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九、输入与输出系统
1.输入输出系统的发展
输入输出系统的发展大致分为五种方式,即程序控制的输入输出方式、中断方式,DMA方式、输入/输出通道方式和I/O处理机等五种方式。
程序查询方式和程序中断方式适用于数据传输率比较低的外部设备。而DMA方式、通道方式和I/O处理机方式适用于数据传输率比较高的设备。目前,小型机和微型机大都采用程序查询方式、程序中断方式和DMA方式。通道方式I/O处理机方式大都用在中、大型计算机中。为了介绍方便,我们把通道方式和I/O处理机方式视为一种方式。
2.程序查询方式
程序查询方式又叫程序控制I/O方式。在这种方式中,数据在CPU和外部设备之间的传送完全靠计算机程序控制,是在CPU主动控制下进行的,当输入/输出时,CPU暂停执行主程序,转去执行输入/输出的服务程序,根据服务程序中的I/O指令进行数据传送。
这是一种最简单、最经济的输入/输出方式。它只需很少的硬件,因此几乎所有的机器都具有程序查询方式。特别是在微、小型机中,常用程序查询方式来实现低速设备的输入输出管理。
3.程序中断方式
“中断”概念的提出,是计算机系统结构设计中的一个重大变革。在程序中断方式中,某一外设的数据准备就绪后,它“主动”向CPU发请求中断的信号,请求CPU暂时中断目前的工作而进行数据交换。当CPU响应这个中断时,便暂停运行主程序,并自动转移到该设备的中断服务程序。当中断服务程序结束以后,CPU又回到原来的主程序。其原理和调用子程序相仿,不过,这里要求转移到中断服务子程序的请求是由外部设备发出的。中断方式特别适合于随机出现的服务。
4.DMA方式
(1)DMA方式的基本概念
直接访问内存DMA方式,是一种完全由硬件执行I/O交换的工作方式。在这种方式中,DMA控制器从CPU中完全接管对总线的控制,数据交换不经过CPU,而直接在内存储器和I/O设备之间进行。DMA方式一般用于高速地传送成组的数据。DMA控制器将向内存发出地址和控制信号、修改地址、对传送的字的个数计数,并且以中断方式向CPU报告传送操作的结束。DMA方式的主要优点是速度快。由于CPU根本不参加传送操作,因此就省去了CPU取指令、取数、送数等操作。在数据传送过程中,也不象中断方式那样,要进行保存现场、恢复现场之类的工作。内存地址修改、传送字个数的计数等,也不是由软件实现,而是用硬件线路直接实现的。DMA的种类很多,但各种DMA至少能执行以下一些基本操作:①从外部设备发出DMA请求;
②CPU响应请求,把CPU工作改成DMA操作方式,DMA控制器从CPU接管总线的控制;③由DMA控制器对内存寻址,即决定数据传送的内存单元首地址及数据传送个数的计数,并执行数据传送的操作;
④向CPU报告DMA操作的结束。
(2)DMA技术的出现,使得外部设备可以通过DMA控制器直接访问内存,与此同时,CPU可以继续执行程序。那么DMA控制器与CPU怎样分时使用内存呢?通常采用以下三种方法:①停止CPU访问;②周期挪用;
③DMA与CPU交替访问。
(3)基本的DMA控制器
一个DMA控制器实际上是采用DMA方式的外部设备与系统总线之间的接口电路。这个接口电路是在中断接口的基础上再加DMA机构组成。习惯上将DMA方式的接口电路称为DMA控制器。
①内存地址计数器
用于存放内存中要交换的数据地址。在DMA传送前,需通过程序将数据在内存中的起始位置(首地址)送到内存地址计数器。而当DMA传送时,每交换一次数据,将地址计数器加“1”,从而以增量方式给出内存中要交换的一批数据的地址。
②字计数器
用于记录传送数据块的长度(多少字数)。其内容也是在数据传送之间由程序预置,交换的字数通常以补码形式表示。在DMA传送时,每传送一个字,字计数器就加“1”,当计数器溢出即最高位产生进位时,表示这批数据传送完毕,于是引起DMA控制器向CPU发出中断信号。
③数据缓冲寄存器
用于暂存每次传送的数据(一个字)。当输入时,由设备(如磁盘)送往数据缓冲寄存器,再由缓冲寄存器通过数据总线送到内存。反之,输出时,由内存通过数据总线送到数据缓冲寄存器,然后再送到设备。
④“DMA请求”标志
每当设备准备好一个数据字后给出一个控制信号,使“DMA”请求标志置“1”。该标志置位后向“控制/状态”逻辑发出DMA请求,后者又向CPU发出总线使用权的请求(HOLD),CPU响应此请求后发回响应信号HLDA,“控制/状态”逻辑接收此信号后发出DMA响应信号,使“DMA请求”标志复位,为交换下一个字做好准备。
⑤“控制/状态”逻辑它由控制和时序电路,以及状态标志等组成,用于修改内存地址计数器和字计数器,指定传送类型(输入输出),并对“DMA请求”信号和CPU响应信号进行协调和同步。⑥中断机构
当字计数器溢出时(全0),意味着一组数据交换完毕,由溢出信号触发中断机构,向CPU提出中断报告。这里的中断与前面介绍的I/O中断所采用的技术相同,但中断的目的不同,前面是为了数据的输入或输出,而这里是为了报告一组数据传送结束。因此它们是I/O系统中不同的中断事件。
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