全國計算機等級考試四級復(fù)習(xí)綱要一

九、輸入與輸出系統(tǒng)

    1.輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展

    輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展大致分為五種方式，即程序控制的輸入輸出方式、中斷方式，DMA方式、輸入/輸出通道方式和I/O處理機等五種方式。

    程序查詢方式和程序中斷方式適用于數(shù)據(jù)傳輸率比較低的外部設(shè)備。而DMA方式、通道方式和I/O處理機方式適用于數(shù)據(jù)傳輸率比較高的設(shè)備。目前，小型機和微型機大都采用程序查詢方式、程序中斷方式和DMA方式。通道方式I/O處理機方式大都用在中、大型計算機中。為了介紹方便，我們把通道方式和I/O處理機方式視為一種方式。

    2.程序查詢方式

    程序查詢方式又叫程序控制I/O方式。在這種方式中，數(shù)據(jù)在CPU和外部設(shè)備之間的傳送完全靠計算機程序控制，是在CPU主動控制下進行的，當(dāng)輸入/輸出時，CPU暫停執(zhí)行主程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行輸入/輸出的服務(wù)程序，根據(jù)服務(wù)程序中的I/O指令進行數(shù)據(jù)傳送。

    這是一種最簡單、最經(jīng)濟的輸入/輸出方式。它只需很少的硬件，因此幾乎所有的機器都具有程序查詢方式。特別是在微、小型機中，常用程序查詢方式來實現(xiàn)低速設(shè)備的輸入輸出管理。

    3.程序中斷方式

    “中斷”概念的提出，是計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一個重大變革。在程序中斷方式中，某一外設(shè)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒后，它“主動”向CPU發(fā)請求中斷的信號，請求CPU暫時中斷目前的工作而進行數(shù)據(jù)交換。當(dāng)CPU響應(yīng)這個中斷時，便暫停運行主程序，并自動轉(zhuǎn)移到該設(shè)備的中斷服務(wù)程序。當(dāng)中斷服務(wù)程序結(jié)束以后，CPU又回到原來的主程序。其原理和調(diào)用子程序相仿，不過，這里要求轉(zhuǎn)移到中斷服務(wù)子程序的請求是由外部設(shè)備發(fā)出的。中斷方式特別適合于隨機出現(xiàn)的服務(wù)。

    4.DMA方式

    （1）DMA方式的基本概念

    直接訪問內(nèi)存DMA方式，是一種完全由硬件執(zhí)行I/O交換的工作方式。在這種方式中，DMA控制器從CPU中完全接管對總線的控制，數(shù)據(jù)交換不經(jīng)過CPU，而直接在內(nèi)存儲器和I/O設(shè)備之間進行。DMA方式一般用于高速地傳送成組的數(shù)據(jù)。DMA控制器將向內(nèi)存發(fā)出地址和控制信號、修改地址、對傳送的字的個數(shù)計數(shù)，并且以中斷方式向CPU報告?zhèn)魉筒僮鞯慕Y(jié)束。DMA方式的主要優(yōu)點是速度快。由于CPU根本不參加傳送操作，因此就省去了CPU取指令、取數(shù)、送數(shù)等操作。在數(shù)據(jù)傳送過程中，也不象中斷方式那樣，要進行保存現(xiàn)場、恢復(fù)現(xiàn)場之類的工作。內(nèi)存地址修改、傳送字個數(shù)的計數(shù)等，也不是由軟件實現(xiàn)，而是用硬件線路直接實現(xiàn)的。DMA的種類很多，但各種DMA至少能執(zhí)行以下一些基本操作:①從外部設(shè)備發(fā)出DMA請求;

    ②CPU響應(yīng)請求，把CPU工作改成DMA操作方式，DMA控制器從CPU接管總線的控制;③由DMA控制器對內(nèi)存尋址，即決定數(shù)據(jù)傳送的內(nèi)存單元首地址及數(shù)據(jù)傳送個數(shù)的計數(shù)，并執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送的操作;

