计算机组成原理学习笔记第8章I/O系统 8.2 输入/输出方式

名人说：非学无以广才，非志无以成学。——诸葛亮
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目录

1.输入/输出方式

2.无条件I/O方式

3.程序控制I/O方式

①简介

②程序查询的I/O原理

②设备状态字寄存器

③优缺点及应用场景

4.中断I/O方式

①简介

②优缺点及应用场合

5.DMA方式

①简介

②优缺点及应用场合

6.通道和I/O处理机方式

①简介

②通道

③I/O处理机

④优缺点及应用场合

★观前提示：本专栏笔记内容适合有一定的基础或复习时观看，内容如有错，还请大家评论指出！非常感谢！

1.输入/输出方式

①无条件I/O方式
②程序控制I/O方式
③中断I/O方式
④DMA（Direct Memory Access）方式
⑤通道方式
⑥I/O处理机方式

2.无条件I/O方式

◆ 在程序的适当位置直接安排I/O指令，当程序执行到这些I/O指令时，CPU默认外设始终是准备就绪的（I/O总是准备好接收CPU的输出数据，或总是准备好向CPU输入数据），无需检查I/O的状态，就进行数据的传输；
◆ 硬件接口电路和软件控制程序都比较简单。输入时，必须确保CPU执行I/O指令读取数据时，外设已将数据准备好；输出时，必须确保外部设备的数据锁存器为空，即外设已将上次的数据取走，等待接收新的数据，否则会导致数据传送出错，但一般的外设难以满足这种要求。数据、避免数据出错；

3.程序控制I/O方式

①简介

◆ 程序控制I/O方式是一种早期计算机采用的输入/输出方式，数据在计算机和外设之间的传送全部靠计算机程序控制；计算机执行I/O指令时，先获取外设状态，并根据外设的状态决定下一步操作。

②程序查询的I/O原理

◆ 程序先向I/O设备发出I/O命令字；
◆ 读取I/O设备工作状态信息；
◆ 检查状态字中的标志，看是否可以进行数据交换；
◆ 若设备未准备就绪，则返回到上步，重复查询；否则，发出设备准备就绪信号；
◆ CPU与I/O接口的数据缓冲寄存器进行数据交换，与此同时，将接口中的状态标志复位。

②设备状态字寄存器

◆ 用来标志设备的工作状态，以便接口对外部设备进行监视。
◆ CPU通过程序查询设备状态位来判断设备的状态。
◆ 因此，设备状态寄存器是设备对主机的窗口，主机通过它了解设备的状态，并对设备设置操作方式。
◆ 设备状态寄存器又叫设备状态字（DSW）是设备所有状态的集合，每种状态均用一个触发器来表示。

程序控制I/O方式特点：何时对何设备进行输入输出操作完全受CPU控制，
外围设备与CPU处于异步工作关系，数据的输入/输出都要经过CPU。

③优缺点及应用场景

1️⃣优点
计算机和外设之间能够同步，控制简单，硬件简单。

2️⃣缺点
CPU的大量时间用来查询外设的状态。

3️⃣适用场景
适用于结构简单，只需少量硬件的电路。

4.中断I/O方式

①简介

当外设准备好后，主动通知CPU并进行接收或输出数据的方法；
CPU接到外设的通知后暂停现行的工作，转入中断服务程序，和外设交换数据，
等中断程序处理完毕后，再返回到被中断的原程序中继续以前被暂停的工作。

②优缺点及应用场合

1️⃣优点
节约CPU时间，实时性好。

2️⃣缺点
控制电路相对复杂，服务开销较大（现场和断点的保护）。

3️⃣应用场合
实时性要求高，且数据传输量又不大的场合。

5.DMA方式

①简介

是一种完全由硬件执行的I/O交换方式。
当外设准备好后，通知DMA控制器，DMA控制器从CPU接管总线，并完成外
设和内存之间的大量数据传输；传输完成后DMA控制器将总线控制权交还给
CPU，整个数据交换的过程不需要CPU参与。

②优缺点及应用场合

1️⃣优点
既有中断的优点，同时又降低了服务开销。

2️⃣缺点
控制电路更加复杂。

3️⃣应用场合
高速、大批量数据传输。

6.通道和I/O处理机方式

①简介

在复杂的计算机系统中，外围设备的台数一般比较多，设备的种类、工作方式
和工作速度的差别很大，为了把对外围设备的管理工作从CPU中分离出来，采
用通道或I/O处理机方式。

②通道

通道是能够专门执行I/O指令的处理机，它可以实现对外围设备的统一管理，
以及外设与主存之间的数据传输。

③I/O处理机

I/O处理机是通道方式的进一步发展，它的结构更接近于一般处理机。

④优缺点及应用场合

1️⃣优点
一个通道可以控制多台外设，且与CPU并行工作时间最长。

2️⃣缺点
价格较高，不宜过多使用。

3️⃣应用场合
适用于以字节为单位的干预，同时实现CPU、通道和I/O设备三者并行操作的场合。

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