3.4 输入/输出系统

在历年的考试中，涉及本部分知识点的考题相对较少，是整个章节中相对次重要的部分。本部分知识主要是输入/输出系统的3种不同的工作方式，以及通道基础知识和设备总线相关知识。

1.输入/输出系统原理

知识点说明：

难度系数：☆　考查频度：☆　考查权重：☆

本知识点的要点在于理解程序控制、程序中断和DMA3种工作方式的基本原理、相关概念和特点。

知识点详解：

（1）程序控制工作方式。

这种工作模式下，输入/输出完全由CPU控制，在整个I/O过程中，CPU必须等待其完成，因而限制了CPU的高速能力。不过在这种方式下，程序主动查询外设，完成主机与外设间的数据传送，方法简单，硬件开销小。在这种方式下，需要对I/O设备进行编码，其主要的编码方式包括如下两种。

· 存储器映射：即I/O设备和主存储器统一编址，使用相同的机器指令来访问内存和外设，这种方式下，CPU根据地址的不同来区分访问的是外设还是存储器。

· 独立编址：I/O设备和主存储器的地址空间相互独立，CPU使用专门的I/O指令来访问外设。

当需要对外设进行查询时，可以采用以下两种方式。

· 串行点名：CPU依次对所有的外设进行查询，不过每次只查询一台。

· 并行查询：把各个外设的状态位集中起来，由CPU通过一个专用的端口来读取，每一次可以同时查询多个外设的状态。

（2）程序中断工作方式。

在I/O控制中引入中断，是为了解决“程序控制输入/输出”方法中CPU低效等待的缺陷。采用该机制，CPU将无须定期查询I/O系统的状态，而可以抽身处理其他事务。当I/O系统完成后，则以中断信号通知CPU，然后CPU保存正在执行程序的现场（ 包括程序计数器PC ，记住当前执行到哪条指令），接着转入I/O中断服务程序完成数据交换。在收到中断请求后，停止正在执行的代码，保存现场的时间称为 中断响应时间 ，这个时间应该尽可能短。

当系统中有多个中断源时，常见的处理方法如下。

· 多中断信号线法：就是给每个中断源“拉一根电话线”，“专线专用”。

· 中断软件查询法：CPU收到中断后转到中断服务程序，由该程序来确认中断源。

· 雏菊链法：硬件查询法，所有的I/O模块共享一条共同的中断请求线。

· 总线仲裁法：一个I/O设备在发出中断请求前，必须先获得总线控制权。由总线仲裁机制来决定谁有权发出中断信号。

· 中断向量表法：中断向量表用来保存各个中断源的中断服务程序的入口地址，当外设发出中断后，由中断控制器确定其中继号。

（3）DMA工作方式。

中断法虽然比程序控制法更加有效，但由于都是由软件来完成工作的，因此难以满足高速传输的要求。而DMA直接存储器存取方式则使用DMA控制器（DMAC）来控制和管理数据传送。DMAC与CPU共享系统总线，并且具有独立访问存储器的能力。

在进行DMA时，CPU放弃对系统总线的控制，改由DMAC控制总线；由DMAC提供存储器地址及必需的读写控制信号，实现外设与存储器的数据交换。实现DMA的基本步骤如下：

① 向CPU申请DMA传送。

② 获得CPU允许后，DMA控制器接管系统总线的控制权。

③ 在DMA控制器的控制下，在存储器和外设之间进行数据传送，在传送过程中无须CPU参与，开始时需要提供传送数据的长度和起始地址。

④ 传送结束后，向CPU返回DMA操作完成信号。

DMAC获取系统总线的控制权可以采用暂停方式（CPU交出控制权到DMA操作结束）、周期窃取方式（CPU空闲时暂时放弃总线时，插入一个DMA周期）、共享方式（CPU不使用系统总线时，由DMAC来进行DMA传输）。

2.I/O通道技术

知识点说明：

难度系数：☆　　考查频度：☆　考查权重：☆

本知识点的要点在于了解通道的功能、优点与类型，历年考试还没有直接涉及本方面的考题，但这对于输入/输出系统而言也是一个较重要的知识点，应对其有基本了解。

知识点详解：

随着计算机系统规模越来越大，所连接的外围设备也越来越多，I/O处理成为一个十分突出的问题，而I/O通道技术正是为了解决这个问题而出现的。通道是一种通过执行通道程序管理I/O操作的控制器，它使CPU与I/O操作达到了更高的并行度。

（1）通道的功能。

· 接受CPU的I/O指令，按指令要求与指定的外围设备进行通信。

· 从主存中读出相应的通道指令，经译码后向设备控制器和设备发送各种命令。

· 组织外设和主存进行数据传送。

· 获得外设的状态信息，存入内存供CPU使用。

· 将外设的中断请求和通道本身的中断请求按顺序报告CPU。

（2）通道的类型。

通常可以把通道分为选择通道（连接多台快速I/O设备，但一次只能使用一台）、字节多路通道（连接多台慢速I/O设备，以交叉的方式传递数据）、数据多路通道（综合前两者的优点）。

3.设备总线及系统总线

知识点说明：

难度系数：☆　考查频度：☆　考查权重：☆

本知识点的要点在于各种常见I/O总线的名词。

知识点详解：

以下是一些常见的I/O总线类型。

· IDE：最常用的磁盘接口，早期普通的IDE允许的硬盘容量≤528MB，现在使用的是增强型的EIDE接口，传输率有UDMA-33，UDMA-66，UDMA-133三种，拥有32位的数据带宽，最多可以连接4个设备。

· SCSI：用雏菊链的方式连接多个I/O设备，详细内容参见3.3节的知识点6。

· PCMCIA：是一种笔记本上常见的接口，体积小、扩展灵活，用于连接外存、MODEM、网卡等。

· USB：是以个人计算机为主站，它最大可连接127个设备。USB1.0的速度是1.2Mbps，USB2.0的速度达到了480Mbps，并且支持热插拔。

· 1394接口：广泛应用于娱乐性外设，如DC，是一种串行接口，速度可达400Mbps，新的标准是800Mbps，也使用雏菊链式连接，每个端口可支持63个设备，使用桥互联可以完成树型配置，支持高达6022个设备。也支持热插拔。

而常见的个人计算机系统总线包括ISA、EISA、PCI、AGP 4种，表3-8总结了它们的主要特性。