    ④向CPU報告DMA操作的結(jié)束。

    （2）DMA技術(shù)的出現(xiàn)，使得外部設(shè)備可以通過DMA控制器直接訪問內(nèi)存，與此同時，CPU可以繼續(xù)執(zhí)行程序。那么DMA控制器與CPU怎樣分時使用內(nèi)存呢?通常采用以下三種方法:①停止CPU訪問;②周期挪用;

    ③DMA與CPU交替訪問。

    （3）基本的DMA控制器

    一個DMA控制器實際上是采用DMA方式的外部設(shè)備與系統(tǒng)總線之間的接口電路。這個接口電路是在中斷接口的基礎(chǔ)上再加DMA機構(gòu)組成。習(xí)慣上將DMA方式的接口電路稱為DMA控制器。

    ①內(nèi)存地址計數(shù)器

    用于存放內(nèi)存中要交換的數(shù)據(jù)地址。在DMA傳送前，需通過程序?qū)��?shù)據(jù)在內(nèi)存中的起始位置（首地址）送到內(nèi)存地址計數(shù)器。而當(dāng)DMA傳送時，每交換一次數(shù)據(jù)，將地址計數(shù)器加“1”，從而以增量方式給出內(nèi)存中要交換的一批數(shù)據(jù)的地址。

    ②字計數(shù)器

    用于記錄傳送數(shù)據(jù)塊的長度（多少字?jǐn)?shù)）。其內(nèi)容也是在數(shù)據(jù)傳送之間由程序預(yù)置，交換的字?jǐn)?shù)通常以補碼形式表示。在DMA傳送時，每傳送一個字，字計數(shù)器就加“1”，當(dāng)計數(shù)器溢出即最高位產(chǎn)生進位時，表示這批數(shù)據(jù)傳送完畢，于是引起DMA控制器向CPU發(fā)出中斷信號。

    ③數(shù)據(jù)緩沖寄存器

    用于暫存每次傳送的數(shù)據(jù)（一個字）。當(dāng)輸入時，由設(shè)備（如磁盤）送往數(shù)據(jù)緩沖寄存器，再由緩沖寄存器通過數(shù)據(jù)總線送到內(nèi)存。反之，輸出時，由內(nèi)存通過數(shù)據(jù)總線送到數(shù)據(jù)緩沖寄存器，然后再送到設(shè)備。

    ④“DMA請求”標(biāo)志

    每當(dāng)設(shè)備準(zhǔn)備好一個數(shù)據(jù)字后給出一個控制信號，使“DMA”請求標(biāo)志置“1”。該標(biāo)志置位后向“控制/狀態(tài)”邏輯發(fā)出DMA請求，后者又向CPU發(fā)出總線使用權(quán)的請求（HOLD），CPU響應(yīng)此請求后發(fā)回響應(yīng)信號HLDA，“控制/狀態(tài)”邏輯接收此信號后發(fā)出DMA響應(yīng)信號，使“DMA請求”標(biāo)志復(fù)位，為交換下一個字做好準(zhǔn)備。

    ⑤“控制/狀態(tài)”邏輯它由控制和時序電路，以及狀態(tài)標(biāo)志等組成，用于修改內(nèi)存地址計數(shù)器和字計數(shù)器，指定傳送類型（輸入輸出），并對“DMA請求”信號和CPU響應(yīng)信號進行協(xié)調(diào)和同步。⑥中斷機構(gòu)

    當(dāng)字計數(shù)器溢出時（全0），意味著一組數(shù)據(jù)交換完畢，由溢出信號觸發(fā)中斷機構(gòu)，向CPU提出中斷報告。這里的中斷與前面介紹的I/O中斷所采用的技術(shù)相同，但中斷的目的不同，前面是為了數(shù)據(jù)的輸入或輸出，而這里是為了報告一組數(shù)據(jù)傳送結(jié)束。因此它們是I/O系統(tǒng)中不同的中斷事件。

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