輸入-輸出控制系統

在計算機中對外圍設備實施控制的系統。它包含同輸入輸出操作有關的硬件、軟件和輸入-輸出設備控制器等。輸入-輸出設備和輔助存儲器都須通過輸入-輸出控制系統同中央處理器和主存儲器交換數據。輸入-輸出控制系統的主要功能是：①向外圍設備發送動作命令；②控制輸入輸出數據的傳送；③檢測外圍設備的狀態。

早期的計算機,由中央處理器直接控制外圍設備。60年代初引入中斷系統，使外圍設備能和中央處理器並行工作。以後又研究出輸入-輸出控制系統直接控制主存儲器存取數據的方式。隨着分時系統的出現，要求許多外圍設備高效率地並行工作。於是在60年代中期研製出專門執行輸入輸出操作的通道和外圍處理機，遂成為大、中型計算機輸入-輸出控制系統的主要形式。

各種輸入-輸出控制系統的系統結構按控制方式分為中央處理器程序控制、直接存儲器存取控制和輸入－輸出處理機控制三種方式。

中央處理器程序控制方式　輸入和輸出操作的執行（包括外圍設備和主存儲器之間的數據傳送）全部由中央處理器通過指令直接控制。中央處理器直接控制外圍設備的啓動、停止、運行方式和數據傳送長度。輸入時，中央處理器先從外圍設備接收數據，再將數據送到主存儲器。輸出時，中央處理器先從主存儲器取出數據，再發送到外圍設備。藉助中斷系統，中央處理器能同一台或若干台外圍設備並行工作（圖1）。這種方式的結構簡單，但輸入輸出佔用中央處理器的時間太多，影響整機效率。它只適用於外圍設備速度較慢且台數不多的小型或微型計算機。

輸入-輸出控制系統直接存儲器存取控制方式　輸入輸出設備同主存儲器之間的數據傳送由輸入輸出控制系統直接控制，至於其他控制操作，例如外圍設備的啓動和狀態檢測等，仍由中央處理器控制（圖2）。這種方式常用成組傳輸形式傳送數據。成組傳輸就是每次連續傳送一組數據，並且這組數據的字節數是預先置定的。

輸入-輸出控制系統在直接存儲器存取方式的輸入輸出控制過程中，首先通過中央處理器在直接存儲器存取控制器（簡稱 DMA控制器）中裝入必要的輸入輸出控制數據，例如傳輸方式、主存儲器起始地址、外圍設備編號和成組傳輸字節數等。然後中央處理器啓動 DMA控制器和外圍設備控制器使之動作，中央處理器繼續執行主程序。當外圍設備需要傳送數據時，便向DMA控制器發送請求信號，DMA控制器響應後直接控制並完成外圍設備和主存儲器之間的數據傳送。每次傳送一個數據後,DMA控制器計數一次並修改主存儲器存取地址，為下一次傳送作好準備。重複執行上述的傳送、計數和地址修改操作，直到傳送字節數達到成組傳輸的設定數為止。最後,外圍設備和DMA控制器復原、控制過程到此結束。

DMA 控制器對主存儲器存取數據常採用週期挪用方式，即是在中央處理器執行程序期間 DMA控制器為存取數據，強行插入使用主存儲器若干週期。在週期挪用期間，中央處理器僅處於等待使用存儲器的狀態，中央處理器本身的數據和狀態不受干擾。這種方式適用於外圍設備速度較快而台數不多的情況（如磁盤機、磁帶機），多用於小型、微型計算機。對於大、中型計算機、外圍設備速度較快而且台數較多，需要應用通道或外圍處理機控制方式。

輸入-輸出處理機控制方式　 在這種控制方式的輸入-輸出控制系統中，有專門的處理機執行輸入-輸出的主要操作，包括外圍設備的控制、檢測和輸入－輸出的數據傳送等。輸入－輸出處理機和中央處理器並行操作。輸入－輸出處理機有通道控制和外圍處理機控制兩種方式。

通道是專門用於控制輸入輸出過程的處理機，它在系統中與其他部件和外圍設備的關係如圖3。它有自己的指令和程序，分別稱為通道指令（或稱通道控制字）和通道程序。通道按通道指令對外圍設備實施控制的過程是：首先中央處理器轉入輸入－輸出管理程序，在主存儲器形成通道程序並啓動通道，然後中央處理器返回原來程序繼續運行。接着通道啓動相應的外圍設備，再從主存儲器的通道程序中讀取通道指令並一一執行。通道完成按通道程序所要求的數據傳送以後，便向中央處理器發出中斷信號。中央處理器響應後進行必要的登記和善後處理，再返回原來的程序繼續運行下去。

輸入-輸出控制系統通道能執行下列操作：①通過輸入－輸出接口向外圍設備發送控制命令或從外圍設備接收信號；②傳送數據並對它進行奇偶校驗和計數；③及時向中央處理器發出請求中斷的信號或對外圍設備送來的中斷信號實行排隊和控制；④接收並保存外圍設備的狀態信息，或將它存入主存儲器的指定單元內，並隨着所接收的中斷信號而更新（通道內具有通道狀態字寄存器，用以保存通道和外圍設備的狀態信息）。

一個計算機系統可以按照需要配接幾個通道。每個通道並行執行各自的通道程序。

外圍處理機也就是用於控制外圍設備的處理機，但它的結構比通道更接近於一般處理機，甚至就是利用小型通用機來構成。它不但具有控制外圍設備的指令和控制數據傳送的指令，而且還有運算指令。它除了具有通道的功能之外,還能完成輸入-輸出過程中的碼制變換,整個數據塊的差錯檢驗與糾正,以及文件記錄格式變換等操作。 圖4

輸入-輸出控制系統按照外圍處理機和中央處理器共享主存儲器與否，輸入-輸出控制系統可有兩種連接方式。

①共享主存儲器的連接方式：中央處理器和外圍處理機都能直接對主存儲器存取。外圍處理機的例行程序平時放在主存儲器內，當需用時再調入外圍處理機的存儲器中。因此，外圍處理機的存儲器容量不必太大（例如4千字）。

②不共享主存儲器的連接方式：各外圍處理機有單獨的容量較大的存儲器（例如36千字）。它的工作程序放在本身的存儲器內，工作上有更大的獨立性。