九、輸入與輸出系統

    1.輸入輸出系統的發展

    輸入輸出系統的發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據傳輸率比較低的外部設備。而DMA方式、通道方式和I/O處理機方式適用于數據傳輸率比較高的設備。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，數據在CPU和外部設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，當輸入/輸出時，CPU暫停執行主程序，轉去執行輸入/輸出的服務程序，根據服務程序中的I/O指令進行數據傳送。

    這是一種最簡單、最經濟的輸入/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低速設備的輸入輸出管理。

    3.程序中斷方式

    “中斷”概念的提出，是計算機系統結構設計中的一個重大變革。在程序中斷方式中，某一外設的數據準備就緒后，它“主動”向CPU發請求中斷的信號，請求CPU暫時中斷目前的工作而進行數據交換。當CPU響應這個中斷時，便暫停運行主程序，并自動轉移到該設備的中斷服務程序。當中斷服務程序結束以后，CPU又回到原來的主程序。其原理和調用子程序相仿，不過，這里要求轉移到中斷服務子程序的請求是由外部設備發出的。中斷方式特別適合于隨機出現的服務。

    4.DMA方式

    （1）DMA方式的基本概念

    直接訪問內存DMA方式，是一種完全由硬件執行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，數據交換不經過CPU，而直接在內存儲器和I/O設備之間進行。DMA方式一般用于高速地傳送成組的數據。DMA控制器將向內存發出地址和控制信號、修改地址、對傳送的字的個數計數，并且以中斷方式向CPU報告傳送操作的結束。DMA方式的主要優點是速度快。由于CPU根本不參加傳送操作，因此就省去了CPU取指令、取數、送數等操作。在數據傳送過程中，也不象中斷方式那樣，要進行保存現場、恢復現場之類的工作。內存地址修改、傳送字個數的計數等，也不是由軟件實現，而是用硬件線路直接實現的。DMA的種類很多，但各種DMA至少能執行以下一些基本操作:①從外部設備發出DMA請求;

    ②CPU響應請求，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控制器對內存尋址，即決定數據傳送的內存單元首地址及數據傳送個數的計數，并執行數據傳送的操作;

    ④向CPU報告DMA操作的結束。

    （2）DMA技術的出現，使得外部設備可以通過DMA控制器直接訪問內存，與此同時，CPU可以繼續執行程序。那么DMA控制器與CPU怎樣分時使用內存呢?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方式的外部設備與系統總線之間的接口電路。這個接口電路是在中斷接口的基礎上再加DMA機構組成。習慣上將DMA方式的接口電路稱為DMA控制器。

    ①內存地址計數器

    用于存放內存中要交換的數據地址。在DMA傳送前，需通過程序將數據在內存中的起始位置（首地址）送到內存地址計數器。而當DMA傳送時，每交換一次數據，將地址計數器加“1”，從而以增量方式給出內存中要交換的一批數據的地址。

    ②字計數器

    用于記錄傳送數據塊的長度（多少字數）。其內容也是在數據傳送之間由程序預置，交換的字數通常以補碼形式表示。在DMA傳送時，每傳送一個字，字計數器就加“1”，當計數器溢出即最高位產生進位時，表示這批數據傳送完畢，于是引起DMA控制器向CPU發出中斷信號。

    ③數據緩沖寄存器

    用于暫存每次傳送的數據（一個字）。當輸入時，由設備（如磁盤）送往數據緩沖寄存器，再由緩沖寄存器通過數據總線送到內存。反之，輸出時，由內存通過數據總線送到數據緩沖寄存器，然后再送到設備。

    ④“DMA請求”標志

    每當設備準備好一個數據字后給出一個控制信號，使“DMA”請求標志置“1”。該標志置位后向“控制/狀態”邏輯發出DMA請求，后者又向CPU發出總線使用權的請求（HOLD），CPU響應此請求后發回響應信號HLDA，“控制/狀態”邏輯接收此信號后發出DMA響應信號，使“DMA請求”標志復位，為交換下一個字做好準備。

    ⑤“控制/狀態”邏輯它由控制和時序電路，以及狀態標志等組成，用于修改內存地址計數器和字計數器，指定傳送類型（輸入輸出），并對“DMA請求”信號和CPU響應信號進行協調和同步。⑥中斷機構

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

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