）。

一个计算机系统可以按照需要配接几个通道。每个通道并行执行各自的通道程序。

外围处理机控制方式

外围处理机也就是用于控制外围设备的处理机，但它的结构比通道更接近于一般处理机，甚至就是利用小型通用机来构成。它不但具有控制外围设备的指令和控制数据传送的指令，而且还有运算指令。它除了具有通道的功能之外，还能完成输入-输出过程中的码制变换，整个数据块的差错检验与纠正，以及文件记录格式变换等 *** 作。 图4

按照外围处理机和中央处理器共享主存储器与否，输入-输出控制系统可有两种连接方式。

（1）共享主存储器的连接方式：中央处理器和外围处理机都能直接对主存储器存取。外围处理机的例行程序平时放在主存储器内，当需用时再调入外围处理机的存储器中。因此，外围处理机的存储器容量不必太大（例如4千字）。

（2）不共享主存储器的连接方式：各外围处理机有单独的容量较大的存储器（例如36千字）。它的工作程序放在本身的存储器内，工作上有更大的独立性。

参考书目

苏东庄主编：《计算机系统结构》，国防工业出版社，北京，1981。