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(jī)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(jī)方式適用于數(shù)據(jù)傳輸率比較高的設(shè)備。目前，小型機(jī)和微型機(jī)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(jī)方式大都用在中、大型計(jì)算機(jī)中。為了介紹方便，我們把通道方式和I/O處理機(jī)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(jì)算機(jī)程序控制，是在CPU主動(dòng)控制下進(jìn)行的，當(dāng)輸入/輸出時(shí)，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(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。
這是一種最簡(jiǎn)單、最經(jīng)濟(jì)的輸入/輸出方式。它只需很少的硬件，因此幾乎所有的機(jī)器都具有程序查詢方式。特別是在微、小型機(jī)中，常用程序查詢方式來實(shí)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)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(dòng)”向CPU發(fā)請(qǐng)求中斷的信號(hào)，請(qǐng)求CPU暫時(shí)中斷目前的工作而進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。當(dāng)CPU響應(yīng)這個(gè)中斷時(shí)，便暫停運(yùn)行主程序，并自動(dòng)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(qǐng)求是由外部設(shè)備發(fā)出的。中斷方式特別適合于隨機(jī)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(duì)總線的控制，數(shù)據(jù)交換不經(jīng)過CPU，而直接在內(nèi)存儲(chǔ)器和I/O設(shè)備之間進(jìn)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(hào)、修改地址、對(duì)傳送的字的個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)，并且以中斷方式向CPU報(bào)告?zhèn)魉筒僮鞯慕Y(jié)束。DMA方式的主要優(yōu)點(diǎn)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(jìn)行保存現(xiàn)場(chǎng)、恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)之類的工作。內(nèi)存地址修改、傳送字個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)等，也不是由軟件實(shí)現(xiàn)，而是用硬件線路直接實(shí)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?gòu)耐獠吭O(shè)備發(fā)出DMA請(qǐng)求;
②CPU響應(yīng)請(qǐng)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(duì)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(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)，并執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送的操作;
④向CPU報(bào)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(shí)，CPU可以繼續(xù)執(zhí)行程序。那么DMA控制器與CPU怎樣分時(shí)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(gè)DMA控制器實(shí)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(gè)接口電路是在中斷接口的基礎(chǔ)上再加DMA機(jī)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(jì)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(jì)數(shù)器。而當(dāng)DMA傳送時(shí)，每交換一次數(shù)據(jù)，將地址計(jì)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(jì)數(shù)器
用于記錄傳送數(shù)據(jù)塊的長(zhǎng)度（多少字?jǐn)?shù)）。其內(nèi)容也是在數(shù)據(jù)傳送之前由程序預(yù)置，交換的字?jǐn)?shù)通常以補(bǔ)碼形式表示。在DMA傳送時(shí)，每傳送一個(gè)字，字計(jì)數(shù)器就加“1”，當(dāng)計(jì)數(shù)器溢出即位產(chǎn)生進(jìn)位時(shí)，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(hào)。③數(shù)據(jù)緩沖寄存器
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(jī)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(jī)方式適用于數(shù)據(jù)傳輸率比較高的設(shè)備。目前，小型機(jī)和微型機(jī)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(jī)方式大都用在中、大型計(jì)算機(jī)中。為了介紹方便，我們把通道方式和I/O處理機(jī)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(jì)算機(jī)程序控制，是在CPU主動(dòng)控制下進(jìn)行的，當(dāng)輸入/輸出時(shí)，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(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。
這是一種最簡(jiǎn)單、最經(jīng)濟(jì)的輸入/輸出方式。它只需很少的硬件，因此幾乎所有的機(jī)器都具有程序查詢方式。特別是在微、小型機(jī)中，常用程序查詢方式來實(shí)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)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(dòng)”向CPU發(fā)請(qǐng)求中斷的信號(hào)，請(qǐng)求CPU暫時(shí)中斷目前的工作而進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。當(dāng)CPU響應(yīng)這個(gè)中斷時(shí)，便暫停運(yùn)行主程序，并自動(dòng)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(qǐng)求是由外部設(shè)備發(fā)出的。中斷方式特別適合于隨機(jī)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(duì)總線的控制，數(shù)據(jù)交換不經(jīng)過CPU，而直接在內(nèi)存儲(chǔ)器和I/O設(shè)備之間進(jìn)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(hào)、修改地址、對(duì)傳送的字的個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)，并且以中斷方式向CPU報(bào)告?zhèn)魉筒僮鞯慕Y(jié)束。DMA方式的主要優(yōu)點(diǎn)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(jìn)行保存現(xiàn)場(chǎng)、恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)之類的工作。內(nèi)存地址修改、傳送字個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)等，也不是由軟件實(shí)現(xiàn)，而是用硬件線路直接實(shí)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?gòu)耐獠吭O(shè)備發(fā)出DMA請(qǐng)求;
②CPU響應(yīng)請(qǐng)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(duì)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(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)，并執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送的操作;
④向CPU報(bào)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(shí)，CPU可以繼續(xù)執(zhí)行程序。那么DMA控制器與CPU怎樣分時(shí)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(gè)DMA控制器實(shí)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(gè)接口電路是在中斷接口的基礎(chǔ)上再加DMA機(jī)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(jì)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(jì)數(shù)器。而當(dāng)DMA傳送時(shí)，每交換一次數(shù)據(jù)，將地址計(jì)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(jì)數(shù)器
用于記錄傳送數(shù)據(jù)塊的長(zhǎng)度（多少字?jǐn)?shù)）。其內(nèi)容也是在數(shù)據(jù)傳送之前由程序預(yù)置，交換的字?jǐn)?shù)通常以補(bǔ)碼形式表示。在DMA傳送時(shí)，每傳送一個(gè)字，字計(jì)數(shù)器就加“1”，當(dāng)計(jì)數(shù)器溢出即位產(chǎn)生進(jìn)位時(shí)，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(hào)。③數(shù)據(jù)緩沖寄存器