2012年计算机三级信息管理技术分章节考试要点（5）

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九、输入与输出系统
; [' @0 w! I2 z( E: ~( W+ X　　1.输入输出系统的发展
) E5 _7 @. p) k. L4 R　　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。
% D2 i5 R. \9 A6 B　　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。
, y) P: M0 J% |  r　　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。
, I) i  P1 {* |0 P　　3.程序中断方式
+ a* g5 w2 T& @　　“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
; G# q, Y* M- Z4 U" P  ]: H　　（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;
4 W' G% V0 P4 V+ g　　③DMA与CPU交替访问。
　　（3）基本的DMA控制器
; M" S- }2 g$ |& Y; }# _# [! O# |　　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
7 b# s) y4 l. P5 y2 ^- k7 x　　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
" j- G# A0 b+ E5 f) Z　　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前由程序预置，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

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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。
; e) z3 ?% B3 P4 z0 @+ o　　5.通道方式
　　（1）通道的功能
! W8 E2 Z5 n9 G5 y" [- m( p　　DMA控制器的出现已经减轻了CPU对数据输入输出的控制，使得CPU的效率有显着的提高。而通道的出现则进一步提高了CPU的效率。这是因为通道是一个具有特殊功能的处理器，它有自己的指令和程序专门负责数据输入输出的传输控制，而CPU将“传输控制”的功能下放给通道后只负责“数据处理”功能。这样，通道与CPU分时使用内存，实现了CPU内部运算与I/O设备的并行工作。
　　通道的基本功能是执行通道指令、组织外部设备和内存进行数据传输，按I/O指令要求启动外部设备，向CPU报告中断等，具体有以下五项任务:
5 n' U* z; _8 e. S( q　　①接受CPU的I/O指令，按指令要求与指定的外部设备进行通信;
　　②从内存选取属于该通道程序的通道指令，经译码后向设备控制器和设备发送各种命令;③组织外部设备和内存之间进行数据传送，并根据需要提供数据中间缓存的空间，以及提供数据存入内存的地址和传送的数据量;
" e' d7 e" k3 x1 V' r* B# D　　④从外部设备得到设备的状态信息，形成并保存通道本身的状态信息，根据要求将这些状态信息送到内存的指定单元，供CPU使用;
　　⑤将外部设备的中断请求和通道本身的中断请求，按次序及时报告CPU。
　　（2）通道类型
! o' {, A2 \+ x　　根据通道的工作方式，通道可分为:
5 ^3 r1 S6 W) _* v0 V! k6 R. J  S+ t6 N　　①选择通道。②数组多路通道。③字节多路通道。④通道适配器。
　　6.外部设备
, H4 `2 }. b3 [1 M1 I1 c　　外部设备分为输入设备、输出设备、输入输出兼用设备、外存设备、数据通信设备和过程控制设备等。
4 J; h& c1 s6 m　　（1）输入设备
　　（2）输出设备
/ ~2 i, l! {* I$ {$ r; |$ k1 _/ {　　（3）汉字设备
' _8 Y  U9 O6 E: Y　　（4）数据通信设备
　　（5）过程控制设备